 Show Sonneneinstrahlung
Der Wechsel zwischen Erw�rmung am Tag und Abk�hlung in der Nacht ist ein Grund f�r das atmosph�rische Wettergeschehen. Ein weiterer Grund ist die unterschiedlichen Erw�rmung der Erdoberfl�che infolge der Neigung der Erdachse. Sonneneinstrahlung und Topographie Ganz unab�ngig von der Kugelgestalt der Erde, der Erdumdrehung oder der Umlaufbahn um die Sonne, ergeben sich allein durch die unterschiedlichen topographischen Verh�ltnisse und den verschiedenen Regonen und Landstrichen v�llig unterschiedliche Strahlungsverh�ltnisse und damit auch unterschiedliche Temperaturen. Wie schon beim Thema Solarkonstante dargestellt, verteilt sich bei einer flachen Neigung der Erdoberfl�che die einfallende Sonnenstrahlung auf eine entsprechend gr��ere Fl�che. Somit bleibt auch die Erw�rmung und die Temperatur gering. Trifft die Sonne jedoch auf einen passend geneigten Berghang, gleicht die Hangneigung den geringeren Einfallswinkel aus, so da� die Erw�rmung wieder entsprechend gro� werden kann. Jeder kennt das aus dem Weinberg oder vom Wandern in den Bergen. Au�erdem weisen konkave Gel�ndeformen (T�ler) gr��ere Temperaturschwankungen auf als konvexe Bodenformen (Berge, H�gel). Nachts kommt es in den T�lern zu starker Abk�hlung, weil aufgrund der Ausstrahlung an den umliegenden H�ngen verst�rkt kalte Luft in die Tallagen flie�t. Dies ist im Kapitel Wind unter dem Stchwort Berg-/Talwind n�her erl�utert. Bew�lkungJe nach Bedeckungsgrad wird die direkte Sonneneinstrahlung teilweise erheblich behindert. Eine dicke geschlossene Wolkendecke reflektiert ca. 70 % der Sonneneinstrahlung zur�ck ins Weltall. Hierauf wird zum Stichwort Reflexion n�her eingegangen. Bew�lkung behindert aber auch die Ausstrahlung der Erde. In Wintern�chten ist dies beispielsweise deutlich zu bemerken. In einer klaren Winternacht kann die Erdstrahlung ungehndert ins All entweichen, so da� die Temperatur entsprechend tief absinkt. Wird die Ausstrahlung dagegen von einer Wolkendecke abgeschirmt, bleibt die Nacht bedeutend milder. Neigung der Erdachse
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| Als astronomische Jahreszeiten bezeichnet man die an sich willk�rliche Einteilung des Jahres in 4 etwa gleich lange, 90� weite Abschnitte auf der Ekliptik, die durch jeweils zwei 180� voneinander entfernte Tagundnachtgleichen ("�quinoktien") und Sonnenwenden ("Solstitien") markiert werden. Diese Einteilung ergibt die bekannten Jahreszeiten. Ursache der Tagundnachtgleichen und Sonnenwenden ist die himmelsmechanisch bedingte Neigung der rotierenden Erdachse und damit der Erdbahnebene gegen�ber dem (Himmels-)�quator um ca. 23,5� ("Schiefe der Ekliptik"). Der Tag- und Nachtwechsel infolge der Erdrotation wird �berlagert durch den Umlauf der Erde um die Sonne. Dabei bewegt sich die Erde in ca. 365 Tagen auf einer Ellipsenbahn einmal um die Sonne. Die Drehachse der Erde um sich selbst steht also nicht senkrecht auf der Ebene, die die elliptische Umlaufbahn um die Sonne bildet, die Ekliptik. Sie ist vielmehr um 23,5� gegen diese Umlaufebene geneigt. Dies hat zur Folge, da� der Zenitstand der Sonne zwischen dem n�rdlichen und s�dlichen Wendekreis hin- und herwandert (daher auch der Name Wendekreis). Dadurch entstehen neben den unterschiedlichen Einstrahlungen auch die unterschiedlichen Tag- und Nachtl�ngen, die mit zunehmender Poln�he immer ausgepr�gter werden. Zugleich ver�ndert sich damit auch der Winkel der auf die Erdoberfl�che treffenden Sonnenstrahlung auf den Erdhalbkugeln. Deswegen werden zu unterschiedlichen Stadien des Umlaufs unterschiedliche Teile der Erde unterschiedlich stark bestrahlt. Das ver�ndert die Einstrahlungsdauer und Intensit�t der Sonne in den verschiedenen Gebieten der Erde (siehe Abbildungen links). Dies f�hrt zu den Jahreszeiten. Die Jahreszeiten unterteilen den Zeitraum eines Erdjahres - also einen Umlauf des Planeten Erde um die Sonne - vereinfacht gesagt in 4 verschiedene Perioden, die sich durch charakteristische astronomische sowie klimatische Eigenschaften von einander abheben - Fr�hling, Sommer, Herbst und Winter. Auf der Nord- und S�dhalbkugel der Erde herrschen dabei jeweils die entgegengesetzten Jahreszeiten - ist im S�den Sommer, so herrscht auf der Nordhalbkugel Winter, und umgekehrt. Meteorologisch werden den Jahreszeiten jeweils 3 Kalendermonate zugeordnet:
