Strahlung

Ursprung aller auf der Erde zur Verfügung stehenden Energie ist die Sonne. In der Atmosphäre und an der Erdoberfläche auftretende Effekte wandeln die Sonnenstrahlung ab. Um eine Strahlungsbilanz aufstellen zu können, müssen verschiedene Strahlungsanteile betrachtet werden.

Allgemeine Aspekte und Einflussfaktoren
Meteorologisch bedeutsam ist der kurzwellige Spektralbereich: 0,3 bis 3 µm mit einem Maximum bei 0,5 µm, auf den etwa 96 % der Sonnenstrahlung entfallen (sichtbarer Bereich: 0,36 – 0,83 µm).

Die Schwächung der Sonnenstrahlung in der Atmosphäre erfolgt durch diffuse Reflexion (Streuung) und selektive Absorption. Die Streuung nimmt mit abnehmender Wellenlänge zu. Blaues Licht wird deutlich stärker gestreut als rotes. Für die Absorption sind vor allem Wasserdampf und Kohlendioxid im infraroten sowie Ozon, Schwefeldioxid, Stickoxide und andere Spurengase im ultravioletten Bereich zuständig.

Die Strahlungsverhältnisse auf der Erdoberfläche werden stark vom Wetter, insbesondere von der Bewölkung, sowie von atmosphärischen Verunreinigungen (Aerosolen) beeinflusst.

Als direkte Sonnenstrahlung I ist die aus dem Raumwinkel der Sonnenscheibe auf eine zur Strahlungsrichtung senkrechte Ebene empfangene Strahlung definiert.

Die aus dem oberen Halbraum unter Ausschluss der Sonnenscheibe auf eine horizontale Ebenen auftreffende Strahlung wird als Himmelsstrahlung oder diffuse Sonnenstrahlung D bezeichnet.

Die Summe aus direkter und diffuser Sonnenstrahlung ist die Globalstrahlung G:

G = I sin g + D

wobei g die Sonnenhöhe über dem Horizont angibt.

Ein Teil der Strahlung wird an der Erdoberfläche reflektiert. Die aus dem unteren Halbraum auf eine horizontale Ebene treffende kurzwellige Strahlung ist die Reflexstrahlung R. Der solare Reflexionsgrad einer ausgedehnten ebenen Oberfläche wird Albedo a genannt:

a = R / G.

Bei der langwelligen oder terrestrischen Strahlung (3 bis 100 µm mit einem Maximum bei 10 µm) unterscheidet man zwischen der Wärmestrahlung der Atmosphäre A aus dem oberen Halbraum, auch Gegenstrahlung genannt, und der Wärmestrahlung der Erdoberfläche E aus dem unteren Halbraum. Letztere hängt im starken Maße von der Oberflächentemperatur ab (Plancksches Strahlungsgesetz). Je nach Bewölkung wird diese Strahlung ins All abgegeben oder teilweise reflektiert und erreicht als Gegenstrahlung erneut die Erdoberfläche.

Daraus ergibt sich folgende Strahlungsbilanz Q:

Q = G - R + A - E

In vielen Fällen wird lediglich die Globalstrahlung betrachtet und gemessen. Noch einfacher ist es sich auf die Bestimmung der Sonnenscheindauer zu beschränken.

Besonderheiten in der Stadt
In den Städten entstehen verstärkt Aerosole. Diese vermindern die direkte Sonnenstrahlung drastisch, besonders im ultravioletten Bereich (bis etwa 20 % im Sommer und 85 % im Winter).

Freie Plätze, Straßen und Dächer heizen sich bei Sonnenschein wesentlich stärker auf als vergleichsweise Grünland. Das führt zu einer erhöhten Abstrahlung im langwelligen Bereich (bis über 20 %).

Daten von Jena
In Jena werden die Sonnenscheinstunden gezählt. Im Durchschnitt gibt es 1427 davon im Jahr, also 3 h 55 min pro Tag.

Am längsten scheint die Sonne im Juli (194 h) und am wenigsten im Dezember (33 h).

Messverfahren und Messgeräte
Einige Messgeräte erfassen lediglich die Sonnenscheindauer, andere messen den Betrag der einfallenden Strahlung. Diese kann als Momentanwert, als Leistung angegeben werden (Bestrahlungsstärke) oder als Integral über eine bestimmte Zeit, d.h. als Energiemenge (Bestrahlung). Immer jedoch muss ersichtlich sein, auf welche Fläche sich die angegebenen Werte beziehen.

Sonnenscheinautograph:

Der Sonnenscheinautograph nach Campell u. Stokes besteht hauptsächlich aus einer Glaskugel als Brennglas. Auf dem im Brennpunkt aufgelegten Registrierstreifen wird die tägliche Sonnenscheindauer festgehalten.

Pyranometer:

Zur Messung der Globalstrahlung verwendbare Messgeräte heißen Pyranometer. Sie sind auf den kurzwelligen Spektralbereich abgestimmt. Die Strahlung bewirkt eine Erwärmung einer geschwärzten Empfangsfläche. Die entstehende Temperaturdifferenz zu einer Referenzfläche wird als Thermospannung registriert. Je nach Ausführung ist die Referenzfläche weiß oder beschattet. Einflüsse wie Wind und Niederschlag werden von der Empfangsfläche mittels einer Glashaube fern gehalten.

Pyrheliometer:

Die direkte Sonnenstrahlung wird mit sogenannten Pyrheliometern gemessen. Mit Hilfe von Blenden wird ein Gesichtsfeldwinkel von 5 bis 12 ° erfasst. Die Messung der Strahlung erfolgt ebenfalls über die Erwärmung einer geschwärzten Empfangsfläche. Zur kontinuierlichen Messung ist eine Nachführung erforderlich.

Strahlungsbilanzmesser:

Messgeräte zur Bestimmung der Strahlungsbilanz erfassen sowohl die aus dem oberen Halbraum kommende als auch die aus dem unteren Halbraum stammende Strahlungsenergie in einem Bereich von 0,3 bis 100 µm. Je nach Ausführung, werden die Temperaturen der nach oben gerichteten und der nach unten gerichteten Empfangsfläche direkt verglichen.

Standort
Der Strahlungsmesser muss horizontal ausgerichtet werden. Der Messhorizont sollte in keiner Richtung mehr als 5° durch Bewuchs oder Bebauung abgeschattet werden (sehr schlanke Objekte wie Antennen bilden eine Ausnahme). Die Höhe des Sensors über dem Boden ist anzugeben.

Messbereich, Messgenauigkeit und Kalibrierung
Die Obergrenze für die Globalstrahlung ergibt sich aus der Solarkonstanten (direkte Sonnenstrahlung oberhalb der Atmosphäre) mit 1,37 kW/m². Unter Berücksichtigung der atmosphärischen Einflüsse sind maximal etwa 1,0 kW/m² zu erwarten.

Zur Kalibrierung dienen Referenz Messgeräte, die wiederum an der Sonne oder mit definierten Lampen geeicht sind.

Auswertung der Messwerte
An heiteren und sonnigen Tagen lässt die Globalstrahlung in Abhängigkeit vom Sonnenstand einen markanten Tageslauf erkennen. Insofern ist es sinnvoll die Bestrahlungsstärke (eventuell als 10-Minuten-Mittel) über den Tag zu verfolgen.

Zum anderen sind mittlere Tages- und Monatswerte bzw. die Energiesumme über längere Zeiträume interessant.