Wie viel Wärme wird durch das Zu- und Abnehmen der reflektierten Strahlung der Sonne erzeugt?

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Laut diesem Artikel wäre die größte Ursache für die globale Erwärmung das Zu- und Abnehmen der von der Sonne reflektierten Strahlung. (Kohlenstoffemissionen auf 10-20%) setzen Also wirklich, wie viel Wärme wird durch den Prozess erzeugt, der auf der Erde verbleibt? Und würde es wirklich so viel beeinflussen?

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Der Artikel geht nicht auf Einzelheiten ein und scheint überhaupt nicht von Dr. Evans geschrieben zu sein, aber ich werde einige Zitate ziehen.

Nach Fertigstellung wird seine Arbeit in zwei wissenschaftlichen Aufsätzen veröffentlicht. Beide Papiere werden einem Peer-Review unterzogen

und

Seine Ergebnisse fasst er in einer Reihe von Blog-Posts auf dem Blog seiner Frau Jo Nova für Klimaskeptiker zusammen.

Mit dem am Freitag veröffentlichten Blog-Beitrag 8 „Das Stefan-Boltzmann-Gesetz auf die Erde anwenden“ ist er etwa auf halbem Weg durch seine Reihe.

(Fußnote, ich vermute, in Australien werden Zusammenfassen und Skeptiker anders geschrieben als in den USA, denn das ist ein Copy-Paste)

Ich habe nur eine seiner Zusammenfassungen gelesen, und in Mathematik muss man sich die Details ansehen, die er nicht liefert, also sagt er im Grunde nicht mehr als "Das ist wahr, hier ist im Allgemeinen der Grund, warum ich die Mathematik gemacht habe , bitte nehmt mein Wort, ich werde die Zahlen später veröffentlichen". Jetzt präsentiert Michael Mann auch Arbeiten ohne Peer-Review in Paris, also was gut für die Gans ist, ist gut für den Gänserich, nehme ich an.

Nun, ich bin nur ein Typ, der Wissenschaft mag, aber ich verstehe, dass Ideen ziemlich oft präsentiert werden, bevor sie fertig sind oder von Experten begutachtet werden. Einstein hat dies tatsächlich in Bezug auf die allgemeine Relativitätstheorie getan und ein anderer Wissenschaftler hat ihn tatsächlich geschlagen, um die Theorie zu veröffentlichen (obwohl der andere Wissenschaftler gnädig war und Einstein volle Anerkennung zollte), also denke ich nicht, dass es unbedingt schlecht ist, vorher eine Zusammenfassung zu präsentieren zum Peer-Review.

Ich halte es jedoch für ungewöhnlich, Zusammenfassungen einer Idee in einem Blog zu veröffentlichen, die sagen: "Ich habe es herausgefunden, die Mehrheit der Forschung zu diesem Thema ist falsch". Dr. Evans sagt, dass er Beweise hat, aber er benimmt sich wie ein Junk-Wissenschafts-Blogger.

Dr. Evans Behauptung "Vertrau mir, ich habe die Mathematik gemacht" erfordert irgendwie, dass wir uns seine Erfolgsbilanz ansehen, und seine Erfolgsbilanz ist nicht sehr stark, obwohl er sagen wird, dass er vom Establishment angegriffen wird.

Laut dieser Seite hat er seit den 1980er Jahren nichts mehr veröffentlicht, das von Experten begutachtet wurde, und er steht auf einer ihrer Klima-Denier-Liste. Er steht auch auf der Liste der Klima-Missformer von Skeptical Science.

Und hier ist eine Liste entlarvter Behauptungen, die er gemacht hat (und wenn diese Liste stimmt, ist er überhaupt kein Wissenschaftler, sondern nur ein Typ auf einer Angelexpedition. Kein guter Wissenschaftler würde so ziemlich jedem Gegenargument gegen den Klimawandel zustimmen, denn so ist es nicht die wissenschaftliche Methode funktioniert. Man kann mit etwas nicht einverstanden sein, das ist in Ordnung, aber jedem Gegenargument zuzustimmen - das ist albern. Hier ist eine weitere detailliertere Erklärung, was er falsch gemacht hat, aus dem Jahr 2011. Evans scheint in dieser Debatte damit nicht einverstanden zu sein viel mehr, als er damit beschäftigt ist, wissenschaftliche Forschung zu betreiben.

Es ist fast unmöglich, ohne seine Angaben ein echtes wissenschaftliches Argument gegen Evans "Beweis" zu führen, und diese Art von Beweis / Widerlegung kann ein wenig lang und kompliziert werden, aber im Moment ist es unmöglich, ihn zu widerlegen. Aber sollen wir auf ihn hören?

Oben steht, dass er 8 Blogs veröffentlicht hat, die sich auf seine jüngsten Forschungen beziehen. Ich werde nicht alle 8 ausgraben, aber hier ist die neueste. Anwendung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes auf die Erde. Nun, ich bin nur ein Laie, aber selbst ich sehe hier Probleme mit seiner Argumentation (und das sollte er auch, da er ein promovierter Ingenieur ist). Das Stefan-Boltzmann-Gesetz ist eine Näherung. Es ist ein physikalisches Modell zur Berechnung der Strahlung in den Weltraum.

Das Problem bei seinem Ansatz ist, dass der beste Weg, um zu messen, wie viel Wärme / Energie die Erde durch Strahlung verlässt, darin besteht, sie direkt per Satellit zu messen. Die Energiemenge, die von der Erde in den Weltraum abgestrahlt wird, variiert mit Temperatur, Schneedecke, Wolkendecke, sogar Luftfeuchtigkeit und wahrscheinlich 1 oder 2 anderen Dingen, die ich übersehe. Wenn Sie versuchen, diese Energie, die die Erde in den Weltraum verlässt, zu berechnen, indem Sie mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz spielen, anstatt sich auf direkte Messungen zu verlassen, erlauben Sie sich viele Fudge-Faktoren und laden zu einem viel größeren Fehler ein, als direkte Messungen Ihnen geben würden .

Lassen Sie mich aus dem zitierten Artikel ein Beispiel herausziehen:

Dr. Evans hat eine Theorie: Sonnenaktivität. Was er „Albedo-Modulation“ nennt, das Zu- und Abnehmen der von der Sonne reflektierten Strahlung, ist die wahrscheinliche Ursache der globalen Erwärmung.

OK, also, was ist es, Sonnenaktivität oder Albedo-Modulation, denn sie sind nicht dasselbe. Der erste findet auf der Sonne statt, der zweite auf der Erde. Dieser Absatz macht für mich keinen Sinn.

Er prognostiziert, dass sich die globalen Temperaturen, die ein Plateau erreicht haben, zwischen 2017 und 2021 deutlich abkühlen werden. Die Abkühlung wird in den 2020er Jahren bei etwa 0,3 ° C liegen. Einige Wissenschaftler haben sogar eine Mini-Eiszeit in den 2030er Jahren prognostiziert.

Nun, dieser Absatz ist besonders hinterhältig. El Ninos neigen dazu, die Erde zu erwärmen, La Nina kühlt sie ab. Der Effekt ist vorübergehend und nicht riesig, aber genug, um jährliche Schwankungen zu verursachen. Ein starker El Nino hat den großen Anstieg der globalen Temperatur für 1998 verursacht und wir befinden uns jetzt in einem El Nino (bearbeitete meine Antwort, seit 2014 sprechen sie davon, einen El Nino zu betreten, ich nehme an, es hat jetzt offiziell begonnen).

Wir hatten mehr La Nina-Jahre als El Nino 2006-2013, wobei der einzige kleine El Nino mit 2010 zusammenfiel, der Temperaturrekorde aufstellte. Ein Großteil der oft besprochenen Erwärmungspause hängt damit zusammen, dass es über 7 Jahre nur einen kleinen El Nino gibt.

Die Vorhersage von 2017 als die Zeit, in der die Abkühlung "beginnen" wird, ist abwegig, da dies ungefähr zu der Zeit sein könnte, zu der der El Nino zu Ende ist und die Ozeane zu einer La Nina zurückkehren könnten (die normalerweise auf El Nino folgt). Dies führt zu einer vorübergehenden Abkühlung für ein oder zwei Jahre, die er zweifellos anerkennen wird, wenn es passiert. Jetzt sagt er auch 2021 voraus, was in beide Richtungen gehen könnte, und er gibt einen Betrag an, aber das ändert nichts an der Tatsache, dass er eine Vorhersage macht und hofft, dass der El Nino von 2015 enden wird und die Vorhersage gut aussieht.

Wirkliche globale Erwärmung oder Abkühlung kann sowieso nicht in einem Jahr gemessen werden, es sei denn, es ist vielleicht die Meeresströmung und der gelegentliche Mega-Vulkan angepasst - dann können Sie vielleicht ein gewisses Maß an Erwärmung / Abkühlung basierend auf einem Jahr erhalten, aber es ist' noch nur ein Jahr. Das ist eine wirklich sehr kurze Zeit, um Vorhersagen zu treffen, und etwas, dem ich überhaupt nicht trauen würde.

und auf die "Wissenschaftler haben für 2030 eine Mini-Eiszeit vorhergesagt", stimmt das eigentlich nicht. Es gab eine Studie über Sonnenflecken und sie sagten voraus, dass wir um 2030 ein Sonnenfleckentief sehen könnten, vielleicht ähnlich dem Maunder-Minimum, das die Mini-Eiszeit verursacht haben könnte, aber die Wissenschaftler, die dies vorhersagten, waren sehr klar, dass sie keine neue Mini-Eiszeit vorhersagten, sagten sie, der Effekt sei geringer als der von CO2.

Hier ist die Mini-Eiszeitvorhersage, die ein paar Leute gemacht haben (aber nicht die Wissenschaftler, die die Forschung durchgeführt haben).

Hier ist ein Artikel, der erklärt, warum es nicht wahr ist.

Es gibt also viele schlechte und eine Handvoll falscher Aussagen in dem von Ihnen zitierten Artikel, der zugegebenermaßen nicht von Dr. Evans selbst verfasst wurde, aber dennoch fällt es mir schwer, ihn ernst zu nehmen.

Bis er seine Ergebnisse veröffentlicht, kann er weder bewiesen noch widerlegt werden, aber nach dem, was ich gelesen habe, fällt es mir schwer, ihn ernst zu nehmen. Meine Vermutung ist, dass er überhaupt nicht versucht, Wissenschaftler zu erreichen, aber er versucht, seine Zielgruppe zu erreichen. Diejenigen, die den Klimawandel in Frage stellen, und er gibt ihnen einen Namen und ein alternatives Argument, auf dem sie stehen können. Ein Argument muss nicht richtig sein, es muss nur richtig klingen und damit kannst du normalerweise einen Prozentsatz der Leute davon überzeugen, dir zuzustimmen.

Ich bin mir nicht sicher, wie viel das hilft, aber das ist meine Meinung und ich ging durch und versuchte, meine lange Antwort ein wenig zu bereinigen. Wenn Sie mir verzeihen, erinnert es mich an den alten Witz. Wie können Sie feststellen, dass Dr. David Evans lügt? Er redet oder schreibt. :-)

Die Arktis absorbiert mehr Sonnenlicht

Satelliteninstrumente der NASA haben seit dem Jahr 2000 einen deutlichen Anstieg der von der Arktis absorbierten Sonnenstrahlung beobachtet, ein Trend, der mit dem stetigen Rückgang des arktischen Meereises im gleichen Zeitraum übereinstimmt.

Während Meereis größtenteils weiß ist und Sonnenlicht reflektiert, ist das Meerwasser dunkler und absorbiert mehr Sonnenenergie. Ein Rückgang der arktischen Albedo (Reflexionsvermögen) ist ein zentrales Anliegen von Wissenschaftlern, seit die arktische Meereisdecke im Sommer in den letzten Jahrzehnten schrumpfte. Da mehr Sonnenenergie vom Ozean, der Luft und den eisigen Landmassen absorbiert wird, verstärkt dies die anhaltende Erwärmung in der Region, die so ausgeprägt ist wie nirgendwo sonst auf der Erde.

Die obigen Karten zeigen die Nettoänderung der von der Atmosphäre absorbierten Sonnenstrahlung über der Arktis von 2000 bis 2014 sowie die Nettoänderung der Meereisbedeckung im gleichen Zeitraum. Rotschattierungen zeigen Gebiete, die mehr Sonnenlicht absorbieren (obere Karte) und Gebiete mit weniger Eisbedeckung (zweite Karte). Die Strahlungsmessungen wurden mit den Instrumenten Clouds der NASA und des Radiant Energy System (CERES) der Erde durchgeführt, die auf mehreren Satelliten fliegen. Die Messungen der Meereisbedeckung wurden aus mehreren Satellitenmissionen des National Snow and Ice Data Center zusammengestellt. Schalten Sie das Bildvergleichstool ein, um zu sehen, wie die Zunahme der absorbierten Energie mit der Abnahme der Eisbedeckung übereinstimmt.

Seit dem Jahr 2000 ist die Rate, mit der die Arktis Sonnenstrahlung im Juni, Juli und August absorbiert, um 5 Prozent gestiegen, sagte Norman Loeb, leitender Forscher für CERES und Klimawissenschaftler am Langley Research Center der NASA. Auch wenn ein Anstieg um 5 Prozent nicht viel erscheinen mag, bedenken Sie, dass die globale Rate in dieser Zeit im Wesentlichen unverändert geblieben ist. Keine andere Region der Erde zeigt einen Trend des Wandels.

Im Durchschnitt über den gesamten Arktischen Ozean beträgt die Zunahme der absorbierten Sonnenstrahlung etwa 10 Watt pro Quadratmeter. Dies entspricht einer zusätzlichen 10-Watt-Glühbirne, die den ganzen Sommer lang kontinuierlich über alle 10,76 Quadratfuß des Arktischen Ozeans leuchtet. Regional sei der Anstieg noch größer, stellte Loeb fest. Gebiete wie die Beaufortsee, die den stärksten Rückgang der Meereisbedeckung erfahren hat, weisen einen Anstieg von 50 Watt pro Quadratmeter auf.

Als Region weist die Arktis dramatischere Anzeichen des Klimawandels auf als jeder andere Teil der Erde. Dazu gehören eine zwei- bis dreimal stärkere Erwärmung der Lufttemperaturen als auf dem Rest des Planeten und der Verlust der Meereisausdehnung im September mit einer Rate von 13 Prozent pro Jahrzehnt.

