Big Bang 7, Schulbuch

Klimaänderung und erneuerbare Energie 32 RG 7.1 G 7.2 Strahlungshaushalt der Erde 47 32.4 Beinahe unerschöpflich Energie aus der Sonne Es gibt eine beinahe unerschöpfliche Energiequelle, die seit rund 4,6 Milliarden Jahren die Erde versorgt: die Sonne. Wenn wir die Sonnenenergie ausnützen, dann haben wir eine Chance, den Treibhauseffekt in der Zukunft zumindest einzudämmen. Der Weltenergiebedarf hat sich seit 1965 mehr als verdrei- facht und er steigt weiter. Der Großteil der Energie wird immer noch aus fossilen Brennstoffen gewonnen ( F15 ), und das verstärkt den anthropogenen Treibhauseffekt (siehe Kap. 32.3, S. 44). Nun gibt es aber eine nahezu uner- schöpfliche Energiequelle, die kein CO 2 produziert: die Sonne. Wie viel Energie strahlt sie auf die Erde? Außerhalb der Erd-Atmosphäre beträgt die Strahlungsleis- tung der Sonne bei senkrechter Einstrahlung im Mittel 1367W/m 2 . Das nennt man die Solarkonstante. Der Begriff ist nicht glücklich gewählt, weil eine vernünftige Konstante auch konstant sein sollte. Die Sonnenstrahlung, die die Erdatmosphäre erreicht, schwankt aber, weil sowohl der Abstand zwischen Erde und Sonne als auch die Sonnenakti- vität variieren (Abb. 32.18). Deshalb hat man Anfang der 1980er den oben genannten Durchschnittswert quasi verordnet. Für Überlegungen zum Strahlungshaushalt ist das Was versteht man unter dem Fotoeffekt (Kap. 33.3, S. 57)? Welche Bedeutung könnte er im Zusammen- hang mit Solarenergie haben? Was versteht man unter einem Halbleiter? Was versteht man unter Valenzelektronen (Kap. 34.5, S. 75)? Was versteht man unter dem Wirkungsgrad (Kap. 8.8, „Big Bang 5“)? In Abb. 32.17 siehst du die Entwicklung des Welt- energiebedarfs ab 1965. Welche wichtigen Aussagen kannst du dazu machen? Wie lange, denkst du, muss die Sonne scheinen, damit die auf die Erde gestrahlte Energie theoretisch dem Jahresbedarf der gesamten Menschheit entspricht? Was passiert mit dem Wasser in einem Garten- schlauch, der lange in der Sonne gelegen ist? Wie könnte man diesen Effekt nutzen? F14 W1 F15 E1 Abb. 32.17: Die Entwicklung des Weltenergiebedarfs: Die Angaben variieren je nach Quelle, aber es geht hier ums Prinzip. F16 E1 F17 E1 sehr sinnvoll, weil man nicht am Spitzenwert interessiert ist, sondern am Mittelwert. Mit diesem kann man recht einfach abschätzen, dass die auf die Erde gestrahlte Sonnenenergie den Weltenergiebedarf um ein Vielfaches übersteigt. Abb. 32.18: Strahlungsleistung der Sonne, gemessen mit dem Satelli- ten SOHO ( So lar and H eliospheric O bservatory): Die Schwankun- gen entstehen durch Änderungen der Entfernung und der Son- nenaktivität. Info: Jahresdosis Sonnenenergie Jahresdosis Sonnenenergie Wenn man zum Erdradius (6370 km) noch 80 km Atmosphäre rechnet, dann bestrahlt die Sonne eine Kreisscheibe mit einem Radius von 6450 km (Abb. 32.19). Das ergibt eine Fläche von r 2 π = (6,45 · 10 6 m) 2 · π = 1,31 · 10 14 m 2 . Wenn du mit der Solarkonstante multiplizierst, bekommst du die Joule pro Sekunde, die auf die Erde gestrahlt werden: 1,31 · 10 14 m 2 · 1367 J/sm 2 = 1,79 · 10 17 J/s Wenn du mit den Sekunden eines Jahres multiplizierst, dann bekommst du die Jahresdosis an Sonnenenergie: 1,79 · 10 17 J/s · 3,16 · 10 7 s = 5,64 · 10 24 J Das ist rund 13.000-mal mehr als der Weltenergiebedarf (Abb. 32.17)! Anders gesagt: Die Sonne liefert in 40 Minuten so viel Energie, wie die ganze Erdbevölkerung in einem Jahr benötigt ( F16 )! Natürlich ist das ein Bruttowert, der nicht genutzt werden kann. Du siehst aber, welches gigantische Energiepotenzial in den Sonnenstrahlen steckt. i Abb. 32.19: Abschätzung der Strahlungsenergie der Sonne: Die berech- nete Kreisfläche ist die 2-dimensionale Projektion der Erde. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv