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 Betreff des Beitrags: Wärmestrahlung Erde und Sonne
BeitragVerfasst: Do Mär 03, 2016 8:14 pm 
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Hi,

ich bin neu hier und Laie auf dem Gebiet der Naturwissenschaften. Kann mir jemand erklären, wie man beweisen kann, dass die Erde hauptsächlich im Infrarotbereich und die Sonne hauptsächlich im sichtbaren Lichtbereich Wärme abstrahlt? Bzw. gibt es online irgendwelche frei einsehbaren Studien dazu?

Viele Grüße
Roman


Zuletzt geändert von Roman147 am Sa Mär 05, 2016 4:58 pm, insgesamt 1-mal geändert.

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 Betreff des Beitrags: Re: Wärmestrahlung Erde und Sonne
BeitragVerfasst: Fr Mär 04, 2016 9:24 am 
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Roman147 hat geschrieben:
Kann mir jemand erklären, wie man beweisen kann, dass die Erde hauptsächlich im Infrarotbereich und die Sonne hauptsächlich im sichtbaren Lichtbereich Wärme abstrahlt? Bzw. gibt es online irgendwelche frei einsehbaren Studien dazu?
Beweisen kannst das, indem Du die Entstehungsgeschichte des Planckschen Strahlungsgesetzes' im Wikipedia nachliest.
Da siehst Du, wie die Wellenlänge des Maximums der Strahlungsleistungsdichte von der Temperatur des Strahlers abhängt (rot = Erde, gelb = Sonne).
Bild Bild

Oder:
Stefan-Boltzmann-Gesetz hat geschrieben:
Jeder Körper, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt, gibt Wärmestrahlung an seine Umgebung ab. Ein Schwarzer Körper ist ein idealisierter Körper, der alle auf ihn treffende Strahlung vollständig absorbieren kann (Absorptionsgrad = 1). Nach dem kirchhoffschen Strahlungsgesetz erreicht daher auch sein Emissionsgrad ε den Wert 1, und er sendet die bei der betreffenden Temperatur maximal mögliche thermische Leistung aus. Das Stefan-Boltzmann-Gesetz gibt an, welche Strahlungsleistung P ein Schwarzer Körper der Fläche A und der absoluten Temperatur T aussendet. Es lautet

\( P = \sigma \cdot A\cdot T^4 \)

mit der Stefan-Boltzmann-Konstanten \sigma. Die Strahlungsleistung eines Schwarzen Körpers ist also proportional zur vierten Potenz seiner absoluten Temperatur: Eine Verdopplung der Temperatur bewirkt, dass die abgestrahlte Leistung um den Faktor 16 ansteigt. Dieses Gesetz wird deshalb auch als „Boltzmannsches T-hoch-vier-Gesetz“ bezeichnet.

Der Wert dieser Naturkonstanten beträgt nach derzeitiger Messgenauigkeit[1]

\( \sigma = \frac{2\pi^5 k_\mathrm{B}^4}{15h^3c^2} = (5{,}670\,367 \pm 0{,}000\,013) \, \cdot \, 10^{-8} \, \mathrm{\frac{W}{m^2 K^4}} \)

Da siehst Du, dass die Abstrahlungleistung mit der absoluten Temperatur (273,16°+°C) geht. Die Sonne hat etwa 6000 Kelvin und die Erde hat vielleicht 300 Kelvin

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 Betreff des Beitrags: Re: Wärmestrahlung Erde und Sonne
BeitragVerfasst: Fr Mär 04, 2016 3:55 pm 
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Danke dir für die schnelle Antwort!
Jetzt stellen sich mir noch weitere Fragen - ich hoffe das ist ok?! Ich versuche mich gerade in das Thema menschengemachter Klimawandel einzuarbeiten, was für einen Laien wie mich nun mal gar nicht so einfach ist... Ich möchte aber gerne die Diskussionen besser verstehen, in denen sowohl dafür, als auch dagegen argumentiert wird.

