Wärme an der Erdoberfläche

4.2.4
Wärme an der Erdoberfläche
 

Eine aktuelle Karte der Erdoberflächentemperaturen
(Satellitenbild) sieht man hier:
(Quelle: http://hum.amu.edu.pl/%7Ezbzw/glob/glob12.htm)

erdew1 - Wärme an der Erdoberfläche

Die Wärme an der Erdoberfläche
wird durch verschiedene Faktoren bestimmt:

 

 

  • die Strahlung
    der Sonne samt Reflektion an der Erdoberfläche und in der Atmosphäre

  • die Thermodynamik der
    Atmosphäre

  • die geothermische Wärme
    aus der Erde
  • die Zellatmung der Organismen

 

warme5 - Wärme an der Erdoberfläche


Strahlung
der Sonne

Der ursächlich wichtigste Faktor
der Wärme
( und Wärmelieferant) an der Erdoberfläche
ist die verschiedene Strahlung der Sonne in Form von elektromagnetischer
Strahlung
und Sonnenwind. Die elektromagnetische Strahlung
wird teilweise von der Atmosphäre und der Erde absorbiert. Dies
wirkt sich bis in ca. 10 m Erdtiefe aus. Unterhalb davon ist die Wärme
allein von der Erdwärme bestimmt.


Elektromagnetische
Strahlung

An der Sonnenoberfläche haben wir
ca. 5500 °C. Diese Hitze reicht aus, um in 149 600 000 Km auf der
Erde zusammen mit der geothermischen Energie, der Thermodynamik samt
dem Druckgradient der Atmosphäre eine Oberflächentemperatur
zwischen -89 °C und +59°C
zu erzeugen (gemessen).

 

In der gängigen Literatur wird meist
der Begriff mittlere Erdtemperatur verwendet. Sie liegt bei Mittelung
möglichst vieler globaler Werte
(2m) statistisch bei
+15°C obwohl man in in Key West, der Südspitze
von Florida z.B. in den letzten 100 Jahren immer im Mittel 25°C
mit Schwankungen um 3 Grad je nach Saison gemessen hat und in Verkhoyansk,
im Nordosten Sibiriens man mittlere Temperaturen von -18°C
mit Schwankungen um 60°C findet..

Das Strahlungsspektrum mit einem Maximum
bei 500 nm
findet man im Kapitel Strahlung
II
. Ca. 70% werden von der Erde absorbiert, ein kleiner Teil als
langwellige Wärmestrahlung ( Maximum 10 mm)
reflektiert.

solars1 - Wärme an der Erdoberfläche

solars2 - Wärme an der Erdoberfläche

Die Wärmestrahlung wird, wie im Kapitel
Strahlung dargelegt hauptsächlich vom Wasserdampf und CO2
der Atmosphäre (Troposphäre) absorbiert und thermalisiert,
d. h. per Kollision an die anderen Luftteilchen weitergegeben.
In höheren Bereichen nimmt die Strahlungsemission zu, da die Geschwindigkeit
der Gase abnimmt und damit die Zeit zwischen den Kollisionen sich vergrößert.
Wegen der geringen Konzentration von CO2, und besonders Methan, Ozon
usw. ist die Emission durch Spurengase vernachlässigbar.
Dies wurde durch Messung bestätigt (http://www.vision.net.au/~daly/forcing/hug-barrett.htm).
Dadurch entsteht fühlbare und mit dem Thermometer messbare Wärme.
Diese wird durch Wind horizontal und vertikal durch Konvektion verteilt.


Wolken, Aerosole

Einer wichtigsten Faktoren bezüglich
der Wärme in der Atmosphäre sind Wolken.

Wolken reflektieren die Wärmestrahlung
der Erde und spielen eine wichtige Rolle für die Erwärmung
in Bodennähe.

Langwellige Strahlen, die
von der Erde emittiert werden, werden durch Wolken je nach Zusammensetzung
gestreut, absorbiert und reemittiert, d.h. eine Erwärmung
des erdnahen Bereichs ist die Folge.

