Sonnenstrahlung

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Sonnenstrahlung oberhalb und auf der Erdoberfläche.

Sonnenstrahlung oder Solarstrahlung ist die von der Sonne ausgesandte Strahlung. Das elektromagnetische Spektrum der Sonne hat die größte Intensität im Bereich des sichtbaren Lichts (Sonnenlicht). Abhängig von der Wellenlänge wird die Sonnenstrahlung von der Atmosphäre mehr oder weniger stark absorbiert. Die an der Erdoberfläche eintreffende Intensität hängt zudem stark vom Wetter und vom Sonnenstand ab.

Meist nicht zur Sonnenstrahlung gerechnet wird die neben der elektromagnetischen Strahlung von der Sonne ebenfalls emittierte massebehaftete Teilchenstrahlung. Diese besteht aus den geladenen Teilchen des Sonnenwinds und den Neutrinos, die bei der Kernfusion im Innern der Sonne entstehen.

Sonnenspektrum

Spektrale Intensität Sonnenstrahlung in doppelt-logarithmischer Auftragung.

Die elektromagnetische Strahlung der Sonne hat ihr Maximum bei 500 nm Wellenlänge (blau-grünes Licht), reicht aber von harter Röntgenstrahlung mit weniger als 0,1 nm bis zu langen Radiowellen. Das Spektrum ist von etwa 140 nm (UVC) bis etwa 10 cm (Mikrowelle) näherungsweise das eines Schwarzen Strahlers bei einer Temperatur von knapp 6000 K, der Temperatur der Photosphäre.

Im Bereich von naher Infrarotstrahlung (NIR) bis ins UV enthält das Spektrum eine Vielzahl von Absorptionslinien, die sogenannten Fraunhoferlinien. Sie entstehen durch Strahlungsabsorption in der Chromosphäre der Sonne.

Sonneneruptionen, deren Häufigkeit von der Sonnenaktivität abhängen, erhöhen die Strahlung im Röntgenbereich kurzfristig um mehrere Größenordnungen, tragen aber nur wenig zur Gesamtstrahlung bei. Oft werden sie von langwelliger Radiostrahlung begleitet (englisch Radio bursts), die abhängig vom Intensitätsverlauf als Typ I bis Typ V kategorisiert wird.

Radiostrahlung

Die ruhige Sonne strahlt im gesamten Radiofenster. Dort ist ihr Spektrum nicht mehr das eines schwarzen Körpers, sondern die effektive Temperatur steigt von ca. 6000 K bei 1 cm Wellenlänge auf 1.000.000 K bei 10 m an. Ebenfalls mit der Wellenlänge wächst der scheinbare Durchmesser der Sonne, die Strahlung wird zunehmend von der äußeren Atmosphäre dominiert. Es handelt sich um Synchrotronstrahlung schneller Elektronen, die um Magnetfeldlinien spiralen. Die wichtigsten Strahlungsanteile einer gestörten Sonne sind:

  • Langsame Strahlungsänderung proportional zur Sonnenfleckenanzahl, dazu auch Solarer Radioflussindex.
  • Rauschstürme (englisch Noise storms) oberhalb 100 MHz, Dauer mehrere Tage.
  • Strahlungsausbrüche (englisch Radio bursts) in Verbindung mit Flares und CME, Dauer Sekunden bis Tage. Sie werden unterteilt in Kategorien I bis V.

Solarkonstante

Hauptartikel: Solarkonstante

Die gesamte elektromagnetische Strahlungsleistung der Sonne wird durch die thermische Strahlung der Photosphäre dominiert, die um weniger als 0,1 % schwankt. Die auf die Erde fallende Leistung schwankt wegen der Exzentrizität der Erdbahn im Jahreslauf um knapp 7 %. Die mittlere Leistung pro Fläche wird Solarkonstante genannt. Sie beträgt

$ E_0 = 1{,}367\ \mathrm{kW / m^2} $.

