Sonnenstrahlung

Intensität der Sonnenstrahlung beiAM0 (erdnaher Weltraum) und AM1,5 (etwa zumSonnenhöchststandin Wien) im Vergleich zur Emission eines idealen Schwarzen Körpers bei einer Temperatur von 5900 K.

SonnenstrahlungoderSolarstrahlungist die von derSonneausgesandteStrahlung,die auf verschiedene physikalische Effekte zurückgeht. Der Teil deselektromagnetischen Spektrumsder Sonne, der durch die Wärmeabstrahlung der heißen Sonnenoberfläche produziert wird, hat die größte Intensität im Bereich des sichtbarenLichts(Sonnenlicht). Abhängig von derWellenlängewird die Sonnenstrahlung von derAtmosphäremehr oder weniger stark absorbiert. Die an derErdoberflächeeintreffende Intensität hängt zudem stark vomWetterund vomSonnenstandab.

Neben derelektromagnetischen Strahlungwird von der Sonne auch massebehafteteTeilchenstrahlungemittiert, die aber meist nicht zur Sonnenstrahlung gerechnet wird. Sie besteht aus den geladenen Teilchen desSonnenwindsund denNeutrinos,die bei derKernfusionund Folgereaktionen im Innern der Sonne entstehen.

Sonnenspektrum

SpektraleIntensitätSonnenstrahlung indoppelt-logarithmischer Auftragung.

Das Spektrum derelektromagnetischen Strahlungder Sonne hat ihr Maximum bei etwa 500 nmWellenlänge(blau-grünesLicht), reicht aber von harterRöntgenstrahlungmit weniger als 0,1 nm bis zu langenRadiowellen.Das kontinuierlicheSpektrumist von etwa 140 nm (UVC) bis etwa 10 cm (Mikrowelle) näherungsweise das einesSchwarzen Strahlersmit einer Temperatur von knapp 6000 K, was der Temperatur derPhotosphäreentspricht. Dieses Lichtspektrum unterteilt sich mit den Grenzen unserer Augenwahrnehmung in Ultraviolettes Licht (UV: 100–380 nm), sichtbares Licht (VIS (engl.: visible): 380–780 nm) und Infrarotes Licht (IR: 780 nm – 1 mm).

Im Bereich von naherInfrarotstrahlung(NIR) bis ins UV enthält das Spektrum eine Vielzahl vonAbsorptionslinien,die sogenanntenFraunhoferlinien.Sie entstehen durch Strahlungsabsorption in der Photosphäre der Sonne.

Sonneneruptionen,deren Häufigkeit von derSonnenaktivitätabhängt, erhöhen die Strahlung im Röntgenbereich kurzfristig um mehrere Größenordnungen, tragen aber nur wenig zur Gesamtstrahlung bei. Oft werden sie von langwelliger Radiostrahlung begleitet (englischRadio bursts), die abhängig vom Intensitätsverlauf alsTyp IbisTyp Vkategorisiert wird.

Radiostrahlung

Die ruhige Sonne strahlt nicht nur im Lichtbereich, sondern im gesamtenRadiofenster.Dort ist ihr Spektrum nicht mehr das einesschwarzen Körpers,vielmehr steigt die effektive Temperatur 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. Bei der ruhigen Sonne handelt es sich um thermischeBremsstrahlungfreier Elektronen. Die wichtigsten Strahlungsanteile einer gestörten Sonne sind:

• Langsame Strahlungsänderung proportional zur Sonnenfleckenanzahl, dazu auchSolarer Radioflussindex.
• Rauschstürme oberhalb 100 MHz, Dauer mehrere Tage.
• Strahlungsausbrüche oft in Verbindung mitFlaresundCME,Dauer Sekunden bis Tage. Sie werden unterteilt in KategorienIbisVin Meter- und Dezimeterwellen und Mikrowellenbursts in Zentimeterwellen,Synchrotronstrahlung,supra-thermischer Elektronen, die um Magnetfeldlinien spiralen.

Sonneneinstrahlung auf die Erde

Siehe auch:Insolation (Physik)

Solarkonstante

→Hauptartikel:Solarkonstante

Die bei derKernfusionim Innern der Sonne entstehenden Neutrinos tragen 2 % der Fusionsleistung fort. Die gesamte elektromagnetischeStrahlungsleistungder 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 derErdbahnim Jahreslauf um knapp 7 %. Die mittlere Leistung pro Fläche wird Solarkonstante genannt. Sie wird außerhalb der Erdatmosphäre betrachtet und beträgt

$E_{0}=1361\ \mathrm {W/m^{2}}$.

