Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

 


Wärme an der Erdoberfläche

Eine aktuelle Karte der Erdoberflächentemperaturen
(Satellitenbild) sieht man hier (1):

erdew1 - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

Die Wärme an der Erdoberfläche
wird durch verschiedene Faktoren bestimmt:

 

  • die Strahlung der Sonne
    samt Absorption/Reflektion an der Erdoberfläche und in
    der Atmosphäre
  • das Wärmespeichervermögen
    der Ozeane

  • die Wolkenbildung durch Sonnenwind
    und kosmische Strahlung
  • die Thermodynamik der Atmosphäre

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

 

warme5 - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung


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
und 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.

verho - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehungkeywest - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

keyver - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

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: Entstehung

solars2 - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

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 (2). Dadurch entsteht
fühlbare und mit dem Thermometer messbare Wärme. Diese
wird durch Wind horizontal und vertikal durch Konvektion verteilt.

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 (5):

station1 - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

Klicken
Sie auf das Bild um mehr zu sehen

Über einen geologisch längeren
Zeitraum wie 15 000 Jahre kann jedoch sehr wohl eine Temperaturänderung
festgestellt werden. (siehe Klimawandel)(6)


Sonnenwind – Sonneneruptionen

Über die direkte Auswirkung
des Sonnenwindes bzw. der Sonneneruptionen auf den Wärmehaushalt
der Atmosphäre ist wenig bekannt. Tatsache
ist
: Die solare Partikelstrahlung hat seit 300 Jahren ständig
zugenommen (siehe auch Kapitel Sonnenwind),
der geomagnetische Index (magn. Feldstärke der Erde) dagegen
wurde kleiner. Diese bedeutet eine Erhöhung
wärmeproduzierender Reaktionen
in der Atmosphäre
durch die stärkere Wechselwirkung des Sonnenwindes mit vor
allem N2 und O2-Molekülen der Atmosphäre.

sonnwi1 - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehunggmag - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

Wolkenbedeckung – geomagn. Index – Sonnenflecken (18)


Wolken, Aerosole

Einer wichtigsten Faktoren bezüglich
der Wärme in der Atmosphäre sind Wolken. Sie
entstehen unter dem Einfluß kosmischer Strahlung, die durch
den Sonnenwind moduliert wird. Dabei ist die Korrelation zwischen
den niederen Wolken und
der kosmischen Strahlung
bzw. dem Sonnenfleckenzyklus
wichtig. ( siehe auch Kapitel Klimawandel/Ursachen).

kirkby - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

Kosmische Strahlungspartikel ( H+-Ionen
und He-Kerne) erzeugen beim Auftreffen auf z.B. Wasserdampf in
der Atmosphäre auf bisher nicht ganz geklärte Weise
sog. Keime, die zur Kondensation und somit zur Wolkenbildung
führen.

droplet - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

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 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 führt zu einer Abkühlung
der Erdoberfläche. Die Wirkung ist unten zu sehen.

clouds3 - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

Die Strahlungsbilanz mit Wolken
(3):

Bei durchschnittlicher Wolkenbedeckung
von ca. 40% ergibt sich ein Kühlung von ca. 17- 35 W/m2.
Während der Ölbrände 1991 in Kuwait (Golfkrieg)
kühlten sich die Temperaturen des Wüstenstaates während
der stärksten Rauchentwicklung um im Mittel 7°C ab. (19)

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: Entstehung

Aerosole in Wolken

 

wolkp - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

Einfluß der Wolken
je nach Wolkenanteil

Aerosole sind feine Wasertröpfchen
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 (4).

Der Strahlungsantrieb, verursacht
durch die Zunahme von CO2 seit 1750 wird auf 1.5 W/m2 geschätzt,
verglichen mit der globalen mittleren Einstrahlung von of 342
W/m2, eine Änderung 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 natürlichen
Treibhauseffektes (20). Eine Abschirmung durch Wolken ist weit
effektiver (2). Ein Beispiel dafür ist z.B. der Temperaturverlauf
im Sommer 2003 in Freiburg im Breisgau:

wofr - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

Innerhalb 1 Tages wurde durch eine
geschlossene Wolkendecke die Temperatur halbiert.


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 Erdoberfläche: Entstehungeak2 - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung


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: Entstehung

Quellen: (10)

geos4 - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

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: Entstehung

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

vulkan - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

Vulkanausbruch in Montserrat
Karibik

 

vulkan2 - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

Eruption des Ätna in
Sizilien

figure2 - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

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
(11).

9 - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

Der Einfluß vulkanischer Eruptionen
auf die Wärme in der Erdatmosphäre (12)

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

vulcane1 - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

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. (13,
14)

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: Entstehung

soil - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

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: Entstehung

co2chang - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

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 (14).

oceanve2 - Wärme an der Erdoberfläche: Entstehung

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.

(
16).

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

Quellen:

(1)
http://hum.amu.edu.pl/%7Ezbzw/glob/glob12.htm
(2) http://www.vision.net.au/~daly/forcing/hug-barrett.htm
(3) http://smsc.cnes.fr/POLDER/SCIEPROD/rb9611.htm
(4)
http://earthobservatory.nasa.gov/Library/Aerosols/aerosol.html

(5)

http://www.microtech.com.au/daly/graytemp/surftemp.htm

(6)

http://www-istp.gsfc.nasa.gov/stargaze/Sun1lite.htm
(7)
http://www.spaceweather.com/java/sunspot.html
(8)
http://www.wdc.rl.ac.uk/wdcc1/papers/nature.html

(9)
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

(10) http://nibis.ni.schule.de/~gidw/Bodenweb/eigensch/temp.htm
und
http://www.wzw.tu-muenchen.de/bk/Vorlesng/bodentem.pdf
(11) http://www.earth.nasa.gov/science/388.PPT
(12) Garrett,
1997

(13) http://visibleearth.nasa.gov/cgi-bin/viewrecord?8181
(14) Aus J. Hansen et al., in National Geographic Research and
Exploration, vol 9, no 2, pp. 142-158, 1993.
(15)
z.B. http://ss.jircas.affrc.go.jp/engpage/jarq/34-1/yoshikawa/34-1(1-5).htm
(16)
z.B.Dave
Bice, Dept. of Geology, Carleton College, Northfield, MN 55057

(17)
Sonnenwind:
http://www.astro.phys.ethz.ch/papers/fligge/GL10884W01.pdf
(18)
Geomagnet. Index:
http://www.asp.ucar.edu/colloquium/2000/SPres/palle-bago.html
(19) http://www.sciencedaily.com/encyclopedia/albedo
(20) verschiedene Veröffentlichungen und Mitteilungen Dr.
Hug

 

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