energiehaushalt der erde thomas krutzler, philipp petti
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Energiehaushalt der Erde
Thomas Krutzler, Philipp Petti
Energiegewinne der Erde
99,98% Sonne
Restliche 0,02% durch Radioaktive Zerfälle Nutzung von fossilen und nuklearen
Energieträgern Gezeitenreibung
Strahlungsbilanz der Erde
System Erde
Gewinne = Globalstr. - Reflexionsstr.
Verluste = Abstrahlung
Gesamtbilanz = Gewinne – VerlusteGlobalstr. – Reflexionsstr. – Abstrahlung
Sonne – Proton-Proton-Reaktion
Fusion von 2 H-Atomen zu Deuterium (Tunneleffekt)
Entstehung von Helium unter Abgabe eines γ-Quants
Fusion zu 4He unter Abgabe von 2 H-Atomen
Schwarzkörper Strahler
vollständige Absorption elektromagn. Strahlung
Hohlraumstrahler
Thermisches Gleichgewicht Abstrahlung = Absorption
Theoretische Beschreibung durch Planck (1900)
Spektrale Leistungsdichte eines schwarzen Körpers (Planck‘sches Strahlungsgesetz)
1
1²2),(
)/(50
Tkhc Be
hcTM
Temperatur der Sonne
Wien‘sches Verschiebungsgesetz
Wellenlänge Sonne:λmax~500 nm
Strahlungstemperatur:T~5800 K
T
µmK,max
82897
Solarkonstante - Herleitung
Strahlungstemperatur der Sonne:T~5800 K
Radius der Sonne: RS~696∙106 m
Strahlungsleistung der Sonne (Stefan-Boltzmann-Gesetz)
Abstand Sonne-Erde: 147099∙106 m (MIN) 152100∙106 m (MAX)
W,TAP 264 1093
Vergleich Primärenergieverbrauch – Energie der Sonne
Primärenergieverbrauch: 532,4 ∙1018 J (2011)
Leistung: 16,9∙1012 W
Benötigte Fläche: 1,23∙1010 m²~110 km x 110 km
Annahme: Wirkungsgrad der PV-Module 10%Aufstellung in Äquator-Nähe
Tatsächlich benötigte Fläche: ~ 350 km x 350 km
Die Atmosphäre der Erde
Lufthülle der Erde, die von Gasen gebildet
Schutz gesundheitsschädlicher Strahlung, z. B. vor der ultravioletten (UV) Strahlung
Streuung in der Atmosphäre
1) Streuung an Zentren, die klein sind verglichen mit der Wellenlänge des Lichts :
Rayleigh-StreuungBeispiel: Streuung sichtbaren Lichts an Luftmolekülen N2, O2.
2) Streuung an Zentren, deren Radien nicht klein sind verglichen mit der Wellenlänge des Lichts
Mie-Streuung Beispiel: Streuung sichtbaren Lichts an Wolken- und Nebeltröpfchen, Aerosolen
Himmelsblau
Himmelsblau durch Streuung des Sonnenlichts an den Molekülen der Erdatmosphäre
Blaues Licht wird etwa 4.5-mal stärker gestreut als das rote Licht
Die Sonne am Horizont ist rot, da das Licht einen längeren Weg zurücklegt und mehr Blauanteile durch Reflektion verliert
Je nach Winkel zur Sonne ist das Streulicht unterschiedlich stark polarisiert
Grafik zur Sonnenstrahlung
Absorption des Lichtes an Gasen
Moleküle besitzen für elektromagnetische Wellen einen Absorptionskoeffizienten
Der Absorptionskoeffizienten ist wellenlängenabhängig
Die absorbierten Lichtwellen erzeugen in den Gasmolekülen:
Rotation,Schwingung => Wärme
angeregte Zustände => Lichtwellen
Rotation eines zweiatomigen Moleküls
