Was ist der Energiehaushalt der Erde?
Der Begriff "Energiehaushalt der Erde" wurde geprägt, um sich auf die Energie zu beziehen, die der Planet von der Sonne erhält, die er auf der ganzen Erde nutzt und dann in den Weltraum zurücksendet. Die Sonne liefert die gesamte Energie, die auf der Erde verbraucht wird, obwohl der größte Teil der Sonnenenergie niemals die Oberfläche des Planeten erreicht. Die Wärme, die die Erde erhält, besteht aus fünf verschiedenen Bestandteilen der Umwelt: Lebewesen wie Pflanzen und Tiere, die Erdkruste, die Gewässer der Erde, die Atmosphäre und das Eis. Aufgrund der Form des Planeten ist die Energiemenge, die auf die Erdoberfläche trifft, erheblich ungleichmäßig, wobei einige Gebiete wesentlich größere Wärmemengen erhalten als andere. Die Form der Erde bewirkt auch, dass die Polargebiete erheblich weniger Wärme erhalten als die Regionen, die näher am Äquator liegen. Wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass jeder Quadratmeter auf der Erdoberfläche ungefähr 240 Watt Energie von der Sonne erhält und zurückgibt. Die Menge an Wärmeenergie, die von der Erde aufgenommen und in den Weltraum zurückgestrahlt wird, ist nahezu ausgeglichen, wobei sich die Erde einem Strahlungsgleichgewichtszustand nähert.
Eingehende Wärmeenergie
Die Erde erhält Sonnenenergie in Form von kurzwelliger Strahlung. Die einfallende Energie kann auf drei verschiedene Arten mit der Umwelt der Erde interagieren: Streuung, Absorption und Reflexion. Trifft die Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche, ohne einen dieser drei Prozesse zu durchlaufen, spricht man von direkter Sonnenstrahlung.
Streuung
Wenn die Sonnenenergie gestreut wird, kommt sie mit winzigen Partikeln wie Gasmolekülen in Kontakt, die dann die Richtung der Sonnenstrahlen ändern, ohne die Wellenlänge zu verändern. Die Streuung hängt von vielen Faktoren ab, wie der Wellenlänge der Strahlung sowie der Größe der die Strahlung streuenden Moleküle. Die Hauptwirkung der Streuung besteht darin, dass die Menge der Wärmeenergie, die die Erdoberfläche erreicht, verringert wird. Streuung ist auch dafür verantwortlich, dass der Himmel der Erde blau ist. Gestreute Sonnenstrahlung, die auf die Erdoberfläche trifft, wird als diffuse Sonnenstrahlung bezeichnet.
Absorption
Eine andere Möglichkeit, wie Sonnenenergie mit der Umwelt der Erde interagiert, ist die Absorption. Wissenschaftler beschreiben Absorption als den Prozess, durch den ein Stoff Sonnenstrahlung aufnimmt und dann in Wärmeenergie umwandelt. Nachdem das Material Wärmeenergie erzeugt hat, strahlt es diese später durch langwellige Strahlung an die Umgebung zurück.
Reflexion
Sonnenstrahlung kann auch reflektiert werden, wenn sie mit Partikeln in der Erde interagiert. Reflexion tritt auf, wenn Sonnenlicht auf ein Partikel trifft und in die Atmosphäre umgelenkt wird. Die Hauptwirkung der Reflexion besteht darin, dass die Wärmemenge, die die Erdoberfläche erreicht, verringert wird. Reflexion tritt typischerweise in den Wolken auf, in denen Wassertropfen die Sonnenstrahlen abfangen und umlenken.
Abgehende Wärmeenergie
Die Erde sendet Energie in Form von langwelliger Strahlung in den Weltraum, die normalerweise nur geringe Energiemengen aufweist. Die von der Erde gesendete Energie liegt im Allgemeinen in Form von Infrarotstrahlung vor. Teilchen in der Umgebung absorbieren einen Teil der von der Erde ausgestrahlten Energie, während Wolken einen Teil reflektieren. Ausgehende Strahlung ist für den Energiehaushalt der Erde von grundlegender Bedeutung, da sie die Summe der Energie von der Erde zur Atmosphäre ist. Ausgehende Strahlung spielt auch eine wichtige Rolle für den Treibhauseffekt, da Gase wie Kohlendioxid und Methan die Strahlung absorbieren und die Wärmemenge in der Atmosphäre erhöhen. Ein weiterer Effekt der Absorption durch diese Gase besteht darin, dass sich die Temperatur der Erdoberfläche erhöht. Wissenschaftler weisen darauf hin, dass eine höhere Konzentration von Treibhausgasen zur globalen Erwärmung führen kann.
Energieungleichgewicht innerhalb der Erde
Falls die Energie, die in die Erde kommt, und die Energie, die den Planeten verlässt, nicht gleich sind, gewinnt oder verliert die Erde Energie. Es gibt zwei Hauptmethoden, um zu überprüfen, ob die Erde Energie gewinnt, verliert oder im Gleichgewicht ist. Eine Möglichkeit ist die Verwendung indirekter Messungen. Im Falle einer Energiewende auf der Erde werden verschiedene Bestandteile der Erdumwelt wie die Ozeane beeinflusst. Um die Änderung zu messen, werden Ozeangeräte verwendet, die als Argo-Schwimmer bekannt sind. Eine andere Methode, die angewendet werden kann, ist die direkte Messung, hauptsächlich unter Verwendung von Satelliten. Die Satelliten, die das Energieungleichgewicht messen, nutzen die von der NASA entwickelte Technologie und überwachen die Wärmemenge, die die Erde empfängt, sowie die Menge, die die Erde ausstrahlt.
Treibhauseffekt
Die Gase, die den größten Anteil an der Erdatmosphäre ausmachen, sind Sauerstoff und Stickstoff, die weder mit einfallender Sonnenstrahlung noch mit Wärmestrahlung von der Erde in den Weltraum interagieren. Die Erdatmosphäre enthält jedoch auch Substanzen wie Wasserdampf und andere Gase, die Wärmestrahlung bestimmter Wellenlängen absorbieren. Fünf bis sechs Prozent der Energie, die die Erde ausstrahlt, werden von den Stoffen absorbiert, und die Zunahme ihrer Konzentration in der Atmosphäre führt zu einer höheren Absorptionsrate. Der Standard-Treibhauseffekt bewirkt in erster Linie, dass die Erdtemperatur steigt, wodurch die Erde wärmer wird, als es der Fall wäre, wenn man sich beim Heizen ausschließlich auf die Sonne stützen würde.
Klimawandel
Das Klima der Erde kann sich aufgrund natürlicher Faktoren oder aufgrund des Einflusses des Menschen ändern. Zu den natürlichen Faktoren, die zu einer Veränderung des Erdklimas führen, gehören Vulkanausbrüche und Änderungen der Sonnenhelligkeit, die die Menge der Sonnenenergie, die die Erdoberfläche erreicht, entweder erhöhen oder verringern würden. Eine Reihe menschlicher Aktivitäten tragen entweder direkt oder indirekt zur Veränderung des Erdklimas bei, beispielsweise zur Freisetzung von Schadstoffen in die Atmosphäre oder zur Entwaldung. Die klimatischen Veränderungen wirken sich direkt auf den Energiehaushalt der Erde aus.
Wirtschaftliche Auswirkungen des Klimawandels
Einer der Sektoren, die wesentlich von Veränderungen des Klimas auf der Erde betroffen sind, ist die Landwirtschaft. Aufgrund der Änderungen ist in einigen Regionen weniger Regen als normalerweise zu verzeichnen, was zu Ernteausfällen führt. In anderen Gebieten fallen überdurchschnittlich viele Niederschläge an, die zur Zerstörung der landwirtschaftlichen Nutzpflanzen führen. Diese Ereignisse haben zur Folge, dass die Ernteerträge sinken, was es den Landwirten erschwert, ihren Lebensunterhalt zu bestreiten, und Lebensmittelknappheit verursacht. Ein weiterer Effekt des Klimawandels ist, dass er zu einer signifikanten Zunahme von Hitzewellen führen wird, von denen einige zum Tod führen können, was die Bevölkerungsgruppe verringert, die einen Beitrag zur Wirtschaft leisten kann.
