sonne:globalstrahlung
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- | {{menu> | ||
- | ====== Globalstrahlung ====== | ||
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- | ===== Die Sonne als schwarzer Strahler ===== | ||
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- | Die Sonne strahlt als näherungsweise schwarzer Strahler mit einer Oberflächentemperatur von etwa 5.800 Kelvin ein entsprechendes Spektrum ab. Durch Absorption in der Atmosphäre erreichen nicht alle Teile des Spektrums die Erdoberfläche. | ||
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- | Absorptions findet z.B. statt durch | ||
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- | * **Ozon** (O< | ||
- | * Unterhalb von 200 nm dissoziiert **molekularer Sauerstoff** O< | ||
- | * **molekularer Sauerstoff** O< | ||
- | * **Wasserdampf** (H< | ||
- | * im Infraroten führen Rotations- und Vibrationsübergänge in **Wasserdampf** (H< | ||
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- | In der Summe wird bei senkrechtem Sonnenstand 17,7% der Strahlung in der Atmosphäre absorbiert (0,3% Sauerstoff, 1,8% Ozon, 4,1% Aerosol, 4,7% Rayleighstreuung, | ||
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- | {{ spectrum> | ||
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- | Ein typisches Sonnenspektrum wie das Referenzsonnenspektrum der ASTM (Luftmasse 1.5) setzt sich wie folgt zusammen: | ||
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- | ^ ^ Bestrahlungsstärke | ||
- | | UVB (280nm-315nm) | 68 µW/cm² (max ~280µW/ | ||
- | | UVB (280nm-320nm) | 150 µW/cm² (max ~440µW/ | ||
- | | UVA (315nm-400nm) | ||
- | | sichtbar (400nm-700nm) | 43000 µW/cm² | 43% | | | ||
- | | Infrarot (700nm-2, | ||
- | | IRA (700nm-1, | ||
- | | IRB (1, | ||
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- | ===== sichtbare Strahlung ===== | ||
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- | Was wir als Tageslicht bezeichnen, ist eine gemittelte Strahlung, die sowohl direktes Sonnenlicht als auch gestreutes Himmelslicht enthält. | ||
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- | {{spectrum> | ||
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- | Die Beleuchtungsstärke an der Erdoberfläche hängt vom Wetter (Absorption durch Bewölkung) und vom Sonnenstand (Tages- und Jahreszeit) ab. Bei völlig klarem Himmel ergibt sich die Beleuchtungsstärke aus der Sonnenhöhe $\alpha$: $E = 128\mathrm{klx}\mathrm{e}^{-0.5/ | ||
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- | Nur ein Teil des Lichts erreicht den Erdboden daher auf direktem Weg von der Sonne, ein gewisser Anteil wird in der Atmosphäre gestreut, es kommt als Himmelsstrahlung auf den Erdboden. Die Wassermoleküle, | ||
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- | {{spectrum> | ||
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- | Das direkte Sonnenlicht ist im Gegenzug, da der blaue Anteil entfernt wurde, je nach Stärke der Streuung (was der Dicke der durchquerten Atmosphäre, | ||
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- | {{spectrum> | ||
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- | Während der Dämmerung nimmt die absolute Intensität rapide ab, ab einem bestimmten Sonnenstand bildet sich ein Spektrum aus, dass ein Minimum im Bereich von 550 nm bis 600 nm hat {{wikindx> | ||
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- | {{spectrum> | ||
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- | Typische Werte für die Farbtemperatur im Tagesverlauf sind | ||
- | ^Kelvin^Situation^ | ||
- | |3.500|Sonnenauf- und -untergang| | ||
- | |5.000|Morgen-/ | ||
- | |5.500|Vormittag-/ | ||
- | |8.000|Nebel| | ||
- | |7.000|bedeckter Himmel| | ||
- | |9.000-12.000|blauer Himmel im Schatten| | ||
- | |15.000-25.000|nördliches Himmelslicht| | ||
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- | ==== Phasen des natürlichen Tageslichts ==== | ||
- | Die Fotos wurden mit konstantem Weißabgleich (5000K) aufgenommen und zeigt daher die unterschiedliche Lichtfarbe. Eine konstante Blende/ | ||
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- | ===== UV-Strahlung ===== | ||
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- | Die Ozonschicht der Erde filtert aus der UV-Strahlung der Sonne UV-C komplett heraus. Die Intensität der UVB Strahlung wird stark abgeschwächt (ca 90%!). Nur die UVA-Strahlung kann die Ozonschicht nahezu ungehindert passieren. | ||
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- | UV-Strahlung wird aufgrund der kurzen Wellenlänge stark von den Molekülen in der Atmosphäre gestreut. Die Intensität der sogenannten Rayleigh-Streuung (eine Näherung für Streuung an kleinen Teilchen) verläuft mit der vierten Potenz der Frequenz. Das ist die Ursache für den blauen Himmel. Da UV-Strahlung noch kurzwelliger als blaues Licht ist, ist leicht einzusehen, dass die UV-Strahlung die uns indirekt vom Himmel aus erreicht im Vergleich zur direkten UV-Strahlung aus Richtung der Sonne einen großen Anteil einnehmen muss. Tatsächlich ist die UV-Strahlung des blauen Himmels oft 10 bis 20 mal stärker als die UV-Strahlung aus Sonnenrichtung {{wikindx> | ||
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- | Die Grafik zeigt wie stark die UV-Werte im Tagesverlauf schwanken. Die Form der Kurve ist für UVA und UVB etwa gleich. Die Intensität der UVB-Strahlung ist jedoch wesentlich geringer als die der UVA-Strahlung. Die UVA Strahlung erreicht mittags bei unbewölktem Himmel Maximalwerte von etwa 6.000 µW/cm², die UVB-Strahlung 500µW/ | ||
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- | Die starke Schwankung der UV-Werte, insbesondere des relativen Anteils an UVB, erklärt sich aus der unterschiedlichen Zusammensetzung des Sonnenspektrums für verschiedene Sonnenstandswinkel: | ||
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- | {{spectrum> | ||
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- | {{spectrum> | ||
- | {{clear}} | ||
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- | Bei niedrigem Sonnenstand ist kaum Strahlung unterhalb von 310 nm erkennbar. Der Bereich zwischen 300 nm und 310 nm füllt sich erst bei höherem Sonnenstand, | ||
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- | Die unterschiedliche spektrale Zusammensetzung zeigt sich beispielsweise am Verhältnis zwischen erythemwirksamer (Sonnebrand) und VitaminD-wirksamener Dosis zu verschiedenen Tagsezeiten. Während Vormittag und Nachmittag beide Effekte etwa gleich stark sind, ist bei hohem Sonnenstand zur Mittagszeit die Vitamin D Wirkung etwa doppelt so groß wie die Erythemwirkung {{wikindx> | ||
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- | ===== IR-Strahlung ===== | ||
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- | Wasserdampf in der Atmosphäre filtert große Bereiche des IR-Bereichs aus dem Sonnenlicht. Zusammen mit dem Spektrum eines Schwarzkörperstrahlers sind im Sonnenlicht daher nur IR-A Strahlung und langwellige IR-B Strahlung vorhanden wobei 40% der Gesamtintensität auf IR-A und nur 10% auf IR-B fallen. | ||
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- | Da alle Lebewesen einen hohen Wassergehalt im Gewebe haben, kommt der Filterung von IR-Strahlung in der Atmosphäre durch Wasserdampf eine hohe Bedeutung zu. Gerade die Wellenlängebereiche die besonders stark zur Erhitzung des Wassers beitragen, werden aus der natürlichen Sonnenstrahlung heraus gefiltert. | ||
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- | ====== Literatur ====== | ||
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- | {{wikindxbib}} |