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Die Sonne, der Motor von allem
Woher die Energie des Wetters kommt.
Sonnengeometrie, Zenitwinkel und Jahreszeiten
Die Sonne ist die Quelle fast der gesamten Energie des Erdsystems. Aber diese Energie kommt nicht überall gleich an: die Geometrie der Beleuchtung, bestimmt durch Bahn und Neigung der Erde, erklärt die Jahreszeiten und die großen Klimakontraste.
Der Zenitwinkel bestimmt die empfangene Energie
Der Zenitwinkel ist der Winkel zwischen der Richtung der Sonne und der Senkrechten des Ortes. Je höher die Sonne, kleiner Winkel, desto konzentrierter ihr Strahl; je tiefer sie steht, großer Winkel, desto mehr verteilt sich derselbe Strahl über eine große Fläche, und desto weniger Energie gibt es pro Quadratmeter. Die empfangene Energie nimmt wie der Kosinus dieses Winkels ab. Deshalb empfangen die Tropen, wo die Sonne hoch steigt, viel mehr Energie als die Pole, wo sie den Horizont streift.
Die Schiefe macht die Jahreszeiten
Die Rotationsachse der Erde ist etwa 23,5° gegenüber der Bahnebene geneigt: das ist die Schiefe. Diese Neigung, und nicht die Entfernung zur Sonne, macht die Jahreszeiten. Im Sommer ist die Halbkugel zur Sonne geneigt, die höher steigt, kleinerer Zenitwinkel, und länger scheint. Die Sonnenwenden markieren die extremen Tage, die Tagundnachtgleichen die Tage, an denen die Tageslänge der Nacht gleicht. Kontraintuitiv ist die Erde der Sonne am nächsten, im Perihel, Anfang Januar, mitten im borealen Winter.
Tageslänge und tägliche Energie
Die an einem Tag empfangene Energie kombiniert die momentane Intensität und die Sonnenscheindauer. In hohen Breiten im Sommer wird die schwache Intensität durch sehr lange Tage ausgeglichen, manchmal die Mitternachtssonne; im Winter summieren sich schwache Intensität und kurze Tage zu einem deutlichen Defizit.
💡 Die Jahreszeiten kommen von der Achsneigung, nicht von der Entfernung: die Erde ist im borealen Winter der Sonne sogar am nächsten.
Strahlung: Solarkonstante, Spektrum und Streuung
Sonnenstrahlung ist nicht nur eine Wärmemenge: sie ist ein Energiespektrum, das die Atmosphäre filtert und umverteilt, bevor es den Boden erreicht.
Die Solarkonstante
An der Oberkante der Atmosphäre beträgt die senkrecht empfangene Sonnenleistung im Mittel 1361 W/m²: das ist die Solarkonstante. Aber die Sonne beleuchtet nur eine Scheibe, während die Erde eine Kugel mit der vierfachen Fläche ist; verteilt über die ganze Kugel bleiben nur noch etwa 342 W/m² im Mittel. Sie variiert leicht, etwa 0,1 %, im Verlauf des rund elfjährigen Sonnenzyklus.
Das Spektrum und seine Abschwächung
Das Sonnenspektrum hat sein Maximum im sichtbaren Licht. Beim Durchqueren der Atmosphäre wird es durch Absorption abgeschwächt, das Ultraviolett durch das Ozon und das Infrarot durch den Wasserdampf, und durch Streuung. Die Rayleigh-Streuung, umso stärker, je kürzer die Wellenlänge, sie variiert wie das Inverse der Wellenlänge hoch vier, verteilt das Blau über den ganzen Himmel und rötet die untergehende Sonne.
Direkt, diffus und Messung am Boden
Die den Boden erreichende Strahlung teilt sich in Direktstrahlung, in gerader Linie von der Sonne, und Diffusstrahlung, durch Luft und Wolken umverteilt. Bei bedecktem Himmel wird fast alles diffus. Man misst diese Globalstrahlung mit einem Pyranometer; sie hängt stark von den Wolken und den Aerosolen ab, den schwebenden Teilchen, die die sogenannte Trübung der Luft bestimmen.
💡 Die Rayleigh-Streuung erklärt zugleich den blauen Himmel am Tag und die roten Sonnenuntergänge.
Energiebilanz der Oberfläche und Tagesgang
Nicht die Sonne erwärmt die Luft direkt, sondern der beleuchtete Boden, der die Energie umverteilt. Die Energiebilanz der Oberfläche steuert den täglichen Temperaturzyklus.
Die Oberflächenflüsse
Die am Boden verfügbare Nettostrahlung verteilt sich auf drei Flüsse: die fühlbare Wärme, die die Luft bei Kontakt erwärmt; die latente Wärme, verbunden mit der Verdunstung von Wasser; und den in den Boden geleiteten Fluss. Das Bowen-Verhältnis, das Verhältnis von fühlbarer zu latenter Wärme, unterscheidet eine trockene Wüste, hohes Bowen und wenig Verdunstung, von einer feuchten Oberfläche, niedriges Bowen.
Die Phasenverschiebung: warum das Maximum am Nachmittag liegt
Die Höchsttemperatur wird nicht am Sonnenmittag erreicht, sondern zwei bis drei Stunden später. Solange die Strahlungsbilanz positiv bleibt, sammelt der Boden weiter Energie und erwärmt die Luft; das ist die thermische Trägheit. Ebenso tritt das Minimum kurz vor Sonnenaufgang ein, am Ende der nächtlichen Abkühlung.
Nächtliche Inversionen, Frost und Nebel
Bei klarer und ruhiger Nacht verliert der Boden seine Energie durch Infrarotstrahlung und kühlt schnell ab. Die Luft an seinem Kontakt wird dann kälter als die Luft darüber: das ist eine Bodeninversion, günstig für Tau, Reif und Nebel. Wind und Wolken verhindern sie, indem sie die Luft durchmischen und das Infrarot zurückstrahlen.
💡 Diese thermische Phasenverschiebung erklärt, dass der wärmste Moment der Nachmittag ist, nicht das Sonnenmittag.
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