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(7) Strahlung 1: Sonnenstrahlung Meteorologie und Klimaphysik Meteo 64.

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Präsentation zum Thema: "(7) Strahlung 1: Sonnenstrahlung Meteorologie und Klimaphysik Meteo 64."—  Präsentation transkript:

1 (7) Strahlung 1: Sonnenstrahlung Meteorologie und Klimaphysik Meteo 64

2 Winkel und Raumwinkel Radiant (rad) ist das Standard- Winkelmaß. Bei einem Kreis (mit Radius r) entspricht 1 rad einer Bogenlänge = r. Der gesamte Kreis-Umfang ist daher 2 π rad = rad. Steradiant (sr) ist das Standard- (SI) Maß für den Raumwinkel. Auf einer Kugel (mit Radius r) entspricht 1 sr einer Fläche = r 2. Die gesamte Kugel-Oberfläche ist daher 4 π sr = sr. Wiki Meteo 65

3 Raumwinkel auf der Erde (Simbabwe, Algerin + Libyen, Schweiz – oder Österreich). Wiki Meteo 66 Raumwinkel

4 Strahlungsgrößen Meteo 67 Unter Strahlung verstehen wir hier elektromagnetische Strahlung Vorsicht – Verwirrungsgefahr! Strahlungsenergie: Energie [J] Strahlungsfluss: Energie pro Zeit [J s –1 ] = [W] (also eine Leistung) Strahlungsflussdichte = Irradianz: Energie pro Zeit pro Fläche [J s –1 m –2 ] = [W m –2 ] Strahldichte = Radianz: Energie pro Zeit pro Fläche pro Raumwinkel [W m –2 sr –1 ] Spektrale Dichte der Strahldichte: Strahldichte bezogen auf die Wellenlänge [W m –2 sr –1 m –1 ] = [W m –3 sr –1 ] oder Strahldichte bezogen auf die Frequenz [W m –2 sr –1 Hz –1 ]

5 Plancksches Strahlungsgesetz Meteo 68 Nach dem Planckschen Strahlungsgesetz (Max Planck, 1900) ist die Energie, die ein schwarzer Körper (bei unpolarisierter Strahlung) pro Zeit, Fläche, Raumwinkel und Wellenlänge λ emittiert: c = Lichtgeschwindigkeit = m s –1 h = Plancksches Wirkungsquantum = ·10 –34 Js Damit kann das nach der letzten Folie nur sein – sehr richtig: Eine Spektrale Dichte der Strahldichte bezogen auf die Wellenlänge, also in [W m –2 sr –1 m –1 ], auch bekannt als Spektrale Radianz

6 Planck–Kurven Meteo 69 Strahlungskurven für unterschiedliche Temperaturen (links). Aufgrund der starken Abhängigkeit von λ häufig in logarithmischer Darstellung (oben). Quelle: wikimedia

7 Stefan–Boltzmann Gesetz Meteo 70 Wenn wir wissen wollen, wie viel Energie ein schwarzer Körper – z.B. die Sonnenoberfläche (!) pro Zeit- und Flächeneinheit ausstrahlt, müssen wir das Planck-Gesetz zweimal integrieren – einmal über den Halbraum (siehe pantomimische Darstellung des Vortragenden), und einmal über alle Wellenlängen (Übungsbeispiel für Mutige). Das Resultat war schon vorher als Stefan–Boltzmann Gesetz bekannt (nach Josef Stefan und Ludwig Boltzmann): σ = Stefan–Boltzmann Konstante σ = · 10 –8 W m –2 K –4 Auch die Stefan–Boltzmann Konstante kann damit auf fundamentalere Naturkonstanten zurückgeführt werden: Das Integral über den Halbraum ergibt übrigens genau π.