Kurzwellige Strahlen werden
durch Wolken zerstreut, ein großer Teil zurück in den Weltraum
reflektiert. Dies führrt zu einer Abkühlung der Erdoberfläche.
Die Wirkung ist unten zu sehen.

clouds3 - Wärme an der Erdoberfläche

Strahlungsbilanz mit Wolken: http://smsc.cnes.fr/POLDER/SCIEPROD/rb9611.htm

Bei durchschnittlicher Wolkenbedeckung
von ca. 40% ergibt sich ein Kühlung von ca. 17- 35 W/m2.

Die Bedeutung des Wolkeneinflusses ist
nachfolgend dargestellt. Dabei ist R(LW) die von der Erde emittierte
langwellige Strahlung, Q= die absorbierte Solarstrahlung.

lightcl - Wärme an der Erdoberfläche
Aerosole
in Wolken

 

 

wolkp - Wärme an der Erdoberfläche

Einfluß der Wolken je nach
Wolkenanteil

Aerosole
sind feine Wassertröpfchen oder andere Partikel, die eher zu einer
Abkühlung unterhalb führen, da sie das Sonnenlicht oberhalb
reflektieren.

Dadurch gelangt weniger Sonnenstrahlung
an die Erdoberfläche. Die Stärke des Abkühlungseffektes
hängt u.a. von der Größe und Zusammensetzung der Aerosolpartikel
ab.

Quelle:
http://earthobservatory.nasa.gov/Library/Aerosols/aerosol.html

Durch die erhöhte
CO2-Konzentration seit 1750 ergibt sich eine um ca. 1,5W/m2 veränderte
Strahlungsbilanz der Erde. Verglichen mit der globalen mittleren Strahlung
von 342 W/m2, ist dies eine Veränderung von nur 0.4%.

Der natürliche Treibhauseffekt
aller Treibhausgase beträgt 234 W/m2. Selbst
eine Verdoppelung von CO2 (IPCC = 3,8 W/m2;
Dietze < 3 Watt/m2) sind
nur 1,7 % des natürlich
Treibhauseffektes (TE). Eine Abschirmung durch Wolken ist weit effektiver.

Betrachtet man die Entwicklung der Erdoberflächentemperatur
über einen längeren (geologische jedoch minimalen ) Zeitraum
ist bemerkenswert, daß sowohl Satellitenmessungen und zuverlässige
Bodenmessungen ohne Wärmeinseleffekt übereinstimmen und praktisch
keine Temperaturerhöhung zeigen.

Nun noch einige zuverlässige
Temperaturmessungen von Wetterstationen ohne Wärmeinseleffekt (außerstädtisch)
rund um den Globus der letzten 100 Jahre (Quelle:
http://www.microtech.com.au/daly/graytemp/surftemp.htm
) :

station1 - Wärme an der Erdoberfläche

Klicken Sie auf das Bild
um mehr zu sehen

Sonnenlicht und Erde http://www-istp.gsfc.nasa.gov/stargaze/Sun1lite.htm

Über einen geologisch längeren
Zeitraum wie 15 000 Jahre kann jedoch sehr wohl eine Erwärmung
festgestellt werden.
(siehe Global Warming)


Sonnenflecken

sunspot3 - Wärme an der Erdoberfläche

Die Oberflächentemperatur der
Sonne variiert cyklisch durch das Auftreten magnetischer Stürme.
Während des Ablaufs solcher Stürme ist die Temperatur dort
um ca. 2000°C geringer, es treten Sonnenflecken
auf, der Bereich ist dunkler. Am Rand der Flecken werden ca. 6000°C
gemessen. Dadurch variiert die abgestrahlte Energie der Sonne, was sich
vornehmlich auf die irdischen Wetterzyklen auswirkt. Die Zykluszeit
beträgt 11 Jahre. (Quelle: http://www.spaceweather.com/java/sunspot.html)
Die Sonnenflecken wurden 1613 von Galileo entdeckt, der Zyklus 189 von
Heinrich Schwabe. (1 % output ~ 2.8 oC up). Oben ist die Variation seit
dem 17. Jahrhundert zu sehen. Insgesamt bemerkt man eine Zunahme der
solaren Aktivität in den letzten 3 Jahrhunderten.


