Wärme an der Erdoberfläche


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



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

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. Die Erdwärme mit total 42 x 1012 Watt/Tag als Wärmeenergie, die aus der Erde fließt wird beim Wärmehaushalt der Erde allgemein nicht erwähnt.

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.

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.

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):

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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.

 
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).

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.

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.


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.


Aerosole in Wolken

Einfluß der Wolken je nach Wolkenanteil

Aerosole sind feine Wassertröpfchen 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:

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.


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. Insgesamt fließt global Erdwärme mit total 42 x 1012 Watt/Tag an die Oberfläche. 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.

Quellen: (10)

An vielen Punkten der Erde kommen die heißen Gase, Wässer und Gesteine (Magma) aber auch direkt durch heiße Quellen und Vulkaneruptionen an die Oberfläche:

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


Vulkanausbruch in Montserrat
Karibik

Eruption des Ätna in Sizilien


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).

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

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

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.

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.

Dadurch wird sowohl im Boden als auch im Ozean, die CO2-Konzentration und die Wärme drastisch beinflußt.

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).



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 vernachlässigbar.

Quellen: http://www.john-daly.com/graytemp/surftemp.htm

(1) http://visibleearth.nasa.gov/
(2) http://www.john-daly.com/forcing/hug-barrett.htm
(3) http://smsc.cnes.fr/POLDER/
(4) http://earthobservatory.nasa.gov/Library/Aerosols/aerosol.html
(5)
http://www.john-daly.com/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://www.wzw.tu-muenchen.de/bk/
(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