Energiebilanz der Erde

Strahlungs- und Wärmeflüsse

Die Energiebilanz der Erde besteht in Summe aus Strahlungs- und Wärmeflüssen. Vorausgeschickt werden muss, dass Strahlungsübertragung auch im Vakuum stattfinden kann, wohingegen Wärmeflüsse an Materieflüsse gebunden sind. Daher muss hier zwischen Strahlungsbilanz und Strahlungsflüssen als auch Energiebilanz und Energieflüssen unterschieden werden. (Hinweis: Alle Strahlungsflüsse sind Energieflüsse! Aber nicht jeder Energiefluss ist ein Strahlungsfluss!) Des Weiteren erleichtert die Einführung systemtheoretische Setzungen die Nachvollziehbarkeit der Argumentation.

Das Weltall bildet die Umwelt des Erde-Atmosphären-Systems. In weiterer Folge wird dafür der Ausdruck Klimasystem verwendet! Tatsächlich geht es aber in den folgenden Ausführungen um die Atmosphäre und die Erdoberfläche. Mit seiner Umwelt, dem Weltall, steht das Klimasystem im Strahlungsgleichgewicht. Dabei erhält dieses System kurzwellige Strahlung (kleiner als ca. 4 µm) von der Sonne und emittiert in gleichem Maße langwellige Wärmestrahlung (größer als ca. 4µm), beides jeweils bezogen auf einen fiktiven äußeren Rand der Atmosphäre.

Innerhalb des Klimasystem, treten neben den kurz- und langwelligen Strahlungsflüssen, noch Wärmeflüsse auf. Damit „versucht“ das System Ungleichgewichte auszugleichen, die durch die Strahlungsflüsse erzeugt werden. Dabei treten im Wechselwirkungsgefüge zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre zwei Flüsse hervor, der fühlbare und der latente Wärmefluss. Wechselwirkung bedeutet, dass die Richtung des Flusses sowohl von der Erdoberfläche in die Atmosphäre als auch umgekehrt erfolgen kann. Sowohl der fühlbare als auch latente Wärmefluss sind immer verbunden mit einer Bewegung der Atmosphäre, d.h. einem Massefluss. Im Unterschied zur festen Erde ist die Atmosphäre beweglich und erlaubt die Umverteilung von Energie zwischen jenen Bereichen (zeitlich wie räumlich), zwischen denen sich, durch Strahlungsflüsse bedingt, Ungleichgewichte entwickeln.

Sowohl fühlbarer als auch latenter Wärmefluss sind an diese Bewegung gebunden. Ersterer zeigt sich in der Veränderung der Lufttemperatur, letzterer in der Veränderung der Luftfeuchtigkeit. Beim fühlbaren Wärmefluss erwärmt sich zunächst die Erdoberfläche durch die absorbierten Strahlungsflüsse und heizt die an der Erdoberfläche aufliegende Luft von unten. Wenn nun Wasser verfügbar ist, dann dient, je nach den sonstigen Gegebenheiten in der Atmosphäre, ein mehr oder weniger großer Anteil der absorbierten Strahlungsenergie dazu, Wasser zu verdunsten. Dieses gasförmige Wasser, der Wasserdampf, wird in die Atmosphäre eingemischt. Demgemäß ist der latente Wärmefluss in seinem Kern auch ein Teil des Wasserkreislaufs. Über die Verdunstung, gemeint als physikalischen Prozess und als Wasserdampffluss, sind die Energie- und Wasserbilanz miteinander verknüpft. Das gilt grundsätzlich für alle Größenordnungen der Betrachtung. (Hinweis: Sowohl der fühlbare als auch der latente Wärmefluss können auch, umgekehrt, Energie von der Atmosphäre zur Erdoberfläche transportieren.)

