Moin,
Die Energieerhaltung sagt:
Wenn Sonnenlicht auf einen Gegenstand trifft, wird ein Teil reflektiert und ein Teil absorbiert. Bei blauen Gegenständen wird nur der Blauanteil reflektiert, der Rest verschluckt, bei Grünen nur der grüne reflekiert etc; bei weißen alles, bei schwarzen nichts. Was absorbiert wird, das führt zur Erwärumung eines Gegenstandes. Reflektiert darf auch durch gestreut ersetzt werden.
So, jetzt im Detail zu Deinem Posting:
Das ist schon richtig. Aber alle Körper absorbieren auch
sichtbares Licht, welches zu ihrer Erwärmung beiträgt. Je nach
Oberflächenbeschaffenheit tun sie dieses unterschiedlich gut,
ein schwarzer Körper absorbiert im Idealfall alles (also ein
Sonnenkollektor fast alles) und ein weißer sehr wenig (im
Idealfall gar nichts).
*** Das Beispiel des Kachelofens zeigt, daß sichtbares Licht
keine Rolle spielt bei der Erwärmung.
Wie schon geschrieben:
a) Kachelofen ist selber eine Energiequelle.
b) Ein Kachelofen ist deutlich kühler als die knapp 6000°C, die die Sonne hat,
so daß auch die meiste Energie des Kacheofens im IR abgestrahlt wird; dieser
hat gar keinen UV-Anteil; deshalb zu schließen, daß dieses bei der Sonne keine
Rolle spielt, ist falsch. Vom Kachelofen bekommst Du keinen Sonnenbrand, von der
Sonne schon.
Der Hauptanteil der Sonnenenergie wird
nicht aus dem Absorbieren der Infrarotstrahlung gewonnen
sondern aus der Absorption des sichtbaren Lichts;
*** Für Photovoltaik (für spezifische Halbleiter-, aber auch
Chlorophyll-eigenschaften) mag das stimmen, aber es geht bei
meiner Frage um die *Wärme*leistung. Würdest Du im Winter Dein
Zimmer mit einer UV-Höhensonne statt einem Infrarotstrahler
heizen? Wohl kaum! Infrarotstrahler zeichnen sich durch ein
Wellenspektrum im Infrarot-C Bereich aus, das bei minimalem
Energiebedarf maximale Aufheizung bedeutet.
Richtig. Da ist die Energieausbeute auch genau darauf ausgelegt. Wenn man Energie in Form von Strom hat, dann macht es natürlich Sinn, die Wärme direkt zu erzeugen und nicht Licht, welches man absorbieren läßt und durch die Absorption erst in Wärme umwandeln. Das ist der Vergleich von Äpfeln und Birnen und entkräftet keines meiner Argumente.
Die Sonne aber sendet ihr Maximum an Energie bei ca. 555nm. Die Umwandlung dieser Wellenlängen in IR ist nicht 100%, das wäre auch schlimm. Aber der Energiegehalt ist deutlich höher als der der IR-Strahlung, so daß auch ein geringerer Anteil ausreicht, eine Temperaturerhöhung zu verursachen. Die Umwandlungseffizienz habe ich jetzt aber nicht im Kopf, die hängt, wie Du auch schon schriebst, vom Material ab; und: auch Luft absorbiert und wandelt es in Wärme um - nur sehr schlecht. IR-Strahlung absorbiert Luft im übrigen bedeutend besser, dieses gilt insbesondere für Wasserdampf, CO2, CH4, …
denn je
blauer (kurzwelliger) das Licht ist, desto mehr Energie
enthält es. E = h * c/ lambda (h: Plancksches Wirkungsquantum,
c: Lichtgeschw., lambda: Wellenlänge).
*** Es kommt nicht auf die absolute Energiemenge, sondern auf
die spezifische Wellenlänge (Resonanz) zu dieser an. Licht
(bzw. UV) macht nicht warm, IR dagegen schon.
Das ist richtig. Aber Du fragtes nach dem Aufheizen eines Sonnenkollektors.
Aber auch der Kollektor ist schwarz und absorbiert hervorragend sichtbares Licht (darum ist er ja schwarz, er reflektiert nichts). Ein Kollektor ist somit noch
wesentlich effizienter in der Lichtnutzung als eine Photovoltaikanlage, die
für ihr funktionieren bestimmte Wellenlängen benötigt.
Für sichtbares Licht ist die Länge des Weges durch die
Atmosphäre sehrwohl entscheidend, da die Streuung proportional
zur Weglänge […] ist
*** Ja, aber was passiert bei der Streuung? Wohin geht die
restliche Energie der Sonnenstrahlung, nachdem sie durch die
Erdatmosphäre gestreut wurde?
siehe Posting von Sierra.
Wenn man die Energieeinstrahlung der Sonne um die
Erdatmosphäre korrigiert mißt, so korrigiert man um den
Zenitabstand der Sonne
*** Meine Frage ist ja eben, *warum* der Zenitabstand eine so
zentrale Rolle spielt?
Hiermit ergibt sich ein Verhältnis von 43 zu 68 für 20° bzw.
50° über dem Horizont als sommerliche Werte für morgens und
mittags; d.h. mittags hat man locker 50% mehr Einstrahlung,
selbst wenn total klarer Himmel herrscht.
