Sexl Physik 7, Schulbuch

Aufgrund des Stefan-Boltzmann’schen Gesetzes strahlt die gesamte Erdoberfläche 4 π R E 2 Temperaturstrahlung mit der mittleren Erdtemperatur T E ab. Es gilt daher: 4 π R E 2 · σ T E 4 = π R E 2 · 1 000W/m 2 . Daraus ergibt sich T E = 258 K = −15 °C . Damit wäre die Erde ein zu Eis erstarrter Pla- net. Im Gegensatz zum errechneten Wert hat unsere Erde eine mittlere Temperatur von +15 °C . Der Grund ist, dass wir in unserer Abschätzung einen wichtigen Faktor nicht berücksichtigt haben: die Atmosphäre der Erde und den natürlichen Treib- hauseffekt. 1.2 Der Treibhauseffekt Die Erde erhält ihre Energie von der Sonne in Form eines breiten Spektrums elekt- romagnetischer Strahlung. Wie die Grafik 75.4 zeigt, wird ein Teil der Energie von der Atmosphäre ins Weltall reflektiert, ein Teil wird von der Atmosphäre ab- sorbiert, ein Teil gelangt zur Erdoberfläche und wird dort absorbiert oder (von Wasser- und Eisflächen) reflektiert. Die absorbierte Energie wird von der Erde in Form von Infrarotstrahlung wieder emittiert und trifft wieder auf die Atmosphäre. Diese enthält Gase, insbesondere Wasserdampf und CO 2 , die das von der Erde emit- tierte Infrarot praktisch vollständig absorbieren, ähnlich wie das Glasdach eines Treibhauses. Wie die Erde gibt auch die Atmosphäre diese Strahlung in Form von Wärmestrahlung (Infrarot) wieder ab. Die Gasmoleküle der Atmosphäre emittieren die Strahlung aber nun in alle Richtungen: Die Hälfte wird in den Weltraum abge- strahlt, die andere Hälfte wieder zur Erde. Dieser Betrag kommt nun zur durchge- lassenen Strahlung hinzu und bewirkt eine Erwärmung der Erde. Da der Ener- giestrom im Kreis zwischen Atmosphäre und Erde läuft, bleibt die dadurch verursachte Erwärmung der Erde konstant. Man bezeichnet diesen Effekt als na- türlichen Treibhauseffekt . Der Treibhauseffekt besteht seit vielen Milliarden Jah- ren. Ohne den Treibhauseffekt wäre Leben auf der Erde nicht möglich. Untersuche, überlege, forsche: Klimadaten 75.1 W 2 Die NASA erfasst über Satelliten globale Messwerte zu Temperatur, Wasser- dampf, Niederschlägen, Vegetation usw. und deren Wechsel über die Jahreszeiten hinweg. Was sagen uns diese Grafiken über den Klimawandel? (Entsprechende Links dazu findest du unter physikplus.oebv.at. ) einfallende Sonnen- energie von der Atmosphäre reflektiert abgestrahlte Wärme von der Erdober- fläche reflektiert zur Erde zurück- gestrahlt Atmosphäre 75.4 Der Strahlungshaushalt der Erde. Die Erde strahlt etwa 30% der einfallenden Strahlung wieder ins Weltall zurück (Wolken, Eisflächen, Meeresflächen). Etwa 20% der einfallenden Energie werden von der Atmosphäre absorbiert und als Infrarot- Strahlung (IR) wieder emittiert, der Rest fällt als sichtba- res Licht auf den Erdboden, davon wird ein geringer Teil reflektiert, der Rest absorbiert und als IR Strahlung wieder emittiert. Diese IR Strahlung wird von der Atmosphäre absorbiert und zur Hälfte wie- der Richtung Erde zurückgestrahlt. Berechnet man aus diesen Daten die Temperatur der Erde, ergeben sich 33 °C. Tatsächlich ist die Temperatur etwas geringer, da ein Teil der Energie die Verdunstung von Wasser und Konvektionsströme in der Atmosphäre bewirkt. Kohlenstoffdioxid (CO ) Methan (CH ) Distickstoffmonoxid (N O) 2 4 2 400 350 300 250 CO (ppm), N O (ppb) 2 2 0 500 1000 1500 2000 Jahr 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 CH (ppb) 4 75.1 Verlauf der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre. Bis zur industriellen Revo- lution schwankte die Konzentration zwischen 180 und 280ppm (parts per million). Innerhalb der letzten 200 Jahre ist die Konzentration auf 405ppm (2017) gestiegen. Bis zum Ende des 21. Jahrhunderts könnten Konzentrationen über 650 ppm erreicht werden. Prognostiziert wird auch ein starker Anstieg der Treibhaus- gase Methan und N 2 O. (Quelle: IPCC 2014) -1 0 1 W/m² Kohlenstoffdioxid Methan Fluorchlor- kohlenwasserstoffe Distickstoffmonoxid Ozon Ruß reflektierende Aerosole veränderte Wolkentröpfchen veränderte Landabdeckung Sonne Treibhausgase Aerosole Ursache des Forcings 75.2 Klimawirksame Faktoren (Forcings) Natürliche Forcings dominieren: Kohlendioxid hat den größten Einfluss, aber Ruß, Ozon und Methan wirken gemeinsam ebenso stark. In der Tabelle nicht erwähnt ist hier ein weiterer wesentlicher Faktor, der Wasserdampf. 75.3 Der über ein Jahr gemittelte Temperatur- anstieg in Österreich beträgt seit 1960 etwa 1 o C, ist also höher als der globale Temperatur- anstieg. 75 | STRAHLUNGSHAUSHALT DER ERDE Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv