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Globalstrahlung

Globalstrahlung

Unter Globalstrahlung versteht man die Summe der an einem Ort eintreffenden Solarstrahlung. Sie setzt sich zusammen aus der auf direktem Weg eintreffenden Solarstrahlung, der Direktstrahlung und der Strahlung, die über Reflexion an Wolken, Wasser- und Staubteilchen die Erdoberfläche erreicht, die Diffusstrahlung. Gemessen wird die Globalstrahlung in der Einheit der Bestrahlungsstärke, Watt pro Quadratmeter (W/m²). Die Globalstrahlung erreicht bei wolkenlosem Himmel im Sommer in Mitteleuropa etwa 1000 W/m². Bei trübem, wolkigem Wetter besteht sie nur aus dem Diffusstrahlungsanteil und ihr Wert sinkt auf Werte unter 100 W/m². Ab einem Wert von 120 W/m² spricht man von Sonnenschein. Ein Globalstrahlungssensor oder Pyranometer misst den Momentanwert der Strahlung (ausgegeben meist in W/m²). Durch Summierung über bestimmte Zeiträume, beispielsweise Stunden, Tage oder Jahre, ergibt sich daraus ein Energieertrag, der in kWh/m² gemessen wird, und auf den aufsummierten Zeitraum bezogen sein kann. Tageserträge werden in kWh/(m² · d) angegeben; daraus lässt sich dann wieder eine mittlere Tageseinstrahlung in W/m² errechnen. In Deutschland liegt die eingestrahlte Sonnenenergie im Jahresmittel zwischen 900 und 1200 kWh pro m² und Jahr auf eine horizontale Fläche. Die Werte liegen dabei, abgesehen von Beeinflussungen durch lokale Wettergegebenheiten höher, je mehr man sich dem Äquator (siehe Ekliptik) nähert, also sind sie im Süden des Landes höher als im Norden. Auch die Höhe über dem Meeresspiegel, also die Dicke der Atmosphäre (Air Mass), die die Sonne durchdringen muss, beeinflusst diesen Wert.

Siehe auch

Albedo, Solarkonstante, Sonnenstrahlung

Weblinks

- [http://www.dwd.de/de/wir/Geschaeftsfelder/KlimaUmwelt/Leistungen/Klimakarten/Globalstrahlung/Globalstrahlungskarte_brd_beispiel.htm www.dwd.de] - Globalstrahlungskarte des DWD Kategorie:Solarenergie Kategorie:Meteorologie

Solarstrahlung

] Die Sonnenstrahlung oder Solarstrahlung ist die Strahlung der Sonne. Sie hat ihr Maximum im sichtbaren Licht, umfasst aber auch andere elektromagnetische Wellen von Röntgen- und UV-Strahlung bis zu Radiowellen. Als Sonnenlicht werden neben der Sonnenstrahlung bezeichnet:
- das sichtbare Licht (Lichtspektrum) der Sonne.
- die durch die Erdatmosphäre gefilterte Sonnenstrahlung. Je nach Ort und Zeit ist die Wahrnehmung der Sonnenstrahlung durch das Klima oder weitere Bedingungen beeinflusst. Erreicht das Licht ungehindert durch Wolken die Erdoberfläche, herrscht dort Sonnenschein. Dieses Licht wird auch Direktstrahlung genannt. Licht, das über Reflexion an Wolken, Wasser- und Staubteilchen die Erdoberfläche erreicht, erzeugt die Diffusstrahlung. Diffusstrahlung und Direktstrahlung an einem Ort ergeben zusammen die dort einfallende Globalstrahlung.

Strahlungsgesetze und Strahlungsarten

Das Strahlungsmaximum liegt im gelb-grünen Licht, was sich aus der Sonnentemperatur von knapp 6000 °C und den Strahlungsgesetzen von Planck und Wien ergibt. Zusammen mit den roten und blauen Lichtanteilen empfinden unsere Augen diese Lichtstrahlung als weiß, während die nicht-sichtbare Strahlung großteils auf Infrarot entfällt, auf deren Wirkung die Wärmerezeptoren der Haut ansprechen. Von den kurzwelligeren Strahlen gelangt noch ein Teil des UV-Lichts zu uns (siehe Sonnenbrand und Ozonloch), während die vereinzelte Röntgenstrahlung von Sonneneruptionen (Flares) und die kosmische Strahlung (wie zum Beispiel Radio aktive Strahlung) von der Lufthülle abgeschirmt werden.

Die Solarkonstante

Hauptartikel: Solarkonstante Die gesamte Strahlungsleistung der Sonne, die pro Quadratmeter auf die Erde einfällt, wird durch die Solarkonstante beschrieben. Sie beträgt im Mittel :

E_0 = 1367\ \mathrm

. Ihr tatsächlicher Wert variiert jedoch um 3 bis 4 Prozent in beide Richtungen, weil sich der Abstand Erde-Sonne zwischen Januar und Juli von 147,1 bis 152,1 Millionen km ändert - also um ± 1,7 % (Exzentrizität der Erdbahn, siehe auch Milanković-Zyklen). Die Strahlungsleistung hängt allerdings auch von dem Winkel zur Sonne ab. Dieser verändert sich im laufe des Jahres. Zwischen September und März ist auf der Nordhalbkugel die Sonnenstrahlung weniger groß als auf der Südhalbkugel. Zwischen März und September ist dies genau umgekehrt. Der resultierenden Bestrahlungsstärke von 1.325 bis 1.420 W/m² überlagert sich noch ein quasi-periodischer Einfluss von 0,1 % wegen des 10-12jährigen Sonnenfleckenzyklus. Er wurde um 1700 erkannt und erstmals 1843 von Samuel Heinrich Schwabe in seiner Wirkung auf die Sonnenstrahlung untersucht.

Dämpfung durch die Atmosphäre

Die bis zur Erdoberfläche durchdringende Strahlung ist jedoch viel geringer, weil #die Erdatmosphäre und in ihr befindliche Aerosole die elektromagnetische Strahlung zu 20 bis 40 Prozent absorbieren bzw. ins All reflektieren, unter anderem in Abhängigkeit von der Bewölkung. #der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen nur in den Tropen bei idealen 90° liegen kann, siehe hierzu den nächsten Abschnitt und den Artikel Sonnenenergie. Steht die Sonne im Zenit, treffen auf Höhe des Meeresniveaus maximal etwa 800 W/m² ein, im Vergleich auf 3-4 km hohen Bergen jedoch etwa 1000 W/m². Wolken vermindern diesen Wert nochmals, doch geht der Erde dabei nur ein Teil der Energie "verloren" - nämlich jener Anteil, der ins Weltall zurück reflektiert wird. Das Air Mass gibt einen Wert für die Länge des Weges durch die Atmosphäre an.

Minderung durch schrägen Lichteinfall

Wesentlicher noch ist der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung - der Winkel zwischen den Strahlen und dem Horizont. Fällt die Licht- und Wärmestrahlung schräg ein, verteilt sie sich über eine größere Fläche auf der Erdoberfläche. Dieser Effekt verläuft genähert mit dem Sinus des Höhenwinkels, hängt aber lokal natürlich auch vom Gelände ab. Wenn ein Berghang im Schatten liegt, wird dies großteils von den im prallen Sonnenlicht liegenden Hängen wettgemacht, doch entstehen Temperaturunterschiede und lokale Winde (siehe Aufwind, Segelflug). Der Einfluss der Jahreszeiten ist in den Tropen kaum merklich, weil der Sonnenstand dort zu Mittag immer steil ist und sich sein Sinus kaum ändert. Dagegen wirkt der Unterschied zwischen Sommer und Winter umso mehr, je näher man zu den Polen kommt. In Mitteleuropa steht die Mittagssonne im Sommer 60-65° hoch und strahlt bei idealen Bedingungen mit einer Bestrahlungsstärke von etwa 1000 Watt/m² herab, gemessen in der Horizontalen. Im Winter sind es nur 13-18° und selbst zu Mittag nur etwa 200 Watt/m² (ebenfalls in der Horizontalen gemessen). Für die Erwärmung der Erdoberfläche ist zusätzlich die Dauer des hellen Tages wichtig, die Ende Juni etwa 16 Stunden beträgt, im Dezember aber nur 8 Stunden. Daher liegt das Verhältnis der gesamten eingestrahlten Sonnenenergie zwischen diesen Monaten bei etwa 5:1 bis 10:1, wird aber durch Wärmespeicherung im Erdboden und vor allem in den Meeren gemildert. Betrachtet man die winterliche Situation nicht nur in der horizontalen Ebene, so ist die einfallende Energie natürlich höher. Normal zum Lichteinfall erreicht sie den Großteil der Sommerwerte, was über die Mittagsstunden zur Wärmeproduktion mit Solarkollektoren oder in Wintergärten nutzbar ist.

Strahlungsbilanz, Treibhauseffekt und Wetter

Die Temperatur der Erdoberfläche wird global von der Strahlungsbilanz bestimmt - dem Zusammenwirken von Absorption und Reflexion sowie Re-Emission und Streuung.
Die zur Erde kommende Sonnenenergie wird durch Wolken, Luft und Boden (hier besonders von Schnee) zu 30 % wieder in den Weltraum reflektiert (das heißt die Albedo der gesamten Erde ist 0,30). Die restlichen 70 % werden absorbiert: rund 20 % von der Atmosphäre, 50 % vom Erdboden. Letztere werden durch Wärmestrahlung und Konvektion wieder an die Lufthülle abgegeben. Würde alle diese Energie wieder zur Gänze in den Weltraum abgestrahlt, läge die mittlere Lufttemperatur bei -18 °C, während sie tatsächlich +15 °C beträgt. Die Differenz erklärt sich aus dem natürlichen Treibhauseffekt der Atmosphäre. Deren so genannte Treibhausgase - vor allem Wasserdampf und Kohlendioxid - erschweren die Abstrahlung im Infraroten. Sie werfen es zu 85 % wieder zur Erdoberfläche zurück, was zu einer Erwärmung um durchschnittlich 33 °C führt.
Diese Zahlen gelten nur für die Erde als Ganzes. Lokal und regional hängen die Verhältnisse von zahlreichen Faktoren ab:
- von der Albedo der Erdoberfläche, die vom 30 %-Mittel stark abweichen kann (beispielsweise Schnee 40 bis 90 %, Wüste 20 bis 45 %, Wald 5 bis 20 %)
- vom oben erwähnten Einfallswinkel der Sonnenstrahlen und der Dauer ihrer Einwirkung
- von Bewölkung und Luftfeuchtigkeit
- vom Wärmetransport durch Wind, von Luftschichtungen usw. Theoretisch sind diese Faktoren weitgehend modellierbar, doch nicht in allen Details wie Staueffekten an Gebirgen oder unregelmäßiger Bewegung von Tiefdruckgebieten. Für gute Vorhersagen benötigt die Meteorologie außer enormen EDV-Kapazitäten auch ein weltweit dichtes Raster von Messdaten über alle Luftschichten, was in der Praxis an Grenzen stößt.

Weblinks

[http://www.sfdrs.ch/sendungen/meteo/lexikon/strbilnz.html www.sfdrs.ch] - globale Strahlungsbilanz (mit Animation) Kategorie:Solarenergie Kategorie:Meteorologie

Direktstrahlung

Die Direktstrahlung bezeichnet den Teil der aus einer Strahlungsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung, der sich ohne auf ein Hinderniss zu treffen ausgebreitet und daher den kürzest möglichen Weg zwischen dem Ort seiner Emission und dem Ort zurücklegt, an dem er reflektiert, absorbiert, gestreut, gebeugt oder gebrochen wird. Das Gegenteil ist die Diffusstrahlung. Im Sonderfall des Strahlungshaushalts der Erde bezeichnet man dies als direkte Sonneneinstrahlung, also jenen Teil der auf die Erdoberfläche eintreffenden Sonnenstrahlung bzw. Globalstrahlung, der nicht mit der Erdatmosphäre wechselwirkte. Da die direkte Sonneneinstrahlung im Vergleich zur so genannten diffusen Sonneneinstrahlung kurze Wellenlängen besitzt, bezeichnet man sie auch als kurzwellige Sonneneinstrahlung. Dieser Begriff ist jedoch ungenau und sollte nicht verwendet werden. Kategorie:Physik Kategorie:Meteorologie

Wolke

Eine Wolke ist meist eine Ansammlung von Wassertröpfchen, die in einigem Abstand zur Erdoberfläche in der Atmosphäre schweben. Wie bei bodennahem Nebel oder Dunst handelt es sich um die sichtbaren Kondensationsprodukte des Wasserdampfs. Bei höheren Wolken bzw. bei niedrigen Temperaturen können Wolken teilweise oder vollständig aus Eiskristallen bestehen, wobei sie dann in der Regel Resublimationsprodukte darstellen. In der meteorologischen Systematik werden sie den Hydrometeoren zugerechntet. In geringerem Umfang sind in ihnen aber auch solche Teilchen enthalten, die in Abgasen, Rauch oder Staub vorkommen. Anzutreffen sind Wolken hauptsächlich in der Troposphäre, aber zum Teil auch in der Stratosphäre. Da sie in ihrer Entstehung und somit auch ihren Eigenschaften oft sehr unterschiedlich sind, stellen sie leicht beobachtbare Merkmale der Wetterlage dar. Durch die richtige Deutung von Form, Aussehen und Höhe sowie der zeitlichen Veränderung dieser Merkmale, können Aussagen zur lokalen Wetterentwicklung getroffen werden. Hierfür ist es notwendig, die Wolken zu klassifizieren, denn nur dadurch sind Beobachtungen übertragbar. In der Praxis besitzt vor allem die Einteilung in Wolkengattungen und Wolkenarten eine hohe Bedeutung. In den meisten Gebieten treten bestimmte Wolkenarten gehäuft auf, was besonders bei gleichartigen Wetterlagen der Fall ist. Dennoch können nahezu an allen Stellen der Erde sämtliche Wolkenformen vorkommen. Die Klassifikation der Wolken ist deshalb international einheitlich durch die World Meteorological Organization geregelt. Neben ihren optischen Eigenschaften und der ihnen innenwohnenden Schönheit, die schon immer die Phantasie der Menschen angeregt hat, kommt den Wolken auch bei zahlreichen wissenschaftlichen Fragestellungen eine hohe Bedeutung zu. Dies gilt insbesondere für den Strahlungshaushalt der Erde, die Niederschlagsverteilung und die Atmosphärenchemie. Der Teilbereich der Meteorologie, der das Studium der Wolken zum Inhalt hat, ist die Nephologie (Wolkenkunde). Dieser Begriff wird jedoch höchst selten als eigenständige Fachrichtung genutzt. Als ihr Begründer gilt Luke Howard.

Physik und Chemie der Wolken

Bestandteile

Eine Wolke besteht nicht aus Wasserdampf, welches ein Gas und daher genauso unsichtbar wie die restliche Luft ist. Es handelt sich vielmehr um ein Aerosol, also eine Ansammlung fein disperser Teilchen im Gasgemisch der Luft. Erst nach dem Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur - den Taupunkt - bilden sich aus dem Wasserdampf winzige Wassertröpfchen, in großer Höhe auch winzige, schwebende Eiskristalle. Der Durchmesser der flüssigen Tröpfchen bewegt sich typischerweise im Bereich von zwei bis zehn Mikrometern, kann jedoch gerade bei Regenwolken mit bis zu zwei Millimetern auch sehr viel größer sein. Sehr große Tropfen und auch die noch wesentlich größeren Hagelkörner sind dabei auf starke Aufwinde angewiesen, um der Gravitation entgegen zu wirken.

Bildung, Entwicklung und Auflösung

Wolkenbildung bezeichnet den Prozess der Entstehung von Wolken durch Kondensation bzw. auch Resublimation von Wasserdampf an Kondensationskernen in der Troposphäre und teilweise auch Stratosphäre. Verursacht werden Entstehung und Auflösung von Wolken durch Veränderung der Parameter Temperatur (Dichte) und Luftfeuchtigkeit einer Luftmasse. Dies kann beispielsweise geschehen durch
- Hebungsprozesse in der Atmosphäre bei Durchzug von Kalt- und Warmfronten, die Luftmassen in höhere Schichten transportiert und dort abkühlen lässt,
- Thermische Aufwinde oder Hangaufwinde,
- Zufuhr von kälteren Luftmassen,
- Zufuhr von feuchteren Luftmassen. Eine sichtbare Wolke entsteht, wenn die Bedingungen für die Bildung stabiler Wassertröpfchen oder –kristalle erfüllt sind. Diese Bedingungen haben weniger mit einer Wasseraufnahmefähigkeit der Luft als mit dem Verhältnis von Kondensation und Verdunstung zu tun. An der Oberfläche des Wassertröpfchens innerhalb einer Wolken findet ein steter Austausch von Wassermolekülen zwischen der Umgebungsluft und dem Tropfens statt: Nur wenn sich an den Tropfen mehr Wassermoleküle anlagern als diesen gleichzeitig verlassen, nur wenn also die Kondensationsrate höher als die Verdunstungsrate ist, kann ein Tropfen wachsen und somit zu einer Wolkenbildung führen. Ob es dazu kommen kann hängt im Wesentlichen von zwei Größen ab: #von der Anzahl der Wassermoleküle in der Umgebung des Tropfens: Je mehr Wasserdampfmoleküle das Tröpfchen umgeben, umso wahrscheinlicher ist es, das eines am Tröpfchen haften bleibt. Die Anzahl der Wasserdampfmoleküle kann auch durch den sogenannten Wasserdampfdruck ausgedrückt werden, das ist der Anteil des Gesamtluftdrucks, der durch den Wasserdampf entsteht. #von der Temperatur des Wassertropfens: Je wärmer das Tröpfchen ist, umso leichter lösen sich Wassermoleküle vom Tropfen. Die Bildung einer Wolke wird also begünstigt durch niedrige Temperaturen und durch eine große Anzahl Wassermoleküle bzw. durch einen hohen Wasserdampfdruck, was gleichbedeutend mit einer hohen Luftfeuchtigkeit ist. Luftfeuchtigkeit Die Temperatur, bei der sich Kondensation und Verdunstung ausgleichen, heißt Taupunkttemperatur. Wird diese unterschritten, entstehen und wachsen unter betimmten Bedingungen stabile Tröpfchen. Diese Temperatur hängt vom jeweiligen Wasserdampfdruck ab. Der Wasserdampfdruck, bei der Kondensation und Verdunstung im Gleichgewicht sind, heißt Sättigungsdampfdruck. Dieser ist von der Temperatur abhängig und wird außerdem durch Krümmungs- und Lösungseffekte bestimmt. Die Tropfenbildung in der Erdatmosphäre wird überhaupt erst ermöglicht durch das Vorhandensein einer ausreichenden Anzahl von Kondensationskeimen. Solche Keime können zum Beispiel Staubkörnchen sein, aber auch größere Moleküle, Pollen oder – am Meer – Salzkristalle (siehe Aerosol). Auch bei Temperaturen unter 0 °C kann sich noch ein Großteil der Wolkentröpfchen im flüssigen Zustand befinden. Beim Absinken der Temperatur bis etwa -12 °C bilden sich meist noch keine Eiskristalle heraus, so dass die Wolke aus so genannten unterkühlten Wassertropfen besteht. Ebenso können gelöste Stoffe innerhalb des Tropfens bedingt durch die Gefrierpunktserniedrigung eine Senkung der Kondensationstemperatur bewirken. Bei einem weiteren Absinken der Temperatur nimmt der Eisanteil immer weiter zu, bis bei etwa -40 °C nur noch Eiskristalle vorliegen. In größeren Höhen ist die Wolkenbildung daher durch Kristallisationsprozesse gekennzeichnet. Wegen der sehr geringen Größe der Tröpfchen – ungefähr 1 bis 15 μm oder 0,001 bis 0,015 mm – haben sie auch relativ geringe Fallgeschwindigkeiten, welche sich meist im Bereich von 1 bis 15 cm/s bewegen. Da Wolken häufig durch konvektive Aufwinde entstehen, sinken diese nicht etwa ab, sondern bleiben auf gleicher Höhe bzw. quellen auf (zum Beispiel der Kumulus). In Regenwolken sind die Tropfen größer (bis 3 mm) und somit auch die Fallgeschwindigkeit höher. Ist ein Schwellenwert überschritten, so dass der Aufwind das gravitative Absinken nicht mehr ausgleichen kann, beginnt es zu regnen. Im Falle des Hagels treten sehr starke Aufwinde auf, welche die Hagelkörner mehrmals aufsteigen und wieder absinken lassen, wobei diese Schicht für Schicht wachsen. In der Meteorologie werden Wolken nach Form und Höhe über dem Boden unterschieden. Eine Wolke in Bodennähe wird als Nebel bezeichnet, doch auch wenn sie sich nur durch ihre Position unterscheiden, wird der Nebel nicht als Wolkentyp betrachtet. Im weiteren Sinne wird unter Wolkenbildung jedoch auch die Entstehung anderer Wolkentypen verstanden, wie beispielsweise Staubwolken oder Methan-Wolken, wobei man sich hierbei nicht auf die Erde begrenzt und auch die Wolkenbildung auf anderen Himmelskörpern mit einschließt.

Bedeutung für den Strahlungshaushalt

Wolken haben einen großen Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Erde und somit auch die Lufttemperatur, vor allem über den Tagesverlauf, aber auch auf langfristige klimatische Mittelwerte. Dies macht sich vor allem im Sommer bemerkbar. Sobald sich tagsüber eine Wolkendecke bildet und die Sonnenstrahlung abschirmt, die Globalstrahlung also sinkt, nimmt auch die zur Erwärmung der Luft benötigte Sonnenenergie ab und es wird recht schnell spürbar kälter. Diese Wolkendecke reflektiert aber auch die terrestrische Ausstrahlung zu einem bestimmten Anteil zurück auf den Erdboden. In einer klaren Nacht wird es folglich wesentlich kälter als in einer bedeckten Nacht, da die terrestrische Wärmestrahlung einfach ins Weltall entweicht und kaum durch die Atmosphärengase – vor allem durch den darin enthaltenen Wasserdampf – zurückgehalten werden kann. Diese Auswirkungen können besonders in Wüsten beobachtet werden, wo Wolken im Regelfall recht selten sind: Es wird in der Nacht viel mehr Wärme abgestrahlt beziehungsweise weniger Wärme zurückgehalten als in feuchteren Zonen. Die Temperaturunterschiede zwischen Tag zu Nacht sind daher auch viel höher. Ausstrahlung Eine wichtige Eigenschaft von Wolken ist deren optische Dicke. Sie bestimmt wie viel der Sonnenstrahlung durch eine Wolkendecke hindurchdringen kann und wie viel sie andererseits absorbiert bzw. reflektiert. Bestimmende Einflussgrößen sind dabei die vertikale Ausdehnung der Wolke, die Verteilung der Tröpfchen- oder Eiskristallgrößen und schließlich die Menge und Verteilung der Wolken selbst. Dabei sind Wolken gegenüber der kurzwelligen UV-Strahlung etwas durchlässiger als gegenüber den Wellenlängen des sichtbaren Lichts. Die Streuung der direkten Sonneneinstrahlung durch die Luftteilchen bedingt deren geringer werdenden Anteil mit abnehmender Höhe und begünstigt damit diesen Effekt. Durch die zusätzliche Streuung an den Wolkentröpfchen nehmen auch die Photonenwege zu, was die Absorption durch Ozon begünstigt und somit die Transmission des Lichts verringert. In Bezug auf die UV-Strahlung ist eine Absorption an den Wassertropfen selbst vernachlässigbar, solange diese nicht allzu stark verunreinigt sind (etwa durch einen Vulkanausbruch). Auf globaler Ebene hat dies im langjährigen Mittel die Folge, dass Wolken 20 % der kurzwelligen Sonneneinstrahlung direkt zurückstrahlen und gleichzeitig 3 % absorbieren. Die Wirkung der Wolken im Strahlungshaushalt ist jedoch, wie im ersten Absatz gezeigt, nicht allein an deren Eigenschaften geknüpft, sondern beruht auf dem Zusammenspiel vielerlei Faktoren. Besonders wichtig ist der Effekt der atmosphärischen Gegenstrahlung in Verbindung mit der Albedo der Erdoberfläche. Dieser Effekt ist die eigentliche Ursache des atmosphärischen Treibhauseffektes und spielt damit eine wichtige Rolle in Bezug auf die Globale Erwärmung. Die Albedo der Bodenoberfläche bestimmt dabei, wie viel aus der Summe von direkter und diffuser Sonneneinstrahlung vom Erdboden aus in Richtung der Wolken als langwellige terrestrische Strahlung ausgesandt wird. Deren optische Dicke, die ihrerseits die Globalstrahlung bestimmt hat, ist nun maßgeblich dafür verantwortlich, wie viel dieser terrestrischen Strahlung auf die Erdoberfläche zurückreflektiert wird, wobei es beliebig oft zu Mehrfachreflektionen zwischen Wolkenunterseite und Erdboden kommen kann. Durch diese atmosphärische Gegenstrahlung wird die Globalstrahlung jedoch erhöht und gleicht damit die abschirmende Wirkung der Wolken teilweise aus. Wie groß dieser Ausgleich in Bezug auf große Gebiete und lange Zeiträume ist lässt sich nur schwer feststellen, weshalb es sich auch um eine zentrale Fragestellung der Klimamodellierung handelt.

Rolle im Wasserkreislauf

Wolken üben im Wasserkreislauf die Funktion eines Mittlers zwischen Verdunstung und Niederschlag aus. Zwar ist das in ihnen enthaltene Wasser in Bezug auf die Wasservorkommen der Erde mengenmäßig recht unbedeutend, doch setzen sie dies auch recht schnell um.

Aussehen

Das Aussehen einer Wolke wird in erster Linie durch die Art, Größe, Anzahl und räumliche Verteilung ihrer Bestandteile bestimmt. Es hängt ferner von der Intensität und Farbe des auf die Wolke auftreffenden Lichtes ab, sowie von der jeweiligen Stellung von Beobachter und Lichtquelle zur Wolke. Das Aussehen einer Wolke lässt sich am besten durch Angaben zur Größe, Gestalt, Grob- und Feinstruktur, Helligkeit und Farbe beschreiben.

Mächtigkeit und horizontale Erstreckung

Gestalt und Struktur

Helligkeit

Licht] Die Helligkeit einer Wolke wird durch das von ihren Teilchen reflektierte, gestreute und durchgelassene Licht bestimmt. Dieses Licht stellt meist direkte oder diffuse Sonnenstrahlung dar, es kann jedoch auch von Mond oder Erdoberfläche herrühren. Besonders durch das große Albedo von Eis- und Schneeflächen kann sich die wahrgenommene Helligkeit der Wolken, aufgrund des rückgestrahlten Lichts, erhöhen. Auch die Einwirkung von Dunst oder besonderer Lichterscheinungen der atmosphärischen Optik, wie unter anderem Halos, Regenbogen, Koronen und Glorien, verändert die Wolkenhelligkeit. Befindet sich Dunst zwischen Beobachter und Wolke, so kann je nach Wolkendichte und Richtung des einfallenden Lichtes die Helligkeit der Wolke verstärkt oder vermindert werden. Dunst schwächt außerdem die Kontraste ab, durch die Gestalt sowie Grob- und Feinstruktur der Wolke erst erkennbar werden. Tagsüber ist die Helligkeit der Wolken so stark, dass sie ohne Schwierigkeit beobachtet werden können. In Nächten mit Mondschein sind die Wolken dann zu sehen, wenn die Mondphase mehr als ein Viertel beträgt. Während der dunkleren Phasen ist das Mondlicht nicht hell genug, um entfernte Wolken erkennen zu lassen. Das gilt insbesondere dann, wenn die Wolken dünn sind. In mondlosen Nächten sind die Wolken im Allgemeinen nicht erkennbar, man kann jedoch manchmal, auf Grund der Verdeckung der Sterne, des Polarlichtes, des Zodiakallichtes oder anderer Effekte, auf das Vorhandensein von Wolken schließen. In Gebieten mit genügend starker künstlicher Beleuchtung sind Wolken auch nachts sichtbar. Daher sind über Großstädten Wolken infolge der von unten kommenden direkten Beleuchtung erkennbar. Eine derartig angeleuchtete Wolkenschicht kann dann einen hellen Hintergrund bilden, gegen den sich tiefer gelegene Wolkenteile plastisch und dunkel abheben.

Farbe

Großstädten] Die Farbe einer Wolke hängt in erster Linie von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes ab und ist damit eng an die Rayleigh-Streuung geknüpft. Befindet sich Dunst zwischen Beobachter und Wolke, so kann dadurch die Färbung der Wolke verändert werden. Daher können zum Beispiel weiter entfernt liegende Wolken gelb, orange oder rot erscheinen. Die Farbwirkung der Wolken wird außerdem – wie auch die Wolkenhelligkeit – durch besondere Lichterscheinungen der atmosphärischen Optik beeinflusst. Bei genügend hohem Sonnenstand erscheinen die Wolken oder Teile davon in direktem Sonnenlicht weiß oder grau. Diejenigen Teile, die das Licht in der Hauptsache vom blauen Himmel erhalten, haben ein blaugraues Erscheinungsbild. Bei Annäherung der Sonne an den Horizont, also bei Dämmerung, Sonnenauf- und Sonnenuntergang, kann sich ihre Farbe von gelb über orange zu rot verändern. Der Himmel in der Umgebung der Sonne sowie die Wolken nehmen dabei eine entsprechende Färbung an. Jedoch kann dies immer noch durch das Blau des Himmels beeinflusst werden. Die Wolkenfarben sind auch von der Höhe der Wolken sowie deren jeweiliger Stellung zum Beobachter und zur Sonne abhängig. Wenn die Sonne sich dicht ober- oder unterhalb des Horizonts befindet, so können die hohen Wolken durchaus noch fast weiß aussehen, während die mittelhohen Wolken eine kräftige Orange- bzw. Rotfärbung zeigen. Sehr niedrige, im Erdschatten liegende Wolken, sehen grau aus. Diese Farbunterschiede ermöglichen eine Vorstellung von der jeweiligen Wolkenhöhe. Man sollte sich jedoch stets vergegenwärtigen, dass Wolken im gleichen Höhenniveau bei Blickrichtung gegen die Sonne weniger rot gefärbt erscheinen als in der entgegengesetzten Richtung. Nachts ist die Helligkeit der Wolken gewöhnlich zu gering, um Farben unterscheiden zu können und alle wahrnehmbaren Wolken erscheinen dann schwarz bis grau, mit Ausnahme derjenigen, die vom Mond beleuchtet werden und ein weißliches Aussehen haben. Besondere Beleuchtungsverhältnisse, wie zum Beispiel Brände, Großstadtlichter oder Polarlicht, können manchmal auch Nachts einigen Wolken eine mehr oder minder ausgeprägte Farbe verleihen.

Optische Phänomene

Klassifizierung

Geschichtliches

Vor Beginn des 19. Jahrhunderts nahm man an, Wolken seien zu vielgestaltig, komplex und vor allem kurzlebig, um sie zu begrifflich zu kategorisieren. Es war nicht üblich ihnen Bezeichnungen zuzuweisen, man begnügte sich vielmehr die Wolken nur rein subjektiv anhand von Form und Farbgebung zu beschreiben. Es gab zwar einige wenige Versuche, sie zur Wettervorhersage zu nutzen, doch begnügte man sich meist mit dem Grad ihrer Dunkelheit. Da jedoch die normierte Unterscheidung verschiedener Wolkentypen eine Voraussetzung zu deren Untersuchung, Beschreibung und damit dem Verständnis der Wolken ist, konnte man jenes durch eine lediglich grob beschreibende und zudem sehr uneinheitliche Herangehensweise gerade nicht erlangen. Eine wissenschaftliche Annäherung war ohne eine solche Basis kaum möglich und daher wurden Wolken, wenn überhaupt, nur mystisch-religiös gedeutet bzw. als Motiv von Kunst und Ästhetik wahrgenommen. Der Wandel hin zur heutigen Wolkenklassifikation – und damit der wissenschaftlichen Zugänglichkeit der Wolken überhaupt – geht auf Luke Howard und seine Schrift On The Modification of Clouds aus dem Jahr 1802 zurück. Einen anderen Ansatz verfolgte Jean-Baptiste de Lamarck im gleichen Jahr, unabhängig von Howard und sogar etwas früher als er. Seine Veröffentlichung in der dritten Ausgabe der Annuaire Méteorologique fand jedoch keine Beachtung in der damaligen Fachwelt, sofern man schon von einer solchen sprechen kann. In Anlehnung an die Taxonomie der Lebewesen durch Carl von Linné und im Gegensatz zu Lamarck, verwendete Howard lateinische Bezeichnungen, die den damaligen Status des Lateins als Sprache der Wissenschaften weltweit eingesetzt werden konnten. Er teilte Wolken in Stratus (Schichtwolken), Cumulus (Haufenwolken) und Cirrus (Schleierwolken) sowie auch Nimbus (Regenwolken) ein.

Internationales System

Nach der heute offiziellen Klassifizierung der World Meteorological Organization, festgehalten im Internationalen Wolkenatlas, werden Wolken nach der Höhe ihrer Untergrenze in vier Wolkenfamilien eingeteilt – hohe, mittelhohe, niedrige und solche, die sich über mehrere Stockwerke erstrecken (vertikale Wolken). Diese vier Familien umfassen zehn Gattungen, die mit ihren 14 Arttypen (mit Kombinationen 27 Arten), 9 Unterarttypen und 9 Sonderformen/Begleitwolken in einer Übersicht dargestellt sind. Eine Wolke kann dabei die Merkmale von einer Art und mehreren Unterarten besitzen. Von zentraler Bedeutung ist, dass es sich bei den Wolken um eine Klassifikation nach dem Erscheinungsbild handelt. Dies steht im Gegensatz zu in den Naturwissenschaften üblicherweise an Herkunft, Entstehung oder Verwandtschaft orientierten (genetischen) Klassikationssystemen. Wie eine Wolke zu einem bestimmten Erscheinungsbild gekommen ist, spielt für deren Namensgebung folglich keine Rolle, auch wenn viele Erscheinungsbilder auf ihre Entstehungsumstände hin gedeuted werden können. Die Höhenlagen der Wolkenstockwerke variieren mit der geographischen Breite, da die unterste Schicht der Atmosphäre – die Troposphäre – am Äquator rund doppelt so hoch reicht wie an den Polen. Im Winter sind die Wolkenstockwerke aufgrund der niedrigeren Temperatur und damit höheren Luftdichte niedriger als im Sommer. Die Höhen orientieren sich an der Lage der Tropopause, die örtlich wie zeitlich variabel ist und nicht gleichförmig von den Polen zum Äquator ansteigt. Die folgenden Höhenangaben stellen daher nur Orientierungswerte dar. Wolken werden verschieden benannt, zum Beispiel der Cirrus und die Cirruswolke bzw. die Cirren und die Cirruswolken. Häufig sind mehrere Wolkenformen gleichzeitig vorhanden, die sich gegenseitig überdecken können.

Übersicht

Die folgende Darstellung ist stark an den Internationalen Wolkenatlas (S. 6) angelehnt. Die Buchstaben der jeweiligen Abkürzungen sind deutlich hervorgehoben und werden bei der Benennung kombiniert, zum Beispiel Ci fib für Cirrus fibratus. Deutsche Entsprechungen bzw. Beschreibungen der lateinischen Gattungsbezeichnungen sind in Klammern gesetzt. Zu beachten ist, dass die Einteilung der Cumulus-Wolkengattung in die Wolkenfamilien nicht einheitlich gehandhabt wird. Dies liegt darin begründet, dass man die Wolkenarten Cumulus humilis und Cumulus mediocris eher den tiefen Wolken zurechnen kann, während Cumulus congestus eher zu den vertikalen Wolken gehört. Ein ähnliches Bild zeigt sich bei Nimbostratus. Diese werden hier bei den vertikalen Wolken eingeordnet, können aber auch zu den mittelhohen Wolken gezählt werden.

Gattungen

Die Gattungen sind die zehn Hauptgruppen der Wolken. Sie geben an, in welcher Höhe sich die Wolken befinden, und ob sie labil oder stabil geschichtet sind. Bei einer stabilen Atmosphärenschichtung sind die (Schicht-)Wolken meist konturlos, wenn die Luftfeuchtigkeit hoch genug ist, sonst zerrissen bis gar nicht vorhanden. Eine labile Schichtung, bei der es zu Aufwinden kommt, führt zu Quellwolken wie dem Cumulus oder dem Cumulonimbus. Die Gattungsnamen werden mit zwei Buchstaben abgekürzt, wobei der erste Buchstabe großgeschrieben wird.

Arten

Mit der Angabe der Art werden Wolkengattungen weiter nach ihrem inneren Aufbau und ihrer Gestalt unterteilt. Die verschiedenen Arten schließen sich gegenseitig aus, also kann eine Gattung nur die Merkmale einer Art haben. Beispiele sind Cumulus congestus (Cu con), ein hoch aufgetürmter Cumulus, oder Altocumulus stratiformis (Ac str), weit ausgedehnter Altocumulus. Die Arten werden mit drei kleinen Buchstaben abgekürzt.

Unterarten

Die Unterarten dienen zur Angabe der Anordnung und der Lichtdurchlässigkeit. Eine Wolke kann im Gegensatz zu den Arten die Eigenschaften von mehreren Unterarten aufweisen. Unterarten schließen sich generell gegenseitig nicht aus. Die einzige Ausnahme bilden opacus (lichtundurchlässige Wolkenschicht) und translucidus (ziemlich durchsichtige Wolkenschicht). Beispiele sind Altocumulus undulatus (Ac un, Altocumuli in Wellenform angeordnet) oder Cirrus vertebratus (Ci ve, Cirruswolke, die an ein Fischskelett erinnert). Unterarten werden mit zwei Buchstaben abgekürzt.

Sonderformen und Begleitwolken

Sonderformen und Begleitwolken müssen nicht zwingend mit der Hauptmasse der Wolke zusammenhängen, insbesondere die Begleitwolken sind meist davon getrennt. Zum Beispiel ist Cumulonimbus mamma (Cb mam) ein Cumulonimbus mit Quellungen „nach unten“ und Cumulus pannus (Cu pan) eine Cumulus-Wolke mit zerfetzten Wolkenteilen. Die Sonderformen und Begleitwolken werden – wie die Arten – mit drei Buchstaben abgekürzt.

Mutterwolken

Die Mutterwolke dient zur Angabe, aus welcher Gattung sich eine neue Wolkenform gebildet hat. Dazu wird an den Gattungsnamen der Mutterwolke „genitus“ angehängt. Abgekürzt werden sie, indem man zur Gattungsabkürzung „gen“ anhängt. Ausgeschrieben ersetzt man die Endung „-us“ durch ein „o“ und hängt noch ein „genitus“ an. Ein typisches Beispiel ist der Cirrus cumulonimbogenitus (Ci cbgen), ein Cirrus, der sich aus dem Amboss einer Cb-Wolke entwickelt hat.

Genetische Klassifikation

Neben der Internationalen Klassifikation die sich an der Wolkenhöhe orientiert, existiert auch eine genetische Klassifikation die sich nach der Entstehung der Wolken richtet. Sie geht auf Stüve zurück, der sie 1926 veröffentlichte.

Gesonderte Wolkenformen

Neben der in der Klassifikation enthaltenen Wolken gibt es noch eine Vielzahl anderer Typen, die aus bestimmten Gründen einen eigenen Namen erhalten haben. Dabei handelt es sich zum Beispiel um die für die Tornadoentstehung sehr wichtigen Mauerwolken oder die künstlichen Kondensstreifen der Flugzeuge (meist den Cirrus zugerechnet).

Wetterbeobachtung

Wolken besitzen wie gezeigt eine hohe Eigendynamik und reagieren sehr schnell auf die Bedingungen in ihrer Umgebung. Dabei ist es möglich zwischen den beobachtbaren Eigenschaften der Wolken und den Eigenschaften die diese Bedingungen eine Verknüpfung herzustellen. Die Ausbreitung der Wolken mit der Höhe ist ein wichtiger Faktor zur Einschätzung konvektiver Prozesse in der Atmosphäre. So ist es über sie in vielen Fällen möglich, die Schichtungsstabilität der Erdatmosphäre zu ermitteln. Bewegungen der Wolken geben Auskunft über die Windverhältnisse in der entsprechenden Höhe.

Frontpassage

Schichtungsstabilität der Erdatmosphäre Schichtungsstabilität der Erdatmosphäre Eine Front kündigt sich meist langsam an, indem zuerst immer mehr Cirruswolken, dann Cirrostratus, dann zusätzlich Altostratus und schließlich Nimbostratus aufziehen. Diese Abfolge läuft in umgekehrter Reihenfolge nach Durchzug der Front ab. In der Regel ist sie begleitet von Cumuluswolken, je nach Stärke der Front auch von Cumulonimbuswolken. Eine Warmfront unterscheidet sich von der Kaltfront bezüglich der Wolken vor allem darin, dass bei der Warmfront die Wolken langsamer aufziehen und bei der Kaltfront langsamer abziehen. Da eine Kaltfront „schneller“ als eine Warmfront ist (kalte Luft ist schwerer und „drückt“ sich schneller voran), sind die Aufwinde auch größer und riesige Cumulonimbuswolken können entstehen.

Gewitter und Stürme

Kaltfront Gewitter und Stürme sind häufig zusammen mit den charakteristischen Cumulonimbuswolken zu beobachten, treten in der Regel schnell auf und verschwinden schnell wieder. Sofern sie nicht in Verbindung mit Fronten auftreten, klart der Himmel sehr schnell auf. In einigen Fällen sind die Wolken absolut isoliert, das heißt, sie bilden einen einzelnen Block am ansonsten heiteren Himmel. Daher sind Gewitter vor allem im Gebirge tückisch. Sie können lokal innerhalb einer Stunde auftauchen, abregnen und weiterziehen. Extrem große Cumulonimbuswolken, so genannte Superzellen, sind aufgrund der Ausdehnung mit dem Auge kaum von Nimbostratus oder einer Front zu unterscheiden. Sie können Wirbelstürme mit sich bringen und bestimmen das Wettergeschehen viel länger als normale Gewitter. Auch das Auftreten von Böenfronten mit Roll- oder Shelf clouds ist bei ihnen möglich.

Wolkenverschlüsselung

Die Codes C_L, C_M und C_H dienen dazu, den Himmelszustand anzugeben. Der Vorteil gegenüber der einfachen – und genaueren – Bezeichnung von Wolken ist, dass nicht jede Wolkenart aufgezählt werden muss, sondern für je ein Stockwerk die Gesamtbewölkung mit einer Ziffer angegeben werden kann. Aus ihr kann auch die Wetterlage bestimmt werden. Die Verschlüsselung erfolgt in der Form: :C_W = x Hier steht x für eine Ziffer von Null bis Neun. Ist der Himmelszustand wegen schlechten Lichtverhältnissen, Nebel, Staub, Sand oder ähnlichem nicht sichtbar, kennzeichnet man dies statt einer Zahl mit einem Schrägstrich. Für W trägt man die jeweilige Wolkenhöhe ein. Dabei bedeutet L "low", also tiefe Wolken (clouds low), M bedeutet "middle" (mittelhohe Wolken) und H "high", hohe Wolken (clouds high). Können die Wolken nicht eindeutig einer Ziffer zugeordnet werden, so wird diese gewählt, die am besten zutrifft, das heißt die Gruppe, die den größten Teil des Himmels bedeckt.

Verschlüsselung der C_L-Wolken

Zu den tiefen Wolken gehören Stratus, Stratocumulus, Cumulus und Cumulonimbus.

Verschlüsselung der C_M-Wolken

Zu den mittleren Wolken gehören die Wolkengattungen Altocumulus, Altostratus und Nimbostratus.

Verschlüsselung der C_H-Wolken

Zu den hohen Wolken gehören die Gattungen Cirrus, Cirrostratus und Cirrocumulus.

Wolken und „Bauernregeln“

Der gut zu beobachtende Zug der Wolken ist die Basis vieler Bauernregeln und hat ihren Ruf als Wetterboten begründet. Eine ausreichende Vorhersagequalität dieser Bauernregeln, die auf jahrzehntelanger, weitergegebener Beobachtungen beruhen, ist aber nur regional bzw. gar lokal gegeben. So lautet beispielsweise eine Wetterregel aus dem Vinschgau in Südtirol: :Kommen die Wolken aus Schnals, :Haben wir's Wetter am Hals; :Ziehen sie in's Martell, :dann wird's wieder hell; :kommen sie aus Matsch, :macht es Plitschplatsch; :kommen sie von Ulten, :musst du dich gedulden! Wenn eine markante Felsformation der Alpennordkette bei Innsbruck von einer Wolke umgeben ist, weist dies auf bevorstehenden Regen hin: :Trägt Frau Hitt a Koppen, gean die Stadler durch Lacken. Cirren kündigen in der Regel eine Warmfront und somit eine Wetterverschlechterung an. Dennoch kann man nicht sicher sein, dass diese den jeweiligen Standort auch erreichen wird. Daher entstammt der Spruch: „In Frauen und Cirren kann man sich irren.“

Anomalien und extraterrestrische Wolken

Anomalien sind sehr ungewöhnliche Wolken, die insbesondere dem klassischen Modell widersprechen. Hierzu gehören zum Beispiel Polare Stratosphärenwolken oder leuchtende Nachtwolken.

Wolken als Kunstmotiv

leuchtende Nachtwolke Wolken waren und sind ein beliebtes Motiv der Landschaftsmalerei und Naturfotografie. Zu nennen sind hier Jacob van Ruisdael, Jan van Goyen und Esaias van der Velde aus der niederländischen Landschaftsmalerei sowie Ary Pleysier, William Turner, Caspar David Friedrich, Carl Blechen und vor allem John Constable aus der Romantik. Siehe auch: Bildergalerie Wolken in der Malerei

Literatur

- World Meteorological Organization (1990): Internationaler Wolkenatlas. 2. Auflage, Deutscher Wetterdienst. ISBN 3881482644
- Dieter Walch (2000): So funktioniert das Wetter. München. ISBN 3-405-15945-8
- Berthold Wiedersich (2003): TaschenAtlas Wetter. Klett. ISBN 3-623-00021-3
- Wehry, W. und Ossing, F. (Hrsg.) (1997): Wolken Malerei Klima in Geschichte und Gegenwart. Deutschen Meteorologische Gesellschaft

Weblinks

- [http://www.wolkenatlas.de/ Der Karlsruher Wolkenatlas]
- [http://www.seewetter-kiel.de/seewetter/wolken_code.htm bebilderte Wolkenverschlüsselung]
- [http://www.australiasevereweather.com/photography/ Wolken und Klassifizierung (englisch)] ! ja:雲 ko:구름 simple:Cloud th:เมฆ

Diffusstrahlung

Die aus einer Strahlungsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung wird, wenn sie bei ihrer Ausbreitung auf ein Hinderniss trifft, reflektiert, absorbiert/reemittiert, gestreut, gebeugt oder gebrochen. Das Ergebnis der in Regelfall ungleichmäßig in Ausbreitungsrichtung, Stärke, Wellenlänge und/oder Frequenz veränderten Strahlung wird als Diffusstrahlung bzw. diffuse Strahlung oder Streustrahlung bezeichnet. Das Gegenteil ist die Direktstrahlung. Im Sonderfall des Strahlungshaushalts der Erde bezeichnet man dies als diffuse Sonneneinstrahlung oder Himmelsstrahlung, also jenen Teil der auf die Erdoberfläche eintreffenden Sonnenstrahlung bzw. Globalstrahlung, der mit der Erdatmosphäre wechselwirkte. Da die diffuse Sonneneinstrahlung im Vergleich zur so genannten direkten Sonneneinstrahlung lange Wellenlängen besitzt, bezeichnet man sie auch als langwellige Sonneneinstrahlung. Dieser Begriff ist jedoch ungenau und sollte nicht verwendet werden. Ein Teil der diffusen Sonneneinstrahlung ist die atmosphärische Gegenstrahlung Kategorie:Physik Kategorie:Meteorologie

Bestrahlungsstärke

Die Bestrahlungsstärke oder Strahlungsstromdichte (engl.: irradiance, heat flux density: Formelzeichen: E) ist für ein kollimiertes Strahlungsfeld definiert als der Strahlungsfluss dΦ pro Fläche dA, wobei der Strahl einen Winkel α zur Flächennormalen einnimmt: :

E = \frac\cdot\cos\alpha

. Für allgemeine, das heißt nicht unbedingt kollimierte, Strahlungsfelder, deren Strahlungsverteilung durch eine Strahldichte L(θ,φ) gegeben ist, ist die Bestrahlungsstärke in Richtung (θ₀,φ₀) definiert als :

E = \int_0^\int_0^ 
  L(\theta,\phi)\ \vec(\theta_0,\phi_0)\,\vec(\theta,\phi) 
  \ \sin\theta\;\;

. Außerdem sind die Größen
- skalare Bestrahlungsstärke (engl.: scalar irradiance)

E_

, die die Strahldichte unabhängig von der Richtung berücksichtigt, und
- vektorielle Bestrahlungsstärke (engl.: vectorial irradiance)

\vec

, die eine Nettobestrahlungsstärke (mit Richtung) darstellt,
definiert: :

E_0 = \int_0^\int_0^ L(\theta,\phi)\ \sin\theta\;\;

. :

\vec = (E_x, E_y, E_z)

wobei die Komponenten E_x , E_y und E_z die Bestrahlungsstärken bzgl. der x-, y- bzw. z-Richtung bedeuten. Die Bestrahlungsstärke wird oft in die auf eine Fläche eintreffende Bestrahlungsstärke (Irradianz) und die von einer Fläche ausgehende Bestrahlungsstärke (auch Radiosity genannt) aufgeteilt.
- Formelzeichen: E
- SI-Einheit: Watt pro Quadratmeter
- Einheitenzeichen: W/m² Anmerkung: Der Index e bei Formelzeichen in der Photometrie steht für eine energetische Meßgröße, die eine objektive Meßgröße ist, es fließen nicht die speziellen Eigenschaften der menschlichen Wahrnehmung ein. Im Gegensatz dazu wird der Index v bei Meßgrößen gesetzt, bei denen die subjektiven Eigenschaften des menschlichen Auges einfließen, hier steht das v für visuell. Ein Beispiel wäre der Helligkeitsvergleich.

Gershun-Gleichung

Die Gershun-Gleichung setzt die vektorielle und skalare Bestrahlungsstärke in Beziehung zum Absorptionskoeffizienten a: :

\nabla\vec = -a \cdot E_0

Interessant ist, dass der Streukoeffizient nicht in der Beziehung auftaucht. Dadurch kann der Absorptionskoeffizient a in einer beliebigen Strahlungsverteilung, unabhängig von der Streuung, durch die Bestimmung der beiden Bestrahlungsstärken ermittelt werden.

Literatur

- A. Gershun (1939): The light field. J. Math. Phys. 18: 51-151. Siehe auch: Radiometrie Kategorie:Physikalische Größe ja:放射照度

Watt (Einheit)

Watt ist die SI-Einheit der Leistung in der Physik. Sie wurde benannt nach James Watt, dem schottischen Erfinder, der durch die Verbesserung der Dampfmaschine weltberühmt wurde. Berechnung der elektrischen Leistung: :

P = U \cdot I

:P – elektrische Leistung, gemessen in Watt :U – elektrische Spannung, gemessen in Volt :I – elektrische Stromstärke, gemessen in Ampere Berechnung der mechanischen Leistung: :

P = \frac = \int_^ F \cdot \mathrmv = \frac

:F – Kraft, gemessen in Newton :s – Weg, auf dem die Kraft wirkt, gemessen in Meter :t – Zeit der Kraftwirkung, gemessen in Sekunden :v – Geschwindigkeit, gemessen in m/s :W – Arbeit, gemessen in Joule

Maßeinheiten

\mathrm = \frac = \mathrm \cdot \frac = \frac = V\cdot A

Leistung ist der Quotient aus Energie und Zeit. manchmal auch Zeit und Energie.

Beispiele

Da die Umsetzung von Energie (und somit ihre Ableitung nach der Zeit, also die Leistung) einen universellen Vorgang von der Ebene der Quarks bis zur Explosion von Supernova darstellt, umfasst die Manifestation von Leistung viele Größenordnungen. Vorsicht: Eine Kilowattstunde (kWh) ist keine Leistungseinheit, sondern eine Energieeinheit. Des Weiteren ist der umgangssprachliche Gebrauch von Kilowatt (kW) als Energieeinheit eine Quelle von Missverständnissen, Kilowatt ist eine Leistungseinheit, wie oben schon erwähnt. Ganz falsch ist auch der bei manchen beliebte Gebrauch von kWh/h als Energieeinheit.

Siehe auch

- Größenordnung (Leistung)

Weblinks

[http://www.marco-burmeister.de/index_frameaufbau.html?helferlein_hp_kw_ps Umrechnung der Leistungseinheiten hp, kW, PS (Online)] Kategorie:SI-Einheit Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Leistung (Physik) ja:ワット ko:와트 simple:Watt

Quadratmeter

Quadratmeter ist eine SI-Einheit der Fläche. Sie dient zur Messung von Flächen. Ein Quadratmeter ist ein Flächenmaß und entspricht der Fläche eines Quadrats von 1 Meter Breite mal 1 Meter Länge. Das Einheitenzeichen für Quadratmeter ist m². Die oft verwendeten Abkürzungen „qm“ oder „m^2“ sind entsprechend dem SI-Einheitensystem nicht zulässig. Diese Bezeichnung stammt aus der Frühzeit der Schreibmaschine bzw. des Computers, als die hochgestelle '2' noch nicht darstellbar war. Umgangssprachlich wird der Quadratmeter auch „Meter im Quadrat“ oder „Geviertmeter“ (veraltet) genannt. Beispiel: Ein Garten, der 30 m lang und 10 m breit ist, hat eine Fläche von

30\ m \times 10\ m = 300\ m^2

Umrechnungen

- 1 m² = 1.000.000 mm² (Quadratmillimeter)
- 1 m² = 10.000 cm² (Quadratzentimeter)
- 1 m² = 100 dm² (Quadratdezimeter)
- 10^-28 m² = 1 b (Barn (in der Kern- und Atomphysik))
- 100 m² = 1 a (Ar)
- 10.000 m² = 1 ha (Hektar)
- 1.000.000 m² = 1 km² (Quadratkilometer) Barn, Ar und Hektar sind zugelassene gesetzliche Einheiten im Messwesen mit beschränktem Anwendungsbereich. Das Barn darf nur in Kern- und Atomphysik, Ar und Hektar dürfen nur bei der Angabe der Fläche von Grund- und Flurstücken benutzt werden.

Häufige Abwandlungen der Einheit Quadratmeter

Indem man zwischen Quadrat- und -meter ein entsprechendes SI-Präfix setzt, kann man auch dezimale Vielfache und Teile des Quadratmeter bilden. Der Vorsatz wird dabei gemäß dem internationalen Einheitensystem (SI) direkt vor den Namen oder das Einheitenzeichen der Basiseinheit gesetzt. Quadriert wird folglich die dadurch entstandene Einheit (z. B. Kilometer km); es gibt keinen Milliquadratmeter.

Quadratmillimeter

Ein Quadratmillimeter entspricht der Fläche eines Quadrates von 1 Millimeter mal 1 Millimeter, also 10^-6 m² Das Einheitenzeichen für Quadratmillimeter ist mm².

Quadratzentimeter

Ein Quadratzentimeter entspricht der Fläche eines Quadrates von 1 Zentimeter mal 1 Zentimeter, also 10⁻⁴ m². Das Einheitenzeichen für Quadratzentimeter ist cm².

Quadratdezimeter

Ein Quadratdezimeter entspricht der Fläche eines Quadrats von 1 Dezimeter mal 1 Dezimeter. Das Einheitenzeichen für Quadratdezimeter ist dm². Umgerechnet entspricht 1 dm² der Fläche von 0,01 m² bzw. 100 cm² bzw. 10.000 mm².

Quadratkilometer

Ein Quadratkilometer entspricht der Fläche eines Quadrats mit einer Kantenlänge von einem Kilometer. Das Einheitenzeichen für Quadratkilometer ist km². Die immer noch oft verwendete Abkürzung qkm entspricht nicht dem Internationalen Einheitensystem, den in Normen festgelegten Empfehlungen des DIN und den deutschen Rechtsvorschriften über gesetzliche Einheiten im Messwesen.

Weblinks

- [http://www.ptb.de/de/wegweiser/einheiten/ Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Hüterin der Einheiten]
- http://physics.nist.gov/cuu/Units/index.html (englisch) Kategorie:SI-Einheit ja:平方メートル ko:제곱미터 zh-min-nan:Pêng-hong-kong-chhioh

Pyranometer

Ein Pyranometer dient der Messung der eintreffenden globalen Sonneneinstrahlung. Mit anderen Worten: Ein Pyranometer ist ein Sensor zum Messen der Strahlungsflussdichte der Sonne (in Watt pro Quadratmeter) mit einem Sichtfeld von 180 Grad. Sonneneinstrahlung Abbildung: Bild eines Pyranometers. Deutlich sichtbar sind die Hauptkomponenten: Glasdom, Metallgehäuse, schwarzer Sensor, Wasserwage und Kabel. Dimensionen: Der Durchmesser des Glasdoms beträgt 20 mm. Foto: Hukseflux Thermal Sensors model LP02 Der Name Pyranometer stammt aus dem Griechischen, “pyr” bedeutet Feuer und “ano” bedeutet Himmel. Pyranometer werden vielfach angewendet in der Meteorologie, Klimatologie, Bauphysik und bei Forschungen über Solarenergie. Sie werden gebraucht in Meteorologischen Stationen, meistens waagerecht montiert und neben Solarzellen, meistens parallel zur Fläche der Solarzelle angebracht. Pyranometer entsprechen dem ISO 9060-Standard, der auch anerkannt ist durch die WMO, der World Meteorological Organisation. Dieser Standard unterscheidet drei Klassen. Die beste Klasse wird (merkwürdigerweise) „secondary standard“ genannt, die zweitbeste „first class“ und die letzte „second class“.

Meßprinzip

Pyranometer erfassen normalerweise die eintreffende Strahlung aus dem Hohlraum über dem Sensor. Diese Strahlung um den sichtbaren Wellenlängenbereich des Sonnenlichtspektrums wird Globalstrahlung genannt und besteht aus der direkten Sonneneinstrahlung (Direktstrahlung) und aus der diffusen Himmelsstrahlung (Diffusstrahlung). Gemessen wird meist der Strahlungseinfall auf eine horizontale Fläche. Das Pyranometer besteht aus einer Abdeckung, die es vor Umwelteinflüssen schützt und aus einer geschwärzten Thermosäule. Das Ausgabesignal ist mittels eines Kalibrierfaktors direkt proportional zur Bestrahlungsstärke, die in Watt pro Quadratmeter gemessen wird. Für eine Wärmeflussdichte- oder Irradiationsmessung ist das Richtungsverhalten propotional zum Kosinus vom Einfallswinkel; also maximalen Respons wenn die Strahlung senkrecht auf den Sensor fällt (senkrecht zur Fläche, Sonne im Zenit, 0 grad Einfallswinkel), null Respons bei einem Einfallswinkel von 90 grad und 0,5 bei 60 grad. Hieraus folgt, dass ein Pyranometer eine sogenannte „directional response“ oder „cosine response“ haben sollte, der nahe bei der idealen Kosinuskarakteristik liegt. Bestrahlungsstärke Abbildung: Bild eines Pyranometers, hier sind die Hauptkomponenten sichtbar: Schaltplatine (1), Thermosäule (2), Glasdom (3), Metallgehäuse (4), Kabeldrüse (5), Signalkabel (6), Niveaustellschraube (7),O-Ring (Gummi) (8), Verschlusskappe (9), Anschlussblock für Kabel (10).

Bauarten

Pyranometer (Standard)

Die Hauptbestandteile eines Pyranometers sind: #eine Thermosäule mit schwarzem Gehäuse. Dieser Sensor absorbiert alle Sonnenstrahlung in einem Wellenlängenbereich von 300 bis 50000 Nanometer. Der Response ist nahezu propotional zum Kosinus des Zenithwinkels. #Der Glasdom beschränkt den Spektralbereich auf 300 bis 2800 nm (der Bereich über 2800 nm wird weggefiltert). Außerdem schützt der Glasdom die Thermosäule vor Konvektion. Die schwarze Beschichtung der Thermosäule absorbiert die Solarstrahlung und setzt diese um in Wärme. Die Wärme fließt durch den Sensor in das Gehäuse des Pyrometers. Die Thermosäule gibt ein Voltsignal proportional zur Strahlung ab. Ein Pyranometer ist ein passives Messgerät; es benötigt also keine externe Energiequelle.

Sternpyranometer

Albedometer oder Zweifach-Pyranometer

Ein Albedometer oder Zweifach-Pyranometer besteht im Grunde aus zwei zusammengeschalteten Sternpyranometern, wobei ein Pyranometer auf der Rückseite des nach oben gerichteten Pyranometers eingebaut ist. Der somit in der Horizontalen um 180° gedrehte Pyranometer dient zur Messung der reflektierten Sonnenstrahlung.

Siehe auch

- Albedo

Weblinks

- [http://www.meteo-technology.com/solar.htm Meteo-Technology instrumentation site]
- [http://www.schenk.co.at/schenk/ Ph. Schenk] (engl.)
- [http://www.kippzonen.com/pages/6/3 Pyranometer bei Kipp & Zonen] (engl.)
- [http://www.thiesclima.com/global.htm Pyranometer bei Thies Clima] Kategorie:Messgerät Kategorie:Sonne Kategorie:Meteorologische Messgeräte

Energieertrag

Unter dem Energieertrag versteht man die in einem bestimmten Zeitraum (meist ein Jahr) von einem Elektrizitätswerk geerntete Energie. Der Begriff wird hauptsächlich im Zusammenhang mit Fotovoltaikanlagen oder Windenergieanlagen verwendet. Da bei manchen Kraftwerkstypen die Leistung stark von schwankenden Umwelteinflüssen abhängt, variiert die gewonnene Energie je nach Wetterlage. Die Elektrizitätswerke können also nicht ständig ihre maximale Leistung (Nennleistung) bringen. Um den Nutzen einer solchen Anlage anzugeben, wird der Begriff Energieertrag verwendet. Bei Elektrizitätswerkstypen, die von Umwelteinflüssen unabhängig sind, ist dies nicht nötig, da ihre Nennleistung ständig genutzt oder vom Betreiber kontrolliert werden kann. Der Energieertrag errechnet sich aus der durchschnittlich erbrachten Leistung (in einem bestimmten Zeitraum) multipliziert mit der Zeitdauer. Die physikalische Einheit des Energieertrags ist Wattstunden (Wh). Der Quotient von realem Energieertrag dividiert durch den theoretisch maximalen Energieertrag wird spezifischer Energieertrag genannt.

Siehe auch

- Erntefaktor Kategorie:Erneuerbare Energie Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiewirtschaft

Tag

Mit Tag (althochdeutsch: Zeit, wo die Sonne brennt) bezeichnet man
- den Kalendertag
- im gregorianischen Kalender die Zeit von einer Mitternacht bis zur nächsten Mitternacht
Eine Zeitspanne von 24 Stunden, die um 00:00 beginnt und um 24:00 endet. 24:00 Uhr fällt mit dem Beginn des nächsten Tages zusammen (ISO 8601).
- im jüdischen Kalender die Zeit von einem Sonnenuntergang bis zum nächsten Sonnenuntergang. Diese Auffassung war im europäisch-vorderasiatischen Raum insgesamt lange vorherrschend. Die römische Zählung der Nachtstunden (vigiliae) und bestimmte Elemente des christlichen Ritus können als Beispiele genannt werden.
- die sonnenerhellte Zeit eines Kalendertages (Gegensatz zur Nacht)
- von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang; z.T. werden auch die Dämmerungszeiten mit einbezogen. In der Astronomie ist ein Sonnentag die Zeit von einem Sonnenhöchststand bis zum nächsten Sonnenhöchststand. Auf dem Sonnentag basiert die Sonnenzeit. Dagegen wird die Umdrehungszeit der Erde in Bezug auf die Fixsterne (23 Stunden, 56 Minuten und 4 Sekunden) Sterntag oder Siderischer Tag genannt. Dieser ist die Basis für die Sternzeit. Besondere Bedeutung haben bzw. hatten die Sonnen- und Sternzeit des Nullmeridians für die Festlegung der Weltzeit oder zur Angabe von Sternorten. Der bürgerliche Tagesablauf gliedert sich in die Abschnitte Nacht, Morgen, Vormittag, Mittag bzw. Mittagsstunde, Nachmittag, Vorabend, Abend und Mitternacht. Die Grenzen zwischen diesen Abschnitten sind fließend und sowohl vom Kulturkreis als auch von den persönlichen Lebensumständen beeinflußt. Auf "heute", den aktuellen Tag bezogen, bezeichnet "gestern" den vergangenen und "morgen" den folgenden Tag. Die Namensgebung und Reihenfolge der Wochentage basiert auf folgender antiken Regel, die über babylonische, alt-indische, jüdische, dann griechisch-römische Wege auch nach Nordeuropa kam: Jeder Stunde des Tages wurde ein Planetengott als Stunden-Herrscher zugeordnet. Der Herrscher über die jeweils 1. Stunde gibt dem Tag den Namen. Zum besseren Verständnis des Weiteren fertige man sich zuvor eine Skizze an: Die sichtbar wandelnden Himmelskörper (insofern werden hier auch Sonne und Mond als Planeten bezeichnet) werden in der Reihenfolge zunehmender Geschwindigkeit (geozentrisch gesehen) auf einem Kreis im Uhrzeigersinn notiert : Saturn Jupiter Mars Sonne Venus Merkur Mond. (Anordnung in Form der Spitzen eines 7-Sternes) Als Beispiel fangen wir bei Saturn als Stundenherrscher der ersten Stunde eines Tages an. Der Tagesname ist demnach 'Saturn-Tag' = Saturday (= Samstag). (Die 1. Stunde des Tages wird von Saturn beherrscht.) Die 2. vom nächstschnelleren Planeten = Jupiter. Die 3. vom nächstschnelleren = Mars. Etc. Zählt man nun im Uhrzeigersinn bis zum Herrscher der 25. Stunde, ist man bei der Sonne angelangt. Die '25. Stunde eines Tages' ist aber die 1. des darauffolgenden Tages. Also heißt dieser: Sonntag. Nun wieder - mit der Sonne beginnend - bis zum 25. 'Herrscher' zählen. Man erreicht den Mond. Der nächste Tag heißt also Mond-tag. Man kann sich das Abzählen anhand der Skizze erleichtern: Es ist festzustellen, dass man immer zum 25. Herrscher kommt, wenn man beim jeweiligen 'Tagesherrscher' beginnend, in Uhrzeiger- (oder Lese-) Richtung (d.h. zunehmender Geschwindigkeit) 2 Planeten überspringt. Überspringt man also vom Mond aus 2 Planeten, landet man bei Mars. Mars ist Herrscher über die erste Stunde des neuen Tages = Marstag. Entspricht französisch Mardi, italienisch Martedi, (Dienstag von thiu, germanischer Kriegsgott ~ vgl. engl. Tuesday). Wieder 2 überspringen: Merkur ~ Mercredi, Mercoledi. Der dt. Name Mittwoch geht auf die ahd. Missionierung zurück, die wie bei Sonnabend/Samstag Anklänge an vorchristliche Gottheiten zu eliminieren suchte. Jupiter ~ frz.Jeudi, ital.Giovedi; germ.Donar entspricht Jupiter, daher dt. Donnerstag, engl. Thursday. Venus ~ Vendredi, Venerdi; germ. Freya entspricht Venus, daher Freitag bzw. Friday. Zu Saturn vgl. Samstag. Im germanischen Kulturkreis sind die Namen nicht so offensichtlich erhalten wie in den romanischen Sprachen, der Heimat der klassischen, latinisierten Planeten- bzw. Götter-Namen. Die Germanischen Götternamen entsprechen aber in ihrer Bedeutung den romanischen; so sind z. B. Freya (für Freitag) und Venus (für venerdi, vendredi) 'inhaltlich' Verwandte. Wer allerdings (und wann) z. B. zum ersten Male festgelegt hat: 'Heute ist Montag', kann nicht zurück verfolgt werden.
- Tage (Plural): Zeitraum, den jmd. durchlebt (die schönen Tage von Neapel)
- Tage (Plural): in der Umgangssprache verhüllend die "Zeit der Menstruation". Im Messwesen wird der Tag formelhaft beschrieben als eine Maßeinheit der Zeit
mit dem Einheitenzeichen: d.
Formelzeichen für die physikalische Größe Zeit ist: t. 1 d = 24 h = 1440 min = 86400 s

Siehe auch

Siderischer Tag, Nacht, Abend, Dämmerung, Sonnenaufgang, Sonnenuntergang, Nachmittag, Dunkelheit, Tag-Nacht-Grenze

Wikipedia-Links zum Themenkomplex Kalender und Zeit

Weblinks

- http://www.fourmilab.ch/cgi-bin/uncgi/Earth/action?opt=-p&img=learth.evif Kategorie:Kalender Kategorie:Astronomische Größe der Zeit Kategorie:Zeitbegriff Kategorie:Maßeinheit als:Tag ja:日 simple:Day th:วัน

KWh

Wattstunde (Abkürzung: Wh) ist eine Energieeinheit. Eine Wattstunde ist die Energie, die eine Maschine mit einer Leistung von einem Watt in einer Stunde aufnimmt, bzw. abgibt. Sie leitet sich aus der SI-Einheit Joule ab:
- 1 Wh = 3.600 Ws (Wattsekunde) = 3.600 Joule = 3,6 Kilojoule (kJ). Die Einheit Wattstunde wird meistens mit einem Präfix verwendet. Am gebräuchlichsten ist dabei die Kilowattstunde (z.B. aus der Stromabrechnung)
- Kilowattstunde (kWh) = 1000 Wattstunden = 10³ Wh
- Megawattstunde (MWh) = 1 Million Wattstunden = 10⁶ Wh
- Gigawattstunde (GWh) = 1 Milliarde Wattstunden = 1 Million Kilowattstunden = 10⁹ Wh
- Terawattstunde (TWh) = 1 Billion Wattstunden = 10¹² Wh Terawattstunde ist die angemessene Einheit bei der Angabe der Energiejahresproduktion großer Elektrizitätswerke oder des Jahresverbrauchs ganzer Industrieländer.

Kilowattstunde

Kilowattstunde (kWh) ist die am häufigsten im allgemeinen Gebrauch verwendete Einheit für Energie oder Arbeit. Einheitenzeichen: kWh
Formelzeichen der Größe: W (als Arbeit) oder E (als Energie) 1 kWh = 1 kW · 1 h = 1.000 Watt · 3.600 Sekunden = 3,6 · 10⁶ J = 3,6 M J Wenn bspw. eine Solaranlage mit der Leistung von einem Kilowatt eine Stunde lang elektrische Energie (umgangssprachlich: Strom) produziert, so ist eine Energiemenge von einer Kilowattstunde (1 kWh) in elektrische Energie umgewandelt worden.

Siehe auch

- Liste der Vorsilben für Maßeinheiten
- Größenordnung (Energie) Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Maßeinheit

Ekliptik

Die Ekliptik (griechisches weibliches Adjektiv εκλειπτική [τροχιά], ekliptikí [trochiá] – die verdeckende [Umlaufbahn], von έκλειψη, éκlιpsi – wörtlich die Überlagerung, Verdeckung oder Auslöschung, vergleiche Ellipse) ist die Projektion der scheinbaren Bahn der Sonne im Verlauf eines Jahres auf die Himmelskugel. Die Ekliptik ist ein Großkreis am Himmel, das heisst sie definiert eine Ebene, in der sowohl der Mittelpunkt der Erde als auch der Mittelpunkt der Sonne liegen. Diese Ebene ist die Bahnebene der Erde und wird auch Ekliptikebene oder Ekliptikalebene genannt.

Details

Die Rotationsachse der Erde steht nicht senkrecht auf dieser Ebene, sondern bildet mit ihr einen Winkel von etwa 66,56 Grad. Da die Erde von der Kugelgestalt abweicht, bewirken die Gezeitenkräfte von Mond und Sonne ein Drehmoment, welches die Erdachse aufzurichten versucht. Dadurch kreiselt die Erdachse einmal in 25.780 Jahren. Dieses Phänomen wird die Präzession der Erdachse genannt. Die Ekliptik schließt mit der Ebene des Erd- bzw. Himmels-Äquators derzeit einen Winkel von 23,44° ein, die Schiefe der Ekliptik. Der Winkel ändert sich jedoch langperiodisch durch Gravitationseinflüsse der Körper im Sonnensystem aufeinander – zwischen etwa 21° 55' und 24° 18' in 41.000 Jahren. Dieser Effekt trägt zur Entstehung der Eiszeiten bei.

Geschichte

Der Name „Ekliptik“ stammt vom griechischen Wort für Verdunkelung (Ekleïpsis, εκλειψις), weil Sonnen- oder Mondfinsternisse nur dann vorkommen, wenn der Neu- bzw. Vollmond sehr nahe der Ekliptik stehen. Im geozentrischen Weltbild der Antike und des Mittelalters kreist die Sonne auf der Ekliptik innerhalb eines Jahres um die Erde. Der Bereich beiderseits der Ekliptik, innerhalb dessen die scheinbaren Bewegungen von Mond und Planeten verlaufen, wird Zodiak oder „Tierkreis“ genannt. Die Fixsterne sind bezüglich der Himmelskugel praktisch bewegungslos und bilden, von der Erde aus betrachtet, die Sternbilder. Zwölf der dreizehn Sternbilder, die von der Ekliptik geschnitten werden, wurden von der Astrologie als Grundlage zur Benennung der Tierkreiszeichen verwendet. Aufgrund der Präzession seit der Benennung der Tierkreiszeichen sind diese und die gleichnamigen Sternbilder aber nicht deckungsgleich, sondern um etwa 30°, also ein Tierkreiszeichen verschoben.

Siehe auch

Keplersche Gesetze, Sonnenfinsternis, Sommer, Winter

Weblinks

- [http://www.greier-greiner.at/hc/ekliptik.htm Kurzer Einführungsartikel] Kategorie:Himmelsmechanik Kategorie:Astronomisches Koordinatensystem ja:黄道 ko:황도 th:สุริยวิถี

Atmosphäre

Die Atmosphäre (v. griechisch ατμός, atmós „Luft, Druck, Dampf“ und σφαίρα, sfära „Kugel“) ist die gasförmige Hülle um einen Himmelskörper. Sie besteht meist aus einem Gemisch verschiedener Gase, die vom Schwerefeld des Himmelskörpers festgehalten werden können. Die Atmosphäre ist an der Oberfläche am dichtesten und geht in großen Höhen fließend in den interplanetaren Raum über.

Entstehung

Bei der Ausbildung einer Atmosphäre spielen mehrere Faktoren eine Rolle, wozu in erster Linie die Größe des Himmelskörpers zählt. Das Schwerefeld muss dabei gewährleisten, dass die in der Regel aus Ausgasungen hervorgehenden Gasteilchen an den Himmelskörper gebunden bleiben und sich nicht in den Weltraum verflüchtigen können. Entsprechend der kinetische Gastheorie bewegen sich die Gasteilchen ungeordnet und dabei umso schneller, je höher die Temperatur des Gases ist und je leichter sie sind. Reicht die Anziehungskraft nicht aus, um den Verlust ausreichend schneller Teilchen langfristig derart zu begrenzen, dass es zu einer positiven Teilchenbilanz kommt, also mehr Gasteilchen durch Ausgasungen hinzukommen, als durch die Überwindung der Gravitation verloren gehen, so kann sich auch keine Atmosphäre ausbilden. Dabei spielen neben der Größe auch die Oberflächentemperatur des Himmelskörpers eine Rolle, die nicht zu groß sein darf. Auch die Art der zur Verfügung stehenden Gasteilchen ist wichtig, da zum Beispiel eine Atmosphäre aus Wasserstoff oder Helium viel schwerer an den Planeten zu binden ist als eine aus Sauerstoff oder Stickstoff. Dies liegt daran das leichte Gasteilchen bei gleicher Temperatur wesentlich schneller sind als schwere Gasteilchen. Atmosphären die Elementen wie Wasserstoff in größerem Umfang enthalten finden sich daher vor allem bei den sehr massereichen Gasriesen, die über eine ausreichende Gravitation verfügen. Letztlich ist nur eine kleine Minderheit der Himmelskörper in der Lage, eine Atmosphäre zu bilden und langfristig an sich zu binden. So besitzt zum Beispiel der Mond als der nächste Nachbar der Erde keine Atmosphäre.

Aufbau und Gradienten

Mond]

Druckverlauf

Der Druckverlauf einer Atmosphäre, im Fall der Erdatmosphäre des Luftdrucks, ist in den unteren Bereichen durch die hydrostatische Gleichung bestimmt, die bei im Vergleich zum Planetenradius dünnen Atmosphären wie folgt geschrieben werden: :

= - g \rho (h)

Die Einflussgrößen sind der Druck p, die Höhe h, die Schwerebeschleunigung g und die Dichte ρ. Im Falle konstanter Temperatur reduziert sich die Gleichung zur barometrischen Höhenformel. Im äußeren Bereich ist diese Beschreibung jedoch nicht mehr gültig, da sich die Bestandteile aufgrund der geringen Dichte auf Keplerbahnen oder den Magnetfeldlinien bewegen und sich gegenseitig kaum noch beeinflussen.

Untergliederungen

In der Regel ist eine Atmosphäre keine homogene Gashülle, sondern aufgrund zahlreicher innerer und äußerer Einflüsse in mehrere mehr oder weniger klar gegeneinander abgegrenzte Schichten einzuteilen, die vor allem durch die Temperaturabhängigkeit chemischer Prozesse in der Atmosphäre und die Strahlungsdurchlässigkeit abhängig von der Höhe entstehen. Im wesentlichen kann man folgende Schichten nach dem Temperaturverlauf unterscheiden:
- An der Planetenoberfläche beginnt in der Regel die Troposphäre, in der Konvektionsströmungen vorherrschen. Sie wird begrenzt durch die Tropopause.
- Darüber liegt die Stratosphäre, in der die Strahlung beim Energietransport dominiert. Sie wird begrenzt durch die Stratopause.
- In der Mesosphäre wird, vor allem durch Kohlenstoffdioxid, Energie abgestrahlt, so dass in dieser Schicht eine starke Abkühlung erfolgt. Sie wird begrenzt durch die Mesopause.
- In der Thermosphäre dissoziieren und ionisieren die meisten Moleküle, wodurch die Temperatur deutlich ansteigt.
- Die äußerste Schicht ist die Exosphäre, aus der die vorwiegend atomaren beziehungsweise ionisierten Bestandteile aus dem Schwerefeld des Planeten entweichen können. Sie wird bei Vorhandensein eines Magnetfeldes durch die Magnetopause begrenzt. Diese Gliederung gibt nur eine grobe Einteilung wieder, und nicht jede Schicht ist bei allen Atmosphären nachweisbar. So besitzt die Venus zum Beispiel keine Stratosphäre, kleinere Planeten und Monde besitzen nur eine Exosphäre, z. B. der Merkur. Für Entstehung und Ausprägung der Dämmerungsfarben ist der vertikale Aufbau der Atmosphäre maßgeblich. Es ist auch möglich die Atmosphäre nicht nach dem Temperaturverlauf, sondern nach anderen Gesichtspunkten zu gliedern, wie:
- dem radio-physikalischen Zustand der Atmosphäre (Ionosphäre, Magnetosphäre)
- nach physiko-chemischen Prozessen (Ozonosphäre bzw. Ozonschicht, Chemosphäre)
- der Lebenszone (Biosphäre)
- der Durchmischung (Homosphäre, Homopause, Heterosphäre)
- dem aerodynamischen Zustand (Prandtl-Schicht, Ekman-Schicht, beide als Peplosphäre, Freie Atmosphäre)

