Energiehaushalt der Erde Thomas Krutzler, Philipp Petti

Energiegewinne der Erde 99,98% Sonne Restliche 0,02% durch Radioaktive Zerfälle Nutzung von fossilen und nuklearen Energieträgern Gezeitenreibung

Strahlungsbilanz der Erde System Erde Gewinne = Globalstr. - Reflexionsstr. Verluste = Abstrahlung Gesamtbilanz = Gewinne – Verluste Globalstr. – Reflexionsstr. – Abstrahlung

Sonne – Proton-Proton-Reaktion Fusion von 2 H-Atomen zu Deuterium (Tunneleffekt) Entstehung von Helium unter Abgabe eines γ-Quants Fusion zu 4He unter Abgabe von 2 H-Atomen

Schwarzkörper Strahler vollständige Absorption elektromagn. Strahlung Hohlraumstrahler Thermisches Gleichgewicht  Abstrahlung = Absorption Theoretische Beschreibung durch Planck (1900) Spektrale Leistungsdichte eines schwarzen Körpers (Planck‘sches Strahlungsgesetz)

Temperatur der Sonne Wien‘sches Verschiebungsgesetz Wellenlänge Sonne: λmax~500 nm Strahlungstemperatur: T~5800 K

Solarkonstante - Herleitung Strahlungstemperatur der Sonne: T~5800 K Radius der Sonne: RS~696∙106 m Strahlungsleistung der Sonne (Stefan-Boltzmann-Gesetz) Abstand Sonne-Erde: 147099∙106 m (MIN) 152100∙106 m (MAX)

Vergleich Primärenergieverbrauch – Energie der Sonne Primärenergieverbrauch: 532,4 ∙1018 J (2011) Leistung: 16,9∙1012 W Benötigte Fläche: 1,23∙1010 m² ~110 km x 110 km Annahme: Wirkungsgrad der PV-Module 10% Aufstellung in Äquator-Nähe Tatsächlich benötigte Fläche: ~ 350 km x 350 km

Die Atmosphäre der Erde Lufthülle der Erde, die von Gasen gebildet Schutz gesundheitsschädlicher Strahlung, z. B. vor der ultravioletten (UV) Strahlung

Streuung in der Atmosphäre 1) Streuung an Zentren, die klein sind verglichen mit der Wellenlänge des Lichts :   Rayleigh-Streuung Beispiel: Streuung sichtbaren Lichts an Luftmolekülen N2, O2. 2) Streuung an Zentren, deren Radien nicht klein sind verglichen mit der Wellenlänge des Lichts Mie-Streuung   Beispiel: Streuung sichtbaren Lichts an Wolken- und Nebeltröpfchen, Aerosolen

Himmelsblau Himmelsblau durch Streuung des Sonnenlichts an den Molekülen der Erdatmosphäre Blaues Licht wird etwa 4.5-mal stärker gestreut als das rote Licht Die Sonne am Horizont ist rot, da das Licht einen längeren Weg zurücklegt und mehr Blauanteile durch Reflektion verliert Je nach Winkel zur Sonne ist das Streulicht unterschiedlich stark polarisiert

Grafik zur Sonnenstrahlung

Absorption des Lichtes an Gasen Moleküle besitzen für elektromagnetische Wellen einen Absorptionskoeffizienten Der Absorptionskoeffizienten ist wellenlängenabhängig Die absorbierten Lichtwellen erzeugen in den Gasmolekülen: Rotation, Schwingung => Wärme angeregte Zustände => Lichtwellen

Rotation eines zweiatomigen Moleküls Für niedrige Rotationsquantenzahlen (J) (Molekül rotiert nicht so schnell, dass der Kernabstand merklich steigt) kann man das Molekül als starr betrachten Bewegungsfreiheit des Molekülschwerpunktes in jeder Koordinatenachsenrichtung = ein Freiheitsgrad Quantisierung des Drehimpulses:

Das zweiatomige Sauerstoffmolekül Absorption eines Lichtquants führt zu Quantenzahl n = 1 E des Lichtquants muss Differenz zwischen n=0 & n=1 entsprechen

Molekülschwingungen In der Luft bei Normalbedingungen eingefroren Die Atomkerne eines Moleküls geraten aus Gleichgewichtslage Dies führt zu harmonischen Schwingungen innerhalb des Moleküls

Normalschwingungen Kleine Auslenkung der Kerne Alle Kerne des Moleküls gehen gleichzeitig durch die Ruhelage Lassen sich durch den durch den harmonischen Oszillator nähern

Molekülschwingungen

Treibhausgase Treibhausgase lassen kurzwellige Strahlung weitgehend ungehindert durch Absorbieren einen Großteil der von der Erde ausgestrahlten Infrarotstrahlung Dadurch erwärmen sie sich und emittieren selbst Strahlung im längerwelligen Bereich

Natürlicher Treibhauseffekt Wasserdampf (H2O) mit 36 bis 66 % Kohlendioxid (CO2) mit 9 bis 26 % Methan mit 4 bis 9 % Führt dazu, dass die Durchschnittstemperatur der Erde bei +14 °C liegt. Ohne natürlichen Treibhauseffekt läge sie bei -18 °C  

Anthropogener Treibhauseffekt Kohlendioxid (CO 2 ): Jähliche Emission: 25 Mrd. Tonnen Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs): 1 Mio. Tonnen. 18.000 mal schädlicher als CO 2. Ozonloch: mehr vom UV-B-Anteil der Sonnenstrahlung gelangt zum Erdboden durch.

Die Entstehung von Wind Ursache: Unterschied im Luftdruck zwischen Luftmassen Bewegung vom Hochdruck zum Tiefdruckgebiet, bis zum Ausgleich Wind ist einen Massenstrom Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik wird eine Gleichverteilung der Teilchen im Raum und damit eine maximale Entropie anstrebt

Literatur Energiegewinne der Erde: http://de.wikipedia.org/wiki/Erde#Globaler_Energiehaushalt Proton-Proton-Reaktion: http://de.wikipedia.org/wiki/Proton-Proton-Reaktion Schwarzkörper-Strahler: http://de.wikipedia.org/wiki/Schwarzer_K%C3%B6rper Wien‘sches Verschiebungsgesetz: http://de.wikipedia.org/wiki/Wiensches_Verschiebungsgesetz Solarkonstante und Vergleich Primärenergieverbrauch: http://www2.physik.uni-greifswald.de/~pompe/UP-VORLESUNG/up-waerme-strahlung.pdf Strahlungsbilanz der Erde: http://de.wikipedia.org/wiki/Strahlungshaushalt_der_Erde

Literatur http://www.physik.uni-regensburg.de/forschung/wegscheider/gebhardt_files/skripten/Strahlungsbilanz.Wolf.pdf http://de.wikipedia.org/wiki/Wind http://www.m-forkel.de/klima/atmosphaere.html http://www.geographie.uni-muenchen.de/internetvorlesung/Einfuehrung/grundlagen_atmosphaere.htm#1.%20Rayleigh-Streuung http://de.wikipedia.org/wiki/Rayleigh-Streuung http://de.wikipedia.org/wiki/Himmel_%28planet%C3%A4r%29#Das_Himmelsblau http://homepages.uni-paderborn.de/wgs/Dlehre/Physik_des_Treibhauseffekts.ppt.pdf