Die Messungen des Strahlungshaushalts von CERES könnten letztendlich ein weiteres Zeichen für einen dramatischen Klimawandel werden, aber Wissenschaftler warnen vorerst, dass sie nur das Nötigste an Datensätzen erhalten haben, die erforderlich sind, um langfristig zu erkennen, was passiert. &bdquoWir brauchen lange Zeitreihen, um Klimaänderungssignale über die interne Variabilität zu erkennen&rdquo, sagte Jennifer Kay, Atmosphärenwissenschaftlerin am Cooperative Institute for Research and Environmental Science an der University of Colorado. &bdquoBeispielsweise lässt sich der beobachtete Meereisverlust der letzten 30 Jahre nicht allein durch natürliche Variabilität erklären. Fünfzehn Jahre sind lang, aber das Klima wird oft als Durchschnitt über 30 Jahre definiert, sodass wir mit den CERES-Beobachtungen erst auf halbem Weg sind.&rdquo

Die zunehmende Absorption der Sonnenstrahlung führt zu mehreren Veränderungen der Meereisbedeckung, sagte Walt Meier, ein Meereiswissenschaftler vom Goddard Space Flight Center der NASA. Zwei dieser Änderungen umfassen den Zeitpunkt der Schmelzsaison und den Verlust von älterem, dickerem Meereis. Die Schmelzsaison in der hohen Arktis beginnt jetzt durchschnittlich sieben Tage früher als 1982, und ein früheres Schmelzen kann zu einer erhöhten Absorption der Sonnenstrahlung führen. Und seit 2000 hat die Arktis 1,4 Millionen Quadratkilometer (541.000 Quadratmeilen) älteres, mehrjähriges Eis (mehr als 3 Meter dick) verloren, das laut Daten im Wesentlichen durch Eis mit einer Dicke von weniger als 2 Metern ersetzt wurde zur Verfügung gestellt von Mark Tschudi von der University of Colorado. Beide Trends ernähren sich voneinander, stellte Meier fest.

CERES-Instrumente fliegen derzeit auf den Satelliten Terra, Aqua und Suomi-NPP. Die Instrumente umfassen drei Radiometer: eines misst die von der Erde reflektierte Sonnenstrahlung (Kurzwelle), eines misst die von der Erde emittierte thermische Infrarotstrahlung (Langwelle) und eines misst die gesamte ausgehende Strahlung, egal ob emittiert oder reflektiert.

NASA Earth Observatory Bilder von Jesse Allen basierend auf Daten des Norman Loeb/CERES Wissenschaftsteams und des National Sniw and Ice Data Center. Angepasst von einer NASA-Pressemitteilung von Patrick Lynch.

Satelliten bestätigen, dass die Arktis in den letzten 15 Jahren mehr Sonnenstrahlung absorbiert hat, ein Trend, der mit einem Rückgang des Meereises und einer Zunahme des offenen Wassers einhergeht.

Wie viel Wärme wird durch das Zu- und Abnehmen der reflektierten Strahlung der Sonne erzeugt? - Astronomie

Die Sonne ist ein gewöhnlicher Stern, einer von etwa 100 Milliarden in unserer Galaxie, der Milchstraße. Die Sonne hat äußerst wichtige Einflüsse auf unseren Planeten: Sie steuert Wetter, Meeresströmungen, Jahreszeiten und Klima und ermöglicht durch Photosynthese Pflanzenleben.

Biologie, Geowissenschaften, Astronomie, Physik

Die Sonne ist ein gewöhnlicher Stern, einer von etwa 100 Milliarden in unserer Galaxie, der Milchstraße. Die Sonne hat äußerst wichtige Einflüsse auf unseren Planeten: Sie steuert Wetter, Meeresströmungen, Jahreszeiten und Klima und ermöglicht durch Photosynthese Pflanzenleben. Ohne die Wärme und das Licht der Sonne gäbe es nicht alles, was das Leben auf der Erde ermöglicht.

Vor etwa 4,5 Milliarden Jahren begann die Sonne aus einer Molekülwolke Gestalt anzunehmen, die hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium bestand. Eine nahegelegene Supernova strahlte eine Stoßwelle aus, die mit der Molekülwolke in Kontakt kam und sie mit Energie versorgte. Die Molekülwolke begann sich zu komprimieren, und einige Gasregionen kollabierten unter ihrer eigenen Anziehungskraft. Als eine dieser Regionen zusammenbrach, begann sie sich auch zu drehen und sich durch den zunehmenden Druck zu erwärmen. Ein Großteil des Wasserstoffs und Heliums blieb im Zentrum dieser heißen, rotierenden Masse. Schließlich erhitzten sich die Gase genug, um die Kernfusion zu beginnen, und wurden zur Sonne in unserem Sonnensystem.

Andere Teile der Molekülwolke kühlten sich zu einer Scheibe um die brandneue Sonne ab und wurden zu Planeten, Asteroiden, Kometen und anderen Körpern in unserem Sonnensystem.

Entfernung von der Erde

Die Sonne ist etwa 150 Millionen Kilometer (93 Millionen Meilen) von der Erde entfernt. Diese Entfernung, die als astronomische Einheit (AE) bezeichnet wird, ist ein Standardmaß für die Entfernung für Astronomen und Astrophysiker.

Eine AU kann mit Lichtgeschwindigkeit oder der Zeit gemessen werden, die ein Lichtphoton braucht, um von der Sonne zur Erde zu gelangen. Das Licht auf der Sonne braucht etwa acht Minuten und 19 Sekunden, um die Erde zu erreichen.

Der Radius der Sonne oder die Entfernung vom Zentrum bis zu den äußeren Grenzen beträgt etwa 700.000 Kilometer (432.000 Meilen). Diese Entfernung ist etwa 109-mal so groß wie der Erdradius. Die Sonne hat nicht nur einen viel größeren Radius als die Erde – sie ist auch viel massereicher. Die Masse der Sonne ist mehr als 333.000 Mal so groß wie die der Erde und enthält etwa 99,8 Prozent der gesamten Masse des gesamten Sonnensystems!

Bestehend aus Gasen

Die Sonne besteht aus einer lodernden Kombination von Gasen. Diese Gase liegen tatsächlich in Form von Plasma vor. Plasma ist ein gasähnlicher Aggregatzustand, bei dem jedoch die meisten Teilchen ionisiert sind. Dies bedeutet, dass die Teilchen eine erhöhte oder verringerte Anzahl von Elektronen haben.

Etwa drei Viertel der Sonne besteht aus Wasserstoff, der ständig miteinander verschmilzt und durch einen Prozess namens Kernfusion Helium erzeugt. Helium macht fast das gesamte restliche Viertel aus. Ein sehr kleiner Prozentsatz (1,69 Prozent) der Sonnenmasse besteht aus anderen Gasen und Metallen: Eisen, Nickel, Sauerstoff, Silizium, Schwefel, Magnesium, Kohlenstoff, Neon, Kalzium und Chrom. Diese 1,69 Prozent mögen unbedeutend erscheinen, aber ihre Masse beträgt immer noch das 5.628-fache der Masse der Erde.

Die Sonne ist keine feste Masse. Es hat keine leicht identifizierbaren Grenzen wie felsige Planeten wie die Erde. Stattdessen besteht die Sonne aus Schichten, die fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium bestehen. Diese Gase erfüllen in jeder Schicht unterschiedliche Funktionen, und die Schichten der Sonne werden anhand ihres prozentualen Anteils am Gesamtradius der Sonne gemessen.

