Station 1 Infotext: Solarstrahlung

Basisinformationen zur Solarstrahlung

Abbildung erstellt nach Sundidactics Handbuch Station 1 S. 11

A1 Die Kernfusion im Inneren der Sonne

Die Sonne ist ein riesiger Kernfusionsreaktor, der seine Energie als Strahlungsenergie in den Weltraum abstrahlt. Im Sonneninnern läuft bei etwa 100 Millionen °C die sogenannte Proton-Proton-Reaktion ab. Dabei fusionieren Deuteriumkerne zu Heliumkernen.

Stark vereinfacht kann man diese Reaktion als die Verschmelzung von vier Protonen zu einem Heliumkern beschreiben. Bei den Zwischenreaktionen werden außerdem Positronen, Neutrinos und Gammastrahlung erzeugt. Die Masse eines Heliumkerns ist geringer als die der ursprünglichen Protonen – die fehlende Masse wurde nach der Einstein-Gleichung E = mc² in Energie umgewandelt.

In der Sonne verschmelzen in jeder Sekunde rund 567 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 562,8 Millionen Tonnen Helium. Dadurch wird die Sonne pro Sekunde um etwa 4,2 Millionen Tonnen leichter. Nach Einstein führt das zu einer Energieabstrahlung von 3,8 × 10²⁶ J pro Sekunde, was einer Leistung von 63 MW pro Quadratmeter Sonnenoberfläche entspricht. Zehn Quadratmeter Sonnenoberfläche strahlen somit so viel Energie ab wie ein Kohlekraftwerk mit 630 MW.

Da die Erde viel kleiner ist als die Sonne und rund 150 Millionen Kilometer entfernt liegt, erreicht nur ein winziger Bruchteil dieser Energie unseren Planeten. Am Rand der Erdatmosphäre trifft eine Strahlungsleistung von 1380 W/m² auf – das ist die sogenannte Solarkonstante. Durch Absorption in der Atmosphäre beträgt die Bestrahlungsstärke am Erdboden bei wolkenlosem Himmel noch etwa 1000 W/m².

A2 Die Ausbreitung der Strahlung von der Sonne durch die Lufthülle auf den Erdboden

Am Erdboden kommen bei wolkenlosem Himmel durchschnittlich 1000 W/m² Strahlungsleistung an. Die restlichen 380 W/m² werden für chemisch-physikalische Prozesse in der Atmosphäre genutzt, zum Beispiel in der Ozonschicht.

Bei strahlendem Sonnenschein im Sommer lässt sich dieser Wert von 1000 W/m² präzise messen. Bei bewölktem Himmel absorbieren Wolken jedoch einen großen Teil der Strahlungsenergie, sodass bei stark bewölktem Wetter oft nur noch 100 W/m² den Boden erreichen.

Im Winter ist die Bestrahlungsstärke selbst bei klarem Himmel geringer, da das Sonnenlicht einen längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegt und dadurch mehr Energie absorbiert wird. Der maximale Wert liegt dann bei etwa 600 W/m².

Mit den SUSE-Solarzellen oder -Solarmodulen kann die Bestrahlungsstärke über eine Dreisatzberechnung exakt bestimmt werden. Genauere Hinweise dazu finden sich in den jeweiligen Experimentieranleitungen.