1. Antriebsmotor für das Wetter

Die Sonne ist als Energiespender für das Leben auf der Erde von entscheidender Bedeutung. Viele wichtige Prozesse auf unserem Planeten, wie das Wetter, das Klima und das Leben selbst, werden durch die Strahlungsenergie der Sonne angetrieben und teilweise überhaupt ermöglicht.

Die Ursache für die gewaltige Energieproduktion der Sonne sind die thermonuklearen Reaktionen in ihrem Kern. Dabei wird durch das Verschmelzen von Wasserstoffatomen zu schwereren Heliumatomen, durch Kernfusion, gewaltige elektromagnetische Strahlungsenergie frei, die in einem mehr oder weniger konstanten Fluss nach allen Seiten fortwährend in den Weltraum ausgestrahlt wird. Davon erreicht schlussendlich nur ein winziger Bruchteil der ursprünglich erzeugten Energiemenge die Erde, nämlich etwa der zweimilliardenste Teil.

Was ist der zweimilliardenste Teil?

Es gibt wahrscheinlich nur wenige, die sich unter dem Begriff «der zweimilliardenste Teil» etwas vorstellen können. Der nachfolgende Vergleich soll verdeutlichen, wie wenig von der gesamten Sonnenenergie schliesslich auf der Erde zur Verfügung steht. Würde die gesamte Sonnenenergie dem Wasserinhalt des Vierwaldstättersees entsprechen, so wäre «der zweimilliardenste Teil» davon etwa 7 m3 Wasser, der aus dem See entnommen wird!

Die an der Obergrenze der Atmosphäre bei mittlerem Sonnenabstand jede Sekunde senkrecht auf eine Fläche von einem Quadratmeter einfallende mittlere Strahlungsenergie beträgt 1368 Watt pro Quadratmeter (W/m2). Sie wird als Solarkonstante bezeichnet und ist, wie neuere Messungen bestätigen, über lange Zeiträume hinweg nur kleinen Schwankungen unterworfen.

Ein grosser Teil der von der Sonne ausgesandten Strahlung liegt in einem Wellenlängenbereich, der vom menschlichen Auge als Licht wahrgenommen wird. Es teilt sich in die bekannten, ineinander übergehenden Spektralfarben Violett, Blau, Grün, Gelb, Orange und Rot auf.

Die Röntgen- und Ultraviolettstrahlung weist kürzere Wellenlängen auf als das sichtbare Licht. Dieser kleinere Anteil der Sonnenstrahlung, der für die Menschen gefährlich ist, wird dank den fotochemischen Reaktionen in der Ozonschicht im oberen Teil der Erdatmosphäre zu einem grossen Teil aufgefangen.

Daneben erreicht uns aber auch noch andere unsichtbare Strahlung, die als wärmend empfundene infrarote Strahlung. Sie hat grössere Wellenlängen als das sichtbare Licht.

Ungefähre Verteilung der Sonnenstrahlung:

1.1 Erwärmung der Erde

Für die Strahlung wirkt die Erdatmosphäre wie die Glasscheibe eines Gewächshauses. Die kurzwellige Strahlung der Sonne vermag die Lufthülle recht problemlos zu durchdringen, wobei nur ein Teil direkt auf die Erdoberfläche gelangt. Der Rest wird von der Atmosphäre aufgefangen und absorbiert, beziehungsweise an der Obergrenze von Wolken, an Staubteilchen oder an hellen Oberflächen der Erde reflektiert. Wegen diesen Effekten steht schliesslich im weltweiten Jahresdurchschnitt nur etwa die Hälfte von der «am oberen Rande» der Atmosphäre einfallenden kurzwelligen Sonnenstrahlung für die Erwärmung der Erdoberfläche zur Verfügung. An der Erdoberfläche wird die kurzwellige Strahlung der Sonne in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt. Die erwärmte Erdoberfläche heizt dann – ähnlich wie eine Kochplatte –die Lufthülle von unten.

Da jedoch die Atmosphäre für langwellige Wärmestrahlung schlechter durchdringbar ist, bleibt ein Teil davon gefangen. Ohne diesen natürlichen Treibhauseffekt läge die Durchschnittstemperatur auf der Erde rund 33 °C tiefer: statt bei +15 bei lebensfeindlichen –18 °C.

Zwischen der einfallenden Sonnenstrahlung und der von der Erde wieder abgegebenen Wärmestrahlung herrscht grossräumig gesehen mehr oder weniger ein Gleichgewichtszustand. Aus diesem Grund sind die Temperaturverhältnisse über die ganze Erde als Ganzes betrachtet relativ stabil.

Wenn jedoch die Strahlungsverhältnisse kleinräumiger angeschaut werden, so gibt es einige Faktoren, die dieses Gleichgewicht nachhaltig beeinflussen. Es sind dies hauptsächlich:

• die Albedo der Erdoberfläche

• der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen und die Dauer ihrer Einwirkung

• die Bewölkung, die Luftfeuchtigkeit, die Treibhausgase und die Trübungspartikel

• der Wärmetransport durch Wind und Meeresströmungen