Die L�nge der Jahreszeiten betr�gt wegen der unterschiedlichen Bahngeschwindigkeit der Erde nicht genau ein Vierteljahr, sonder variiert geringf�gig. Der Fr�hling dauert auf der Nordhalbkugel 92 Tage und 18 Stunden, der Sommer 93 Tage und 16 Stunden, der Herbst 89 Tage und 20 Stunden und der Winter ziemlich genau 89 Tage. Die Entfernung der Erde von der Sonne durch die elliptische Umlaufbahn hat auf die Jahreszeiten keinen wahrnehmbaren Einflu�. Tats�chlich befindet sich die Erde Anfang Januar, also kurz nach dem Winteranfang auf der Nordhalbkugel, sogar rund 5.000.000 km n�her an der Sonne als im Sommer. Die Jahreszeiten sind vor allem von Temperatur- und/oder Niederschlagsmengenschwankungen gepr�gt. In den gem��igten Breiten f�llt besonders der Wechsel der Tagesh�chst- bzw. Tagestiefsttemperaturen auf. In subtropischen und noch ausgepr�gter in tropischen Regionen wird dieses Temperaturregime von den Schwankungen der Monatsmittel des Niederschlags �berlagert und in seiner Wahrnehmbarkeit beeinflu�t. In den Tropen gibt es wegen des Fehlens der jahreszeitlichen Schwankungen keine solchen saisonalen Jahreszeiten. Dort wird zwischen Trockenzeit und Regenzeit unterschieden. |
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WendekreiseW�hrend die Sonne zur Zeit der �quinoktien (Tag- und Nachtgleichen) senkrecht �ber dem �quator steht, wandert sie scheinbar zu den Sonnenwenden ("Solstitien") bis zu den Breitenkreisen 23,5� Nord (Wendekreis des Krebses) bzw. 23,5� S�d (Wendekreis des Steinbocks) und steht dort senkrecht. Ursache der Tagundnachtgleichen und der Sonnenwenden ist die himmelsmechanisch bedingte Neigung der rotierenden Erdachse und damit der Erdbahnebene gegen�ber dem (Himmels-)�quator um ca. 23,5� ("Schiefe der Ekliptik").Damit wandert auch der Bereich maximaler Strahlungsintensit�t vom �quator zu den Wendekreisen. Dadurch scheint sich die Sonne am Firmament zu bewegen. Danach scheint sich die Bewegungsrichtung der Sonne in die umgekehrte Richtung zu �ndern. | |
| Die Neigung der Erdachse l��t so den Sonnenh�chststand im Jahresverlauf �ber die Erdoberfl�che wandern. Damit �ndert sich auch fortlaufend die Energiemenge, die jeder Punkt auf der Erdoberfl�che erh�lt. Am 21. Juni erreicht die Sonne ihren Zenit am n�rdlichen Wendekreis, bei 23,5�, und steht dort senkrecht. Damit steht zu der Zeit die Sonne auch bei uns in Mitteleuropa am h�chsten, wenn auch nicht ganz senkrecht �ber uns. Das hei�t, auch in Mitteleuropa ist dann die Sonneneinstrahlung am st�rksten und wir erhalten am meisten Energie von der Sonne. Die Erw�rmung der Erdoberfl�che erreicht ihr Maximum. Wir haben Sommer. |
Zur Zeit der Tag- und Nachtgleiche steht die Sonne senkrecht �ber dem �quator. Im M�rz ist der Nordpol wegen der gekippten Erdachse jetzt der Sonne zugeneigt und es beginnt die Zeit, in der die Sonne nicht mehr untergeht und 24 Stunden lang scheint. Der S�dpol dagegen ist jetzt der Sonne abgewandt, die Sonne geht nicht mehr auf und die lange Polarnacht beginnt.
| durchschnittliche Sonnenscheindauer | |
Am geografischen Nordpol bzw. S�dpol dauert die Polarnacht fast ein halbes Jahr, an den Polarkreisen genau einen Tag, wobei die Sonne aber noch teilweise �ber den Horizont steigt, nur ihr unterer Rand nicht. Je n�her man den Polen kommt, umso l�nger dauert die Polarnacht. Die Polarnacht entsteht durch die Neigung der Erdachse um etwa 23,5�. Die Polarnacht ist das Gegenteil des Polartages mit der Mitternachtssonne.