Physikalisch gut begründet strahlen die Sonne und das Klimasystem gleichermaßen Energie ab. Das tun sie jedoch mit einer unterschiedlich hohen Temperatur. Während die Sonne aufgrund der Oberflächentemperatur von etwa 5.800 Kelvin, liegt dieser Wert beim Erde-Atmosphären-System bei rund 255 Kelvin. Das hat zur Folge, dass sich die Strahlungsspektren derart unterscheiden, dass sich die spektralen Verteilungen der beiden nur geringfügig überlappen. Ob der höheren Strahlungstemperatur liegt das Spektrum der Sonne in einem kürzeren Wellenlängenbereich als jenes des Erde-Atmosphären-Systems. Daher bezeichnet man konventionell jene von der Sonne herrührende Strahlung als kurzwellig, die andere als langwellig. Diese deutliche Unterscheidbarkeit erlaubt es, die Strahlungsflüsse getrennt zu messen und dann unter anderem in Schaubildern, wie der Abbildung 1, getrennt für Erklärungen zu nutzen. Diese Sonne strahlt bedingt durch die Kugelform in alle Richtungen gleichmäßig. Die Strahlungsflussdichte, die davon bei einem bestimmten Planeten ankommt, hängt von dessen Entfernung zur Sonne ab. Am oberen, fiktiven Rand der Atmosphäre der Erde beträgt der Eintrag an solarer Energie im Mittel(!) ca. 1.360 W/m². (Hinweis: Dieser Wert wird, obwohl er nicht konstant ist, als Solarkonstante bezeichnet, die jedoch, wie eingangs erwähnt, z. B. auch aufgrund der Sonnenaktivität langfristigen und kurzfristigen Variationen unterliegt. Diese Schwankungen haben Einfluss auf die tatsächlich gemessenen Strahlungsflüsse. Dieser Einfluss ist aber im Vergleich mit der durch auf anthropogene Ursachen zurückzuführenden Anreicherung der Atmosphäre mit bestimmten Spurengasen vernachlässigbar!)

Die Abbildung 1 zeigt die Gesamtenergiebilanz des Erde-Atmosphären-Systems und seiner Umwelt. (Hinweis: die im Text angegeben Zahlenwerte für die einzelnen Flüsse dienen ausschließlich der Darstellung der Gesamtenergiesituation des Klimasystems. So wie vieles im Bereich der Klimatologie, unterliegen auch diese Größen einer zeitlichen Schwankung und Veränderung.) In dieser Abbildung finden sich die kurz- und langwelligen Strahlungsflüsse und deren Bilanzen sowohl für die Erdoberfläche, die Atmosphäre und den fiktiven oberen Rand der Atmosphäre. (Hinweis: Der obere Rand der Atmosphäre der Erde ist nur über Definitionen zu bestimmen. Eine Zahlenangabe ist daher nicht sehr sinnvoll, weil die Angaben dazu in der Literatur sehr stark variieren!) Der Energieeintrag der Sonne in das Klimasystem der Erde beträgt im Mittel ca. 340 W/m². (Hinweis: Für die hier dargestellten Gesamtenergiebetrachtungen wird von einer gleichmäßigen Verteilung der Strahlung über die Oberfläche der Erde ausgegangen. Demgemäß wird die Solarkonstante über die gesamte Oberfläche der Erde verteilt gerechnet. Demgemäß ergeben sich als Bezugsgröße 1.360/4=340 W/m².

Abb. 1: Geschätzte mittlere jährliche und globale Energiebilanz der Erde für die klimatischen Bedingungen zu Beginn des 21. Jahrhunderts (Werte in W/m², der jeweilige Unsicherheitsbereich ist in Klammern angegeben: Konfidenzintervall: 5 - 95%) (Forster u.a. 2021, Fig. 7.2 (oben)).

Sonnenstrahlung als Energiequelle

Auf der Betrachtungsebene des Gesamtsystems ist die in den letzten Jahren in der öffentlichen Wahrnehmung diskutierte Zunahme der Temperatur Ausdruck eines Ungleichgewichts der Strahlungsflüsse. Wird in Summe weniger Energie ins Weltall abgestrahlt als im System Erde-Atmosphäre absorbiert wird, dann zeigt sich das in einer Temperaturerhöhung. Fallweise wird das als Fieberkurve des Planten Erde bezeichnet. Alle in Abbildung 1 angegebenen Zahlen sind Abschätzungen jährlicher globaler Mittelwerte der einzelnen Flüsse für das Klima zu Beginn des aktuellen Jahrtausends. Die einzelnen, mit Zahlen versehenen, Energieflüsse sollen einen quantitativen Einblick in die wichtigsten Komponenten (und ihren jeweiligen Unsicherheitsbereich) der Energiebilanz der Erde geben. Regional gibt es allerdings große Unterschiede, die in Zusammenhang mit vielen das Klima der Erde bestimmenden Faktoren stehen: Neigung der Erdachse, Verteilung der Wasserflächen, atmosphärische und ozeanische Zirkulation usw.

Was passiert mit der Strahlung im Erde-Atmosphären-System?

