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Wissenschaft kompakt

Energieinput von oben

Die auf unsere Erdoberfläche und die Atmosphäre einwirkenden
Strahlungsflüsse gehören zu den wichtigsten Faktoren für Leben auf
unserer Erde. Hinter dem Begriff Strahlung verbergen sich allerdings
komplexe Zusammenhänge. Heute soll zunächst die Globalstrahlung im
Mittelpunkt stehen.

Ein maßgeblicher Faktor der Strahlungsbilanz in unserem Klimasystem
Erde-Atmosphäre ist die sogenannte Globalstrahlung. Unter dieser
versteht man die gesamte an der Erdoberfläche auf einer horizontalen
Ebene empfangene Solarstrahlung. Die Globalstrahlung setzt sich dabei
aus der direkten Strahlung (d.h. jene Strahlung, die Schatten werfen
kann) und der gestreuten (diffusen) Sonnenstrahlung aus der
Himmelshalbkugel zusammen. Die extraterrestrische Strahlung (d.h. die
auf die Atmosphäre auftreffende Strahlung) wird nämlich beim
Passieren der Erdatmosphäre verändert und erfährt beispielsweise eine
Abschwächung (Extinktion) durch die Streuung/Reflexion an
Luftmolekülen, Wolken, Wasser- und Staubteilchen. Zudem erfolgt auch
eine Absorption durch Wasserdampf und atmosphärische Spurengase,
diese soll an dieser Stelle aber nicht weiter behandelt werden. Als
Faustregel gilt, dass bei Sonnenhöhen von mehr als 50° und
wolkenlosem Himmel die Globalstrahlung zu ca. 75 % aus direkter
Sonnenstrahlung besteht, bei einem deutlich tieferen Sonnenstand (ca.
10°) nur noch zu 33 %. D.h. bei tieferen Sonnenständen überwiegt die
diffuse Himmelsstrahlung gegenüber der direkten Strahlung deutlich.

Die Globalstrahlung kann mit einem sogenannten Pyranometer (Abbildung
1)sehr gut gemessen werden. Dieses besteht aus für die kurzwellige
Strahlung durchlässigen und auch als Witterungsschutz dienenden
Halbkugeln und hintereinander geschalteten Thermoelementen
(geschwärzte Thermosäule) als Sensor. Die geschwärzten
Empfangsflächen der aktiven Lötstellen der Thermoelemente absorbieren
die einfallende Strahlung und erwärmen sich gegenüber den passiven
Lötstellen innerhalb des Geräts. Die auftretenden
Temperaturdifferenzen erzeugen Thermospannungen, die ein Maß für die
empfangene Bestrahlungsstärke sind. Mit einer entsprechenden
Abschattung (Schattenring) kann mit diesem Gerät auch die diffuse
Strahlung bestimmt. Auf jeden Fall ist eine sogenannte
Horizontfreiheit, d.h. kein Horizonteinschränkung durch Bäume,
Gebäude oder Bergrücken erforderlich.

Aufgrund der starken Abhängigkeit der Globalstrahlung vom Sonnenstand
besteht in unseren Breiten ein immenser Jahresgang. So liegt die
mittlere Monatssumme für Deutschland im Zeitraum 1991 bis 2020 für
den Monat Dezember beispielsweise unter 20 kWh/m², bei höchstem
Sonnenstand in den Sommermonaten Juni und Juli bei über 160 kWh/m²
(Abbildung 2). Außerdem ist in der Abbildung anhand des ?Box-Plots?
auch das 25 % und 75 % bzw. das 10 und 90 % Perzentil (d.h. die
wahrscheinlichste Schwankungsbreite bzw. der fast maximale
Erwartungswert) ersichtlich (Erklärung in der unteren Legende
beachten). Für das aktuelle Jahr 2023 lag die Monatssumme im Juni
beispielsweise bei sehr hohen 199 kWh/m² und damit deutlich über dem
normalerweise erwarteten Wertebereich. Auch im kürzlich abgelaufenen
September ist dieser Effekt aufgetreten: die Monatssumme von 124
kWh/m² liegt deutlich oberhalb des Mittelwerts, der bei etwas unter
100 kWh/m² zu finden ist. Diese deutlichen Ausreißer führen nun dazu,
dass die mittlere Jahressumme der Globalstrahlung von 1086 kWh/m²
(1991 bis 2020) dieses Jahr wahrscheinlich schon im Oktober
übertroffen wird. Den absoluten Spitzenrang nimmt im Bezugszeitraum
seit 1983 das vergangene Jahr 2022 mit einer Jahressumme von 1227
kWh/m² ein.

Generell ist festzustellen, dass es seit 1983 einen eindeutigen
positiven Trend der Jahressummen der Globalstrahlung gibt (Abbildung
3). Legt man einen linearen Trend in die Datenpunkte ergibt sich eine
Steigerung von etwa 3,6 kWh/m² pro Jahr. Das bedeutet, dass in 10
Jahren im Deutschlandmittel 36 kWh/m² hinzugekommen sind. Sehr schön
ersichtlich sind auch die zwei ?Ausreißer? in den vergangenen Jahren
sowie das Jahr 2003.
Außerdem unterliegt die Globalstrahlung in Deutschland aufgrund der
Geographie und der Geometrie der einfallenden Strahlung einer
regionalen Differenzierung. In den Mittelwerten der Jahressummen im
Zeitraum von 1991 bis 2020 gibt es im Süden der Bundesrepublik
deutlich höhere Werte als im Norden und Nordwesten Deutschlands. Die
höchsten Werte der Globalstrahlung werden etwa in einem Streifen vom
Bodensee über das Alpenvorland bis zum Inn und der Salzach sowie am
Oberrhein und am Neckar erreicht. Im Vergleich zu den geringeren
Werten im Norden (knapp über 1000 kWh/m²) werden im Süden fasst 200
kWh/m² im Jahr mehr erreicht.
Die erwähnten Abbildungen sind unter www.dwd.de/tagesthema zu finden.

Mag.rer.nat. Florian Bilgeri
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 16.10.2023

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