Sonnenwind

 


6915_1 - Wärme an der ErdoberflächeSonnenwind,
der auf das Magnetfeld der Erde trifft
(Quelle: NASA)

Aufgrund der hohen Temperatur der
Sonnenkorona können die in ihr enthaltenen Teilchen eine
so hohe Geschwindigkeit erreichen, dass sie dem Gravitationsfeld
der Sonne entfliehen. Das Gas, das auf diese Weise aus der Sonne
austritt, wird als Sonnenwind
bezeichnet.
Die Sonne unseres Systems wirft täglich eine Million Tonnen
Materie in ihre Umgebung aus. Der sogenannte Sonnenwind
bewegt seine Partikel mit einer Geschwindigkeit von 200-800 km/sec.
Eine ungeheure Kraft geringer Dichte, denn das Plasma beinhaltet
nur 6 Partikel pro Kubikmeter jedes Ausstoßes aus der Korona.

Der Sonnenwind besteht hauptsächlich aus geladenen
Teilchen, d.h. Ionen, Alpha-Teilchen und Elektronen.
Diese treten in Wechslewirkung mit der Atmosphäre und dem
Magnetfeld der Erde.

Polarlichter
entstehen durch die Wechselwirkung zwischen dem Erdmagnetfeld
und geladenen Teilchen von der Sonne, dem Sonnenwind. Wissenschaftler
aus Dänemark konnten einen Zusammenhang zwischen der Sonnenaktivität
und der Wolkenbildung nachweisen. Wolken reflektieren die langwellige
Wärmestrahlung auf die Erde zurück. Dies könnte auch
zu einer globalen Erwärmung führen.
(Quellen: http://publish.aps.org/abstract/PRL/v85/p5004
und http://science.msfc.nasa.gov/ssl/pad/solar/sun_wind.htm
und http://www.geocities.com/CapeCanaveral/4310/klima/landscheidt/sonne1.htm)

Dieser Sonnenwind hat seit 1901 um den
Faktor 2,3 zugenommen, parallel dazu
beobachtet
man ein leichte Erhöhung der Erdoberflächentemperatur. (1
% mehr Output ~ 2.8 °C Erwärmung).

sonnwi1 - Wärme an der Erdoberfläche

solactiv - Wärme an der Erdoberfläche

(Quellen:
http://www.wdc.rl.ac.uk/wdcc1/papers/nature.html
)

solar2b - Wärme an der Erdoberfläche

Quelle:
http://www.vision.net.au/~daly/hockey/hockey.htm

FAZIT:
Mehr Sonnenwind produziert mehr Wolken, ergibt mehr Wärme


Geothermische
Wärme

Geothermie
ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche
der festen Erde. Quelle der Geothermie ist fast ausschließlich
die beim Zerfall radioaktiver Isotope (Kalium-Isotop
K 40, die Uran-Isotope U 235, U 238 und
das Thorium-Isotop Th 232) im Erdinneren
freiwerdende Wärme.

Der innerer Aufbau der Erde ist unten dargestellt.
Die Erde besitzt einen Radius von ca. 6.500 km und wird in Erdkern
(ca. 3.500 km), Erdmantel (ca. 2.900 km) und Erdkruste
(kontinentale Kruste < 100 km, ozeanische Kruste < 10 km) unterteilt.
Die chemischen Hauptkomponenten sind vermutlich – da bislang überwiegend
nur seismologisch ermittelt – im Erdkern flüssiges Eisen
und im Erdmantel Silikate.

zusea - Wärme an der Erdoberflächeeak2 - Wärme an der Erdoberfläche


Möglicherweise leistet auch ein Rest der
sogenannten “Ursprungswärme” einen Beitrag zur Erdtemperatur.
Hierunter wird Wärmeenergie verstanden, die bei der Erdentstehung
durch Kontraktion freier Materie entstanden ist und im Erdinneren eingeschlossen
wurde. Im Erdmantel findet eine Konvektion der unter Hitze und Druck
plastisch gewordenen Gesteine statt, die somit einen Wärmetransport
bewirken, obgleich sie selbst schlechte Wärmeleiter sind.

