Solarstrahlung

Wolkenstrahlen über einer Wasserfläche

Die Sonnenstrahlung oder Solarstrahlung ist die Strahlung der Sonne. Die elektromagnetische Strahlung hat ihr Maximum im sichtbaren Licht, umfasst aber auch andere elektromagnetische Wellen von Röntgen- und UV-Strahlung bis zu Radiowellen. Die Partikelstrahlung, der Sonnenwind, enthält hauptsächlich Elektronen und schnelle Ionen, die vom Erdmagnetfeld in den Strahlungsgürteln eingefangen werden.

Umgangssprachlich bedeutet Sonnenstrahlung auch:

• das sichtbare Licht (Lichtspektrum) der Sonne.
• die durch die Erdatmosphäre gefilterte Sonnenstrahlung, siehe auch Himmel (planetär).
• Sonnenstrahlen, die durch Abschattung entstehen, siehe Wolkenstrahlen.

Sonnenspektrum

Sonnenstrahlung oberhalb und auf der Erdoberfläche.

Gesamtes Sonnenspektrum (logarithmische Skala).

Die Sonnenstrahlung umfasst ein Wellenlängenspektrum von mehr als neun Zehnerpotenzen, beginnend bei hartem Röntgenlicht mit einer Wellenlänge von weniger als 0.1nm, über ein Spektrum eines schwarzen Körpers mit einem Maximum im sichtbaren Bereich bis hin zu langwelliger Radiostrahlung im Meterbereich.

Während die mittlere Sonnenenergie nahezu konstant ist, gibt es große Unterschiede in den Spektralbereichen außerhalb des sichtbaren Bereichs. Diese Unterschiede beruhen zum Teil auf Sonneneruptionen, die von der Sonnenaktivität abhängen.

Dem kontinuierlichen Sonnenspektrum sind eine Vielzahl von Absorptionslinien überlagert, die sogenannten Fraunhoferlinien.

Strahlungsgesetze und Strahlungsarten

Das Strahlungsmaximum liegt im gelb-grünen Spektralbereich, was sich aus der Sonnenoberflächentemperatur von 6000 °C und den Strahlungsgesetzen von Planck und Wien ergibt.

Zusammen mit den roten und blauen Lichtanteilen nehmen wir stammesgeschichtlich geprägt diese Strahlung als weiß wahr. Die nicht-sichtbare Strahlung ist vorwiegend Infrarotstrahlung, deren Wirkung die Wärmerezeptoren der Haut ansprechen. Von den kurzwelligeren Strahlen gelangt UV-Licht zu uns, während die Röntgenstrahlung von Sonneneruptionen (Flares) und die kosmische Strahlung von der Lufthülle abgeschirmt werden.

Solarkonstante

Hauptartikel: Solarkonstante

Die gesamte Strahlungsleistung der Sonne auf die Erde, wird durch die Solarkonstante je Quadratmeter beschrieben. Sie beträgt im Mittel

$E_0 = 1{,}367\ \mathrm{kW / m^2}$.

Globalstrahlung

Hauptartikel: Globalstrahlung

Je nach Ort und Zeit wird die Wahrnehmung der Sonnenstrahlung durch Klima und weitere Bedingungen beeinflusst. Sonnenschein herrscht wenn das Licht durch Wolken ungehindert die Erdoberfläche trifft, die Direktstrahlung. Licht, das über Reflexion an Wolken, Wasser- und Staubteilchen die Erdoberfläche erreicht, erzeugt die Diffusstrahlung. Diffusstrahlung und Direktstrahlung an einem Ort ergeben zusammen die Globalstrahlung. Diese weist erheblich größere Schwankungen als die Solarkonstante auf und ist nur für einen bestimmten Ort der Erdoberfläche zu einem Zeitpunkt messbar.

Dämpfung durch die Atmosphäre

Die Durchlässigkeit der Atmosphäre für das Sonnenlicht im UV, Sichtbarem und Infrarot

Die Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche ist geringer als die außerhalb der Erdatmosphäre, da die Erdatmosphäre die elektromagnetische Strahlung zu 20 bis 40 Prozent absorbiert. Außerdem wird ein Teil als Infrarotstrahlung zurück ins All reflektiert.

Minderung durch schrägen Lichteinfall

Dämpfung der Sonnenstrahlung beim Weg durch die Atmosphäre: a) langer Weg, Verteilung der Strahlung über ein großes Gebiet (Polarregion), b) kurzer Weg, Verteilung über ein kleines Gebiet, Einfallswinkel von 90° am Äquator (Tropen)

Der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung, das ist der Winkel zwischen den Strahlen und dem Horizont, bestimmt die Schichtdicke der Atmosphäre, die die Strahlung passieren muss. Die Luftmasse (air mass) gibt einen Wert für die Länge des Weges durch die Atmosphäre an.

Fällt die Licht- und Wärmestrahlung schräg ein, verteilt sie sich über eine größere Erdoberfläche. Dieser Effekt verläuft genähert mit dem Sinus des Höhenwinkels.

Der Einfluss der Jahreszeiten in den Tropen ist kaum merklich, da der Sonnenstand dort um Mittag immer steil ist. Der Unterschied zwischen Sommer und Winter wirkt zu den Polen hin immer stärker.

In Mitteleuropa steht die Mittagssonne sommers 60 bis 65° hoch und strahlt bei idealen Wetterbedingungen mit einer Bestrahlungsstärke von etwa 700 Watt/m². Im Winter sind es nur 13° bis 18° und selbst zu Mittag nur etwa 247 Watt/m². Im Vergleich dazu beträgt die Strahlung auf 3-4 km hohen Bergen etwa 1000 W/m².

Die Erwärmung der Erdoberfläche hängt von der Dauer des hellen Tages ab. Ende Juni beträgt die Dauer etwa 16 Stunden, im Dezember acht Stunden. Das Verhältnis der gesamten eingestrahlten Sonnenenergie beträgt zwischen diesen Monaten bei etwa 5:1 bis 10:1, wird aber durch Wärmespeicherung vor allem durch die Meere gemildert (Seeklima).

Messung

Die Messung der Sonnenstrahlung erfolgt über Pyranometer, Pyrheliometer oder Sonnenscheinautographen. Letztere werden vor allem zur Bestimmung der Sonnenscheindauer benutzt. Die Solarkonstante wird hingegen über Radiometer gemessen.

Strahlungsbilanz

Hauptartikel: Strahlungshaushalt der Erde

Die Temperatur der Erdoberfläche wird global von der Strahlungsbilanz, dem Strahlungshaushalt bestimmt, damit wird das Zusammenwirken von Absorption und Reflexion sowie Re-Emission und Streuung erfasst.

Siehe auch

• Strahlungsdruck der Solarstrahlung
• Fraunhoferlinie