Energiewissen strukturiert.

Die Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche ist die Haupteinflussgröße des Wettergeschehens und des regionalen wie globalen Klimas. Die Strahlungsstromdichte (engl. heat flux density, irradiation), also die Strahlungsenergie pro Flächen- und Zeiteinheit, hängt vom Winkel der Sonneneinstrahlung ab. Bei flachem Winkel treffen weniger Photonen pro Flächeneinheit auf dem Boden auf und erwärmen ihn weniger stark als bei senkrechtem Einfall. Dies kommt durch folgende Formel zum Ausdruck:

Hierbei bezeichnet die Strahlungsleistung, die Strahlungsleistung bei senkrechtem Einfallswinkel und den Einfallswinkel gegenüber dem Horizont.

Verstärkt wird der Effekt durch den verlängerten Weg, den das Licht bei flachen Winkeln durch die Atmosphäre zurücklegen muss.

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 (auch als Sonnenwind bezeichnet) enthält hauptsächlich schnelle Ionen, die vom Erdmagnetfeld in den Strahlungsgürteln eingefangen werden und kaum die Erdoberfläche erreichen. Als Sonnenlicht werden neben der Sonnenstrahlung bezeichnet: das sichtbare Licht (Lichtspektrum) der Sonne, die durch die Erdatmosphäre gefilterte Sonnenstrahlung

Strahlungsgesetze und Strahlungsarten

Das Strahlungsmaximum liegt im gelb-grünen Licht, was sich aus der Sonnenoberflächen- temperatur von ca. 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 ionisierende Strahlung) von der Lufthülle abgeschirmt werden.

Solarkonstante        

Die gesamte Strahlungsleistung der Sonne, die pro Quadratmeter auf die Erde einfällt, wird durch die Solarkonstante beschrieben. Sie beträgt im Mittel 1,367 kW/m².
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. 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.<br>Der resultierenden Bestrahlungsstärke von 1,325 bis 1,420 kW/m² überlagert sich noch ein quasi-periodischer Einfluss von 0,1 % wegen des 10- bis 12-jährigen Sonnenfleckenzyklus. Er wurde um 1700 erkannt und erstmals 1843 von Samuel Heinrich Schwabe in seiner Wirkung auf die Sonnenstrahlung untersucht. Der damals entdeckte Zyklus beschreibt die periodisch schwankende Anzahl von Sonnenflecken. Heutzutage weiß man zudem, dass die Sonnenfleckenausläufer eine höhere Energieabstrahlung besitzen als der Rest der Sonnenoberfläche, wodurch sich dadurch bei einem Maximum der Sonnenfleckenanzahl eine besonders hohe Strahlung der Sonne und somit eine höhere Solarkonstante ergibt. Bei einem Sonnenfleckenminimum hingegen ist die solare Strahlung dann entsprechend geringer.  

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. 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 bis zur Erdoberfläche durchdringende Strahlung ist jedoch viel geringer, weil:
1. 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.
2. 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. Die Luftmasse (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 aus, je näher man zu den Polen kommt.
In Mitteleuropa steht die Mittagssonne im Sommer 60 bis 65° hoch und strahlt bei idealen Bedingungen mit einer Bestrahlungsstärke von etwa 700 Watt/m² herab, gemessen in der Horizontalen. Im Winter sind es nur 13 bis 18° und selbst zu Mittag nur etwa 247 Watt/m² (ebenfalls in der Horizontalen gemessen).
Ohne Neigung der Erdachse steht die Sonne mittags am Äquator im Zenit (90° Elevation) und am Nordpol am Horizont (0° Elevation). Folglich bleiben bei uns (auf einer geographischen Breite von etwa 50° Nord) noch 90°-50°=40° Elevation. Nun neigen wir uns im Sommer um 23,4° der Sonne entgegen, das macht zusammen 63,4° (mittags zur Sommersonnenwende) und im Winter neigen wir uns um den gleichen Winkel von der Sonne weg, das macht 16,6° (mittags zur Wintersonnenwende). In München sind es 2° mehr, in Hamburg 3° weniger.
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.<br>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.

Die Messung der Sonnenstrahlung erfolgt über Pyranometer, Pyrheliometer oder Sonnenscheinautographen, wobei Letztere vor allem zur Bestimmung der Sonnenscheindauer benutzt werden, die aber auch näherungsweise auf die Sonnenstrahlung umgerechnet werden kann. Die Solarkonstante wird hingegen über Radiometer gemessen.

Quelle: Wikipedia