Da die Erde um die Sonne kreist und die Erdachse von dieser Bahnbewegung unabh�ngig ihre Neigung beibeh�lt, sind die Pole im jeweiligen Sommer der Sonne zugewandt und im Winter von ihr abgewandt. Daher steht die Sonne an den geographischen Polen f�r etwa ein halbes Jahr unter dem Horizont. In diesem Zeitraum kann es zur Bildung von polaren Stratosph�renwolken in 22 - 29 km H�he kommen, diese bilden sich erst bei Temperaturen unter - 88.3 �C.
Als Folge dieser
Sonnenstandswanderung wird auf der n�rdlichen Halbkugel in den Monaten Juni, Juli und August am meisten Sonnenenergie empfangen: Es ist Sommer. In den Monaten Dezember, Januar und Februar ist die Sonneneinstrahlung am geringsten: Es ist Winter.
In der s�dlichen Hemisph�re ist es umgekehrt.
F�r diese Wanderung ergibt sich somit folgender Jahresrhythmus:
- 21. Dezember (Wintersonnenwende): Die Sonne steht �ber dem s�dlichen Wendekreis (Wendekreis des Steinbocks). Auf der Nordhalbkugel ist nun der k�rzeste und auf der S�dhalbkugel der l�ngste Tag des Jahres. Der astronomische Winter beginnt. Durch die geringere Einstrahlung der Sonne auf die Nordhalbkugel sinkt die mittlere Tages- bzw. Monatstemperatur ab. Wegen der D�mpfungseigenschaft der Atmosph�re erreicht sie aber erst mit einiger Verz�gerung ihren Tiefpunkt, f�r gew�hnlich ist das im Januar/Februar der Fall. Am Nordpol ist die Mitte der Polarnacht und am S�dpol die Mitte des Polartags.
- 19. bis 21. M�rz: Tagundnachtgleiche: Es ist der astronomischer Fr�hlingsbeginn im Norden und Herbstbeginn im S�den. Die Sonne steht auf H�he des �quators.
- 21. Juni (Sommersonnenwende): Die Sonne steht �ber dem n�rdlichen Wendekreis (Wendekreis des Krebses). Das ist der l�ngste Tag auf der Nordhalbkugel und k�rzeste Tag auf der S�dhalbkugel. Im Norden beginnt nun der astronomische Sommer und der Winter im S�den. Durch die h�here Einstrahlung der Sonne auf die Nordhalbkugel erreicht die mittlere Tages- bzw. Monatstemperatur ihren H�chstpunkt. Am Nordpol ist die Mitte des Polartags und am S�dpol die Mitte der Polarnacht.
- 22. oder 23. September (Tagundnachtgleiche): Im Norden beginnt astronomisch der Herbst, im S�den der Fr�hling. Die Sonne ist erneut auf H�he des �quators.
Abweichend davon wird in der Meteorologie der Beginn der Jahreszeiten jeweils auf den Monatsanfang vorverlegt (1. Dezember, 1. M�rz usw.).
Jahreszeiten | Daten | Zone mit senkrechter Sonneneinstrahlung |
Beginn Nordfr�hling - S�dherbst | 21.3. | beim �quator auf 0� |
Nordfr�hling - S�dherbst | 21.3.-21.6. | von 0� bis 22,5� N |
Beginn Nordsommer - S�dwinter | 21.6. | am n�rdlichen Wendekreis auf 22,5� N |
Nordsommer - S�dwinter | 21.6.-23.9. | 22,5�N bis 0� |
Beginn Nordherbst - S�dfr�hling | 23.9. | beim �quator auf 0� |
Nordherbst - S�dfr�hling | 23.9.-21.12. | von 0� bis 22,5� S |
Beginn Nordwinter - S�dsommer | 21.12. | am s�dlichen Wendekreis auf 22,5� S |
Nordwinter - S�dsommer | 21.12.-21.3. | von 22,5� S bis 0� |
Au�erdem bewegt sich die Erde nicht auf einer perfekten Kreisbahn um die Sonne, die Umlaufbah �hnelt vielmehr eher einer Ellipse. Im sonnenn�chsten Punkt (Perihel) hat sie deshalb eine kleinere Distanz zur Sonne als im sonnenfernsten Punkt, dem Aphel. Dies ver�ndert die Intensit�t der Sonneneinstrahlung im Laufe des Jahres um insgesamt 8 %, n�mlich im Sommer um - 4 %, im Winter um + 4 %. Wenn die Sonne im Juni ihren H�chststand hat, m��te es dann nicht im Juni am w�rmsten sein? Im Prinzip, ja. | |
Allerdings stimmt das wegen der unterschiedlichen W�rmekapazit�t von Land und Wasser weitgehend nur dort, wo kein Meereseinflu� herrscht. Dieser Einflu� wird im Kapitel "Planetare Zirkulation" n�her erl�utert. Die grundlegenden Vorg�nge der W�rme�bertragung werden in den Kapiteln Energietransfer und W�rmeleitung dargestellt.