Die Sonne wird von einem Magnetfeld durchdrungen und etwas kontrolliert. Das Magnetfeld wird durch eine Kombination von drei komplexen Mechanismen definiert: einem kreisförmigen elektrischen Strom, der durch die Sonne fließt, Schichten der Sonne, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen, und der Fähigkeit der Sonne, Elektrizität zu leiten. In der Nähe des Äquators der Sonne bilden magnetische Feldlinien kleine Schleifen in der Nähe der Oberfläche. Magnetische Feldlinien, die durch die Pole fließen, erstrecken sich viel weiter, Tausende von Kilometern, bevor sie zum entgegengesetzten Pol zurückkehren.

Die Sonne dreht sich wie die Erde um ihre eigene Achse. Die Sonne dreht sich gegen den Uhrzeigersinn und braucht zwischen 25 und 35 Tage, um eine einzelne Umdrehung zu vollenden.

Die Sonne kreist im Uhrzeigersinn um das Zentrum der Milchstraße. Seine Umlaufbahn ist zwischen 24.000 und 26.000 Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entfernt. Die Sonne braucht etwa 225 Millionen bis 250 Millionen Jahre, um einmal um das galaktische Zentrum zu kreisen.

Elektromagnetische Strahlung

Die Energie der Sonne gelangt mit Lichtgeschwindigkeit in Form von elektromagnetischer Strahlung zur Erde.

Das elektromagnetische Spektrum existiert als Wellen unterschiedlicher Frequenzen und Wellenlängen.

Die Frequenz einer Welle gibt an, wie oft sich die Welle in einer bestimmten Zeiteinheit wiederholt. Wellen mit sehr kurzen Wellenlängen wiederholen sich in einer bestimmten Zeiteinheit mehrmals, sind also hochfrequente Wellen. Im Gegensatz dazu haben niederfrequente Wellen viel längere Wellenlängen.

Die allermeisten elektromagnetischen Wellen, die von der Sonne ausgehen, sind für uns unsichtbar. Die von der Sonne emittierten hochfrequenten Wellen sind Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und ultraviolette Strahlung (UV-Strahlen). Die schädlichsten UV-Strahlen werden fast vollständig von der Erdatmosphäre absorbiert. Weniger starke UV-Strahlen wandern durch die Atmosphäre und können Sonnenbrand verursachen.

Die Sonne sendet Strahlung aus

Die Sonne sendet auch Infrarotstrahlung aus, deren Wellen viel niedriger sind. Die meiste Wärme von der Sonne kommt als Infrarotenergie an.

Zwischen Infrarot und UV liegt das sichtbare Spektrum, das alle Farben enthält, die wir auf der Erde sehen. Die Farbe Rot hat die längsten Wellenlängen (am nächsten zum Infrarot) und Violett (am nächsten zum UV) die kürzesten.

Die Sonne selbst ist weiß, das heißt, sie enthält alle Farben des sichtbaren Spektrums. Die Sonne erscheint orangegelb, weil das blaue Licht, das sie aussendet, eine kürzere Wellenlänge hat und in der Atmosphäre gestreut wird – der gleiche Prozess, der den Himmel blau erscheinen lässt. Astronomen nennen die Sonne jedoch einen "gelben Zwerg", weil ihre Farben in den gelbgrünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums fallen.

Entwicklung der Sonne

Obwohl die Sonne alles Leben auf unserem Planeten erhalten hat, wird sie nicht ewig scheinen. Die Sonne existiert bereits seit etwa 4,5 Milliarden Jahren.

Der Prozess der Kernfusion, der die Wärme und das Licht erzeugt, die das Leben auf unserem Planeten ermöglichen, ist auch der Prozess, der die Zusammensetzung der Sonne langsam verändert. Durch die Kernfusion verbraucht die Sonne ständig den Wasserstoff in ihrem Kern. Jede Sekunde verschmilzt die Sonne rund 620 Millionen Tonnen Wasserstoff zu Helium.

In dieser Lebensphase der Sonne besteht ihr Kern zu 74 Prozent aus Wasserstoff. In den nächsten fünf Milliarden Jahren wird die Sonne den größten Teil ihres Wasserstoffs verbrennen und Helium wird zu ihrer wichtigsten Brennstoffquelle.

In diesen 5 Milliarden Jahren wird die Sonne vom "Gelben Zwerg" zum "Roten Riesen". Wenn fast der gesamte Wasserstoff im Kern der Sonne verbraucht ist, zieht sich der Kern zusammen und erwärmt sich, wodurch die Menge der stattfindenden Kernfusion erhöht wird. Die äußeren Schichten der Sonne werden sich durch diese zusätzliche Energie ausdehnen.

Die Sonne wird sich auf das 200-fache ihres aktuellen Radius ausdehnen und Merkur und Venus verschlucken.

Auswirkungen auf die Erdumlaufbahn

Astrophysiker diskutieren, ob sich die Umlaufbahn der Erde über die Reichweite der Sonne hinaus ausdehnen würde oder ob unser Planet auch von der Sonne verschlungen würde.

Wenn sich die Sonne ausdehnt, verteilt sie ihre Energie über eine größere Oberfläche, was insgesamt einen kühlenden Effekt auf den Stern hat. Diese Abkühlung verschiebt das sichtbare Licht der Sonne in eine rötliche Farbe und einen roten Riesen.

Schließlich erreicht der Sonnenkern eine Temperatur von etwa 100 Millionen auf der Kelvin-Skala, der üblichen wissenschaftlichen Skala zur Temperaturmessung. Wenn es diese Temperatur erreicht, beginnt Helium zu verschmelzen, um Kohlenstoff zu erzeugen, ein viel schwereres Element. Dies führt zu intensivem Sonnenwind und anderen Sonnenaktivitäten, die schließlich die gesamten äußeren Sonnenschichten abwerfen. Die Phase des Roten Riesen ist vorbei. Nur der Kohlenstoffkern der Sonne bleibt übrig, und als „weißer Zwerg“ wird er keine Energie erzeugen oder abgeben.

Struktur der Sonne

Die Sonne besteht aus sechs Schichten: Kern, Strahlungszone, Konvektionszone, Photosphäre, Chromosphäre und Korona.

Der Kern der Sonne, mehr als 1.000-mal so groß wie die Erde und mehr als 10-mal dichter als Blei, ist ein riesiger Ofen. Die Temperaturen im Kern übersteigen 15,7 Millionen Kelvin (ebenfalls 15,7 Millionen Grad Celsius oder 28 Millionen Grad Fahrenheit). Der Kern erstreckt sich auf etwa 25 Prozent des Sonnenradius.

Der Kern ist der einzige Ort, an dem Kernfusionsreaktionen stattfinden können. Die anderen Schichten der Sonne werden durch die dort erzeugte Kernenergie erwärmt. Protonen von Wasserstoffatomen kollidieren heftig und verschmelzen oder verbinden sich zu einem Heliumatom.

Dieser Prozess, bekannt als PP (Proton-Proton)-Kettenreaktion, emittiert eine enorme Energiemenge. Die Energie, die während einer Sekunde der Sonnenfusion freigesetzt wird, ist viel größer als die, die bei der Explosion von Hunderttausenden von Wasserstoffbomben freigesetzt wird.

Bei der Kernfusion im Kern werden zwei Arten von Energie freigesetzt: Photonen und Neutrinos. Diese Teilchen tragen und emittieren das Licht, die Wärme und die Energie der Sonne. Photonen sind die kleinsten Teilchen des Lichts und anderer elektromagnetischer Strahlung. Neutrinos sind schwieriger zu erkennen und machen nur etwa zwei Prozent der Gesamtenergie der Sonne aus. Die Sonne emittiert ständig sowohl Photonen als auch Neutrinos in alle Richtungen.

