Das Energiebudget

Die Berücksichtigung der gesamten Energie, die in das Erdsystem eintritt und es wieder verlässt, hilft uns zu verstehen, warum sich der Planet erwärmt. Diese Energiebilanz wird als Strahlungsbilanz der Erde bezeichnet. Bei dieser Art von Strahlung handelt es sich nicht um die Strahlung von Atombomben oder Kernkraftwerken. Vielmehr handelt es sich um elektromagnetische Strahlung. Es handelt sich hauptsächlich um sichtbares Licht und Infrarotstrahlung.

Das folgende Diagramm zeigt, wohin die Energie fließt. Die Zahlen im Diagramm sind Watt pro Quadratmeter (W/m2 oder W-m-2). Stellen Sie sich vor, Sie legen ein ein Meter mal ein Meter großes Quadrat auf dem Boden aus. Messen Sie nun, wie viel Sonnenenergie pro Sekunde auf dieses Quadrat fällt. Das ist es, worüber wir hier sprechen. Die durchschnittliche Energie des Sonnenlichts, das auf den oberen Teil der Erdatmosphäre trifft, beträgt etwa 341,3 W/m2.

Oben: Das auf die Erde treffende Sonnenlicht ist links zu sehen. Die von der Erde weggehende Infrarotstrahlung ist rechts zu sehen. (Bild: K. Trenberth, J. Fasullo und J. Kiehl)

Eingehende und ausgehende Energie

Weniger als die Hälfte des einfallenden Sonnenlichts erwärmt den Boden. Der Rest wird von hellen weißen Wolken oder Eis reflektiert oder von der Atmosphäre absorbiert. Das Sonnenlicht, das auf den Boden trifft, erwärmt die Erdoberfläche. Der warme Boden und die Ozeane geben Infrarotstrahlung (IR) ab, die wir als Wärme empfinden. Diese IR-Strahlung oder Wärme wandert durch die Atmosphäre zurück nach oben. Der größte Teil davon wird von den Treibhausgasen aufgefangen, so dass sie nicht so schnell entweichen kann, wie sie gekommen ist. Nach einer Weile entweicht die IR-Strahlung wieder in den Weltraum.

Im Großen und Ganzen entspricht die Energie, die als Sonnenlicht auf die Erde trifft, der Energie, die als IR-Strahlung wieder austritt. Wenn das nicht der Fall ist, erwärmt sich die Erde oder kühlt sich ab. In letzter Zeit ist der Energiehaushalt nicht mehr ausgeglichen. Wenn wir der Atmosphäre Treibhausgase hinzufügen, halten sie mehr Wärme in der Nähe des Planeten zurück und die Erde erwärmt sich.

Die Erdoberfläche beeinflusst die Bilanzierung

Viele verschiedene Dinge bedecken die Erde, wie Erde, Felsen, Wasser, Wälder, Schnee und Sand. Diese Materialien gehen unterschiedlich mit der Sonnenenergie um, die auf unseren Planeten trifft. Dunkel gefärbte Oberflächen, wie Ozeane und Wälder, reflektieren nur sehr wenig der Sonnenenergie, die auf sie trifft. Helle Teile der Planetenoberfläche, wie Schnee und Eis, reflektieren fast die gesamte Sonnenenergie, die zu ihnen gelangt.

Die Menge der von einer Oberfläche reflektierten Energie wird Albedo genannt. Die Albedo wird auf einer Skala von Null bis Eins (oder manchmal auch in Prozent) gemessen.

• Sehr dunkle Farben haben eine Albedo nahe Null (oder nahe 0 %).
• Sehr helle Farben haben eine Albedo nahe Eins (oder nahe 100 %).

Da ein großer Teil der Landoberfläche und der Ozeane dunkel ist, haben sie eine geringe Albedo. Sie absorbieren einen großen Teil der Sonnenenergie, die auf sie trifft, und reflektieren nur einen kleinen Teil davon. Wälder haben eine geringe Albedo von etwa 0,15. Schnee und Eis hingegen haben eine sehr helle Farbe. Sie haben eine sehr hohe Albedo, bis zu 0,8 oder 0,9, und reflektieren den größten Teil der Sonnenenergie, die sie erreichen, und absorbieren nur sehr wenig.

Die Albedo all dieser verschiedenen Oberflächen zusammen wird als planetarische Albedo bezeichnet. Die planetarische Albedo der Erde beträgt etwa 0,31. Das bedeutet, dass etwa ein Drittel der Sonnenenergie, die auf die Erde trifft, in den Weltraum reflektiert und etwa zwei Drittel absorbiert wird. Die Albedo des Mondes beträgt 0,07, was bedeutet, dass nur 7 % der Energie, die ihn erreicht, reflektiert wird.

Wenn das Klima auf der Erde kälter ist und es mehr Schnee und Eis auf dem Planeten gibt, wird mehr Sonnenstrahlung zurück ins All reflektiert und das Klima wird noch kälter. Andererseits, wenn die Erwärmung dazu führt, dass Schnee und Eis schmelzen, sind die Erdoberfläche und die Ozeane dunkler gefärbt, und es wird weniger Sonnenenergie in den Weltraum reflektiert, was zu einer noch stärkeren Erwärmung führt. Dies ist als Eis-Albedo-Rückkopplung bekannt.

Wolken haben ebenfalls einen wichtigen Einfluss auf die Albedo. Sie haben eine hohe Albedo und reflektieren einen großen Teil der Sonnenenergie in den Weltraum. Verschiedene Arten von Wolken reflektieren unterschiedliche Mengen an Sonnenenergie. Wenn es keine Wolken gäbe, würde die durchschnittliche Albedo der Erde um die Hälfte sinken.