Ein Gedankenexperiment:

Wenn also das Plancksche Strahlungsspektrum seine Richtigkeit hat, gibt die Erde Strahlung im IR-Bereich ab. Diese Strahlung wird zu einem Teil unter anderem von CO2 im Wellenlängenbereich von 13-17 µm absorbiert und wieder zurück auf die Erdoberfläche reflektiert (richtig?). Wenn ich jetzt davon ausgehe, dass die Sonne X Einheiten Strahlungsenergie pro Sekunde an die Erde via sichtbarem Licht abgibt und die Erde ihrerseits wieder X Einheiten Strahlungsenergie pro Sekunde über IR-Licht abgibt, aber die Energie, die im Wellenlängenbereich von 13-17 µm liegt, vom CO2 absorbiert und in Y Einheiten wieder zurück zur Erde reflektiert wird. Müsste dann nicht die Erdenenergie jede Sekunde um Y Einheiten bis ins Unendliche weiter ansteigen? :roll:


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 Betreff des Beitrags: Re: Wärmestrahlung Erde und Sonne
BeitragVerfasst: Fr Mär 04, 2016 4:28 pm 
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Roman147 hat geschrieben:
Müsste dann nicht die Erdenergie jede Sekunde um Y Einheiten bis ins Unendliche weiter ansteigen?
Natürlich, Roman, es ist noch viel ausgeprägter, da die Sonnenenergie (etwa 1 kW pro m²) eine hohe Strahlungstemperatur hat und die Enegie mit der 4. Potenz der absoluten Temperatur steigt, ist die zurückgestrahlte Energie ohnehin beträchtlich kleiner - sie strahlt allerdings auch nachts.
Insgesamt muss die Energiebilanz aufgehen, d.h. die Temperatur der Erde stellt sich so ein, dass die eingestrahlte Energie zusammen mit der aus dem Erdkern genau so groß sein muss wie die Energie, die die Erde wieder abgibt - sonst würde sie ja immer wärmer. Und wir reden hier von Energieströmen, die weitaus größer sind als die durch CO2 usw. beeinflussten.

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 Betreff des Beitrags: Re: Wärmestrahlung Erde und Sonne
BeitragVerfasst: Fr Mär 04, 2016 6:39 pm 
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Meinst du damit, dass die Erde je nachdem auch schneller Energie abgibt, wenn sie mehr Energie empfängt?

Und den ersten Satz verstehe ich überhaupt nicht:
Zitat:
da die Sonnenenergie (etwa 1 kW pro m²) eine hohe Strahlungstemperatur hat und die Enegie mit der 4. Potenz der absoluten Temperatur steigt, ist die zurückgestrahlte Energie ohnehin beträchtlich kleiner - sie strahlt allerdings auch nachts.


Was bedeutet, dass die Energie mit der 4. Potenz der absoluten Temeperatur steigt? Und meinst du hier die zurückgestrahlte Energie der Erde oder die der Treibhausgase?


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 Betreff des Beitrags: Re: Wärmestrahlung Erde und Sonne
BeitragVerfasst: Fr Mär 04, 2016 7:08 pm 
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Roman147 hat geschrieben:
Meinst du damit, dass die Erde je nachdem auch schneller Energie abgibt, wenn sie mehr Energie empfängt?
Ja, Roman, klar.
Roman147 hat geschrieben:
Und meinst du hier die zurückgestrahlte Energie der Erde oder die der Treibhausgase?
Das hatte ich vielleicht unglücklich ausgedrückt, denn wegen der Wärmeenergie, die im Erdinneren durch Radioaktivität erzeugt wird, muss die in den Weltraum ausgestrahlte Energie größer sein als die durch die Sonnenstrahlung empfangene Energie.

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 Betreff des Beitrags: Re: Wärmestrahlung Erde und Sonne
BeitragVerfasst: Fr Mär 04, 2016 7:30 pm 
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Zitat:
Roman147 hat geschrieben:
Meinst du damit, dass die Erde je nachdem auch schneller Energie abgibt, wenn sie mehr Energie empfängt?
Ja, Roman, klar.
Ok, und wie lässt sich das beweisen?

Zitat:
Das hatte ich vielleicht unglücklich ausgedrückt, denn wegen der Wärmeenergie, die im Erdinneren durch Radioaktivität erzeugt wird, muss die in den Weltraum ausgestrahlte Energie größer sein als die durch die Sonnenstrahlung empfangene Energie.
Das ist ja interessant. Davon hatte ich noch gar nicht gehört... Aber auch hier wieder die Frage: Wie lässt sich beweisen, dass die Wärmeenergie im Erdinneren durch Radioaktivität erzeugt wird?


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 Betreff des Beitrags: Re: Wärmestrahlung Erde und Sonne
BeitragVerfasst: Fr Mär 04, 2016 7:44 pm 
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Was heißt da: "beweisen", Roman?
Keiner wird bezweifeln, dass es eine Wärmebilanz gibt und vielen wird einleuchten, dass die Energie im Erdkern irgendwo herkommen muss. Hast Du hierfür Vorschläge?

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 Betreff des Beitrags: Re: Wärmestrahlung Erde und Sonne
BeitragVerfasst: Sa Mär 05, 2016 4:57 pm 
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Nunja, ohne Beweis bleibt es doch ein Glaube bzw. eine Vermutung und ist kein Wissen.
Kann man denn die Energie im Erdkern messen?