8 Solarkonstante Meteo 71 Wie viel Sonnenstrahlung kommt nun auf der Erde an? Betrachten wir eine punktförmige Strahlungsquelle, so folgt aus der Energieerhaltung, dass durch konzentrische Kugelflächen immer gleich viel Energie dringen muss (Tafelskizze). Die Strahlungsflussdichte, die in der mittleren Entfernung Erde – Sonne (= Astronomische Einheit) senkrecht auf einen Quadratmeter trifft (Tafelskizze), wird als Solarkonstante bezeichnet, sie hat den Wert: Dabei ist der Sonnenradius R Sonne = km (also ca. 0.7 Mio km), und die Astronomische Einheit r S–E = km (also ca. 150 Mio. km). S 0 ist allerdings nicht wirklich konstant (siehe VO Klimaveränderungen). Die effektive Strahlungstemperatur der Sonne beträgt 5776 K.

9 Änderungen der total solar irradiance (TSI = Solarkonstante) im Zuge des ~11-jährigen Sonnen-Aktivitäts-Zyklus (etwa 1 W/m 2 oder 1 ) sind relativ klein (NASA GISS). Man beachte das ausgeprägte letzte Minimum. Veränderliche Solarkonstante Meteo 72

10 Veränderliche UV-Strahlung Änderungen der solaren UV–Strahlung sind viel ausgeprägter (NASA). Meteo 73

11 Solarkonstante Meteo 74 Im Allgemeinen wird ein Quadratmeter auf der Erdoberfläche aber nicht senkrecht von der Sonne beschienen (Stichwort – Jahreszeiten). Mit dem Zenitwinkel der Sonne, θ, entfällt auf einen Quadratmeter nur S = S 0 cosθ (Lamberts Kosinusgesetz). Und nicht alle Strahlung kommt bis zum Boden: Bildquelle: W & K

12 Sonnenstrahlung am Boden Meteo 75 Außerhalb der Atmosphäre entspricht die Strahlungsflussdichte bzw. Irradianz der Sonne noch gut der eines schwarzen Körpers (Bild: R.A. Rhode). Ein Teil der Strahlung wird aber in der Atmosphäre gestreut und absorbiert (letzteres – ca. 20 % vor allem durch Ozon und Wasserdampf).

13 Albedo Meteo 76 Die Albedo bezeichnet den Anteil der Sonnen- Strahlung, der reflektiert wird. Die Albedo hängt von den Oberflächeneigenschaften des Materials ab. Besonders viel Strahlung reflektieren (dichte) Wolken und (frischer) Schnee. Die gesamte Erde reflektiert 31% der Sonnenstrahlung, also A = Die Erd- oberfläche absorbiert also nur ca. 50 % der Strahlung. Oberfläche Albedo Wolken % Neuschnee (3)75-95 % Gletscher20-45 % Meereis30-40 % Gestein (2)10-40 % Wälder (1) 5-20 % Wasser 5-10 % Planetare Albedo 31%

14 Albedo Meteo 77 Jahresmittel der top of the atmosphere (toa) Albedo (Raschke & Ohmura*)

15 Meteo 78 Jahresmittel der toa Netto-Kurzwellenstrahlung (Raschke & Ohmura*) Kurzwellen–Strahlung

16 Netto-Kurzwellenstrahlung = KW abwärts – KW aufwärts auf der Erdoberfläche. Hier gibt es schon einige Ähnlichkeiten mit dem Temperatur-Jahresgang. Meteo 79

17 Messung der Strahlung Meteo 80 Bei der Strahlungs- messung (Irradianzen) in eine Meteo Station unterscheidet man zwischen: Direkter Sonnen- strahlung (S), mittels Pyrheliometer Globalstrahlung (G) aus dem Halbraum, mittels Pyranometer, Himmelsstrahlung (H) mittels beschattetem Pyranometer. G = S cosθ + H Bildquelle: UF S G H

18 KSO ist einer der Plätze in Österreich mit größter Sonnenscheindauer (oberhalb der Hochnebels im berüchtigten Klagenfurter Becken (UF)) Strahlungsmessung – Kanzelhöhe Meteo 81


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