Für niedrige Rotationsquantenzahlen (J) (Molekül rotiert nicht so schnell, dass der Kernabstand merklich steigt) kann man das Molekül als starr betrachten
Bewegungsfreiheit des Molekülschwerpunktes in jeder Koordinatenachsenrichtung = ein Freiheitsgrad
Quantisierung des Drehimpulses:
bk
Das zweiatomige Sauerstoffmolekül
Absorption eines Lichtquants führt zu Quantenzahl n = 1
E des Lichtquants muss Differenz zwischen n=0 & n=1 entsprechen
Molekülschwingungen
In der Luft bei Normalbedingungen eingefroren
Die Atomkerne eines Moleküls geraten aus Gleichgewichtslage
Dies führt zu harmonischen Schwingungen innerhalb des Moleküls
Normalschwingungen
Kleine Auslenkung der Kerne
Alle Kerne des Moleküls gehen gleichzeitig durch die Ruhelage
Lassen sich durch den durch den harmonischen Oszillator nähern
Molekülschwingungen
Treibhausgase
Treibhausgase lassen kurzwellige Strahlung weitgehend ungehindert durch
Absorbieren einen Großteil der von der Erde ausgestrahlten Infrarotstrahlung
Dadurch erwärmen sie sich und emittieren selbst Strahlung im längerwelligen Bereich
Natürlicher Treibhauseffekt
Wasserdampf (H2O) mit 36 bis 66 % Kohlendioxid (CO2) mit 9 bis 26 % Methan mit 4 bis 9 %
Führt dazu, dass die Durchschnittstemperatur der Erde bei +14 °C liegt. Ohne natürlichen Treibhauseffekt läge sie bei -18 °C
Anthropogener Treibhauseffekt
Kohlendioxid (CO 2 ): Jähliche Emission: 25 Mrd. Tonnen
Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs): 1 Mio. Tonnen. 18.000 mal schädlicher als CO 2.
Ozonloch: mehr vom UV-B-Anteil der Sonnenstrahlung gelangt zum Erdboden durch.
Die Entstehung von Wind
Ursache: Unterschied im Luftdruck zwischen Luftmassen
Bewegung vom Hochdruck zum Tiefdruckgebiet, bis zum Ausgleich
Wind ist einen Massenstrom
Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik wird eine Gleichverteilung der Teilchen im Raum und damit eine maximale Entropie anstrebt
Literatur
Energiegewinne der Erde: http://de.wikipedia.org/wiki/Erde#Globaler_Energiehaushalt
Proton-Proton-Reaktion: http://de.wikipedia.org/wiki/Proton-Proton-Reaktion
Schwarzkörper-Strahler: http://de.wikipedia.org/wiki/Schwarzer_K%C3%B6rper
Wien‘sches Verschiebungsgesetz: http://de.wikipedia.org/wiki/Wiensches_Verschiebungsgesetz
Solarkonstante und Vergleich Primärenergieverbrauch:
http://www2.physik.uni-greifswald.de/~pompe/UP-VORLESUNG/up-waerme-strahlung.pdf
Strahlungsbilanz der Erde: http://de.wikipedia.org/wiki/Strahlungshaushalt_der_Erde
Literatur
http://www.physik.uni-regensburg.de/forschung/wegscheider/gebhardt_files/skripten/Strahlungsbilanz.Wolf.pdf
http://de.wikipedia.org/wiki/Wind
http://www.m-forkel.de/klima/atmosphaere.html
http://www.geographie.uni-muenchen.de/internetvorlesung/Einfuehrung/grundlagen_atmosphaere.htm#1.%20Rayleigh-Streuung
http://de.wikipedia.org/wiki/Rayleigh-Streuung
http://de.wikipedia.org/wiki/Himmel_%28planet%C3%A4r%29#Das_Himmelsblau
http://homepages.uni-paderborn.de/wgs/Dlehre/Physik_des_Treibhauseffekts.ppt.pdf