Vorkommen von Atmosphären

Vergleicht man die Himmelskörper unseres Sonnensystems miteinander, so zeigt sich der Einfluss der bei der Ausbildung einer Atmosphäre relevanten Faktoren. Unter den Planeten ist die Erde in der Lage, schwere Elemente wie Argon (Ar) in der Atmosphäre zu halten, leichte Elemente/Moleküle wie Wasserstoff (H₂) oder Helium (He) verlor sie jedoch im Laufe ihrer Entwicklung. Diese leichten Bestandteile zeigen sich dafür umso deutlicher bei den äußeren Planeten, den so genannten Gasriesen wie Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Auch Planeten anderer Sternsysteme – die Exoplaneten – konnten mit spektrografischen Methoden Atmosphären nachgewiesen werden. Neben den Planeten haben auch einige größere Monde wie Titan, Ganymed, Io und Europa eine Atmosphäre. Der Mond der Erde hingegen zeigt keine Atmosphäre. Er ist hierfür mit knapp 1,2 % der Erdmasse zu klein und zeigt zudem auf seiner sonnengewandten Seite Temperaturen von über 100 °C.

Sonstiges

Eine häufige Fehlschreibung für Atmosphäre ist „Athmosphäre“.

Siehe auch

- Planetologie
- Erdatmosphäre
- Schichtungsstabilität
- Meteorologie
- Luft

Weblinks

- [http://www.wappswelt.de/tnp/nineplanets/spheres.html Planetarische Gashüllen] Kategorie:Planetologie Kategorie:Meteorologie

Air Mass

Air Mass (kurz AM, auch "Luftmasse") ist ein Maß für die Länge des Weges, den das Licht eines Himmelskörpers durch die Atmosphäre zurücklegt, relativ zum kürzesten Weg vom Zenit zum Boden. Dabei ist :

\mathrm = \frac

mit

\zeta

(griech. Zeta) als Winkel zwischen der Lotrichtung am Beobachtungsort und der Solarstrahlung (

\zeta

für Zenitwinkel). Die Formel berücksichtigt jedoch nicht die Erdkrümmung und gilt deswegen nur genähert. Es entsteht ein Fehler von 500 Metern auf 100 km, von 2000 Metern auf 200 km usw.

Astronomie

Die Luftmasse ist in der beobachtenden Astronomie ein Maß für die Zenitdistanz, das eine schnelle Einschätzung der erzielbaren Beobachtungsqualität erlaubt. Bei Luftmassen größer als zwei wird im Allgemeinen nur ungern beobachtet; die meisten Teleskope haben Sicherheitsschaltungen, die Beobachtungen bei Werten über 2,5 bis 3 verhindern. Die Abschwächung des Lichtes (Extinktion) spielt hierbei eine geringere Rolle als die zunehmende differentielle Refraktion zwischen blauem und rotem Licht. Auch die stärkere Luftunruhe (Szintillation) verschlechtert die Bildqualität schnell jenseits der für die Forschung akzeptablen Werte.

Solarphysik

Das Spektrum der Solarstrahlung ist abhängig von dieser Weglänge des Lichts, und entsprechenden Längenmaßen sind entsprechende Spektren und Strahlungsleistungen zugeordnet. Ein schräger Einfall des Sonnenlichts bedeutet eine Abschwächung der Strahlungsleistung und eine Änderung des Spektrums. Für vergleichende Messungen wurden verschiedene Spektren und Strahlungsleistungen definiert. AM 0 ist das Spektrum außerhalb der Atmosphäre (extraterrestrisches Spektrum) im Weltraum, die Strahlungsleistung beträgt dort 1367 W/m² (Solarkonstante). AM 1 ist das Spektrum der senkrecht auf die Erdoberfläche fallenden Sonnenstrahlen, d. h. die Sonne muß dafür genau im Zenit stehen und die Strahlen legen damit den kürzesten Weg auf die Erdoberfläche zurück. Für AM 1,5 ergibt sich ein Zenitwinkel von etwa 48,2°. Bei diesem Spektrum beträgt die globale Strahlungsleistung 1000 W/m², aus diesem Grunde wurde AM 1,5 als Standardwert für die Vermessung von Solarmodulen eingeführt. Das Spektrum AM 1,5 ist in der Norm IEC 904-3 (1989) Teil III festgehalten. Für Berlin ist zur Wintersonnenwende mittags der Zenitwinkel 76° und damit gilt hier AM 4,13. Für die Sommersonnenwende und bei Sonnenhöchststand ist der Zenitwinkel ca. 29°, das entspricht AM 1,14. Definiert man AM über den Höhenwinkel

h

der Sonne (Sonnenhöhe), so ergibt sich :

\mathrm = \frac

mit

h

als Winkel zwischen der Horizontalen am Beobachtungsort und der Solarstrahlung. Siehe auch: Astronomische Refraktion, Seeing Kategorie:Beobachtungsmethode der Astronomie

Albedo

Die Albedo (von lat. albidus, weiß) ist ein Maß für das Rückstrahlvermögen von diffus reflektierenden (remittierenden), also nicht spiegelnden und nicht selbst leuchtenden Oberflächen. Es werden verschiedene Arten der Albedo unterschieden: :
- Die geometrische Albedo (auch visuelle geometrische Albedo genannt) ist der von einer senkrecht bestrahlten Kugelhalbfläche diffus in den Halbraum gestreute Bruchteil der auffallenden Lichtmenge, im Verhältnis zur Rückstrahlung einer weißen, diffus reflektierenden Halbkugel mit der gleichen Größe und in der gleichen Entfernung mit dem Phasenwinkel 0° zum Beobachter. :
- Die sphärische Albedo (auch Bondsche Albedo genannt) ist das Verhältnis der von einer Kugeloberfläche nach allen Richtungen gestreuten Lichtmenge zur parallel eingestrahlten Lichtmenge. :
- Die hemisphärische Albedo ist der Anteil des einfallenden Lichts, der von der Oberfläche in Abhängigkeit vom Einfallswinkel gestreut wird. Das Verhältnis der Rückstrahlung zur Einstrahlung kann theoretisch Werte von 0 bis 1 annehmen. Je größer der Anteil der reflektierten Strahlung ist, desto heller ist die Oberfläche und um so höher ist die Albedo. Die sphärische Albedo ist bei gleichem Material meist etwas größer als die geometrische. Der Zusammenhang zwischen ihnen wird mathematisch durch das sogenannte Phasenintegral vermittelt. In der Astronomie ermöglicht der Vergleich mit den Albedowerten irdischer Substanzen, Rückschlüsse auf die Beschaffenheit anderer planetarer Oberflächen zu ziehen. Gemäß der Definition der sphärischen Albedo ist die Voraussetzung von parallel einfallendem Licht wegen der großen Entfernungen der reflektierenden Himmelskörper von der Sonne als Lichtquelle sehr gut gegeben.

Wissenswertes

Die Venus besitzt mit einer mittleren sphärischen Albedo von 0,76 ein sehr hohes, der Mond mit durchschnittlich 0,12 ein sehr geringes Rückstrahlvermögen und die Erde hat eine mittlere sphärische Albedo von 0,39. Der höchste bisher gemessene Wert fällt mit 0,99 auf den Saturnmond Enceladus. Wenn Wärme durch Strahlung zugeführt wird und hauptsächlich durch andere Prozesse abgeführt wird, erreichen Oberflächen mit geringerer Albedo höhere Temperaturen (vgl. Asphalt und Schnee). Wenn Wärme hauptsächlich durch andere Prozesse zugeführt wird und (u. A.) durch Strahlung abgeführt wird, erreichen Oberflächen mit geringerer Albedo geringere Temperaturen (das ist auch der Grund, warum die Kühlkörper elektronischer Geräte meistens schwarz sind). Glatte Oberflächen, wie Wasser, Sand, Schnee haben einen relativ hohen Anteil spiegelnder Reflexion, ihre Albedo ist deshalb stark abhängig vom Einfallswinkel der Sonnenstrahlung (siehe Tabelle).

Literatur

Joachim Gürtler und Johannes Dorschner: Das Sonnensystem., Barth (1993), ISBN 3335002814

Weblinks

- [http://www.atmosphere.mpg.de/enid/3__Sonne_und_Wolken/-_Albedo_3ao.html Max Planck Institut Mainz] Kategorie:Beobachtende Astronomie Kategorie:Physik ja:アルベド ko:반사율

Sonnenstrahlung

Strahlungsgesetze und Strahlungsarten

Die Solarkonstante

Hauptartikel: Solarkonstante Die gesamte Strahlungsleistung der Sonne, die pro Quadratmeter auf die Erde einfällt, wird durch die Solarkonstante beschrieben. Sie beträgt im Mittel :

E_0 = 1367\ \mathrm

Globalstrahlung

Siehe auch

Weblinks

Solarstrahlung

Strahlungsgesetze und Strahlungsarten

Die Solarkonstante

Dämpfung durch die Atmosphäre

Minderung durch schrägen Lichteinfall

Strahlungsbilanz, Treibhauseffekt und Wetter

Weblinks

Direktstrahlung

Wolke

Physik und Chemie der Wolken

Bestandteile

Bildung, Entwicklung und Auflösung

Bedeutung für den Strahlungshaushalt

Rolle im Wasserkreislauf

Aussehen

Mächtigkeit und horizontale Erstreckung

Gestalt und Struktur

Helligkeit

Farbe

Optische Phänomene

Klassifizierung

Geschichtliches

Internationales System

Übersicht

Gattungen

Arten

Unterarten

Sonderformen und Begleitwolken

Mutterwolken

Genetische Klassifikation

Gesonderte Wolkenformen

Wetterbeobachtung

Frontpassage

Gewitter und Stürme

Wolkenverschlüsselung

Verschlüsselung der CL-Wolken

Verschlüsselung der CM-Wolken

Verschlüsselung der CH-Wolken

Wolken und „Bauernregeln“

Anomalien und extraterrestrische Wolken

Wolken als Kunstmotiv

Literatur

Weblinks

Diffusstrahlung

Bestrahlungsstärke

Gershun-Gleichung

Literatur

Watt (Einheit)

Maßeinheiten

Beispiele

Siehe auch

Weblinks

Quadratmeter

Umrechnungen

Häufige Abwandlungen der Einheit Quadratmeter

Quadratmillimeter

Quadratzentimeter

Quadratdezimeter

Quadratkilometer

Weblinks

Pyranometer

Meßprinzip

Bauarten

Pyranometer (Standard)

Sternpyranometer

Albedometer oder Zweifach-Pyranometer

Siehe auch

Weblinks

Energieertrag

Siehe auch

Tag

Siehe auch

Wikipedia-Links zum Themenkomplex Kalender und Zeit

Weblinks

KWh

Kilowattstunde

Siehe auch

Verschlüsselung der C_L-Wolken

Verschlüsselung der C_M-Wolken

Verschlüsselung der C_H-Wolken