Wärmelehre Übungen zur Wärmestrahlung
Von: Christian Döllinger
Stand: 16.06.2021 |Bildnachweis
Von zwei gleich großen Metallzylindern hat einer eine schwarze, der andere eine hell glänzende Oberfläche. Beide werden mit der gleichen Menge warmen Wassers derselben Temperatur gefüllt und verschlossen. In welchem Behälter wird die Temperatur des Wassers schneller absinken?
Körper mit dunkler Oberfläche absorbieren einen größeren Anteil an auffallender Wärmestrahlung als Körper mit heller Oberfläche, die einen beträchtlichen Teil der Strahlung reflektieren. Gleichzeitig aber strahlt ein dunkler Körper in gleicher Zeit mehr Wärme ab als ein gleich großer heller Körper mit derselben Temperatur. In unserem Versuch wird sich also das Wasser im dunklen Gefäß schneller abkühlen.
Die vor allem in der Arktis beträchtliche Erwärmung durch den Klimawandel führt dazu, dass das Meereis im Sommerhalbjahr immer weiter zusammenschmilzt und anstelle des relativ hellen Eises die dunkle Meeresoberfläche zum Vorschein kommt. Wird die Erwärmung der Arktis dadurch beschleunigt, verzögert oder bleibt das Abschmelzen des Meereises ohne Folgen für die Erwärmung?
Die im Sommer durch das Abschmelzen des Meereises zum Vorschein kommende dunkle Meeresoberfläche absorbiert einen größeren Teil der von der Sonne ausgehenden Infrarotstrahlung. Dies führt zu einer stärkeren Erwärmung des Meeres und durch Wärmeleitung von der Meeresoberfläche an die darüber lagernde Luftschicht auch der Luft. Die Erwärmung der Arktis wird also durch das Abschmelzen des Meereises im Sommer beschleunigt. Daraus ergeben sich Auswirkungen auch auf unser Wetter, da dadurch die unser Wetter bestimmenden Luftdruckverhältnisse verändert werden können.
Bei bewölktem Himmel können wir die Sonne nicht sehen. Dennoch ist es tagsüber hell und die Temperatur nimmt - bis zum frühen Nachmittag - zu.
Auch wenn wir die Sonne nicht sehen können, erreicht uns die Sonnenstrahlung dennoch, allerdings auf Umwegen: Die Strahlung wird an den Luftmolekülen und Wassertröpfchen in den Wolken gestreut und gelangt somit auf indirektem Wege zu uns. Da alle Komponenten der Sonnenstrahlung denselben Ausbreitungsgesetzen folgen, erreicht uns auch bei bedecktem Himmel nicht nur das Licht, sondern auch die wärmende Infrarotstrahlung der Sonne.
In einer kalten Nacht wärmt ein Lagerfeuer, wenn wir nahe an den Flammen sitzen. In einiger Entfernung können wir das Feuer noch sehen, aber wir empfinden keine "Wärme" mehr. Wie kann man dieses Phänomen erklären?
Die Flammen des Feuers strahlen sichtbare und infrarote Strahlung ab. Die sichtbare Strahlung geht weitgehend ungehindert durch die Luft, man kann die Flamme aus großer Entfernung noch sehen. Der infrarote Strahlenanteil dagegen wird von der Atmosphäre stark absorbiert, vor allem von dem in ihr enthaltenen Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid. Die Absorption von Wärmestrahlung durch diese Gase ist auch die Ursache für den Treibhauseffekt.
In klaren Nächten kann die Lufttemperatur in der Nacht beträchtlich absinken. Ist es dagegen bewölkt, so sind die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht gering. Warum?
Wie die Sonne gibt auch die Erde Strahlung ab. Wegen ihrer weit niedrigeren Temperatur (im globalen und jahreszeitlichen Mittel 15°C gegenüber ca. 5.700°C der Sonnenoberfläche) allerdings ausschließlich in Form von langwelliger infraroter Strahlung. Diese wird von den Treibhausgasen in der Atmosphäre, vor allem Wasserdampf, zunächst absorbiert und zum Großteil wieder zurück auf die Erde gestrahlt. Dadurch wird die nächtliche Abkühlung der Erde gemildert, vor allem wenn der Himmel bewölkt ist.
Bei klarem Himmel enthält die Luft nur sehr wenig Wasserdampf, so dass die von der Erde ausgehende infrarote Strahlung weitgehend ungehindert in den Weltraum entweichen kann. Die Energie dieser infraroten Strahlung geht der Erde damit verloren.