Strahlung

Was ist Strahlung? Welche Arten von Strahlung gibt es?

Als Strahlung wird die Ausbreitung von Teilchen oder Wellen bezeichnet. In der Meteorologie wird zwischen kurzwelliger Solarstrahlung und langwelliger terrestrischer Strahlung unterschieden. Dabei gilt, je kleiner die Wellenlänge, desto höher die transportierte Energie. Das sichtbare Licht ist Teil der kurzwelligen Strahlung. Beispiele für langwellige Strahlung sind Infrarot- oder Wärmestrahlung oder auch Radio- und Mikrowellen. In Abbildung 1 wird in Gelb die kurzwellige Solarstrahlung und in Rot die langwellige terrestrische Strahlung dargestellt.

Abbildung 1: Strahlungshaushalt der Erde

Die Strahlung wird differenziert in:

  • Globalstrahlung (Kurzwellig abwärts (KW↓))
  • Direkte und diffuse (gestreute) Strahlung
  • Reflexion der kurzwelligen Strahlung (Kurzwellig aufwärts (KW↑))
  • Terrestrische Strahlung (Langwellig aufwärts (LW↑)
  • Atmosphärische Gegenstrahlung (Langwellig abwärts (LW↓)) (auch Treibhauseffekt genannt)

Im Zusammenhang mit der kurzwelligen Einstrahlung gibt es zudem einige wichtige Definitionen:

Globalstrahlung (GHI): Unter Globalstrahlung versteht man die gesamte kurzwellige Strahlung, welche auf die (horizontale) Erdoberfläche trifft. Diese kann in ihre Bestandteile aufgeteilt werden: Die direkte und die diffuse Strahlung.

Diffuse Strahlung (DIF): Hier wird nur das diffuse Himmelslicht mit einem Pyranometer gemessen, indem die Sonne von einem Schattenwerfers abgedeckt wird.

Direkte Strahlung (DIR): Direkte horizontale Strahlung wird in der Regel nicht gemessen sondern aus Diffus- und Globalstrahlung berechnet.

DNI (Direct Normal Irradiation): Unter direkter normaler Strahlung versteht man Strahlung welche im rechten Winkel auf das Messgerät auftrifft, also die Direktstrahlung auf eine Fläche senkrecht zur Position der Sonne. Diese Strahlung wird von einem Pyrheliometer gemessen und kann insbesondere bei flachem Sonnenstand ein vielfaches der Direktstrahlung auf horizontaler Fläche betragen (siehe Messgeräte).

Wie wird Strahlung gemessen?

Strahlung wird in der Einheit Watt pro Quadratmeter (W/m2) gemessen. Dazu wird in den meisten Messgeräten eine sogenannte Thermosäule verwendet. Diese besteht aus einem schwarzen, leitfähigen Material, welches alle eintreffende Strahlung absorbiert und so in Wärme umwandelt. Je mehr Strahlung auf das schwarze Thermoelement auftrifft, umso wärmer wird dieses. Das verwendete Material muss zudem eine zur Temperatur proportionale Leitfähigkeit aufweisen. So kann aus dem Spannungsunterschied zum 0-Wert die Gesamteinstrahlung ermittelt werden. Das Prinzip ähnelt dem eines elektrischen Thermometers.

Wie muss ein Strahlungsmessgerät aufgestellt werden?

Bei allen Messgeräten, welche die Strahlung messen ist das wichtigste, dass der Himmel in keiner Richtung verdeckt ist. Die Geräte müssen so platziert werden, dass sie zu jeder Uhr- und Jahreszeit eine direkte Linie zu Sonne haben, sodass die Strahlung unverändert auf die Messgeräte treffen kann, also das der Sensor ganzjährig niemals verschattet wird. Zudem muss darauf geachtet werden, dass keine hellen oder verglasten Wände / Objekte in der Nähe sind, da diese das Licht (also die Strahlung) reflektieren und so die Messung verfälschen können.

