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Sonnenstrahlung
oder
Solarstrahlung
ist die von der
Sonne
ausgesandte
Strahlung
[1]
, die auf verschiedene physikalische Effekte zuruckgeht. Der Teil des
elektromagnetischen Spektrums
der Sonne, der durch die Warmeabstrahlung der heißen Sonnenoberflache produziert wird, hat die großte Intensitat im Bereich des sichtbaren
Lichts
(
Sonnenlicht
). Abhangig von der
Wellenlange
wird die Sonnenstrahlung von der
Atmosphare
mehr oder weniger stark absorbiert. Die an der
Erdoberflache
eintreffende Intensitat hangt zudem stark vom
Wetter
und vom
Sonnenstand
ab.
Neben der
elektromagnetischen Strahlung
wird von der Sonne auch massebehaftete
Teilchenstrahlung
emittiert, die aber meist nicht zur Sonnenstrahlung gerechnet wird. Sie besteht aus den geladenen Teilchen des
Sonnenwinds
und den
Neutrinos
, die bei der
Kernfusion
und Folgereaktionen im Innern der Sonne entstehen.
Das Spektrum der
elektromagnetischen Strahlung
der Sonne hat ihr Maximum bei etwa 500 nm
Wellenlange
(blau-grunes
Licht
), reicht aber von harter
Rontgenstrahlung
mit weniger als 0,1 nm bis zu langen
Radiowellen
. Das kontinuierliche
Spektrum
ist von etwa 140 nm (
UVC
) bis etwa 10 cm (Mikrowelle) naherungsweise das eines
Schwarzen Strahlers
mit einer Temperatur von knapp 6000 K, was der Temperatur der
Photosphare
entspricht. Dieses Lichtspektrum unterteilt sich mit den Grenzen unserer Augenwahrnehmung in Ultraviolettes Licht (UV: 100?380 nm), sichtbares Licht (VIS (engl.: visible): 380?780 nm) und Infrarotes Licht (IR: 780 nm ? 1 mm).
Im Bereich von naher
Infrarotstrahlung
(NIR) bis ins UV enthalt das Spektrum eine Vielzahl von
Absorptionslinien
, die sogenannten
Fraunhoferlinien
. Sie entstehen durch Strahlungsabsorption in der Photosphare der Sonne.
Sonneneruptionen
, deren Haufigkeit von der
Sonnenaktivitat
abhangt, erhohen die Strahlung im Rontgenbereich kurzfristig um mehrere Großenordnungen, tragen aber nur wenig zur Gesamtstrahlung bei. Oft werden sie von langwelliger Radiostrahlung begleitet (
englisch
Radio bursts
), die abhangig vom Intensitatsverlauf als
Typ I
bis
Typ V
kategorisiert wird.
Die ruhige Sonne strahlt nicht nur im Lichtbereich, sondern im gesamten
Radiofenster
. Dort ist ihr Spektrum nicht mehr das eines
schwarzen Korpers
, vielmehr steigt die effektive Temperatur von ca. 6000 K bei 1 cm Wellenlange auf 1.000.000 K bei 10 m an. Ebenfalls mit der Wellenlange wachst der scheinbare Durchmesser der Sonne, die Strahlung wird zunehmend von der außeren Atmosphare dominiert. Bei der ruhigen Sonne handelt es sich um thermische
Bremsstrahlung
freier Elektronen. Die wichtigsten Strahlungsanteile einer gestorten Sonne sind:
- Langsame Strahlungsanderung proportional zur Sonnenfleckenanzahl, dazu auch
Solarer Radioflussindex
.
- Rauschsturme oberhalb 100 MHz, Dauer mehrere Tage.
- Strahlungsausbruche oft in Verbindung mit
Flares
und
CME
, Dauer Sekunden bis Tage. Sie werden unterteilt in Kategorien
I
bis
V
in Meter- und Dezimeterwellen und Mikrowellenbursts in Zentimeterwellen,
Synchrotronstrahlung
, supra-thermischer Elektronen, die um Magnetfeldlinien spiralen.
Die bei der
Kernfusion
im Innern der Sonne entstehenden Neutrinos tragen 2 % der Fusionsleistung fort. Die gesamte elektromagnetische
Strahlungsleistung
der Sonne wird durch die thermische Strahlung der Photosphare dominiert, die um weniger als 0,1 % schwankt.
Die auf die Erde fallende Leistung schwankt wegen der Exzentrizitat der
Erdbahn
im Jahreslauf um knapp 7 %. Die mittlere Leistung pro Flache wird Solarkonstante genannt. Sie wird außerhalb der Erdatmosphare betrachtet und betragt
- .