Die Temperaturen im Erdinneren betragen
nach Schätzungen über 5.000 °C. Der nach außen
gerichtete Wärmestrom
weist an der Erdoberfläche mit einem
Energiegehalt von ca. 0,06 W/m2 eine Energiedichte auf, die derzeit
technisch nicht nutzbar ist. Die Geothermie nutzt durch Tiefbohrungen
die Erdwärme selbst.
Der Temperaturanstieg beträgt in der Regel
ca. 30 °C pro 1.000 m
(bezogen auf die obere Erdkruste).

An geothermischen Anomalien werden ca. 100 °C Temperaturanstieg
pro 1.000 m Tiefe erreicht, was diese Standorte für geothermische
Kraftwerke besonders geeignet macht. In Deutschland sind Standorte mit
entsprechend großen geothermischen Anomalien nicht bekannt, in
anderen Ländern (z.B. Mexiko, Kenia, El Salvador) steuert die Geothermie
über 30 % der gesamten Stromerzeugung bei.

Bei der Nutzung von Aquiferen
(wasserführenden Schichten im Untergrund) unterscheidet man heiße
Aquifere (über 100 °C), warme Aquifere (40-100 °C) sowie
niedrig temperierte Aquifere (unter 40 °C). Einzig die heißen
Aquifere sind zur Produktion elektrischer Energie geeignet.

Die Bodentemperatur nähert
sich schon in wenigen Metern Tiefe dem Jahresmittel der Lufttemperatur
und nimmt infolge der Eigenwärme des Erdkörpers mit durchschnittlich
33 Metern Tiefe um 1 Grad Celsius zu. Die Temperatur ist an der Erdoberfläche
fast dieselbe wie die Lufttemperatur, sie weicht von ihr je nach Wärmeleitfähigkeit
des Bodens und Einstrahlung nach oben oder unten ab. Die Temperatur
der bodennahen Luftschicht ist tagsüber höher als in der Nacht,
dagegen ist nachts die Temperatur der obersten Bodenschichten höher
als die der bodennahen Luftschichten. Ab ca. 10 m Tiefe ist die Temperatur
unabhängig von den Jahrenszeiten und der Solarstrahlung.

boden1 - Wärme an der Erdoberfläche

Quelle:
http://nibis.ni.schule.de/~gidw/Bodenweb/eigensch/temp.htm
und http://www.wzw.tu-muenchen.de/bk/Vorlesng/bodentem.pdf

geos4 - Wärme an der Erdoberfläche

An vielen Punkten der Erde kommen die heißen
Gase, Wässer und Gesteine (Magma) aber auch direkt durch heiße
Quellen und Vulkaneruptionen

an die Oberfläche:

hotsping - Wärme an der Erdoberfläche

Heiße
Quellen in Pong Deut , Chiang Mai Province, Nord Thailand.

vulkan - Wärme an der Erdoberfläche
Vulkanausbruch
in Montserrat
Karibik

 

 

vulkan2 - Wärme an der Erdoberfläche

Eruption
des Ätna in Sizilien

pinat2 - Wärme an der Erdoberfläche

Temperatureinbruch
nach dem Ausbruch des Pinatubo (Philipinen 191)

Bei Vulkanausbrüchen gelangen
riesige Mengen heißer Gase in die Atmosphäre, davon ca. 70%
H2O, daneben CO2, SO2. Temperaturerniedrigungen
durch große Plinianische Eruptionen betragen bis 0,2-0,3
°C global und 1°C regional.

(Plinianische
Eruptionen
sind grosse, explosive Ereignisse, die gewaltige,
dunkle Aschewolken bis in die Stratosphäre (also mindestens 11km
hoch) ausschleudern.)

Quellen: http://www.earth.nasa.gov/science/388.PPT

9 - Wärme an der Erdoberfläche

Der Einfluß
vulkanischer Eruptionen auf die Wärme in der Erdatmosphäre
(Quelle: Garrett, 1997)

Nachfolgend sind
alle ca. 500 aktiven Vulkane der Erde aufgeführt.

vulcane1 - Wärme an der Erdoberfläche

Bei der ERUPTION des Pinatubo auf
den Philipinen 1991 wurden riesige Mengen SO2 in die Atmosphäre
geschleudert, die sofort in Schwefelsäure umgewandelt wurden, die
die Sonnenstrahlung blockierten und weltweit ca. 2 Jahre lang einen
Temperatureinbruch um ca. 0,6°C versursachten. (Quelle: http://visibleearth.nasa.gov/cgi-bin/viewrecord?8181))

Quelle: From J. Hansen et al., in
National Geographic Research and Exploration, vol 9, no 2, pp. 142-158,
1993.