Die Strahlungszone der Sonne beginnt bei etwa 25 Prozent des Radius und erstreckt sich bis etwa 70 Prozent des Radius. In dieser breiten Zone kühlt die Wärme aus dem Kern dramatisch ab, von sieben Millionen auf zwei Millionen Kelvin (sieben Millionen bis zwei Millionen Grad Celsius, 12,6 Millionen bis 3,6 Millionen Grad Fahrenheit).

In der Strahlungszone wird Energie durch einen Prozess übertragen, der als Wärmestrahlung bezeichnet wird. Während dieses Prozesses legen Photonen, die im Kern freigesetzt wurden, eine kurze Strecke zurück, werden von einem nahegelegenen Ion absorbiert, von diesem Ion freigesetzt und von einem anderen wieder absorbiert. Ein Photon kann diesen Prozess fast 200.000 Jahre lang fortsetzen!

Zwischen der Strahlungszone und der nächsten Schicht, der Konvektionszone, befindet sich eine Übergangszone, die als Tachokline bezeichnet wird. Diese Region entsteht durch die unterschiedliche Rotation der Sonne.

Differentielle Rotation tritt auf, wenn verschiedene Teile eines Objekts mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren. Die Sonne besteht aus Gasen, die in verschiedenen Schichten und Breitengraden unterschiedliche Prozesse durchlaufen. Der Äquator der Sonne dreht sich beispielsweise viel schneller als ihre Pole.

Die Rotationsgeschwindigkeit der Sonne ändert sich in der Tachokline schnell.

Bei etwa 70 Prozent des Sonnenradius beginnt die Konvektionszone. In dieser Zone ist die Temperatur der Sonne nicht heiß genug, um Energie durch Wärmestrahlung zu übertragen. Stattdessen überträgt es Wärme durch thermische Konvektion durch thermische Säulen.

Ähnlich wie Wasser, das in einem Topf kocht, oder heißes Wachs in einer Lavalampe, werden Gase tief in der Konvektionszone der Sonne erhitzt und "kochen" durch thermische Säulen nach außen, weg vom Sonnenkern. Wenn die Gase die äußeren Grenzen der Konvektionszone erreichen, kühlen sie ab und tauchen zum Boden der Konvektionszone zurück, um wieder erhitzt zu werden.

Die Photosphäre ist die leuchtend gelbe, sichtbare "Oberfläche" der Sonne. Die Photosphäre ist etwa 400 Kilometer (250 Meilen) dick und die Temperaturen dort erreichen etwa 6.000 K (5.700 ° C, 10.300 ° F).

In der Photosphäre sind die thermischen Säulen der Konvektionszone sichtbar, die wie kochendes Hafermehl sprudeln. Durch leistungsstarke Teleskope erscheinen die Spitzen der Säulen als Körnchen, die sich über die Sonne drängen. Jedes Granulat hat ein helles Zentrum, das das heiße Gas ist, das durch eine thermische Säule aufsteigt. Die dunklen Ränder der Körnchen sind das kühle Gas, das durch die Säule zum Boden der Konvektionszone zurücksteigt.

Obwohl die Spitzen der Thermosäulen wie kleine Körnchen aussehen, haben sie normalerweise einen Durchmesser von mehr als 1.000 Kilometern. Die meisten thermischen Säulen existieren etwa acht bis 20 Minuten, bevor sie sich auflösen und neue Säulen bilden. Es gibt auch "Supergranulate", die bis zu 30.000 Kilometer (18.641 Meilen) groß sein können und bis zu 24 Stunden halten.

Sonnenflecken, Sonneneruptionen und Sonnenprotuberanzen nehmen in der Photosphäre Gestalt an, obwohl sie das Ergebnis von Prozessen und Störungen in anderen Schichten der Sonne sind.

Ein Sonnenfleck ist genau das, wonach es sich anhört&mdasha dunkler Fleck auf der Sonne. Ein Sonnenfleck bildet sich, wenn eine starke magnetische Aktivität in der Konvektionszone eine thermische Säule bricht. An der Spitze der zerbrochenen Säule (sichtbar in der Photosphäre) wird die Temperatur vorübergehend gesenkt, da heiße Gase sie nicht erreichen.

Der Prozess der Bildung von Sonnenflecken öffnet eine Verbindung zwischen der Korona (der äußersten Schicht der Sonne) und dem Inneren der Sonne. Aus dieser Öffnung strömt Sonnenmaterie in Formationen, die Sonneneruptionen genannt werden. Diese Explosionen sind massiv: In wenigen Minuten setzen Sonneneruptionen das Äquivalent von etwa 160 Milliarden Megatonnen TNT frei, also etwa ein Sechstel der Gesamtenergie, die die Sonne in einer Sekunde freisetzt.

Wolken von Ionen, Atomen und Elektronen brechen aus Sonneneruptionen aus und erreichen die Erde in etwa zwei Tagen. Sonneneruptionen und Sonnenprotuberanzen tragen zum Weltraumwetter bei, das Störungen der Erdatmosphäre und des Magnetfelds verursachen sowie Satelliten- und Telekommunikationssysteme stören kann.

Photosphäre: Koronale Massenauswürfe

Koronale Massenauswürfe (CMEs) sind eine andere Art von Sonnenaktivität, die durch die ständige Bewegung und Störungen im Magnetfeld der Sonne verursacht wird. CMEs bilden sich typischerweise in der Nähe der aktiven Regionen von Sonnenflecken, obwohl die Korrelation zwischen den beiden nicht nachgewiesen wurde. Die Ursache von CMEs wird noch untersucht, und es wird vermutet, dass Störungen in der Photosphäre oder Korona zu diesen gewaltigen Sonnenexplosionen führen.

Sonnenvorsprünge sind helle Schleifen aus Sonnenmaterie. Sie können weit in die koronale Schicht der Sonne eindringen und sich Hunderte von Kilometern pro Sekunde ausdehnen. Diese gekrümmten und verdrehten Merkmale können Hunderttausende von Kilometern Höhe und Breite erreichen und von einigen Tagen bis zu einigen Monaten dauern.

Sonnenvorsprünge sind kühler als die Korona und erscheinen als dunklere Strähnen gegen die Sonne. Aus diesem Grund werden sie auch als Filamente bezeichnet.

Die Sonne emittiert nicht ständig Sonnenflecken und Sonnenejekta, sie durchläuft einen Zyklus von etwa 11 Jahren. Während dieses Sonnenzyklus ändert sich die Frequenz der Sonneneruptionen. Während der Sonnenmaxima kann es mehrere Flares pro Tag geben. Während der Sonnenminimums kann es weniger als eine pro Woche geben.

Der Sonnenzyklus wird durch die Magnetfelder der Sonne definiert, die sich um die Sonne schlingen und sich an den beiden Polen verbinden. Alle 11 Jahre kehren sich die Magnetfelder um und verursachen eine Störung, die zu Sonnenaktivität und Sonnenflecken führt.

Der Sonnenzyklus kann Auswirkungen auf das Erdklima haben. So spaltet das ultraviolette Licht der Sonne beispielsweise Sauerstoff in der Stratosphäre und stärkt die schützende Ozonschicht der Erde. Während des Sonnenminimums gibt es geringe Mengen an UV-Strahlen, was bedeutet, dass die Ozonschicht der Erde vorübergehend ausgedünnt wird. Dadurch können mehr UV-Strahlen in die Erdatmosphäre eindringen und diese erwärmen.

