Die Bilanz zählt gerichtete Energieflüsse — nicht einfach „Strahlung“ als einen einzigen Wert.
Wir verwenden die meteorologische Flussdichte in W/m². Nach unten gerichtete kurz- und langwellige Flüsse treffen auf die Oberfläche; nach oben gerichtete Flüsse verlassen sie. Für die Bilanz definieren wir positive Nettostrahlung als radiativen Energiegewinn der Oberfläche.
K steht für kurzwellige und L für langwellige Strahlung. Die Trennung ist physikalisch sinnvoll, weil Sonnenstrahlung und terrestrische Wärmestrahlung unterschiedliche Spektralbereiche und Oberflächeneigenschaften ansprechen.
Albedo bestimmt, welcher Anteil der einfallenden Sonnenstrahlung reflektiert wird.
Für eine opake Oberfläche definieren wir die kurzwellige Albedo α als reflektierten Anteil der einfallenden kurzwelligen Strahlung:
α liegt zwischen 0 und 1 und hängt von Material, Feuchte, Vegetation, Schnee, Einfallswinkel und Spektrum ab. Das Lab behandelt α als einen festen Breitbandwert; die reale spektrale und winkelabhängige Reflexion wird nicht aufgelöst.
Eine reale Oberfläche emittiert thermisch und kann einen kleinen Teil der Gegenstrahlung reflektieren.
Für eine opake graue Oberfläche mit langwelliger Emissivität ε gilt nach Kirchhoff im thermischen Spektralbereich zugleich eine Absorptivität ε und eine Reflexivität 1−ε. Der nach oben gerichtete langwellige Fluss setzt sich daher aus Emission und Reflexion zusammen:
Damit folgt unmittelbar
σ=5.670374419×10⁻⁸ W m⁻² K⁻⁴ ist die Stefan-Boltzmann-Konstante und Ts die absolute Oberflächentemperatur.
Kurz- und Langwelle addieren sich zu einem radiativen Energieüberschuss oder -defizit.
Rn>0 bedeutet radiativen Energiegewinn der Oberfläche, Rn<0 radiativen Verlust. Entscheidend: Das ist noch keine Temperaturtendenz. Die Energie kann anschließend in sensible Wärme, latente Wärme, Bodenwärmestrom, Speicherung oder weitere Prozesse gehen.
Wie reagieren reflektierte, emittierte und netto absorbierte Strahlungsflüsse auf Oberfläche und Atmosphäre?
Das Lab implementiert exakt die oben definierte graue, opake Oberfläche. Es variiert K↓, L↓, α, ε und Ts. Zusätzlich wird eine rein radiative Gleichgewichtstemperatur diagnostiziert, bei der Rn=0 wäre — ausdrücklich ohne sensible, latente oder Bodenwärmeflüsse.
α und ε beschreiben verschiedene Spektralbereiche und dürfen nicht miteinander verwechselt werden.
Albedo α kontrolliert im Lab die kurzwellige Reflexion. Emissivität ε kontrolliert die thermische Emission und — für die opake graue Oberfläche — zugleich die langwellige Absorption. Eine helle Oberfläche kann kurzwellige Strahlung stark reflektieren und trotzdem langwellig fast wie ein Schwarzkörper emittieren.
Für viele natürliche Oberflächen liegt die thermische Infrarot-Emissivität nahe 1; deshalb ist der Unterschied zwischen εσT⁴ und σT⁴ oft kleiner als der Unterschied zwischen den kurzwelligen Albedos verschiedener Oberflächen.
L↓ koppelt die Oberflächenbilanz direkt an Temperatur, Feuchte und Wolken der Atmosphäre.
Wasserdampf, Wolken und andere infrarotaktive Gase emittieren langwellige Strahlung nach unten. L↓ ist daher keine feste „Hintergrundkonstante“, sondern reagiert stark auf die thermodynamische Struktur der unteren Atmosphäre. Bewölkung kann gleichzeitig K↓ verringern und L↓ erhöhen.
Dieses Kapitel parametrisiert die Atmosphäre nur über die vorgegebenen Eingangsflüsse K↓ und L↓. Die Strahlungsübertragung durch die Atmosphäre selbst folgt in M7K2 und M7K3 schrittweise detaillierter.
Rn ist der radiative Eingang der Oberflächenenergiebilanz — nicht ihre vollständige Schließung.
Das Lab enthält keine sensible Wärme H, keine latente Wärme LE, keinen Bodenwärmestrom G und keine Wärmespeicherung. Es berücksichtigt außerdem keine spektrale Abhängigkeit, keine gerichtete BRDF, keine Schatten, keine Mehrfachreflexion, keine Vegetationsschicht und keine räumliche Heterogenität.
Die diagnostizierte Temperatur für Rn=0 ist daher eine rein radiative Gleichgewichtstemperatur. Sie ist nicht die prognostizierte reale Oberflächentemperatur. M7K4 erweitert die Bilanz um die nicht-radiativen Energieflüsse.
Die Strahlungsbilanz liefert den ersten Energiefluss an der Oberfläche.
K↓, K↑, L↓ und L↑ bestimmen die radiative Bilanz.
α steuert die kurzwellige Reflexion: K↑=αK↓.
ε koppelt langwellige Absorption und thermische Emission einer grauen opaken Oberfläche.
Thermische Emission wächst mit Ts4.
Rn>0 bedeutet radiativen Energiegewinn, Rn<0 radiativen Verlust.
Erst sensible, latente, Boden- und Speicherflüsse schließen die Oberflächenenergiebilanz.
Cross-References
Wie bestimmen Sonnenstand, Einfallswinkel und atmosphärische Transmission die einfallende kurzwellige Strahlung?