Wichtig in diesem Zusammenhang sind die
Bodenausgasungen rund um die Vulkane.

Z.B der Ätna ist die größte, einzelne
CO2-Quelle der Erde mit. ca. 35,000 Tonnen CO2/Tag.


Zellatmung
der Organismen

Alle Organismen benötigen ein bestimmte
Körpertemperatur, damit der Stoffwechsel aufrechterhalten werden
kann. (siehe CO2, biologische Eigenschaften) Diese Energie
kommt zunächst von der Sonne, wird durch die Photosynthese
der Pflanzen in organischen Stoffen gespeichert, die Konsumenten
der Nahrungskette
nehmen diese auf und gewinnen durch Verbrennung
(= Zellatmung) daraus Energie. Als Abfallprodukt entstehen CO2,
Wasser und Wärme.

veget1 - Wärme an der Erdoberfläche

soil - Wärme an der Erdoberfläche

Dies erfolgt nach der Gleichung:

C6H12O6
+ 6O2 —-> 6 CO2 + 6 H2O DG°´
= 2882 KJ/Mol

Die obige Gleichung gilt für Standardbedingungen:
1 bar, 25°C, pH7. Unter natürlichen Bedingungen wird ca. 40%
als Wärme frei, d.h. 1100 KJ/Mol.

Die Temperaturerhöhung in Böden
kann dadurch zwischen 2 und 7°C betragen.

Daurch
wird sowohl im
Boden
als auch im Ozean,
die CO2-Konzentration
und
die
Wärme drastisch
beinflußt
.

soilc - Wärme an der Erdoberfläche

co2chang - Wärme an der Erdoberfläche

Da die Zellatmung im Durchschnitt
bei 20 -35°C ihr Optimum hat (Aktivität der Enzyme) fördert
eine höhere Temperatur die Zellatmung , was sich in einem erhöhten
CO2-Fluß bzw. einer deutlich höheren Temperatur
ausdrückt. Die CO2-Konzentration in Böden ist unter
optimalen Wachstumsbedingungen fast doppelt so hoch wie aufgrund physikalisch/chemischer
Prozesse. (Quelle: z.B. http://ss.jircas.affrc.go.jp/engpage/jarq/34-1/yoshikawa/34-1(1-5).htm)

oceanve2 - Wärme an der Erdoberfläche

Dieser
Respirationseffekt überlagert und verstärkt die physikalisch/chemischen
Erwärmungs- und Löslichkeitsprozesse.

Insgesamt
werden ca. 55 GT/Jahr (= 55 Milliarden Tonnen) Kohlenstoff von
Bodenorganismen produziert und ca. 40 GT/Jahr von Meeresorganismen.

(Quelle:
z.B.
Dave
Bice, Dept. of Geology, Carleton College, Northfield, MN 55057
).

Dagegen
ist die industrielle, anthropogene C-Produktion von 5,5 GT/Jahr d.h.
ca. 5.8% vergleichsweise gering und vernächlässigbar.

 

 

Weiterführende Quellen:


Photosynthese:
www.biokurs.de/

Säure/Basehaushalt
des Körpers:
http://www.pflegeintensiv.de/Ausarbeitungen/saurebase.html;

http://www.ahc-net.at/ernaehrungsnetz/publikum/0001_seiten/001_aktuelles/daten/veoe/veoe_saeure_basen.htm

Wärme:
http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/tmp.html

Spektren:
http://home.achilles.net/~jtalbot/data/elements/

Interaktive Physik: http://www.lightlink.com/sergey/java/index.html

Infrarotspektroskopie: http://www.wag.caltech.edu/home/jang/genchem/infrared.htm
http://www.adnex.de/data/strahlungsmessung/

Geschichte:
http://www.colby.edu/sci.tech/st215/3.3view/sld010.htm

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