Auf dem Weg durch die gegen die Erdoberfläche hin betrachtet immer dichtere Atmosphäre erfährt der solare Strahlungsfluss eine Veränderung. Von den 340 W/m² an einfallender Sonnenstrahlung werden im Mittel 100 W/m² von Aerosolen in der Atmosphäre, Eiskristallen und Wassertropfen in den Wolken und von der Erdoberfläche reflektiert und gelangen so wieder zurück ins Weltall. Diese Reflektivität des Gesamtsystems Erde-Atmosphäre wird als planetare Albedo bezeichnet, welche einen mittleren Wert von ungefähr 30 % annimmt. Von den restlichen ca. 240 W/m² werden 80 W/m² von Wasserdampf, anderen Gasen und Aerosolen in der Atmosphäre absorbiert. Dadurch erwärmt sich die Atmosphäre direkt. Rund die Hälfte der Sonnenstrahlung, 160 W/m², erreicht die Erdoberfläche und wird von dieser absorbiert (=>Erwärmung der Erdoberfläche). Aber nicht nur die Intensität der Strahlung nimmt ab, sondern auch deren spektrale Zusammensetzung. So wird beispielsweise in einer Höhe von 15 bis 35 km der für das Leben gefährliche UV-Anteil absorbiert. Einmal an der Erdoberfläche angekommen absorbiert diese die Sonnenstrahlung zum Teil, je nach den Reflexionseigenschaften der jeweils vorhandenen Oberflächen. Ca. die Hälfte der am oberen Rand der Atmosphäre ankommenden Strahlung wird an der Erdoberfläche absorbiert. Und dieser Anteil dient dazu, die uns bekannten Wetter- und Klimaphänomene als Reaktion auf diverse Ungleichgewichte, auszulösen.

Lebenswichtiger Treibhauseffekt

Man darf sich darüber wundern, doch die Erdoberfläche strahlt aufgrund ihrer Temperatur im Mittel ca. 398 W/m² in Form von langwelliger Wärmestrahlung ab. Die von der Erdoberfläche emittierte Strahlung ist demnach größer als die Solarkonstante! Der Grund dafür liegt in einem Rückkopplungsprozess zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre, der allgemein als Treibhauseffekt bezeichnet wird. Folgt man der Spur der von der Erdoberfläche abgestrahlten Energie, dann wird – ähnlich wie beim Durchgang der Sonnenstrahlung – die Ausstrahlung von der Erdoberfläche beeinflusst. Nur ein Bruchteil davon kann ungehindert durch die Atmosphäre ins Weltall entweichen. Ungefähr 360 W/m² werden aufgrund der Absorptionseigenschaften der Atmosphäre und der darin enthaltenen natürlichen Treibhausgase in dieser aufgenommen. Die Eigenschaft der Treibhausgase, kurzwellige Strahlung, meist, aber nicht immer, ungehindert durchzulassen, aber langwellige Strahlung zu einem Gutteil zu absorbieren, wird als Treibhauseffekt der Erd-Atmosphäre bezeichnet. Ein geringerer Teil der von der Erdoberfläche ausgehenden langwelligen Strahlung gelangt wie gesagt ungehindert ins Weltall. Ein weiterer Teil wird zunächst in der Atmosphäre absorbiert und gelangt von dort aus ins Weltall. Die Absorption der langwelligen Strahlung führt zu einer Erwärmung der Atmosphäre. Demgemäß steigt auch jener Strahlungsfluss der von der Atmosphäre gegen die Erdoberfläche gerichtet ist. Dieser natürlich bedingte Treibhauseffekt ist eine entscheidende Voraussetzung für die lebensfreundlichen, klimatischen Bedingungen auf der Erde. Ohne den natürlichen Treibhauseffekt würde auf der Erde keine angenehme, mittlere Temperatur von ca. 15°C vorherrschen, sondern eisige -18°C! (Hinweis: Dieser Wert der Temperatur der Erde im Strahlungsgleichgewicht mit der Sonne lässt sich mittels des Stefan-Boltzmann-Gesetzes auf Basis der Solarkonstante und der planetaren Albedo berechnen). Von der langwelligen Abstrahlung der Erdoberfläche (ungefähr 398 W/m²) werden ca. 342 W/m² durch die atmosphärische Gegenstrahlung wieder in Richtung Erdoberfläche abgegeben.

