Articles

Experimentelle Charakterisierung der Wärmehülle der Erde

Matthias Rang
Elemente der Naturwissenschaft 123, 2025, S. 45-68 | DOI: 10.18756/edn.123.45
Article | Sprache: German | €6.00
Artikelreferenz exportieren

Zusammenfassung:

Die komplexen Wechselwirkungen zwischen Biosphäre, Erdkruste, Wasser- und Lufthülle mit ihren dynamischen Eigenschaften, die den Wärmehaushalt der Erde bestimmen, müssen sich letztlich in einer überschaubaren Anzahl weniger strahlungsphysikalischer Parameter niederschlagen, die zugleich auch auf die genannten Hüllen zurückwirken. Für die vorliegende Arbeit wurden strahlungsphysikalische Parameter als Funktion der Höhe in der Tropo- und Stratosphäre durch eine Messsonde an einem Wetterballon gemessen, die anhand des Netto-Strahlungsflusses eine Unterscheidung von drei strahlungsoptischen Domänen des Wärmeaustausches der Erde mit dem Kosmos erlauben. Diese drei Domänen charakterisieren die optische bzw. strahlungsphysikalische Wechselwirkung, in der die Wärmestrahlung mit den Atmosphärenschichten steht; insbesondere konnte damit dokumentiert werden, wie sehr trockene Atmosphärenschichten durch Streuprozesse dominiert werden, während Schichten mit hohem Dampfgehalt zunehmend Absorptions- und Emissionsphänomene zeigen. Der nichtlokale Charakter der Wärmestrahlung, die diese Schichten von der Erdoberfläche bis in den Kosmos durchsetzt, legt jedoch nahe, den Wärmeaustausch der Erde mit dem Kosmos nicht als Epiphänomen lokaler Prozesse und Parameter der Atmosphäre, sondern als Element einer eigenständigen Wärmeorganisation der Erde aufzufassen.