Die Intensitat der Sonnenstrahlung ist am Boden geringer als außerhalb der Atmosphare, deren
Absorption
und
Streuung
stark wellenlangenabhangig ist: Der vom menschlichen Auge wahrnehmbare Anteil, welcher knapp die Halfte der solaren Strahlung ausmacht, erreicht bei klarem Wetter und hohem
Sonnenstand
zum großten Teil die Erdoberflache. Die nicht sichtbare Strahlung ist ganz uberwiegend nahe
Infrarotstrahlung
(NIR), die ca. 46 % der Strahlungsleistung ausmacht
[2]
und zu etwa einem Viertel in der Atmosphare absorbiert wird, hauptsachlich durch Wassermolekule. Von der
Ultraviolettstrahlung
, welche weniger als 10 % der Strahlung ausmacht, dringt UVA weitgehend durch, hauptsachlich geschwacht durch
Rayleigh-Streuung
, die auch dafur verantwortlich ist, dass der
Himmel
blau ist und man im Halbschatten braun wird. UVB wird von der
Ozonschicht
stark absorbiert, UVC von Luftsauerstoff.
Die genaue Berechnung des Strahlungsflusses in Abhangigkeit von Sonnenstand und Hohe uber dem Meeresspiegel ist schwierig. Naherungsweise berucksichtigt man lediglich die zu durchdringende Schichtdicke der Atmosphare in
Air Mass
-Einheiten (Luftmasse) und die
Sonnenscheindauer
.
Wolken
vermindern die
Direktstrahlung
,
Dunst
erhoht die
Diffusstrahlung
. Diffusstrahlung und Direktstrahlung an einem Ort ergeben zusammen die
Globalstrahlung
.
Fallt die Sonnenstrahlung schrag ein, verteilt sie sich uber eine großere Erdoberflache, die
Bestrahlungsstarke
sinkt. Dieser Effekt verlauft mit dem
Sinus
des
Hohenwinkels
. Der Einfluss der
Jahreszeiten
in den Tropen ist kaum merklich. Da der Sonnenstand dort am Mittag immer steil ist, herrscht ein
Tageszeitenklima
. Außerhalb der
Wendekreise
besteht ein polwarts zunehmender Unterschied zwischen
Sommer
und
Winter
und zwar sowohl durch den Einstrahlungswinkel als auch durch die polwarts immer großeren Unterschiede bei den
Tageslangen
.
In
Mitteleuropa
steht die sommerliche Mittagssonne 60° bis 65° hoch und strahlt bei idealen wolkenfreien Wetterbedingungen mit einer Direktstrahlungsstarke in der Regel von etwa 700?900 W/m². Im Winter sind es nur 13° bis 18° und bei kalter trockener Luft konnen zu Mittag durchaus auch Werte uber 800 W/m² erreicht werden. Die Sonnenscheindauer wird fur Einstrahlzeiten gezahlt, in denen die Direktstrahlung Werte von uber 150 W/m² erreicht und der Schattenwurf anfangt Kontrast zu zeigen.
Die Erwarmung der Erdoberflache hangt von der
Dauer des hellen Tages
ab. Ende Juni betragt die Dauer in Mitteleuropa etwa 16 Stunden, im Dezember 8 Stunden. Das Verhaltnis der gesamten eingestrahlten Sonnenenergie betragt zwischen diesen Monaten etwa 5:1 bis 10:1, wird aber durch
Warmespeicherung
vor allem durch die
Meere
gemildert (
Seeklima
). Im Gegenzug strahlt die Erdoberflache Warme(strahlung) ab, Tag und Nacht. In den langeren Nachten im Dezember langer als in den kurzeren Nachten Ende Juni, was ebenso die gesamte resultierende Erwarmung oder Abkuhlung der Erdoberflache beeinflusst.
Beim Mikro
klima
hangt die Bestrahlungsstarke sowohl vom Einstrahlungswinkel ab als auch von der
Sonnenexposition
.
Die
Temperatur
der Erdoberflache wird global von der Strahlungsbilanz, dem
Strahlungshaushalt
bestimmt. Damit wird das Zusammenwirken von
Absorption
und
Reflexion
sowie Reemission und Streuung erfasst.
Die Messung der Sonnenstrahlung erfolgt uber
Pyranometer
(parallel zum Boden platziert),
Pyrheliometer
(der Sonne nachgefuhrt) oder
Sonnenscheinautographen
. Letztere sind in der modernen Messtechnik inzwischen veraltet und wurden vor allem zur Bestimmung der
Sonnenscheindauer
benutzt. Die Solarkonstante wird hingegen außerhalb der Atmosphare uber
Radiometer
gemessen.
- ↑
ISO 9488, Nr. 9.2.13
- ↑
Muhammad Iqbal:
An Introduction To Solar Radiation
. 1983,
Tabelle 3.3.3
(
eingeschrankte Vorschau
in der Google-Buchsuche).