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Energiehaushalt der Erde

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.

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Energiehaushalt der Erde

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Presentation Transcript

  1. Energiehaushalt der Erde Thomas Krutzler, Philipp Petti

  2. Energiegewinne der Erde • 99,98% Sonne • Restliche 0,02% durch • Radioaktive Zerfälle • Nutzung von fossilen und nuklearen Energieträgern • Gezeitenreibung

  3. Strahlungsbilanz der Erde • System Erde • Gewinne = Globalstr. - Reflexionsstr. • Verluste = Abstrahlung • Gesamtbilanz = Gewinne – Verluste Globalstr. – Reflexionsstr. – Abstrahlung

  4. 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

  5. Schwarzkörper Strahler • vollständige Absorption elektromagn. Strahlung • Hohlraumstrahler • Thermisches Gleichgewicht  Abstrahlung = Absorption • Theoretische Beschreibung durch Planck (1900) • Spektrale Leistungsdichte eines schwarzen Körpers (Planck‘sches Strahlungsgesetz)

  6. Temperatur der Sonne • Wien‘sches Verschiebungsgesetz • Wellenlänge Sonne: λmax~500 nm • Strahlungstemperatur: T~5800 K

  7. 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)

  8. 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: Wirkungsgradder PV-Module 10% Aufstellung in Äquator-Nähe • TatsächlichbenötigteFläche: ~ 350 km x 350 km

  9. Die Atmosphäre der Erde • Lufthülle der Erde, die von Gasen gebildet • Schutz gesundheitsschädlicher Strahlung, z. B. vor der ultravioletten (UV) Strahlung

  10. Streuung in der Atmosphäre • 1) Streuung an Zentren, die klein sind verglichen mit der Wellenlänge des Lichts : Rayleigh-Streuung Beispiel: 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

  11. Himmelsblau • Himmelsblaudurch 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

  12. Grafik zur Sonnenstrahlung

  13. 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

  14. 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:

  15. Das zweiatomige Sauerstoffmolekül • Absorption eines Lichtquants führt zu Quantenzahl n = 1 • E des Lichtquants muss Differenz zwischen n=0 & n=1 entsprechen

  16. Molekülschwingungen • In der Luft bei Normalbedingungen eingefroren • Die Atomkerne eines Moleküls geraten aus Gleichgewichtslage • Dies führt zu harmonischen Schwingungen innerhalb des Moleküls

  17. Normalschwingungen • Kleine Auslenkung der Kerne • Alle Kerne des Moleküls gehen gleichzeitig durch die Ruhelage • Lassen sich durch den durch den harmonischen Oszillator nähern

  18. Molekülschwingungen

  19. 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

  20. 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

  21. 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.

  22. 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

  23. 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

  24. 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

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