*** Ja, aber *warum*? Du stellst lediglich Berechnungen
aufgrund einer Gesetzmäßigkeit an, nach deren Begründung ich
suche.
Siehe z.B. auch die Praktikumsanleitungen zur atmosphärischen
Refraktion und Solarkonstanten:
http://www.astro.uni-jena.de/Teaching/Praktikum/pra2…
*** Sehr gute Seite, danke! Speziell die Energieverteilung des
Sonnenspektrums ist eindrucksvoll. Aber meine Frage wird dort
auch nicht beantwortet. Der *Höhenwinkel* der Sonne ist zwar
alles entscheidend, aber ok, das ist halt so!?
Wenn aber offensichtlich weder der unterschiedliche
Einfallswinkel, noch die Wegstrecke durch die Atmosphäre als
Sie ist es doch 
Ein Sonnenkollektor sammelt eben
Sonnen*licht* und nicht nur die Wärmestrahlung.
*** Wir verstehen unter Sonnenkollektor natürlich keine
Photovoltaik, sondern einen konventionellen
Warmwasserbereiter. Konkretisiere dann doch mal bitte Dein
Der ist aber auch schwarz angestrichen, wenn ihr mit dem das
Wasser z.B. auf dem Dach aufwärmt. Und scharz absorbiert das
Licht in allen Wellenlängen, von IR bis UV.
„nicht nur Wärmestrahlung“. Wie hoch ist der sichtbare bzw.
UV-Lichtanteil in der Energiebilanz, verglichen mit dem IR
Anteil? Am Beispiel mit der Zimmerheizung dürfte klar sein,
daß der kurzwellige Anteil für Wärmeleistung vernachlässigbar
ganz und gar nicht! Das Verhältnis der Anteile wird von der
Temperatur des strahlenden Körpers bestimmt. Zimmerheizung von
T=20°C hat ihr Maximum der Abstrahlung bei ca. 10Mikrometern,
die Sonne mit 6000°C bei ca. 550nm. Das Verhältnis der Energien
ergibt sich aus der Fläche unter der Planck-funktion für die jeweils
betrachteten Energien.
Beispiel:
Heizung ca. 20°C
Energie (Maximale Abstrahlung bei 10 Mikrometern): 10 Mio J / s / m^2 / m
Sonne (ca. 6000°C
max. Abstrahlung bei 500nm: 30 Mio Mio (!) = 3*10^13 J / s /m^2 / m
und bei 10Mikrometern immer noch 4 Mrd = 4*10^9J / s / m^2 /m
Also: Strahlungsleistung im sichtbaren >= 10000 IR bei der Sonne pro Wellenlänge
D.h. die Sonne liefert allein im Vergleich dieser beiden Wellenlängen 10 Mio
Mal mehr Energie als eine Heizung. Die Gesamtenergie muß aber über alle
Wellenlängen aufsummiert werden, so daß sich das noch wesentlich stärker auswirkt (Gesamtenergieabstrahlung proportional zu T^4) und selbst wenn man jetzt nur annimmt, daß 10% des sichtbaren Lichts absorbiert werden und der Rest reflektiert (bei Sonnenkollektoren nicht der Fall, da schwarz und die Reflexion vielleicht 10%), ist der Unterschied immer noch 1 Mio.
Auf http://www.astro.uni-bonn.de/~deboer/sterne/hrdtxt.html
findest Du den Vergleich der Planckkurven für verschiedene Temperaturen.
Die Fläche unter den Kurven entspricht der abgestrahlten Energie; Frequenz
kannst Du Dir mittels lambda = c / f in Wellenlänge umrechnen.
ist. Und überhaupt wäre zu klären, wohin die absorbierte
Energie verschwindet. Höhere Luftschichten heizen sich
Rückstrahlung ins All; Rayleigh-Streuung ist in erster Näherung gleichmäßig
in alle Richtungen, d.h. 50% gehen wieder zurück ins All (von dem Teil, der gestreut wird).
schließlich auch nicht auf, obwohl sie die meiste Energie
abbekommen. Jeder weiß, daß es da oben saukalt ist. Womit wir
Nicht ganz: http://www.uni-giessen.de/~ge1016/publikation/geuthe…
wieder am Ausgangspunkt der Fragestellung wären, die offenbar
doch nicht so trivial ist?
Nur macht auch irgendwann unterhalb einer gewissen Dichte / eines gewissen Drucks die „herkömmliche“ Temperaturdefinition wie wir sie hier auf der Erde üblicherweise mit den „normalen“ Thermometern messen weniger Sinn.
Kurz zusammengefaßt: Die Sonne sendet ihr Maximum an Strahlung im sichtbaren Licht aus (darum hat die Evolution uns dieses auch sehen lassen). Selbst wenn nur ein Bruchteil in Oberflächen absorbiert wird, ist dieses bedeutend mehr als Wärmestrahlung absorbiert wird. Ergo: der sichtbare Anteil des Spektrums der Sonne ist alles andere als vernachlässigbar.
Bei hohem Sonnenstand wird weniger Licht weggestreut als bei niedrigem, ergo ist auch die Einstrahlung höher und somit der gemessene Temperaturanstieg eines beliebigen Körpers.
Gruß,
Ingo