W�hrend sich also insbesondere die Meeresluftmassen, welche mit Tiefausl�ufern in unsere mittleren Breiten gelangen, hier m��igend auf das Temperaturregime auswirken, treten Extremtemperaturen stets in meeresfernen, wetterberuhigten Arealen auf. Dazu z�hlen auch die W�sten, die man vor allem im Bereich der subtropischen Hochdruckg�rtel in geografischen Breiten um 25� Nord und S�d findet. Von diesen "Wendekreisw�sten" ist die Sahara im Norden Afrikas mit einer Fl�che von 9 Millionen Quadratkilometern bei weitem die gr��te. Tags�ber herrscht dort bei hoch stehender Sonne regelm��ig wolkenarmes Wetter, daher ist bei geringem Pflanzenbewuchs die am Boden empfangene (kurzwellige) Strahlung gewaltig. Auch die n�chtliche (langwellige) Ausstrahlung ist bei meist klarem Himmel betr�chtlich. Dennoch verbleibt insgesamt ein positiver Strahlungssaldo, dessen Betrag etwa doppelt so hoch wie in Mitteleuropa ist.
Wo bleibt nun diese Energie? Verdunstung findet in der W�ste infolge Wassermangels nicht statt. Der Boden besteht aus Sand, Kies, Ger�ll oder Fels - allesamt Materialien mit sehr schlechter W�rmeleitung - kann also die Energie kaum aufnehmen. Nur durch die Erh�hung der Lufttemperatur kann der Energie�berschuss abgef�hrt werden. Dies wiederum f�hrt zu entsprechender Luftbewegung, also Wind. Damit sind wie wieder bei der planetaren Zirkulation.
Wenn aber, wie in unseren Breiten, das Wettergeschehen sehr stark von herangef�hrten k�hleren Luftmassen bestimmt wird, hinkt die Erdbodentemperatur regelm��ig etwas dem Sonnenstand hinterher, soda� die h�chsten Temperaturen erst Anfang Juli erreicht werden. Bei uns kommen die Luftmassen aber meist aus dem S�den �ber das Mittelmeer oder �ber den Westatlantik. Im Sommer ist die Lufttemperatur dabei regelm��ig w�rmer als das Wasser. Je l�nger die Luft �ber das k�hlere Wasser zieht, desto mehr k�hlt sie ab, da sie ihre W�rme an das Wasser abgibt. Je w�rmer aber das Wasser, umso geringer ist die Abk�hlung. Im August erreicht die Meerestemperatur schlie�lich ihr Maximum und die Luft k�hlt daher auf dem Weg zu uns am wenigsten ab. Einen weiteren Beitrag liefert der Wasserdampfgehalt der Atmosph�re. Wenn es nachts stark abk�hlt, mu� die Sonne in der Fr�he zuerst viel Energie darauf verwenden, die k�hle Morgenluft aufzuheizen. Andererseits d�mpft der Wasserdampf in der Atmosph�re die Abk�hlung. Die Wasserdampfmenge in der Atmosph�re erreicht ihr Maximum ebenfalls im August.
W�hrend also im Juni mit dem h�chsten Sonnenstand die st�rkste Einstrahlung herrscht, sind bei uns aufgrund der dann h�heren Meerestemperatur und des h�heren Wasserdampfgehaltes der Atmosph�re die Temperaturen im August am h�chsten. Da sich diese drei Einfl�sse "addieren", verschiebt sich die im Mittel w�rmste Zeit des Jahres vom Sonnenh�chststand nach hinten, typischerweise auf den Monatswechsel Juli/August. Deshalb sind bei uns die Abende im August trotz des fr�heren Sonnenuntergangs oft am lauesten. Auf den Inseln in der Nordsee ist die Verschiebung sogar noch gr��er. Auf Helgoland ist daher manchmal sogar erst der September der w�rmste Monat des Jahres.
