Atmosphärische Strahlung und Energiebilanz
Wie sich solare und terrestrische Strahlung in der Atmosphäre ausbreitet, von ihr absorbiert und emittiert wird und in ihr gestreut wird, wodurch die planetare Energiebilanz der Erde bestimmt wird.
Definition
Atmosphärische Strahlung und Energiebilanz ist die Untersuchung der elektromagnetischen Strahlung in der Atmosphäre und der daraus resultierenden Energieflüsse, die die Temperaturstruktur des Erde-Atmosphäre-Systems bestimmen.
Scope
Dieser Bereich umfasst die Übertragung von kurzwelliger (solarer) und langwelliger (terrestrischer) Strahlung durch die Atmosphäre, die Absorption und Emission von Strahlung durch Gase, Wolken und Aerosole, die Aufteilung der einfallenden Sonnenenergie auf Reflexion, Absorption und Oberflächenerwärmung sowie die langwellige Rückhaltung, die den Treibhauseffekt erzeugt. Er verknüpft die Mikrophysik der molekularen und Partikelwechselwirkungen mit Strahlung mit dem makroskopischen Energiebudget an der Obergrenze der Atmosphäre, das das Klima antreibt.
Sub-topics
Core questions
- Wie wird Sonnenstrahlung beim Durchgang durch die Atmosphäre absorbiert, gestreut und reflektiert?
- Was steuert die Emission langwelliger Strahlung ins All und zurück zur Oberfläche?
- Warum ist die Erdoberfläche wärmer, als es ihre Strahlungsgleichgewichtstemperatur vorhersagen würde?
- Wie stören kleine Änderungen in der atmosphärischen Zusammensetzung die planetare Energiebilanz?
Key theories
- Strahlungstransporttheorie
- Eine formale Beschreibung, mittels der Strahlungstransportgleichung, wie sich die Strahlungsintensität entlang eines Pfades durch ein absorbierendes, emittierendes und streuendes Medium ändert; die Grundlage für alle quantitativen atmosphärischen Strahlungsberechnungen.
- Planetare Energiebilanz
- Das Prinzip, dass im Gleichgewicht die absorbierte Sonnenstrahlung der ausgehenden langwelligen Strahlung entspricht, sodass der Nettofluss an der Obergrenze der Atmosphäre die globale Mitteltemperatur begrenzt.
Mechanisms
Die einfallende Sonnenstrahlung erreicht ihren Höhepunkt im sichtbaren Bereich; etwa 30 % werden reflektiert (planetare Albedo) und der Rest wird von der Oberfläche und der Atmosphäre absorbiert. Die erwärmte Oberfläche und Atmosphäre emittieren langwellige Strahlung gemäß dem Planckschen Gesetz, modifiziert durch den Emissionsgrad; Treibhausgase absorbieren und re-emittieren diese langwellige Strahlung, wodurch der Nettoverlust ins All reduziert und die Oberflächentemperatur erhöht wird. Die Bilanz wird durch die Strahlungstransportgleichung beschrieben, die die Beer-Lambert-Absorption mit thermischer Emission und Streuquellen-Termen kombiniert.
Clinical relevance
Die Quantifizierung der Strahlungsflüsse ist die Grundlage für Klimamodellierungen, Fernerkundungsmessungen von Temperatur und Zusammensetzung, die Bewertung von Solarenergiequellen und die Definition des Strahlungsantriebs, der in klimapolitischen Bewertungen verwendet wird.
History
Die strahlungsbedingte Grundlage der atmosphärischen Erwärmung wurde von Joseph Fourier skizziert und durch John Tyndalls Messungen der Gasabsorption und Svante Arrhenius' Berechnung des Kohlendioxids von 1896 quantifiziert. Chandrasekhar formalisierte die Strahlungstransporttheorie Mitte des 20. Jahrhunderts, und Satellitenmessungen seit den 1980er Jahren haben das Energiebudget der Erde auf wenige Watt pro Quadratmeter eingegrenzt.
Key figures
- Svante Arrhenius
- Subrahmanyan Chandrasekhar
- Kevin Trenberth
Related topics
Seminal works
- trenberth2009
- liou2002
- wallaceHobbs2006
Frequently asked questions
- Was ist der Unterschied zwischen kurzwelliger und langwelliger Strahlung?
- Kurzwellige Strahlung ist die von der Erde empfangene Sonnenenergie, konzentriert in sichtbaren und nahinfraroten Wellenlängen; langwellige Strahlung ist die thermische Infrarotstrahlung, die von der kühleren Erde und Atmosphäre emittiert wird. Die Atmosphäre ist weitgehend transparent für Kurzwellen, absorbiert aber Langwellen stark.
- Warum ist die Erde wärmer, als eine einfache Strahlungsbilanz vorhersagt?
- Treibhausgase absorbieren die ausgehende langwellige Strahlung und emittieren einen Teil davon zurück zur Oberfläche, sodass die Oberfläche wärmer sein muss als die effektive Strahlungstemperatur des Planeten, um die Energiebilanz auszugleichen.