Die Sonnenatmosphäre ist die heißeste Region der Sonne. Es besteht aus der Chromosphäre, der Korona und einer Übergangszone, die als solare Übergangsregion bezeichnet wird und die beiden verbindet.

Die Sonnenatmosphäre wird durch das helle Licht der Photosphäre verdeckt und ist ohne spezielle Instrumente selten zu sehen. Nur bei Sonnenfinsternissen, wenn sich der Mond zwischen Erde und Sonne bewegt und die Photosphäre verbirgt, können diese Schichten mit bloßem Auge gesehen werden.

Die rosa-rote Chromosphäre ist etwa 2.000 Kilometer dick und von heißen Gasstrahlen durchzogen.

Am unteren Rand der Chromosphäre, wo sie auf die Photosphäre trifft, ist die Sonne bei etwa 4.400 K (4.100 ° C, 7.500 ° F) am kühlsten. Diese niedrige Temperatur verleiht der Chromosphäre ihre rosa Farbe. Die Temperatur in der Chromosphäre nimmt mit der Höhe zu und erreicht am äußeren Rand der Region 25.000 k (25.000 ° C, 45 000 ° F).

Die Chromosphäre gibt Strahlen brennender Gase ab, die Spiculae genannt werden, ähnlich wie Sonneneruptionen. Diese feurigen Gaswolken ragen wie lange, flammende Finger aus der Chromosphäre und haben normalerweise einen Durchmesser von etwa 500 Kilometern. Spicules dauern nur etwa 15 Minuten, können aber Tausende von Kilometern Höhe erreichen, bevor sie zusammenbrechen und sich auflösen.

Die solare Übergangsregion (STR) trennt die Chromosphäre von der Korona.

Unterhalb des STR werden die Sonnenschichten kontrolliert und bleiben aufgrund der Schwerkraft, des Gasdrucks und der verschiedenen Prozesse des Energieaustauschs getrennt. Oberhalb des STR sind die Bewegung und Form der Ebenen viel dynamischer. Sie werden von magnetischen Kräften dominiert. Diese magnetischen Kräfte können Sonnenereignisse wie koronale Schleifen und den Sonnenwind in die Tat umsetzen.

Der Zustand von Helium in diesen beiden Regionen weist ebenfalls Unterschiede auf. Unterhalb des STR wird Helium teilweise ionisiert. Dies bedeutet, dass es noch ein Elektron hat, aber noch eines übrig hat. Um den STR nimmt Helium etwas mehr Wärme auf und verliert sein letztes Elektron. Seine Temperatur steigt auf fast eine Million k (eine Million °C, 1,8 Mio. °F).

Die Korona ist die zarte äußerste Schicht der Sonnenatmosphäre und kann sich über Millionen von Kilometern in den Weltraum erstrecken. Gase in der Korona brennen mit etwa einer Million k (1 Million ° C, 1,8 Millionen ° F) und bewegen sich etwa 145 Kilometer (90 Meilen) pro Sekunde.

Einige der Partikel erreichen eine Austrittsgeschwindigkeit von 400 Kilometern pro Sekunde (249 Meilen pro Sekunde). Sie entkommen der Anziehungskraft der Sonne und werden zum Sonnenwind. Der Sonnenwind weht von der Sonne bis zum Rand des Sonnensystems.

Andere Partikel bilden koronale Schleifen. Koronale Schleifen sind Ausbrüche von Partikeln, die sich zu einem nahegelegenen Sonnenfleck zurückkrümmen.

In der Nähe der Sonnenpole befinden sich koronale Löcher. Diese Bereiche sind kälter und dunkler als andere Sonnenregionen und lassen einige der sich am schnellsten bewegenden Teile des Sonnenwinds durch.

Der Sonnenwind ist ein Strom extrem heißer, geladener Teilchen, die aus der oberen Atmosphäre der Sonne herausgeschleudert werden. Dies bedeutet, dass die Sonne alle 150 Millionen Jahre eine Masse verliert, die der Masse der Erde entspricht. Aber selbst bei dieser Verlustrate hat die Sonne nur etwa 0,01 Prozent ihrer Gesamtmasse durch Sonnenwind verloren.

Der Sonnenwind weht in alle Richtungen. Es bewegt sich mit dieser Geschwindigkeit für etwa 10 Milliarden Kilometer weiter.

Ein Teil der Teilchen im Sonnenwind rutscht durch das Erdmagnetfeld und in die obere Atmosphäre in der Nähe der Pole. Wenn sie mit der Atmosphäre kollidieren, bringen diese geladenen Partikel die Atmosphäre zum Leuchten und erzeugen Polarlichter, bunte Lichtspiele, die als Nord- und Südlicht bekannt sind. Sonnenwinde können auch Sonnenstürme verursachen. Diese Stürme können Satelliten stören und Stromnetze auf der Erde zerstören.

Der Sonnenwind füllt die Heliosphäre, die massive Blase geladener Teilchen, die das Sonnensystem umgibt.

Der Sonnenwind verlangsamt sich schließlich in der Nähe der Grenze der Heliosphäre, an einer theoretischen Grenze, die als Heliopause bezeichnet wird. Diese Grenze trennt die Materie und Energie unseres Sonnensystems von der Materie in benachbarten Sternensystemen und dem interstellaren Medium.

Das interstellare Medium ist der Raum zwischen Sternensystemen. Der Sonnenwind, der Milliarden von Kilometern zurückgelegt hat, kann sich nicht über das interstellare Medium hinaus erstrecken.

Die Sonne studieren

Die Sonne war nicht immer Gegenstand wissenschaftlicher Entdeckungen und Untersuchungen. Jahrtausende lang war die Sonne in Kulturen auf der ganzen Welt als Gott, Göttin oder Symbol des Lebens bekannt.

Für die alten Azteken war die Sonne eine mächtige Gottheit, bekannt als Tonatiuh, die Menschenopfer erforderte, um über den Himmel zu reisen. In der baltischen Mythologie war die Sonne eine Göttin namens Saule, die Fruchtbarkeit und Gesundheit brachte. Die chinesische Mythologie besagt, dass die Sonne der einzige verbleibende von 10 Sonnengöttern ist.

Im Jahr 150 n. Chr. erstellte der griechische Gelehrte Claudius Ptolemäus ein geozentrisches Modell des Sonnensystems, in dem sich Mond, Planeten und Sonne um die Erde drehten. Erst im 16. Jahrhundert verwendete der polnische Astronom Nicolaus Copernicus mathematische und wissenschaftliche Argumente, um zu beweisen, dass Planeten um die Sonne rotierten. Dieses heliozentrische Modell verwenden wir heute.

Im 17. Jahrhundert ermöglichte das Teleskop den Menschen, die Sonne im Detail zu untersuchen. Die Sonne ist viel zu hell, als dass wir sie mit ungeschützten Augen studieren könnten. Mit einem Teleskop war es erstmals möglich, ein klares Bild der Sonne zur Untersuchung auf eine Leinwand zu projizieren.

Der englische Wissenschaftler Sir Isaac Newton benutzte ein Teleskop und ein Prisma, um das Licht der Sonne zu streuen, und bewies, dass Sonnenlicht tatsächlich aus einem Spektrum von Farben besteht.

