wodurch kühlt die erde überhaubt ab?

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10 Antworten

Zunächst sollte man sich über das Wesen der Wärme klar sein.

Als Wärme wird die kinetische Energie der kleinsten Teilchen bezeichnet. Diese bewegen sich ungeordnet im Raum und können je nach Molekülbau auch schwingen. Jede Bewegungsmöglichkeit nennt man Freiheitsgrade. Die Temperatur drückt diese chaotische Bewegung aus. Die Wärme benötigt also Materie, ohne Materie keine Wärme.

Bei der Bewegung der Atome und Moleküle wird eine elektromagnetische Welle ausgesandt, die man Wärmestrahlung nennt und nicht mit der Bewegungsenergie der Materie verwechseln sollte. Jeder Körper mit einer Temperatur > 0 Kelvin strahlt diese Strahlung ab. Der Energieinhalt dieser Strahlung ist mit der 4. Potenz der Temperatur in Kelvin verknüpft. Über das Wien'sche Gesetz kann man die Frequenz dieser Strahlung berechnen.

Wärmetransport erfolgt entweder durch Leitung (Berührung). Hier wird die Bewegungsenergie durch anstoßen an ein Nachbaratom als Impuls übertragen. Oder durch Konvektion/Avektion. Hier transportiert die Materie direkt die Bewegungsenergie, senkrecht nach oben (Konvektion) oder waagerecht (Avektion) zu einem anderen Ort.

Der Transport mit Wärmestrahlung hat nichts mehr mit Materie zu tun, deshalb ist die Bezeichnung Wärmestrahlung etwas irreführend, denn die Energie der Wärmestrahlung ist keine Wärme!! Sie wird erst wieder Wärme (Teilchenbewegung) wenn sie von Materie absorbiert wird.

Wenn man sich den Wärmehaushalt der Erde anschaut, dann sollte man zunächst nur die Energiebilanz in der Kàrman Höhe anschauen. Das ist die Grenze zwischen Atmosphäre und Orbit (ca. 100 km). Hier herrscht Gleichgewicht zwischen Einstrahlung und Abstarhlung. Sollte sich hier das Gleichgewicht ändern, dann hätte es große Auswirkungen auf die Temperatur der Erde.

Die Erde kann sich, wie Du schon richtig überlegt hast, nicht durch Wärmeleitung oder Umwälzung (Konvektion; warme Luft steigt nach oben) abkühlen.

Da jede Materie (solange diese wärmer ist als der absolute Nullpunkt) Energie in Form von Strahlung abgibt. gibt auch die Erde letztendlich die überschüssige Energie in Form von Wärmestrahlung in den Weltraum ab.

Daraus folgt auch das Strahlungsgleichgewicht der Erde - es wird im Idealfall genausoviel Energie als langwellige Wärme= Infrarotstrahlung wieder abgestrahlt. wie vorher als vorwiegend kurzwellige Sonneneinstrahlung auf die Erde gelangte. Bei Bild 1 zum Treibhauseffekt sieht man das, wenn man zusammenrechnet, was als Wärmestrahlung (rot) wieder abgestrahlt und was reflektiert wird - das ist dann zusammen etwa gleich groß wie die Energie die ursprünglich von der Sonne kommt. (239+102=341)

Der Mensch greift nun durch seine Freisetzung von zusätzlichen Treibhausgasen in dieses Gleichgewicht ein. Der daraus folgende zusätzliche Treibhauseffekt erschwert in der unteren Atmosphäre die Wiederabstrahlung, was zu einer Erwärmung der Erde führt.

Bild 2 zeigt, wie verschieden die Wellenlängen der Energie sind, die auf die Erde treffen, im Vergleich zu dem was von der Erde abgestrahlt wird.

Schema Treibhauseffekt und Strahlungshaushalt - (Physik, Klima, Weltall) Spektren der eingehenden- und ausgehenden Strahlung - (Physik, Klima, Weltall) Wirkung des zusätzlichen CO2 (vereinfacht) - (Physik, Klima, Weltall) Globale Temperaturen (GISS), CO2 und Sonneneinstrahlung 1950 bis 2013 - (Physik, Klima, Weltall)

Gute Frage!

Du weist ja jetzt schon dass es durch Wärmestrahlung passiert, ich will nur ein paar technische Anwendungen nennen.

Am Anfang am besten gleich die Thermalkamera, die genau diese Strahlung misst und ihre Wellenlänge. Daraus kann man dann die Temperatur errechnen, denn wenn ein Objekt heißer ist, dann verkürzt sich die Wellenlänge, was man als Glühen kennt. Darum glühen Objekte auch rot, das ist das nächste zum Infrarot Licht.

Häufig will man auch, dass es keine Wärmestrahlung gibt, bzw Sie abschirmen. Hier gibt es zum beispiel Rettungsdecken, diese sind mit Aluminium beschichtet, welches wie alle Metalle dieses Licht reflektiert. Darum verliert die Person viel weniger Wärme. das ist auch der Grund warum diese feuerfesten Anzüge silbern sind. Man will nicht, dass sie sich aufheizen. Das Innere von Thermoskannen ist mit Aluminium beschichtet, auch hier um die Wärmeabstrahlung zu reduzieren, was so sehr sehr gut funktioniert.

Dann gibt es noch etwas ganz interessantes: Die Kühlung von Satelliten. Die eingebauten elektronischen Geräte erzeugen Wärme aufgrund von Verlustleistung. Also will man so viel Strahlung wie möglich mit Strahlung abgeben. Das heißt die beste Farbe währe schwarz, den genau so gut wie eine Farbe Licht absorbiert, emittiert sie es auch. Nun ja, da gibt es nur ein helles Problem, die Sonne. Die würde einen schwarzen Satelliten so schnell aufheizen, dass es binnen Minuten brennen würde :) Also doch wieder in Alufolie einpacken? Man macht beides und benutzt einen Trick. Wie schon geschrieben, genau so gut wie eine Farbe Licht absorbiert, emittiert sie es auch. das gilt auch für die Wellenlängen. Ein rotes Objekt würde rotes Licht reflektieren, aber z.B. blaues Licht absorbieren und emittieren. Genau das macht man bei Satelliten. Das Licht der Sonne ist weiß, also muss die Oberfläche auch weiß sein. Die Wärmestrahlung wiederum liegt im fernen Infraroten Bereich, also braucht man eine Farbe die genau das absorbieren kann. Die Sonne emittiert nicht diese Strahlung, also bleibt der Satellit kühl und kann sogar Wärme abgeben. Und deshalb ist weiße Farbe in der Raumfahrt teuer... Wenn nicht die gesamte Fläche zum Kühlen gebraucht wird, dann wickelt man Teile des Satelliten in eine Art Rettungsfolie ein, die wirklich perfekt so aufgebaut ist (nur mehrere Lagen mit Löchern), da das immer noch weniger Strahlung absorbiert als die weiße Farbe, jedoch aber auch keine Wärmestrahlung ab gibt.

Edgar

Jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt strahlt "Wärme" ab. Es gibt keinen prinzipiellen Unterschied zwischen der Wärmestrahlung der Sonne und der der Erde.

http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmestrahlung

ok, also Wärme wird automatisch stück für stück in Wärmestrahlung umgewandelt?!

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@simonkl

So ungefähr. Solange es noch Bewegungsenergie in einem Stück Materie gibt wird Wärmestrahlung abgegeben. Erst wenn alle Atom/Moleküle "stillstehen", also der absolute Nullpunkt erreicht ist, wird es keine Wärmestrahlung mehr geben.

Stück für Stück stimmt insofern es sich um einen gequantelten Prozess handelt - googel mal Boltzmann-Konstante und Schwarzkörperstrahlung.

Ansonsten ist es ein kontinuierlicher Vorgang. Jeder Bewegungsmoment wird letztlich in Wärmestrahlung enden - googel mal "Wärmetod des Alls"

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....und wärme ja nur durch Materie geleitet werden kann, ...

Das ist Dein erster Irrtum. Die Sonnenwärme strahlt auf die Erde (Wärmestrahlung), und zwar durch das Vakuum des Alls. Auch die Erde strahlt ständig Wärme in das All ab und kühlt sich dabei ab. Wärmestrahlung braucht kein Medium.

.. die Sonnenstrahlen treffen auf die Erde, ein teil wird in wärme umgewandelt, 

Nein, das ist Dein zweiter Irrtum. Wärmestrahlung ist eine der drei Ausbreitungsarten der Wärme (neben Wärmeleitung und Wärmekonvektion). Da wird nicht irgend etwas "in Wärme gewandelt". Ein Teil der Sonnenstrahlung wird von der Erde reflektiert, der andere Teil wird absorbiert. Mit letztem Teil wird der Erde Wärme zugeführt. Die strahlt sie früher oder später wieder ab.

Wieso ist der "zweite Irrtum" ein Irrtum? Der Satz ist doch buchstäblich wahr.

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@stekum

Es handelt sich hier um die Ausbreitung der Wärme von der Sonne zur Erde über Strahlung. Wärme bleibt Wärme. Was soll da für eine Energie gewandelt werden, von was in was?

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[...] da außerhalb der Atmosphäre ja nahezu absolutes Vakuum ist, und Wärme ja nur durch Materie geleitet werden kann [...]

Stimmt nicht. Wärme ist eine Form der Energie und diese kann auch ohne Materie übertragen werden. Was glaubst du denn, wie die Energie/Wärme von der Sonne zur Erde kommt?

ja, aber wie gesagt, die Wärmestrahlung, die auf die Erde trifft wird ja zu normaler wärme, also sie lässt die Atome schwingen, und diese kann normalerweise nicht ohne Matterie übertragen werden

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@HellasPlanitia

kanst du mir sagen, wie die Wärme zurückgewandelt wird in Wärmestrahlung? weil es geht bestimmt, aber es müste ja dan auch in riesiger form natürlich auf der erde passieren!?

