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Solarstrahlung als Quelle des Lebens

Sonneneinstrahlung ist die Basis für Leben auf der Erde. Durch die Erdatmosphäre und die spezielle Konstellation von Sonne und Erde zueinander wird die immens hohe Solarstrahlung auf ein Minimum reduziert. Immernoch genug, um mit der Sonneneinstrahlung die Menschheit vollständig mit Energie zu versorgen.
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Im Inneren der Sonne laufen Kernfusionsprozesse ab, bei denen aus Wasserstoffkernen Heliumkerne zusammengefügt werden. Aus dem dabei entstehenden Massendefekt (die Masse eines Heliumkerns ist geringer als die seiner Einzelteile) von 4 Millionen Tonnen pro Sekunde wird Energie frei gesetzt, die das in der Sonne enthaltene "Gas" auf eine sehr hohe Temperatur von mehreren Millionen Grad Celsius aufheizt.

SonneneinstrahlungSolarstrahlung in der Planetenkonstellation | Quelle: ISFH

An der Oberfläche der Sonne (Photosphäre) beträgt die Temperatur noch 5.770 Grad Celsius. Hier wird Energie in Form von Solarstrahlung abgegeben, wobei die Intensität dieser Solarstrahlung einer Leistung von 63 MW/qm entspricht. Während einer Stunde wird also pro qm die Energie von 63.000 kWh abgestrahlt. Diese Solarstrahlung entspricht dem Energieinhalt von ca. 6.300 Litern Heizöl. Genug, um drei konventionelle Einfamilienhäuser ein Jahr lang zu beheizen. Eine solche Energiedichte läßt allerdings keinerlei Leben zu. Die Tatsache, dass durch Sonneneinstrahlung überhaupt Leben auf der Erde existiert, ist auf die Entfernung zwischen Sonne und Erde zurückzuführen.

Sonneneinstrahlung & Solarkonstante

Der Radius der Erdbahn um die Sonne beträgt ca. 150 Mio km. Durch diese Distanz reduziert sich die mittlere Sonneneinstrahlung auf 1,37 kW/m2, dieser Wert wird Solarkonstante genannt. Der Einfluß der Atmosphäre wiederum verringert die maximale Leistung der direkten Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche auf 1.000 W/m2. Dabei wird nicht das gesamte Spektrum der Solarstrahlung gleichmäßig, sondern – je nach Wellenlänge – stark unterschiedlich reduziert.

Diese unterschiedliche Reduktion der Solarstrahlung ist durch die Zusammensetzung der Atmosphäre bedingt. Besonders vorteilhaft für das Leben auf der Erde ist die Tatsache, dass der Anteil der UV-Solarstrahlung durch die Ozon-Schicht der Atmosphäre sehr stark minimiert wird.

Sonnen Solarenergierote Linie: Solarstrahlung in der Erdumlaufbahn, schwarze Linie: Solarstrahlung am Erdboden | Quelle: ISFH

Sonneneinstrahlung & Treibhauseffekt

Ebenfalls bemerkenswert ist die reduzierende Wirkung der Atmosphäre im langwelligen Bereich (Infrarot-Solarstrahlung); weniger wegen der geringer einfallenden Sonneneinstrahlung, sondern wegen des dadurch bedingten Treibhauseffekts. Das kurzwellige sichtbare Licht wird auf der Erdoberfläche entweder reflektiert oder absorbiert. Absorbieren von Sonneneinstrahlung heißt aufsaugen, aufnehmen und führt im Fall der absorbierten Sonneneinstrahlung zur Erwärmung.

Ein erwärmter Körper wiederum strahlt entsprechend seiner Temperatur ab, in diesem Fall also langwellige Strahlung. Und ebendiese kann die Atmosphäre kaum durchdringen. Dadurch ergibt sich eine mittlere Temperatur auf der Erde, die Leben in vielfältiger Form ermöglicht.

Sonne und Erde

Die Erde bewegt sich auf einer Kreisbahn um die Sonne. Der Radius beträgt ca. 150 Mio km, der Durchmesser der Sonne beträgt ca. 1,4 Mio km und jener der Erde ca. 13.000 km. Hätte die Sonne im Modell 14 cm Durchmesser, so müßte sich die Erde mit 0,13 cm Durchmesser bei einem Abstand von 15 m um die Sonne drehen. Bei der Sonneneinstrahlung und der Bewegung der Erde um die Sonne sind zwei Phänomene hervorzuheben:

  • Die Richtung der Erdachse ist um 23,5 Grad gegen die Erdbahnachse geneigt.
  • Da sich die Erde dabei wegen der Rotation um ihre Achse wie ein Kreisel verhält, ist die Richtung der Rotationsachse der Erde im Raum fest und ändert sich nicht während der Bewegung der Erde um die Sonne.

 

Sonneneinstrahlung & Jahreszeiten

Daraus folgt für die Richtung der Solarstrahlung im Verlauf der Jahreszeiten eine maximale Variationsbreite des Einfallwinkels von +/- 23,5 Grad. Anders ausgedrückt, beträgt der Unterschied der maximalen Sonnenhöhe (mittags) zwischen dem 21. Dezember und dem 21. Juni insgesamt 47 Grad.

Durch die Drehung der Erde um die eigene Achse ergeben sich daraus in unseren Breitengraden die unterschiedlichen Tageslängen zwischen Sommer und Winter. Für Hannover (52° nördlicher Breite) bedeutet das z.B., daß die Sonne am Mittag des 21. Juni mit einem Einfallswinkel zum Horizont von 61,5° strahlt. Der Einfallswinkel der Sonneneinstrahlung beträgt dann am 21. Dezember 14,5°.

Je weiter man nun auf der Nordhalbkugel nach Süden kommt, desto höher steht die Sonne am Himmel, d.h. die Sonnenhöhe nimmt mit abnehmendem Breitengrad entsprechend zu.

Sonneneinstrahlung SolarenergieZusammenhang von Sonneneinstrahlung und Planetenkonstellation | Quelle: ISFH

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Dieser Artikel wurde erstellt von: Oliver Behrla, Redakteur de.SolarContact.com