Entdeckung von Infrarot- und Ultraviolettlicht

Im Jahr 1800 wurde entdeckt, dass infrarotes und ultraviolettes Licht außerhalb des sichtbaren Spektrums existiert. Ein optisches Instrument namens Spektroskop ermöglichte es, sichtbares Licht und andere elektromagnetische Strahlung in ihre verschiedenen Wellenlängen zu zerlegen. Die Spektroskopie half den Wissenschaftlern auch, Gase in der Atmosphäre der Sonne zu identifizieren, und jedes Element hat ein eigenes Wellenlängenmuster.

Die Methode, mit der die Sonne ihre Energie erzeugte, blieb jedoch ein Rätsel. Viele Wissenschaftler stellten die Hypothese auf, dass sich die Sonne zusammenzieht und dabei Wärme abgibt.

1868 untersuchte der englische Astronom Joseph Norman Lockyer das elektromagnetische Spektrum der Sonne. Er beobachtete helle Linien in der Photosphäre, die keine Wellenlänge eines bekannten Elements auf der Erde hatten. Er vermutete, dass es ein isoliertes Element auf der Sonne gab und nannte es Helium nach dem griechischen Sonnengott Helios.

In den nächsten 30 Jahren kamen Astronomen zu dem Schluss, dass die Sonne einen heißen, unter Druck stehenden Kern hat, der in der Lage ist, durch Kernfusion enorme Energiemengen zu produzieren.

Die Technologie verbesserte sich weiter und ermöglichte es Wissenschaftlern, neue Merkmale der Sonne zu entdecken. Infrarotteleskope wurden in den 1960er Jahren erfunden und Wissenschaftler beobachteten Energie außerhalb des sichtbaren Spektrums. Astronomen des 20. Jahrhunderts benutzten Ballons und Raketen, um spezialisierte Teleskope hoch über die Erde zu schicken, und untersuchten die Sonne ohne jegliche Störung durch die Erdatmosphäre.

Die Sonne aus dem Weltraum studieren

Solrad 1 war die erste Raumsonde zur Erforschung der Sonne und wurde 1960 von den Vereinigten Staaten gestartet. In diesem Jahrzehnt schickte die NASA fünf Pioneer-Satelliten, um die Sonne zu umkreisen und Informationen über den Stern zu sammeln.

1980 startete die NASA eine Mission während des Sonnenmaximums, um Informationen über die hochfrequenten Gammastrahlen, UV-Strahlen und Röntgenstrahlen zu sammeln, die bei Sonneneruptionen emittiert werden.

Das Sonnen- und Heliosphären-Observatorium (SOHO) wurde in Europa entwickelt und 1996 in die Umlaufbahn gebracht, um Informationen zu sammeln. SOHO prognostiziert auch Weltraumwetter.

Voyager 1 und 2 sind Raumschiffe, die an den Rand der Heliosphäre reisen, um herauszufinden, woraus die Atmosphäre besteht, wo Sonnenwind auf das interstellare Medium trifft. Voyager 1 2012 diese Grenze überschritten und cross Voyager 2 tat dies im Jahr 2018.

Eine weitere Entwicklung in der Erforschung der Sonne ist die Helioseismologie, das Studium der Sonnenwellen. Es wird angenommen, dass die Turbulenz der Konvektionszone zu Sonnenwellen beiträgt, die kontinuierlich Sonnenmaterial zu den äußeren Schichten der Sonne übertragen. Durch das Studium dieser Wellen verstehen Wissenschaftler mehr über das Innere der Sonne und die Ursache der Sonnenaktivität.

Sonnenenergie

Sonnenlicht liefert Pflanzen und anderen Produzenten im Nahrungsnetz das notwendige Licht und die notwendige Energie. Diese Produzenten absorbieren die Sonnenstrahlung und wandeln sie durch einen Prozess namens Photosynthese in Energie um.

Produzenten sind meist Pflanzen (an Land) und Algen (in aquatischen Regionen). Sie sind die Grundlage des Nahrungsnetzes und ihre Energie und Nährstoffe werden an jeden anderen lebenden Organismus weitergegeben.

Die Photosynthese ist auch für alle fossilen Brennstoffe auf der Erde verantwortlich. Wissenschaftler schätzen, dass sich vor etwa drei Milliarden Jahren die ersten Produzenten in aquatischen Umgebungen entwickelten. Sonnenlicht ermöglichte dem Pflanzenleben, zu gedeihen und sich anzupassen. Nachdem die Pflanzen abgestorben waren, zersetzten sie sich und wanderten tiefer in die Erde, manchmal Tausende von Metern. Dieser Prozess dauerte Millionen von Jahren.

Unter starkem Druck und hohen Temperaturen wurden diese Überreste zu dem, was wir als fossile Brennstoffe kennen. Diese Mikroorganismen wurden zu Erdöl, Erdgas und Kohle.

Menschen haben Verfahren entwickelt, um diese fossilen Brennstoffe zu gewinnen und energetisch zu nutzen.Fossile Brennstoffe sind jedoch eine nicht erneuerbare Ressource. Sie brauchen Millionen von Jahren, um sich zu bilden.

Die Solarenergietechnik nutzt die Sonnenstrahlung und wandelt sie in Wärme, Licht oder Strom um.

Solarenergie ist eine erneuerbare Ressource, und viele Technologien können sie direkt für den Einsatz in Haushalten, Unternehmen, Schulen und Krankenhäusern nutzen. Einige Solarenergietechnologien umfassen Solarzellen und -paneele, Solarthermiekollektoren, Solarthermie und Solararchitektur.

Photovoltaik nutzt die Energie der Sonne, um Elektronen in Solarzellen zu beschleunigen und Strom zu erzeugen. Diese Form der Technologie ist weit verbreitet und kann Strom für ländliche Gebiete, große Kraftwerke, Gebäude und kleinere Geräte wie Parkuhren und Müllverdichter liefern.

Die Sonnenenergie kann auch durch eine Methode namens "konzentrierte Sonnenenergie" genutzt werden, bei der die Sonnenstrahlen reflektiert und durch Spiegel und Linsen vergrößert werden. Der verstärkte Sonnenstrahl erhitzt eine Flüssigkeit, die Dampf erzeugt und einen elektrischen Generator antreibt.

Solarstrom kann auch ohne Maschinen oder Elektronik gesammelt und verteilt werden. Dächer können beispielsweise begrünt oder weiß gestrichen werden, um die vom Gebäude aufgenommene Wärmemenge zu verringern und damit den Strombedarf für die Klimatisierung zu verringern. Das ist Solararchitektur.

Sonnenlicht ist reichlich vorhanden: In einer Stunde erhält die Erdatmosphäre genug Sonnenlicht, um den Strombedarf aller Menschen ein Jahr lang zu decken. Solartechnologie ist jedoch teuer und hängt von sonnigem und wolkenlosem Wetter vor Ort ab, um effektiv zu sein. Methoden zur Nutzung der Sonnenenergie werden noch entwickelt und verbessert.

Wie viel Wärme wird durch das Zu- und Abnehmen der reflektierten Strahlung der Sonne erzeugt? - Astronomie

Diese Seite ist eine von drei einführenden Einstrahlungskonzepten. Eine Übersicht finden Sie unter Sonneneinstrahlung. Die anderen beiden Seiten sind: Definitionen der Einstrahlung und Strahlungsarten.

Das Sonnenstrahlung das unseren himmel erfüllt, kann direkte, diffuse oder reflektierte strahlung sein.