Referenzen
  • Asano, S., Yoshida, Y., Miyake, Y., Nakamura, K. (2004): Development of a radiometer-sonde for simultaneously measuring the downward and upward broadband fluxes of shortwave and longwave radiation. Journal of the Meteorological Society of Japan. Ser. II 82/2, S. 623– 637.
  • Becker, R., Maturilli, M., Philipona, R., Behrens, K. (2020): In Situ Sounding of Radiative Flux Profiles through the Arctic Lower Troposphere. Bulletin of Atmospheric Science and Technology 1/2, S. 155–177. https://doi.org/10.1007/s42865-020-00011-8.
  • Chandrasekhar, S. (1960): Radiative Transfer. 2nd edition. New York.
  • Elsasser, W.M. (1942): Heat transfer by infrared radiation in the atmosphere. Harvard Meteor. Studies 6, Milton (Mass.)
  • Forštnerič Lesjak, V., Rang, M., Simon, M. (2025): Goetheanism as a contribution to sustainable development. In: Kronenberg, J., Lammerts van Bueren, E. (Hg.): On the Earth We Want to Live. Anthroposophy’s Contributions to Sustainable Development. World Sustainability Series. Cham, S. 212–228.
  • Hansen, J., Nazarenko, L., Ruedy, R., Sato, M., Willis, J., Del Genio, A., Koch, D., Lacis, A., Lo, K., Menon, S., et al. (2005): Earth’s energy imbalance: Confirmation and implications. science 308/5727, S. 1431–1435.
  • Hulst, H.C. van de (2000): Reciprocity relations in radiative transfer by spherical clouds. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 64/2, S. 151–172. https://doi.org/10.1016/S0022- 4073(99)00110-7.
  • Kirchhoff, G. (1860): Über das Verhältnis zwischen dem Emissionsvermögen und Absorptionsvermögen der Körper für Wärme und Licht. Poggendorfs Annalen, (= Ann. d. Phys. 185), Bd. 109, S. 275–301.
  • Koll, D.D.B., Cronin, T.W. (2018): Earth’s Outgoing Longwave Radiation Linear Due to H2O Greenhouse Effect. Physical Sciences. Proceedings of the National Academy of Sciences 115/41, S. 10293–10298. https:// doi.org/10.1073/pnas.1809868115.
  • Kräuchi, A., Philipona, R. (2016a): Return glider radiosonde for in situ upper-air research measurements. Atmospheric Measurement Techniques 9/6, S. 2535–2544.
  • Kräuchi, A., Philipona, R., Romanens, G., Hurst, D.F., Hall, E.G., Jordan, A.F. (2016b): Controlled weather balloon ascents and descents for atmospheric research and climate monitoring. Atmospheric measurement techniques 9/3, S. 929–938.
  • Lovelock, J.E., Margulis, L. (1974): Homeostatic tendencies of the Earth’s atmosphere. Origins of Life 5/1, S. 93–103.
  • Manabe, S., Wetherald, R.T. (1967): Thermal equilibrium of the atmosphere with a given distribution of relative humidity. J. atmos. Sci 24/3, S. 241–259.
  • Mie, G. (1908): Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen. Annalen der physik 330/3, S. 377–445.
  • Paltridge, G.W., Sargent. S.L. (1971): Solar and thermal radiation measurements to 32 km at low solar elevations. Journal of Atmospheric Sciences 28/2, S. 242–253.
  • Philipona, R., Kräuchi, A., Brocard, E. (2012): Solar and thermal radiation profiles and radiative forcing measured through the atmosphere. Geophysical research letters 39/ 3, L13806. https://doi. org/10.1029/2012GL052087
  • Philipona, R., Kräuchi, A., Romanens, G., Levrat, G., Ruppert, P., Brocard, E., Jeannet, P., Ruffieux, D., Calpini, B. (2013): Solar and thermal radiation errors on upper-air radiosonde temperature measurements. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 30/10, S. 2382–2393.
  • Philipona, R., Kräuchi, A., Kivi, R., Peter, T., Wild, M., Dirksen, R., Fujiwara, M., Sekiguchi, M., Hurst, D.F., Becker, R. (2020): Balloon-borne radiation measurements demonstrate radiative forcing by water vapor and clouds. Meteorol. Z. (Contrib. Atm. Sci.) 29/6, S. 501–509.
  • Potton, R.J. (2004): Reciprocity in optics. Reports on Progress in Physics 67/5, S. 717–754. https://doi.org/10.1088/0034-4885/67/5/R03
  • Rayleigh, L. (1900): On the law of reciprocity in diffuse reflexion. Philosophical Magazine 49/298, S. 324–325. https://doi. org/10.1080/14786440009463850.
  • Strutt, J.W. (Lord Rayleigh) (1871): XV. On the light from the sky, its polarization and colour. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 41/271, S. 107–120. https://doi.org/10.1080/14786447108640452
  • Sekera, Z. (1970): Reciprocity relations for diffuse reflection and transmission of radiative transfer in the planetary atmosphere. Astrophysical Journal 162, S. 3–16.
  • Schuckmann, K. von, Palmer, M.D., Trenberth, K.E. et al. (2016): An imperative to monitor Earth’s energy imbalance. Nature Climate Change 6/2, S. 138–144.
  • Schuster, A. (1905): Radiation through a foggy atmosphere. Astrophysical Journal 21, S. 1–22.
  • Schwarzschild, K. (1906): Über das Gleichgewicht der Sonnenatmosphäre. Nachrichten von der Königlichen Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen. Math.-phys. Klasse 195, S. 41–53.
  • Suomi, V.E., Staley, D.O., Kuhn, P.M. (1958): A direct measurement of infra-red radiation divergence to 160 mb. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 84/360, S. 134–141.
  • Thomas, G.E, Stamnes, K. (2002): Radiative transfer in the atmosphere and ocean. Cambridge University Press.
  • Trenberth, K., Fasullo, J., Kiehl, J. (2009): Earth’s Global Energy Budget. Bulletin of the American Meteorological Society 90, S. 311–323. https://doi.org/10.1175/2008bams2634.1
  • Wielicki, B.A., Barkstrom, B.R., Harrison, E.F., Lee III, R.B., Smith, G.L., Cooper, J.E. (1996): Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES): An earth observing system experiment. Bulletin of the American Meteorological Society 77/5, S. 853–868.
  • American Meteorological Society 77/5, S. 853–868. Wilson, R., Pitois, C., Podglajen, A., Hertzog, A., Corcos, M., Plougonven, R. (2023): Detection of turbulence occurrences from temperature, pressure, and position measurements under superpressure balloons. Atmospheric Measurement Techniques 16/2, S. 311–330.
  • Yamamoto, A., Yamanouchi, T., Wada, M. (1995): Effective emissivity of clouds from radiometersonde measurements at Syowa station, Antarctica. Proceedings of the NIPR Symposium on Polar Meteorology and Glaciology 9, S. 133–145.