Die bei der Kernfusion im Innern der Sonne entstehenden Neutrinos tragen 2 % der Fusionsleistung fort.

Dämpfung durch die Atmosphäre

Die spektrale Durchlässigkeit der Atmosphäre vom UV- bis in den IR-Bereich ohne den Einfluss von Wolken

Die Intensität der Sonnenstrahlung ist am Boden geringer als außerhalb der Atmosphäre, deren Absorption und Streuung stark wellenlängenabhängig ist: Der knapp die Hälfte der solaren Strahlung ausmachende visuelle Anteil erreicht bei klarem Wetter und hohem Sonnenstand zum größten Teil die Erdoberfläche. Die nicht sichtbare Strahlung ist ganz überwiegend nahe Infrarotstrahlung (NIR), von der etwa ein Viertel in der Atmosphäre absorbiert wird, hauptsächlich durch Wassermoleküle. Von der Ultraviolettstrahlung, welche weniger als 10 % der Strahlung ausmacht, dringt UVA weitgehend durch, hauptsächlich geschwächt durch Rayleigh-Streuung, die auch dafür verantwortlich ist, dass der Himmel blau ist und man im Halbschatten braun wird. UVB wird von der Ozonschicht stark absorbiert, UVC von Luftsauerstoff.

Die genaue Berechnung des Strahlungsflusses in Abhängigkeit von Sonnenstand und Höhe über dem Meeresspiegel ist schwierig. Näherungsweise berücksichtigt man lediglich die zu durchdringende Schichtdicke der Atmosphäre in Air Mass-Einheiten (Luftmasse) und die Sonnenscheindauer. Wolken vermindern die Direktstrahlung, Dunst erhöht die Diffusstrahlung. Diffusstrahlung und Direktstrahlung an einem Ort ergeben zusammen die Globalstrahlung.

Bestrahlungsstärke

Dämpfung der Sonnenstrahlung beim Weg durch die Atmosphäre: a) langer Weg, Verteilung der Strahlung über ein großes Gebiet (Polarregion), b) kurzer Weg, Verteilung über ein kleines Gebiet, Einfallswinkel von 90° am Äquator (Tropen)

Fällt die Sonnenstrahlung schräg ein, verteilt sie sich über eine größere Erdoberfläche, die Bestrahlungsstärke sinkt. Dieser Effekt verläuft mit dem Sinus des Höhenwinkels. Der Einfluss der Jahreszeiten in den Tropen ist kaum merklich, da der Sonnenstand dort um Mittag immer steil ist. Der Unterschied zwischen Sommer und Winter wirkt zu den Polen hin immer stärker.

In Mitteleuropa steht die sommerliche Mittagssonne 60° bis 65° hoch und strahlt bei idealen Wetterbedingungen mit einer Bestrahlungsstärke von etwa 700 Watt/Quadratmeter. Im Winter sind es nur 13° bis 18° und selbst zu Mittag nur etwa 247 Watt/Quadratmeter.

Die Erwärmung der Erdoberfläche hängt von der Dauer des hellen Tages ab. Ende Juni beträgt die Dauer in Mitteleuropa etwa 16 Stunden, im Dezember acht Stunden. Das Verhältnis der gesamten eingestrahlten Sonnenenergie beträgt zwischen diesen Monaten etwa 5:1 bis 10:1, wird aber durch Wärmespeicherung vor allem durch die Meere gemildert (Seeklima).

Messung

Die Messung der Sonnenstrahlung erfolgt über Pyranometer, Pyrheliometer oder Sonnenscheinautographen. Letztere werden vor allem zur Bestimmung der Sonnenscheindauer benutzt. Die Solarkonstante wird hingegen über Radiometer gemessen.

Strahlungsbilanz

Die Temperatur der Erdoberfläche wird global von der Strahlungsbilanz, dem Strahlungshaushalt bestimmt, damit wird das Zusammenwirken von Absorption und Reflexion sowie Re-Emission und Streuung erfasst.

Siehe auch

  • Strahlenbüschel

Weblinks

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