Betrachtet man die Gesamtstrahlungsbilanz (d.h. lang- und kurzwellig zusammengenommen) aber getrennt nach der Erdoberfläche und der Atmosphäre, dann ergibt sich ein Ungleichgewicht. Demgemäß ergibt sich für die Erdoberfläche ein Energieüberschuss, wohingegen die Atmosphäre ein derartiges Defizit aufweist. Demnach muss es Prozesse geben, durch die das durch die Strahlungsflüsse ausgelöste Ungleichgewicht ausgeglichen werden kann. In der Mitte der Abbildung 1 findet man die Ausdrücke „evaporation“ und „sensible heat“. Auf beide Wärmeflüsse wurde bereits hingewiesen. Evaporation steht für Verdunstung und meint nicht nur den Strom von Wasserdampf, sondern im gegenständlichen Fall jene Energie, welche nötig ist um Wasser zu verdunsten. Darum spricht man vom latenten Wärmefluss, weil sich die Energie quasi im Wasserdampf „versteckt“! Der zweite Wärmefluss wurde oben als fühlbarer Wärmefluss ebenso bereits eingeführt. Wie man den Zahlenwerten entnehmen kann, erfolgt der Großteil des Energietransportes zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre über den latenten Wärmefluss.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, werden ca. 21 W/m² über den sensiblen Wärmestrom und ungefähr 82 W/m² aufgrund der benötigten latenten Wärme für Verdunstung von der Erdoberfläche in die Atmosphäre abtransportiert. Die Summe dieser Anteile ergibt unter Berücksichtigung der jeweiligen Richtung dieser Energieflüsse insgesamt ca. 159 W/m², die netto von der Erdoberfläche in die Atmosphäre transportiert bzw. langwellig abgestrahlt werden. Im Vergleich zu den auf die Erdoberfläche einfallenden ungefähr 160 W/m² zeigt sich an der Erdoberfläche ein Ungleichgewicht von ungefähr 1W/m² an zusätzlicher Strahlungsenergie. Dieses, in Abbildung 1 dargestellte Ungleichgewicht („imbalance“) in Richtung Erdoberfläche beträgt ungefähr 0,7 W/m² (Unsicherheitsbereich von 0,5 bis 0,9 W/m²). Dementsprechend stehen am äußeren Rand der Atmosphäre den netto ca. 240 W/m² kurzwelliger Einstrahlung aus dem Weltall nur ungefähr 239 W/m² an langwelliger Abstrahlung gegenüber. Die Differenz in der Größenordnung von 1 W/m² verbleibt im Klimasystem und verursacht das bereits weiter oben angesprochene Ungleichgewicht in Form einer positiven Energiebilanz der Erde und damit ihre Erwärmung.

Im Prinzip strebt jeder Körper nach einem energetischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung. Die vielen einzelnen Prozesse im Klimasystem und ihre komplexen Beziehungen zueinander ergeben ein höchst dynamisches Verhalten der Temperatur der Erde, das um den Gleichgewichtszustand schwankt. Der Sechste Sachstandsbericht des Weltklimarats IPCC weist auf Basis des breiten wissenschaftlichen Konsenses für den Beginn des 21. Jahrhunderts eine leicht positive Energiebilanz (die bereits weiter oben angegebenen ca. +0,7 W/m²) für unseren Planeten aus. Bereits seit den 1970er-Jahren ist die Energiebilanz der Erde positiv, nämlich um ca. +0,5 W/m². Der Wert dieses Energieüberschusses im Klimasystem der Erde wirkt auf den ersten Blick klein, er summiert sich allerdings sowohl über die Zeit als auch über die gesamte Erdoberfläche. Der gesamte Überschuss an Energie aufgrund dieser leicht positiven Energiebilanz entspricht über den Zeitraum 1971 bis 2018 gerechnet ca. dem 25-fachen des weltweiten Verbrauchs an Primärenergie durch uns Menschen im selben Zeitraum. 91 % dieses Energieüberschusses wurden von den Ozeanen aufgenommen und haben diese erwärmt, 5 % haben zur Erwärmung der Landflächen beigetragen und 3 % zum Schmelzen von Eisschilden und Gletschern. Die Atmosphäre hat sich in diesem Zeitraum substanziell erwärmt, aufgrund ihrer geringen Dichte jedoch nur 1 % des gesamten Energieüberschusses absorbiert. Die Ozeane haben somit den Großteil dieses Überschusses an Energie aufgenommen, überwiegend in ihren oberen Schichten bis in eine Tiefe von ca. 2 Kilometern. Daher wird erwartet, dass sich die tieferen Ozeanschichten über Jahrhunderte bis Jahrtausende weiter erwärmen und sich daher auch ausdehnen, was einen unabwendbaren langfristigen Meeresspiegelanstieg zur Folge haben wird.

Literatur:

Wir danken dem Gastautor Dr. Franz Holawe vom Institut für Geographie und Regionalforschung der Universität Wien, der diesen Artikel in Kooperation mit Mitarbeitern der Abteilung Klimaforschung und der Fachabteilung Kundenservice Klima verfasst hat.

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