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, derenAbsorptionundStreuungstark wellenlängenabhängig ist: Der vom menschlichen Auge wahrnehmbare Anteil, welcher knapp die Hälfte der solaren Strahlung ausmacht, erreicht bei klarem Wetter und hohemSonnenstandzum größten Teil die Erdoberfläche. Die nicht sichtbare Strahlung ist ganz überwiegend naheInfrarotstrahlung(NIR), die ca. 46 % der Strahlungsleistung ausmachtund zu etwa einem Viertel in der Atmosphäre absorbiert wird, hauptsächlich durch Wassermoleküle. Von derUltraviolettstrahlung,welche weniger als 10 % der Strahlung ausmacht, dringt UVA weitgehend durch, hauptsächlich geschwächt durchRayleigh-Streuung,die auch dafür verantwortlich ist, dass derHimmelblau ist und man im Halbschatten braun wird. UVB wird von derOzonschichtstark 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 inAir Mass-Einheiten (Luftmasse) und dieSonnenscheindauer.Wolkenvermindern dieDirektstrahlung,Dunsterhöht dieDiffusstrahlung.Diffusstrahlung und Direktstrahlung an einem Ort ergeben zusammen dieGlobalstrahlung.

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, dieBestrahlungsstärkesinkt. Dieser Effekt verläuft mit demSinusdesHöhenwinkels.Der Einfluss derJahreszeitenin den Tropen ist kaum merklich. Da der Sonnenstand dort am Mittag immer steil ist, herrscht einTageszeitenklima.Außerhalb derWendekreisebesteht ein polwärts zunehmender Unterschied zwischenSommerundWinterund zwar sowohl durch den Einstrahlungswinkel als auch durch die polwärts immer größeren Unterschiede bei denTageslängen.

InMitteleuropasteht die sommerliche Mittagssonne 60° bis 65° hoch und strahlt bei idealen wolkenfreien Wetterbedingungen mit einer Direktstrahlungsstärke in der Regel von etwa 700–900 W/m². Im Winter sind es nur 13° bis 18° und bei kalter trockener Luft können zu Mittag durchaus auch Werte über 800 W/m² erreicht werden. Die Sonnenscheindauer wird für Einstrahlzeiten gezählt, in denen die Direktstrahlung Werte von über 150 W/m² erreicht und der Schattenwurf anfängt Kontrast zu zeigen.

Die Erwärmung der Erdoberfläche hängt von derDauer des hellen Tagesab. Ende Juni beträgt die Dauer in Mitteleuropa etwa 16 Stunden, im Dezember 8 Stunden. Das Verhältnis der gesamten eingestrahlten Sonnenenergie beträgt zwischen diesen Monaten etwa 5:1 bis 10:1, wird aber durchWärmespeicherungvor allem durch dieMeeregemildert (Seeklima). Im Gegenzug strahlt die Erdoberfläche Wärme(strahlung) ab, Tag und Nacht. In den längeren Nächten im Dezember länger als in den kürzeren Nächten Ende Juni, was ebenso die gesamte resultierende Erwärmung oder Abkühlung der Erdoberfläche beeinflusst.

Beim Mikroklimahängt die Bestrahlungsstärke sowohl vom Einstrahlungswinkel ab als auch von derSonnenexposition.

Strahlungsbilanz

→Hauptartikel:Strahlungsbilanz

Sonnenlicht,Strahlenbüschelund Wolken auf den Seychellen

DieTemperaturder Erdoberfläche wird global von der Strahlungsbilanz, demStrahlungshaushaltbestimmt. Damit wird das Zusammenwirken vonAbsorptionundReflexionsowie Reemission und Streuung erfasst.

Siehe auch:Strahlungshaushalt der Erde

Messung

Ein Pyranometer zur Sonnenstrahlungsmessung

Die Messung der Sonnenstrahlung erfolgt überPyranometer(parallel zum Boden platziert),Pyrheliometer(der Sonne nachgeführt) oderSonnenscheinautographen.Letztere sind in der modernen Messtechnik inzwischen veraltet und wurden vor allem zur Bestimmung derSonnenscheindauerbenutzt. Die Solarkonstante wird hingegen außerhalb der Atmosphäre überRadiometergemessen.

Siehe auch

• Strahlenbüschel

Literatur

• Muhammad Iqbal:An Introduction To Solar Radiation.Elsevier, 1983,ISBN 978-0-323-15181-8.

Weblinks

Commons:Sonnenstrahlung– Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Sonnenlicht– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Literatur von und über Sonnenstrahlungim Katalog derDeutschen Nationalbibliothek
• Detailliertes SonnenspektrumbeiAstronomy Picture of the Dayvom 27. Juni 2010.