Schwierigkeiten bei Strahlungsmessungen

Abbildung 2: Pyranometer

An Standorten mit sehr viel Schnee, direkt am Meer oder in der Nähe von verglasten Gebäudefronten können Reflexionen die Strahlungsmessungen strak beeinflussen. Schattenwurf stellt in der Nähe von Messmasten oder Gebäuden auch oft eine erhebliche Fehlerquelle dar.

Das grösste Problem von Strahlungsmessungen ist die Verschmutzung der Sensoren durch Staub oder andere Partikel. Da die Sensoren sehr sensibel sind und schon kleinste Verschmutzungen Strahlung absorbieren oder reflektieren können wird das Messergebnis stark verfälscht. Die Geräte sind daher sehr wartungsintensiv, weil sie regelmässig manuell gereinigt werden müssen.

Welche Messgeräte werden für welche Art von Strahlung verwendet?

Kurzwellige Strahlung (sowohl ↑ als auch ↓, direkt sowie diffus):

  • Pyranometer: Misst auf einer horizontalen Fläche die gesamte kurzwellige Einstrahlung. Dabei werden meist zwei Geräte verwendet, eines für die Globalstrahlung und eines für die Albedo (Reflexion an der Erdoberfläche).

Abbildung 3: Pyrheliometer

KW↓ direkt:

  • Pyrheliometer: Der Pyrheliometer wird auf einem Sun Tracker installiert und folgt immer der Position der Sonne, so erfasst er nur die Direktnormalstrahlung (Immer im rechten Winkel zur Sonne).

KW↓ diffus:

  • Pyranometer mit einem Schattenwerfer. Der Schattenwerfer ist ebenfalls mit einem Sun Tracker verbunden und ist immer direkt zwischen der Sonne und der Thermosäule. So kann keine direkte, sondern nur diffuse Strahlung zum Messgerät gelangen.

Langwellige Strahlung (sowohl ↑ als auch ↓):

  • Pyrgeometer: Misst auf einer horizontalen Fläche die gesamte langwellige Strahlung. Auch hier werden zwei Geräte verwendet, eines für die Ausstrahlung der Erde und eines für die Reflexion dieser Strahlung durch die Atmosphäre (Treibhauseffekt).

Die Kombination von 2 Pyranometern und 2 Pyrgeometern nennt man Pyrradiometer. Dieser misst die komplette kurz- und langwellige Strahlung und somit die gesamte Strahlungsbilanz.

Abbildung 4: Wetterstation in Davos

Der nationale Wetterdienst der Schweiz, sowie ein Grossteil des BSRN (Baseline Solar Radiation Network) nutzt zur Strahlungsmessung Pyrano- und Pyrgeometer der Firma Kipp und Zonen, welche horizontal installiert werden und somit die Globalstrahlung und die terrestrische Strahlung messen.

Durch die zunehmende Verbreitung von Solarenergieanlagen sind auch zunehmend günstige Sensoren wie z.B. Photovoltaik-Referenzzellen verfügbar und recht weit verbreitet. Diese sind aber aufgrund der mangelnden Qualität zur Nutzung für meteorologische Zwecke eher nicht geeignet.

Wie viele Messstationen gibt es?

MeteoSchweiz betreibt 133 automatische Wetterstationen, welche die Strahlung messen. Auf globaler Skala gesehen, gibt es das BSRN, welches weltweit 68 qualitätskontrollierte Messstationen betreibt und die Daten sammelt und verarbeitet. Diese Stationen wurden ausgewählt, weil sie die Region, in der sie sind räumlich sehr gut repräsentieren und nachgewiesenermassen den sehr hohen Qualitätsstandards entsprechen. Im Vergleich zu anderen Wetterparametern gibt es sehr viel weniger Messstationen, weil die Sensoren einerseits sehr teuer sind und auch der Betrieb einen hohen Personalaufwand erfordert, was dazu führt, dass viele Messdaten auch nicht verlässlich sind.

meteoblue nutzt Daten von ca. 200 weltweit verteilten Strahlungsmessstationen zu Validierungs- und Kalibrationszwecken.