Und nochmal zur Energieabgabe der Erde: Du sagst ja, dass je mehr Energie die Erde empfängt desto schneller wird auch die Energieabgabe. Nochmal ein Gedankenexperiment: Wenn ich 2 wassergefüllte Wannen habe, die jeweils in einem Raum mit sagen wir mal einer Raumtemperatur von jeweils 20 Grad stehen. Wanne 1 wird auf 40 Grad und Wanne 2 auf 30 Grad erhitzt. Dann braucht doch Wanne 1 länger als Wanne 2, um wieder bis auf Raumtemperatur zu erkalten?! Das Wasser von Wanne 1 gibt doch nicht plötzlich schneller Energie ab oder etwa doch?


Und könnte die Herleitung der Energiebilanz der Erde so aussehen?
-> Die Sonne gibt nicht genug Strahlungsenergie ab, um die Erde auf die momentan herrschenden Temperaturen zu erhitzen. Und um es bis zu solchen Temperaturen zu schaffen, muss die Erde so gewaltige Energiemengen erzeugen, so dass man hier nur eine Erklärung hat - die Radioaktivität.


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 Betreff des Beitrags: Re: Wärmestrahlung Erde und Sonne
BeitragVerfasst: Mi Mär 09, 2016 6:23 pm 
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Bekomme ich keine Antwort mehr? :roll:


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 Betreff des Beitrags: Re: Wärmestrahlung Erde und Sonne
BeitragVerfasst: Do Mär 10, 2016 12:33 am 
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Roman147 hat geschrieben:
Bekomme ich keine Antwort mehr?
Klar, Roman, bekommst Du,
wenn ich sie nicht schon in den vorherigen Beiträgen abgehandelt habe (die man ja nochmal lesen kann).

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 Betreff des Beitrags: Re: Wärmestrahlung Erde und Sonne
BeitragVerfasst: Mo Mär 21, 2016 1:55 am 
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Ok, ich habe es jetzt einigermaßen kapiert. Wie siehst du denn den Einfluss von Treibhausgasen auf die Erdtemperatur und wie sehen es die meisten Physiker? Du hast zwar oben schon eine Andeutung gemacht, aber ich hätte gerne eine klare Stellungnahme von dir - wenn du denn dazu gewillt bist :)


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 Betreff des Beitrags: Re: Wärmestrahlung Erde und Sonne
BeitragVerfasst: Mo Mär 21, 2016 11:10 am 
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Roman147 hat geschrieben:
Wie siehst du denn den Einfluss von Treibhausgasen auf die Erdtemperatur und wie sehen es die meisten Physiker?
Inzwischen scheint mir schon die Mehrheit der Physiker zumindest daran zu glauben, dass die Klimaerwärmung auch von den Menschen beeinflusst wird.
Bereits 1991 hatte ich in Berlin bei URANIA einen älteren Professor zu dem Thema gehört. Er erklärte u.a. die Entwicklung des CO₂-Anteils der Lufthülle während der Erdgeschichte. Z.B. zu Beginn der Karbonzeit hatten wir über 8000 ppm CO2-Gehalt (bei max. 34% O₂-Gehalt) und nicht die 350 ppm CO₂ (Stand 1991 - gegenwärtig sind es bereits 400 ppm).
Während der Diskussion forderte ein junger Mann energisch weitere Maßnahmen, um den CO2-Anteil der Luft nicht weiter ansteigen zu lassen. Der Prof. antwortete, es sei wichtig, dass junge Leute versuchen, etwas zu ändern, denn sonst passiere garnichts. Allerdings sage ihm seine Lebenserfahrung, dass sich der CO2-Anstieg überhaupt nicht verlangsamen werde (was die zwischenzeitliche noch schnellere Erhöhung auch zeigt - siehe Bild).
Bild

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 Betreff des Beitrags: Re: Wärmestrahlung Erde und Sonne
BeitragVerfasst: Mo Mär 21, 2016 3:35 pm 
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Hmm... Ja, dass es bereits wesentlich höhere CO2-Konzentrationen gab, hab ich schon gelesen. Allerdings haben doch Eiskernbohrungen auch gezeigt, dass immer erst die Temperatur angestiegen ist und mit einer Verzögerung von 200-800 Jahren dann erst das CO2 angestiegen ist. Das schließt zwar einerseits nicht aus, dass das CO2 auch Einfluss auf die Temperatur nehmen kann. Andererseits bleibt die Frage, wie die Temperatur zuvor ohne CO2-Anstieg so stark hat ansteigen können...


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