Lösungen zu den Teste-dich-Aufgaben
a Die Aussage bezieht sich auf das Wetter, weil sie einen aktuellen Zustand für einen einzelnen Ort beschreibt: die Temperatur an einem bestimmten Tag für eine bestimmte Stadt. Aussagen zum Klima beinhalten dagegen über viele Jahre gemittelte Zustände für eine größere Region.
b Beispiele sind: Mittelmeerraum (z. B. Spanien, Italien) mit warmem, trockenem Mittelmeerklima; Skandinavien mit kühlem, feuchtem Klima; Alpenregion mit kühl‑feuchtem Gebirgsklima; Osteuropa mit stärker kontinental geprägtem Klima
a Klimaforschende messen weltweit mit Wetterstationen, Ballons und Satelliten Größen wie Temperatur, Niederschlag, Wind und Bewölkung. Sie werten historische Wetteraufzeichnungen, Schiffslogbücher oder alte Satellitenbilder aus und untersuchen Eisbohrkerne, Baumringe oder Sedimentschichten, um Rückschlüsse auf das Klima der Vergangenheit zu ziehen.
b Klimaforschung hilft zu verstehen, wie das Klimasystem funktioniert, wie sich menschliche Aktivitäten auswirken und welche Veränderungen bereits stattfinden. Auf dieser Grundlage können zukünftige Entwicklungen abgeschätzt und Maßnahmen für Klimaschutz und Anpassung geplant werden. Damit liefert Klimaforschung eine wichtige Grundlage für Politik, Wirtschaft und Gesellschaft.
c Klimamodelle werden genutzt, um zu untersuchen, wie sich das Klima unter verschiedenen Annahmen entwickelt, etwa bei weiter steigenden oder sinkenden Treibhausgasemissionen. Man kann für verschiedene Szenarien berechnen, welche Erwärmung, Meeresspiegeländerungen oder Extremwetter zu erwarten sind und welche Auswirkungen bestimmte Klimaschutzmaßnahmen haben könnten.
d Kritikpunkte sind zum Beispiel, dass Modelle das komplexe Klimasystem vereinfachen müssen und nicht alle Prozesse perfekt abbilden können. Außerdem hängen die Ergebnisse von Annahmen über zukünftige Emissionen ab.
a Die Bestrahlungsstärke gibt an, wie viel Strahlungsenergie pro Sekunde auf einen Quadratmeter einer Fläche trifft. Ihre Einheit ist Watt pro Quadratmeter (W pro m²).
b Am äußeren Rand der Atmosphäre beträgt die mittlere Bestrahlungsstärke etwa 340 W/m², am Erdboden kommen im Mittel etwa 240 W/m² an, nachdem ein Teil zurückgestrahlt wurde.
a Der Albedo‑Effekt beschreibt, dass helle Flächen einen großen Teil der einfallenden Sonnenstrahlung zurückstrahlen und dadurch kühl bleiben, während dunkle Flächen mehr Strahlung absorbieren und sich stärker erwärmen.
b Ein Beispiel ist eine frisch verschneite Landschaft: Der helle Schnee hat eine hohe Albedo und strahlt den größten Teil der Sonnenstrahlung zurück. Deshalb bleibt die Schneefläche auch in der Sonne relativ kühl.
c Je höher die Albedo einer Fläche ist, desto größer ist der Anteil der Bestrahlungsstärke, der zurückgestrahlt wird, und desto weniger Energie wird tatsächlich aufgenommen. Bei niedriger Albedo wird ein größerer Teil der eingestrahlten Energie absorbiert, was zu einer stärkeren Erwärmung führt.
a Absorption bedeutet hier, dass die Erdoberfläche die einfallende Sonnenstrahlung aufnimmt und in Wärme umwandelt, anstatt sie zurückzuwerfen.
b Im Strahlungsgleichgewicht ist die Energie der von der Erde abgegebenen Wärmestrahlung genauso groß wie die aufgenommene Energie der Sonnenstrahlung. Nur dann bleibt die mittlere Temperatur langfristig ungefähr konstant. Ist die Abgabe kleiner als die Aufnahme, erwärmt sich die Erde; ist sie größer, kühlt sich die Erde ab.
c Die Sonnenstrahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen. Treffen diese Wellen auf die Erdoberfläche, werden sie dort von Atomen und Molekülen aufgenommen. Dabei wird die Energie der Wellen auf die Teilchen übertragen, die dadurch schneller schwingen oder sich stärker bewegen – die thermische Energie und damit die Temperatur der Oberfläche steigen.
a Die unsichtbare Wärmestrahlung wird Infrarotstrahlung (IR‑Strahlung) genannt.
b Eine Wärmebildkamera kann diese Strahlung sichtbar machen.
c Auch wenn wir die Infrarotstrahlung nicht sehen, können wir sie als Wärme fühlen, zum Beispiel wenn wir unser Gesicht einer warmen Ofentür oder der Sonne zuwenden und die Haut warm wird, obwohl die Lufttemperatur nicht stark gestiegen ist.
a Ohne Atmosphäre wären die etwa 240 W/m², die nach Abzug der zurückgestrahlten Strahlung den Erdboden erreichen, für die Erwärmung der Erde entscheidend.
b Eine mögliche Darstellung ist:
gelb: Sonnenstrahlung, rot: Wärmestrahlung
c Im Strahlungsgleichgewicht ohne Atmosphäre wäre die von der Erde abgestrahlte Wärmeenergie genauso groß wie die auf dem Erdboden eintreffende Sonnenenergie: 240 W/m².
Mit Atmosphäre wird ein Teil der von der Erde abgegebenen Wärmestrahlung von Treibhausgasen absorbiert. Die Atmosphäre strahlt die aufgenommene Strahlung als Wärmestrahlung wieder ab: Die Hälfte davon ins Weltall, die andere Hälfte zurück auf die Erde. Die zusätzliche Rückstrahlung aus der Atmosphäre erhöht die Temperatur, bis ein neues Strahlungsgleichgewicht bei höherer Temperatur erreicht ist. Im neuen Strahlungsgleichgewicht strahlt die Erde im Mittel 400 W/m² Wärmestrahlung ab. Das entspricht einer mittleren Temperatur von 15 °C
a Die Atmosphäre enthält Treibhausgase wie CO₂, Methan oder Wasserdampf, die Wärmestrahlung der Erde absorbieren. Dabei nehmen ihre Moleküle Energie auf, werden in stärkere Bewegung versetzt und die Atmosphäre erwärmt sich. Die erwärmten Gase senden wiederum eigene Wärmestrahlung in alle Richtungen aus. Deshalb strahlt die Atmosphäre selbst Wärme ab – sowohl in den Weltraum als auch zurück zur Erdoberfläche.
b Die Zusammenfassung zeigt:
- Ein Teil der Sonneneinstrahlung (340 W/m²) wird durch Albedo von Wolken, Eis und hellen Flächen reflektiert (A).
- Der Rest (240 W/m²) wird von der Erdoberfläche absorbiert (B) und in Wärmestrahlung umgewandelt.
- Ohne Atmosphäre würde die Erde diese 240 W/m² direkt ins All abstrahlen und die Durchschnittstemperatur würde bei −18 °C liegen.
- Mit Atmosphäre wird ein Teil der Wärmestrahlung von Treibhausgasen aufgenommen und teils wieder zur Erde zurückgestrahlt (C). So erhöht sich die abgestrahlte Bestrahlungsstärke auf 400 W/m² und es stellt sich eine mittlere Erdtemperatur von etwa +15 °C ein. Dies ist der natürliche Treibhauseffekt, der das Leben auf der Erde erst ermöglicht.