E1 Planetenenergiebilanz

Thema

Die planetare Energiebilanz beschreibt das thermodynamische Gleichgewicht zwischen der von der Erde absorbierten Sonnenenergie und der von ihr ins Weltall abgegebenen Infrarotstrahlung. Solange die absorbierte Sonnenenergie und die abgegebene Infrarotstrahlung gleich groß sind, bleibt die Temperatur der Erde stabil. Diese planetare Energiebilanz bildet die Grundlage der gesamten Klimaphysik. Sobald die absorbierte Sonnenenergie und die abgegebene Infrarotstrahlung nicht mehr gleich groß sind, entsteht ein terrestrisches Energieungleichgewicht. Dieses Ungleichgewicht führt zu einer Erwärmung oder Abkühlung des Klimasystems, bis die absorbierte Sonnenenergie und die abgegebene Infrarotstrahlung wieder im Gleichgewicht sind und die planetare Energiebilanz wiederhergestellt ist.

Die von einem Körper abgegebene Infrarotstrahlung hängt gemäß einer fundamentalen physikalischen Beziehung von seiner Temperatur ab: Die pro Flächeneinheit abgestrahlte Leistung steigt mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur des strahlenden Körpers. Daher führt ein kleiner Temperaturanstieg zu einem viel größeren, nicht proportionalen Anstieg der abgestrahlten Leistung. Angewendet auf die Erde im Rahmen der planetaren Energiebilanz, ermöglicht uns dieselbe Beziehung die Berechnung der effektiven Emissionstemperatur, die bei etwa 255 Kelvin liegt. Dies ist die Temperatur, die die Erde hätte, wenn sie die gesamte Infrarotenergie, die der absorbierten Sonnenenergie entspricht, ins Weltall abgeben würde, ohne dass der Treibhauseffekt diese Infrarotenergie auf dem Weg zurückhält.

Die effektive Emissionstemperatur entspricht jedoch nicht der tatsächlichen Temperatur der Erdoberfläche: Die reale Oberflächentemperatur liegt bei etwa 288 Kelvin und ist damit deutlich höher als die effektive Emissionstemperatur von etwa 255 Kelvin. Dieser Unterschied zwischen der realen Oberflächentemperatur und der effektiven Emissionstemperatur quantifiziert präzise den natürlichen Treibhauseffekt: Je größer dieser Unterschied ist, desto mehr Infrarotenergie hält die Atmosphäre zurück, bevor sie ins Weltall abgegeben wird, und desto stärker ist der natürliche Treibhauseffekt, der die Erdoberfläche wärmer hält, als sie es ohne ihn wäre.

Die planetare Energiebilanz ist nicht gleichmäßig über die Erdoberfläche verteilt: Die Tropen empfangen mehr Sonnenenergie, als sie als Infrarotenergie abgeben – ein tropischer Energieüberschuss –, während die Polarregionen mehr Infrarotenergie abgeben, als sie als Sonnenenergie empfangen – ein polares Energiedefizit. Dieser tropische Energieüberschuss und das polare Energiedefizit sind die grundlegende Triebkraft aller atmosphärischen und ozeanischen Zirkulationen. Denn beide Zirkulationen dienen letztlich dazu, den tropischen Energieüberschuss in die energiearmen Polarregionen zu transportieren und so dieses Ungleichgewicht im planetaren Energiehaushalt zumindest teilweise auszugleichen.

Das gegenwärtige Energieungleichgewicht der Erde von fast neun Zehntel Watt pro Quadratmeter ist das deutlichste Zeichen dafür, dass der Energiehaushalt des Planeten derzeit angespannt und nicht im Gleichgewicht ist: Die von der Erde absorbierte Sonnenenergie übersteigt die ins Weltall zurückgestrahlte Infrarotstrahlung um diesen Betrag. Solange dieses Energieungleichgewicht besteht, wird sich das Klimasystem weiter erwärmen, um den ursprünglichen planetaren Energiehaushalt wiederherzustellen.

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