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Strahlungsbilanz

Als Strahlungsbilanz bezeichnen wir das Gleichgewicht zwischen von der Sonne eingehender Energie und von der Erde abgestrahlter Energie. Die Energie kann direkt in den Weltraum zurückreflektiert werden, sei es von der Erdoberfläche selbst oder durch Wolken. Oder aber sie kann absorbiert und in Form von Wärmeenergie wieder reemittiert werden.
 

Wir werfen hier einen Blick auf die weltweite Strahlungsbilanz und ihren Einfluss auf das Weltklima. Insbesondere den menschlichen Einfluss auf diese Bilanz, heute und in der Zukunft, schauen wir uns an. Die Strahlungsbilanz können wir durch Satelliten messen, die die Strahlung von Sonne und Erde erfassen.
 

Ursprüngliche Energie von der Sonne

Schauen wir mit weltweitem Blick auf das 'Dach' der Atmosphäre, so muss die Energiebilanz der Erde im Gleichgewicht sein, damit die Erde sich nicht ständig weiter aufheizt oder abkühlt. Dies ist unabhängig davon, was darunter geschieht. Aber: Wenngleich das Klimasystem im Gleichgewicht ist, so ist dieses Gleichgewicht doch ein dynamisches, eines, das sich immer ändert.
Die durchschnittliche Energie, die auf die Erde trifft, beträgt 340 W/m². Einige Satelliten ermöglichen es, diesen ursprünglichen Energiebetrag zu messen. Sie befinden sich oberhalb der Atmosphäre und sind der Sonne zugewandt.

Albedo: von der Erde reflektierte Energie

Ein Teil des Sonnenlichtes, das die Erde erreicht, wird zurück in den Weltraum geworfen. Wir nennen diesen Anteil die Albedo der Erde. Bild 4a und 4b zeigen uns die durchschnittliche Albedo unseres Planeten in den Monaten Januar und August. Die globale durchschnittliche Albedo liegt bei etwa 0,3. Polare Zonen beispielsweise zeigen eine hohe Albedo, da Eis und Schnee das Licht stark reflektieren.

Der Anteil der Sonnenenergie, der nicht direkt reflektiert wird (70%, entsprechend etwa 240 W/m2) wird von der Erdoberfläche oder der Atmosphäre absorbiert. Dies führt zu einer Erwärmung der Erdoberfläche und einer Reemission von Infrarot-Strahlung (langwellige Wärmestrahlung). Diese Rückstrahlung wird teilweise von Gasen in der Atmosphäre (den Treibhausgasen) wieder aufgenommen, anstatt in den Weltraum zu verschwinden. Durch diesen natürlichen Treibhauseffekt ist die durchschnittliche Temperatur von 15°C auf unserem Planeten begründet.
Manche Regionen der Erde nehmen mehr Energie auf, als sie abstrahlen; sie sollten stetig wärmer und wärmer werden. Andere Regionen, für die die Strahlungsbilanz negativ ist, sollten ständig kälter werden. Dies geschieht aber nicht, da die Atmosphäre und die Ozeane ständig Wärme vom Äquator zu den Polen transportieren.

5. Globale jährliche Strahlungsbilanz in W/m². Quelle: LMD/ Scarab. Click to enlarge (22 K)!
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Wie kann sich die Strahlungsbilanz ändern?

Die Menge an Energie, die wir von der Sonne erhalten, kann variieren, z.B. weil sich die Stellung der Erdachse ändert. Die Unterschiede in den Jahreszeiten sind in den verschiedenen Breiten größer, wenn die Neigung stärker ist. Eine Änderung des Klimas durch astronomische Veränderungen beschreibt die Milankovitch-Theorie.
Die Menge an Energie, die reflektiert wird (Albedo), kann sich je nach Wolkenbedeckung oder Eigenschaften der Erdoberfläche ändern. Hierzu zählen Änderungen in der Bedeckung durch Eis, Ozeane oder Wälder. Ein kälteres Klima beispielsweise würde zu einer höheren Bedeckung mit Eis und Schnee führen, damit zu einer größeren Albedo, die wiederum die Temperatur weiter fallen ließe. Hier liegt eine sich selbst verstärkende Rückkopplung vor.
Die Menge an Energie, die von unserem Planeten festgehalten wird, ändert sich mit der Änderung des Treibhauseffektes.

Die Strahlungsbilanz kann sich ändern:

- Durch natürliche Veränderungen, weil die astronomischen Bedingungen variieren (1 in Bild 6)
- Weil die Albedo der Erde sich ändert (2), entweder durch natürliche Ursachen (Vulkanausbrüche bringen Aerosole in die Stratosphäre ein) oder durch menschliche Aktivität: Aerosolkonzentrationen und Wolkenbedeckung ändern sich oder aber die Albedo der Erdoberfläche (Änderungen in der von Eis, Wasser, Wüste oder Wald bedeckten Fläche).
- Durch menschliche Aktivität, die die Konzentration an Treibhausgasen in der Luft und die Wolkenbedeckung ändert und hierdurch beeinflusst, wie viel Wärme die Atmosphäre zurückhält oder freigibt. (3)

Die Strahlungsbilanz ist ein wichtiges Objekt der Klimaforschung. 240 W/m² an solarem Energiefluss erreichen die Erde und dieselbe Menge wird wieder ins Weltall zurückgesandt. Wird dieser Energiefluss um 4 W/m² erhöht, was in etwa einer Verdopplung des CO2-Anteils von 280 auf 560 ppm entspricht, so wird die Temperatur im weltweiten Mittel um 1 bis 4°C ansteigen. Die Berechnungen müssen darum sehr genau sein. Die komplexen Kontroll- und Rückkopplungsmechanismen zu verstehen und die Rolle zu begreifen, die der Mensch bei ihrer Veränderung hat, ist ein Schlüssel, das Klima der Zukunft vorherzusagen und es in einem lebensfreundlichen Zustand zu erhalten.

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Author: Justine Gourdeau, LAMP Clermont-ferrand, France.
Scientific reviewing: Dr. Maud Leriche, CNRS, LaMP, France and Dr. Frédéric Szczap, LaMP, France.
Übersetzung 2004 und letzte Überarbeitung 2007-09-04: Elmar Uherek - Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz