Projekt B: Strahlung
29. Juni 20051. Projektbeschrieb
Die wichtigste Energiequelle der Erde ist die Strahlung. Diese kann in zwei Komponente unterschiedenen werden. Die kurzwellige Strahlung stammt direkt von der Sonne und hat ihr Maximum bei einer Wellenlänge von etwa 500 nm, also im sichtbaren Bereich. Die langwellige Strahlung hingegen wird von der Erde selbst abgestrahlt (Maximum im Infrarot – Bereich bei ca. 10 μm) und von der Atmosphäre wieder auf die Erdoberfläche zurückreflektiert.
Von der kurzwelligen Strahlung wird nur ein Teil von der Erde absorbiert, der restliche Teil wird direkt von der Oberfläche reflektiert. Das Albedo beschreibt das Verhältnis zwischen der reflektierten zur einkommenden Strahlung, es variiert je nach Sonnenstand und Untergrund.
Die Intensität der Infrarot – Strahlung der Erde hängt vor allem von derer Oberflächentemperatur sowie der Emissivität ε des Untergrundes ab.
Alle einkommenden sowie ausgehenden Strahlungen ergeben die Nettostrahlung, welche die Leistung pro Flächeneinheit auf der Erde beschreibt.
Ziel des Projekt B ist es, die Strahlungen auf zwei verschiedenen Standorten zu messen und bezüglich Albedo, Emissivität sowie dem Einfluss von Bewölkung, Untergrund, Tageszeit etc. auf die Strahlungsbilanz zu untersuchen.
2. Durchführung / Messinstrumente
Für die Strahlungmessung wurde ein Doppelpyranometer verwendet. Er misst zum einen die einfallende sowie von der Erde abgestrahlte Gesamtstrahlung (allwave in / out = AWin / out) und zum anderen nur die kurzwellige Strahlung (shortwave in / out = SWin / out). Dabei ist der Pyranometer, welcher die kurzwellige Strahlung misst, mit einer Glaskuppel von der Infrarot – Strahlung geschützt, während der Pyradiometer für die Messung der Gesamtstrahlung nur mit einer Plastikkuppel abgedeckt ist.
Die Strahlungsmessungen wurden nacheinander an zwei verschiedenen Standorten durchgeführt, wobei der erste Messpunkt auf Betonboden und der Zweite auf Rasenuntergrund gewählt wurde.
Abbildung 1: Bild des verwendeten Doppelpyranometers
Abbildung 2: Übersicht über die beiden Messstandorte (Karte aus: http://www.map.search.ch)
3. Berechnungen
3.1. Korrektur der gemessenen Gesamtstrahlung
Bei der Messung der Gesamtstrahlung ergibt sich ein Problem. Die Messsonden selbst strahlen ebenfalls im langwelligen Bereich (entsprechend ihrer Temperatur), wodurch das Messresultat um diesen Betrag verfälscht wird. Um daher auf die tatsächliche Gesamtstrahlung zu gelangen, muss entsprechend dieser Betrag zum gemessenen Wert addiert werden. Dabei wird angenommen, dass sich die Messsonde wie ein idealer schwarzer Körper verhält:
4 ,
,eff ingem Messsonde
in AW T
AW
4 ,
,eff outgem Messsonde
out AW T
AW
mit σ = 5.67 . 10-8 Wm-2K-4 3.2. Nettostrahlung
Die Nettostrahlung beschreibt die Strahlungsbilanz an einem Standort. Sie entspricht der Summe aller einkommenden und ausgehenden Strahlungen. Ist sie positiv, so ist die Einstrahlung grösser als die Ausstrahlung und entsprechend wird Energie an die Erdoberfläche abgegeben (Erwärmung, Verdampfung), umgekehrt gibt die Erdoberfläche bei negativer Nettostrahlung Energie an die Umgebung ab.
Da mit dem Doppelpyranometer die Gesamtstrahlung sowohl aus der Atmosphäre als auch von der Erdoberfläche gemessen werden kann, ist die Nettostrahlung sehr einfach zu ermitteln: Nettostrahlung AWin,eff AWout,eff
3.3. Longwave in / out
Die langwellige Strahlung Lwin/out kann vom Doppelpyranometer nicht direkt gemessen werden und muss daher rechnerisch ermittelt werden.
Dies ist allerdings sehr einfach, da sowohl die Gesamtstrahlung AW als auch die kurzwellige Strahlung SW bekannt sind:
in eff
in
in AW SW
LW ,
out eff
out
out AW SW
LW ,
3.4. Albedo
Wie erwähnt ist die Albedo das Verhältnis der reflektierten zur ankommenden kurzwelligen Strahlung. Sie berechnet sich somit wie folgt:
out in
SW Albedo SW
3.5. Emissivität
Die Emissivität ε ist ein Mass dafür, wie annähernd sich ein Untergrund wie ein schwarzer Körper verhält. Ein idealer schwarzer Körper emittiert die absorbierte Strahlung zu 100%, er folgt somit genau dem Gesetz von Stefan Boltzmann (J T4). Kein realer Körper verhält sich hingegen wie ein schwarzer Körper, entsprechend wird ein Teil der absorbierten Strahlung umgewandelt und somit nicht wieder emittiert. Entsprechend gilt hier:
T4
J
Um die Emissivität zu berechnen, muss also die tatsächlich ausgehende langwellige Strahlung mit derjenigen eines idealen schwarzen Körpers bei der momentan herrschenden Bodentemperatur verglichen werden:
theor out
outf theor
eff
LW LW J
J
,
LWout,eff ist aus den Messungen bekannt und LWout,theor kann mithilfe der Bodentemperatur
berechnet werden, so dass sich für die Emissivität schliesslich ergibt:
4 Oberfläche
out
T LW
4. Resultate
4.1. Strahlungsmessung an Messpunkt 1 Datum: 29.06.2005
Ort: Messpunkt 1 (siehe Plan), Untergrund: hellblauer Beton Zeit: 09:22 – 12:58 (Winterzeit)
Wetter: heiss, teilweise bewölkt, praktisch windstill
Strahlungsmessungen 1.Periode (Messpunkt 1)
0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0 800.0 900.0 1000.0
922 934 946 958 1010 1022 1034 1046 1058 1110 1122 1134 1146 1158 1210 1222 1234 1246 1258
Zeit
Wärmefluss [W/m] short w ave in
short w ave out long w ave in long w ave out Nettostrahlung
Diagramm 1: Messresultate erster Standort 4.2. Strahlungsmessung an Messpunkt 2 Datum: 29.06.2005
Ort: Messpunkt 2 (siehe Plan), Untergrund: Rasen Zeit: 13:26 – 14:06 (Winterzeit)
Wetter: heiss, wolkenlos, schwacher Wind
Strahlungsmessung 2.Periode (Messpunkt 2)
0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0 800.0 900.0 1000.0
1326 1330
1334 1338
1342 1346
1350 1354
1358 1402
1406 Zeit
Wärmefluss [W/m] short w ave in
short w ave out long w ave in long w ave out Nettostrahlung
Diagramm 2: Messresultate zweiter Standort 4.3. Albedo an Messpunkt 1
Albedo Messpunkt 1
0.2000 0.2100 0.2200 0.2300 0.2400 0.2500 0.2600 0.2700 0.2800 0.2900 0.3000
922 932
942 952
1002 1012
1022 1032
1042 1052
1102 1112
1122 1132
1142 1152
1202 1212
1222 1232
1242 1252 Zeit
Albedo
Diagramm 3: Verlauf der Albedo am ersten Standort 4.4. Albedo an Messpunkt 2
Albedo Messpunkt 2
0.2200 0.2220 0.2240 0.2260 0.2280 0.2300 0.2320 0.2340 0.2360 0.2380 0.2400
1326 1328
1330 1332
1334 1336
1338 1340
1342 1344
1346 1348
1350 1352
1354 1356
1358 1400
1402 1404
1406 Zeit
Albedo
Diagramm 4: Verlauf der Albedo am zweiten Standort
4.5. Emissivität an Messpunkt 1
Emissivität Messpunkt 1
0.8600 0.8800 0.9000 0.9200 0.9400 0.9600 0.9800 1.0000
922 932
942 952
1002 1012
1022 1032
1042 1052
1102 1112
1122 1132
1142 1152
1202 1212
1222 1232
1242 1252 Zeit
Emissivität
Diagramm 5: Verlauf der Emissivität am ersten Standort 4.6. Emissivität an Messpunkt 2
Emissivität Messpunkt 2
0.7800 0.8000 0.8200 0.8400 0.8600 0.8800 0.9000 0.9200
1326 1328
1330 1332
1334 1336
1338 1340
1342 1344
1346 1348
1350 1352
1354 1356
1358 1400
1402 1404
1406 Zeit
Emissivität
Diagramm 6: Verlauf der Emissivität am zweiten Standort
5. Interpretation
5.1. Interpretation Messpunkt 1
SWin ist vergleichbar mit der Sonnenscheindauer bzw. Wolkendurchgang. Sie läuft parallel zum Graphen der Nettostrahlung und von SWout . Man kann der Kurve mit grosser Klarheit entnehmen, wann die Sonne die Erde direkt erreichte, respektive zu welchem Zeitpunkt die Sonne durch Wolken verdeckt wurde (Minimum der Graphen). SWin ist entsprechend eindeutig abhängig vom Wolkendurchgang. Der Trend ist jedoch klar zunehmend und zwar noch bis in den frühen Nachmittag (siehe 2. Standort). Der Trend wird erst sinkend sein, wenn die Sonne ihr Strahlungsmaximum für diesen Tag überschritten hat. LWin und im Speziellen
LWout schwanken weniger stark bei Wolkendurchgang. Die nur schwache Schwankung von
LWout ist darauf zurückzuführen, dass LWout von der Bodentemperatur abhängig ist. Diese sinkt nicht abrupt wenn über eine kurze Periode die Sonneneinstrahlung durch Wolken vermindert wird. Die Wärme wird über längere Zeit im Boden gespeichert und wird in Form von Wärmestrahlung im Infraroten (LWout ) Bereich emittiert. Es sind aber trotz den bloss kleinen schwachen Schwankungen ähnliche Tendenzen wie bei den übrigen Komponenten erkennbar.
Weiter auffallend ist, dass die Strahlungskomponente SWout weitaus die schwächste ist. Dies lässt sich mit der Tatsache erklären, dass die Erde selbst keine Strahlung in diesem Wellenlängenbereich emittiert, sondern bloss einfallende kurzwellige Strahlung reflektiert.
Die Nettostrahlung schliesslich zeichnet einen fast identischen Graphen wie die SWin, ist jedoch wegen der weggehenden Strahlung um ca. 150 W/m tiefer als SWin.
Die Emissivität des ersten Standortes bewegt sich im Bereich von 0.94 resp. 94%, mit einer Streuung von ungefähr ± 5%. Diese sehr hohe Emissivität bedeutet, dass das Emissionsverhalten dieses Untergrundes sehr gut ist.
Der letzte wichtige Parameter ist die Albedo. Sie nimmt – unter Berücksichtigung der starken Störung durch die häufigen Wolkedurchgänge -tendenziell ab und liegt im Mittel bei ungefähr 0.26. Dieser Standort eignet sich aufgrund der häufigen Wolkendurchgänge nicht besonders gut um aussagekräftige Interpretationen bezüglich Albedo und dessen Tagesgang zu machen.
Wir verweisen hier auf die Interpretation des 2. Standortes um mehr über die Albedo zu erfahren.