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@simonkl

Jedes warme Objekt strahlt, und zwar strahlt es Licht ab. Das ist die sogenannte Wärmestrahlung und bei Temperaturen, die wir Menschen haben, liegt diese im Infrarotbereich. Infrarotbilder kennst du sicher. Sehr heisse Objekte wie glühendes Metall oder die Sonne senden sichtbares Licht aus - deswegen leuchten sie. Im Grunde ist das aber völlig identisch mit der Wärmestrahlung eines Menschen oder der Erde, nur dass wir es auf den ersten Blick sehen können und sichtbares Licht energiereicher ist als infrarotes (da die Quelle heisser ist, passt das ganz gut).

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@HellasPlanitia

danke für die Antwort, ich habe es schon von anderen geschrieben bekommen, aber doppelt ist besser :-). aber noch eine Sache, soweit ich weis ist Sichtbares licht viel energiearmer, also kälter als Infrarotlicht, deswegen gibt es ja auch diese Brutlampen, die arbeiten mit infrarot licht.

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und soweit ich weis gibt es keinen Natürlichen Prozess, der in riesiger Größe ausgeführt wird, der die "Wärme" wieder in Wärmestrahlung umwandeln kann

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@simonkl

einer der grössten in unserem sonensystem ist die sonne. die schickt wärmestrahlung zur erde und an alle anderen orte

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Wärme kann auch wieder in Wärmestrahlung umgewandelt werden - bestes Beispiel Lava. Sie ist heiß - und gibt sehr sehr viel Wärme ab, in Form von Infrarotstrahlung beispielsweise. Und genauso detektiert man auch Lücken in Dämmungen von Häusern - man schaut sich Infrarotbilder an. Ich hoffe ich habe den Kern deiner Frage getroffen.

ok, so ziemlich genau das wollte ich wissen, nur bist du sicher, das etwas heißes, also z.B.: die Magma Ihre Wärme in Form von Wärmestrahlung abgibt, und nicht die Umliegende Luft einfach nur direkt erwärmt, also ihre Atome zum schwingen bringt?

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@simonkl

Ja,sehr sicher - beide Formen von Wärme sind Energieübertragung. Und das geht in beide Richtungen. Halte mal vor einem Lagerfeuer eine Hand vor dein Gesicht - es wird sofort kühl. Durch normale Konduktion würde die Luft nicht so schnell abkühlen, außerdem ginge es nicht über so eine Entfernung. Außerdem - wie soll diese Strahlung entstehen? Sterne produzieren sie beispielsweise - und die sind sehr heiß.

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@weaponseeker

ok vielen dank, und noch was, mit der Produktion hatte ich eigentlich gemeint, wie aus Wärme Wärmestrahlung wird, aber das habe ich jetzt verstanden, also danke

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es gibt nicht nur wärmeleitung sondern auch wärmestrahlung.. wie würde sonst die wärme der sonne zur erde kommen??

ja, aber die Wärmestrahlung, die auf der Erde auftrifft, und nicht reflektiert wird, wird zu normaler Wärme, und die kann nur durch Matterie geleitet werden

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@simonkl

die wird auch über wärmestrahlung abgeleitet. z.b ins all. oder schmilztz hier eis. usw

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@simonkl

Was immer Du Dir unter "normaler" oder "anormaler" Wärme vorstellen magst: Es gibt keine strahlungslose Wärme. Absolut jeder Körper strahlt Wärme ab. Nur spüren wir das in seltenen, extremen Fällen wie z.B. bei Feuer oder Sonne.

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Grundsätzlich wird Wärme nicht nur durch Materie geleitet. (Strahungswärme?) D.h. ein Teil der Wärme auf der Erde entweicht in den Weltraum.

Daher die Frage: wo geht die Wärme von der Erde hin? >

Ins kalte Weltall.

ja, aber im Weltall ist ja Vakuum, und Wärme kann nur von Matterie, also z.B.:Sauerstoff,Co2 oder anderen gasen, feststoffen, oder Flüssigkeiten geleitet werden, also kann das Universum eigentlich gar keine Wärme aufnehmen

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@konzato1

ja, aber wie wird die Wärme auf natürlichem Prozess in Wärmestrahlung umgewandelt?

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@konzato1

naja, ein Heizkörper produziert ja eigentlich keine Wärmestrahlung, sondern leitet die Wärme des wassers nur über sich, also das Eisen in die Luft um den Heizkörper, und produziert keine Wärmestrahlung, und ich kann mir erlichgesagt nicht vorstellen, dass es einen Natürlichen Prozess gibt, durch den So viel wärme automatisch in Wärmestrahlung umgewandelt werden kann

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@konzato1

achso, oder hast du einen Heizkörper, der im Grunde wie eine Wärmelampe, also Infrarotlampe funktioniert?

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@simonkl

Nee, mein Heizkörper funzt wie ein Heizkörper. Also mit Konvektionswärme und mit Strahlungswärme.

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@konzato1

ok, also Wärme wird automatisch in Wärmestrahlung umgewandelt?

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@konzato1

ok dann hab Ichs jetzt endgültig verstanden danke :-)

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