5.2. Messpunkt 2
Wir führten diesen Versuch am frühen Nachmittag durch (siehe Daten). Dies ist erneut in den Tendenzen der Graphen der verschiedenen Strahlungskomponenten zu erkennen. Die Intensitätssteigerung ist nur noch sehr schwach. Der Sonnenhöchststand bzw. die maximale Strahlungsintensität ist bis zum Ende dieser Messung nicht erreicht. Da während der ganzen Messperiode keine erwähnenswerten Wolkenfelder die Sonneneinstrahlung auf unsere Geräte störten waren nur sehr schwache Schwankungen zu verzeichnen. Die Intensität der einzelnen Schwankungen für die jeweiligen Strahlungskomponenten ist proportional zu denjenigen der Messungen am ersten Platz (Siehe dortige Interpretation).
Die Albedo an diesem Standort liegt in einem Ähnlichen Bereich wie bei Messpunkt 1, nämlich zwischen 0.23 und 0.24. Es wird also auch hier ungefähr ein Viertel der einkommenden kurzwelligen Strahlung reflektiert.
Dieser Standort eignet sich im Gegensatz zum vorherigen Standort besser um die Albedo zu interpretieren. Wie bereits im erwähnt berechnet sich die Albedo aus SWout/SWin . Dies führt uns zu folgenden weiteren Überlegungen und Interpretationen. SWout ist im Vergleich zu SWin
sehr konstant. Signifikante Schwankungen des Albedo sind folglich hauptsächlich auf die Schwankungen des SWin –Teils zurückzuführen. Bei Strahlungsminimum ist die Albedo entsprechend an ihrem Höchststand. Gegen den frühen Nachmittag (Sonnenhöchsstand
Strahlungsmaximum) wird die Albedo immer weiter sinken. Bis hierhin gehen unsere Messungen. Hätten wir jedoch die Messung fortgesetzt, wären wir in Bälde in denjenigen Bereich gekommen, wo die Strahlungsintensität wieder im Abnehmen begriffen gewesen wäre, was die Albedo wieder hätte zunehmen lassen. Leider lässt sich dieser Trend und damit der `Beweis` unserer Interpretation nicht darstellen, da wir den Versuch ein wenig zu früh abgebrochen haben. Der Tagesgang der Albedo würde als Graph einem langgezogenen V ähneln.
Die Emissivität am zweiten Standort beträgt ungefähr 0.85 / 85%, auch hier mit einer Schwankung von ungefähr ± 5%. Sie ist damit einiges tiefer als beim ersten Messpunkt, was auf den unterschiedlichen Bodenuntergrund zurückzuführen ist.
5.3. Vergleich der beiden Standorte
An dieser Stelle sind besonders die Emissivitäten zu erwähnen. Diese nimmt im Verlaufe des Morgens tendenziell zu und in der Messung des Nachmittages tendenziell ab. Die morgendliche Steigerung der Emissivität ist wohl auf den steiler werdenden Einfallswinkel der Sonnenstrahlung zurückzuführen. Dadurch wird mehr LW reflektiert, was zu einer grösseren Emissivität führt. Am Nachmittag hingegen wird der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung eher wieder flacher was wiederum zu einer Abnahme der Emissivität führt, weil weniger LW reflektiert wird. Gesamthaft gesehen hat die Erde aber immer dieselbe Emissivität. Die Emissivität eines Ortes ist jedoch vom Einfallswinkel der Strahlung abhängig. Es ist jedoch auch bei der Emissivität festzustellen bzw. von ihr abzuleiten, zu welcher Zeit Wolken die Einstrahlung verhinderten. Beim ersten Standort (mit periodisch vorbeiziehenden Wolkenfeldern) sind diese Störungen klar zu erkennen. Die Messung am zweiten Standort blieb wie bereits erwähnt mehrheitlich von störenden Wolkeneinflüssen verschont.
Die Albedo nimmt bei beiden Messungen tendenziell ab. Da die Albedo vom Verhältnis SWout/SWin abhängt, sind die Schwankungen auf disproportionale Zu- bzw. Abnahmen der jeweiligen Shortwaves zurückzuführen.