Auf dieser Seite haben wir zuerst Erkläre den Unterschied zwischen den beiden Hauptkomponenten des Lichts am Himmel: Direktstrahlung und diffuse Strahlung.

Zweite, sprechen wir darüber, welche Bedingungen die Anteil diffuser Strahlung am Himmel und auch darüber, welche Orte die direkteste Strahlung haben und welche am wenigsten.

Dritte, erklären wir, warum geneigte Sonnenkollektoren tatsächlich etwas weniger diffuse Strahlung sammeln als ungekippte.

Schließlich, nach dem Abdecken reflektierte Strahlung und wie viel Schnee sich darauf auswirken kann, schließen wir mit Globalstrahlung.

Direktstrahlung vs. diffuse Strahlung

"Direktstrahlung" wird manchmal auch "Strahlstrahlung" oder "direkte Strahlstrahlung" genannt. Es wird verwendet, um die Sonnenstrahlung zu beschreiben, die sich auf einer geraden Linie von der Sonne bis zur Erdoberfläche ausbreitet.

"Diffuse Strahlung", hingegen beschreibt das Sonnenlicht, das von Molekülen und Partikeln in der Atmosphäre gestreut wurde, aber noch bis zur Erdoberfläche gelangt ist.

Direkte Strahlung hat eine bestimmte Richtung, aber diffuse Strahlung geht einfach in jede Richtung. Denn bei direkter Strahlung breiten sich die Strahlen alle in die gleiche Richtung aus, ein Objekt kann sie alle gleichzeitig blockieren. Deshalb Schatten werden nur produziert, wenn Direktstrahlung ist blockiert.

Verhältnis von direkter zu diffuser Strahlung

Wenn der Himmel klar ist und die Sonne sehr hoch am Himmel steht, Direktstrahlung beträgt etwa 85 % der gesamten Sonneneinstrahlung auf den Boden und diffuse Strahlung beträgt etwa 15 %. Wenn die Sonne am Himmel untergeht, steigt der Prozentsatz der diffusen Strahlung weiter an, bis er 40% erreicht, wenn die Sonne 10 über dem Horizont steht. 1

Auch atmosphärische Bedingungen wie Wolken und Verschmutzung erhöhen den Anteil der diffusen Strahlung. An einem extrem bewölkten Tag sind fast 100 % der Sonnenstrahlung diffuse Strahlung. Generell gilt: Je größer der Anteil der Diffusstrahlung, desto geringer die Gesamteinstrahlung.

Direkt/Diffus-Verhältnis variiert je nach Breitengrad und Klima

Der Anteil der diffusen Himmelsstrahlung ist an bewölkten Orten in höheren Breiten viel größer als an sonnigeren Orten in niedrigeren Breiten.

Außerdem ist der Anteil der diffusen Strahlung an der Gesamtstrahlung im Winter tendenziell höher als im Sommer an diesen bewölkten Orten in höheren Breitengraden. Die sonnigsten Orte weisen dagegen tendenziell weniger jahreszeitliche Schwankungen im Verhältnis zwischen diffuser und direkter Strahlung auf.

Vergleichen Sie als Beispiel London, Großbritannien (51 Nord, feuchtes und mildes Klima) mit Aden, Jemen (19,5 Nord trockenes und heißes Klima).

Im sonnigsten Monat Londons (Juni) beträgt die durchschnittliche tägliche Einstrahlung ca. 5,5 kWh/m 2 und davon sind ca. 50 % diffus. Im Dezember beträgt die Einstrahlung weniger als 1 kWh/m 2 und der weitaus größte Teil dieser Strahlung ist diffus.

Im sonnigsten Monat von Aden (Mai) beträgt die durchschnittliche tägliche Einstrahlung etwa 7 kWh/m 2 und weniger als 30 % der Strahlung sind diffus. Im Dezember beträgt die Einstrahlung ca. 5,25 kWh/m 2 und ca. 35 % sind diffuse Strahlung. 2

Gekippte Sonnenkollektoren sammeln weniger diffuse Strahlung

Wie in Sonnenwinkel und Sonneneinstrahlung besprochen, maximieren Sie die Menge an , wenn Sie Ihre Sonnenkollektoren so neigen, dass die Sonnenstrahlen in einem Winkel von 90 auf sie treffen Direktstrahlung die sie erhalten.

Da jedoch diffuse Strahlung im Allgemeinen ziemlich gleichmäßig über den Himmel verteilt ist, wird die diffuseste Strahlung gesammelt, wenn Ihre Sonnenkollektoren horizontal liegen.

Je steiler Ihre Sonnenkollektoren geneigt sind, desto weniger Himmel sind sie zugewandt und desto mehr diffuse Strahlung des Himmels wird ihnen entgangen. Wenn Ihre Sonnenkollektoren beispielsweise in einem 45-Winkel geneigt sind, zeigen sie etwa ein Viertel des Himmels weg und würden nur etwa drei Viertel der diffusen Strahlung am Himmel sammeln. (Quelle: 3)

Da die direkte Strahlung jedoch viel intensiver ist als die diffuse Strahlung, wird die von geneigten Solarmodulen vermisste Strahlungsmenge im Allgemeinen durch die zusätzliche Strahlung, die durch die Nachführung der Sonne gewonnen wird, mehr als ausgeglichen.

Nicht alle Technologien können diffuse Strahlung nutzen

Photovoltaik- und Solar-Warmwassersysteme können beides nutzen Direktstrahlung und diffuse Strahlung. Konzentrierte Solarenergie hingegen erfordert viel Direktstrahlung überhaupt viel zu tun.

Reflektierte Strahlung

Reflektierte Strahlung beschreibt Sonnenlicht, das von nicht-atmosphärischen Dingen wie dem Boden reflektiert wurde. Asphalt reflektiert etwa 4% des auftreffenden Lichts und ein Rasen etwa 25%. Sonnenkollektoren neigen jedoch dazu, von der Richtung des reflektierten Lichts weg geneigt zu sein, und die reflektierte Strahlung macht selten einen wesentlichen Teil des Sonnenlichts aus, das auf ihre Oberfläche trifft.

Eine Ausnahme bilden sehr schneereiche Bedingungen, die den Prozentsatz der reflektierten Strahlung manchmal sehr stark erhöhen können. Neuschnee reflektiert 80 bis 90 % der auftreffenden Strahlung. In Fairbanks, Alaska, USA (64,5 Nord) liegt im April und Mai noch Schnee auf dem Boden und der reflektierte Strahlungsanteil an der Gesamtstrahlung kann 25 % betragen. 4

Globale Sonneneinstrahlung

"Globale Sonneneinstrahlung" ist die Gesamteinstrahlung: direktes + diffuses + reflektiertes Licht. Oft wird es verwendet, um sich auf die Gesamteinstrahlung auf einer horizontalen Fläche zu beziehen, und wenn sie über die Gesamtstrahlung sprechen möchten, die mit einer bestimmten Neigung auf eine Fläche trifft, sagen sie so etwas wie "Gesamteinstrahlung auf einer XYZ-Neigung" usw.

"Normale Strahlung" beschreibt die Strahlung, die auf eine Oberfläche trifft, die im 90°-Winkel zu den Sonnenstrahlen steht. Wie in Sonnenwinkel und Sonneneinstrahlung besprochen, maximieren wir die an diesem Tag empfangene Direktstrahlung, indem wir unsere Sonnenkollektoren ständig in einem 90-Winkel zur Sonne halten.

Daher sagt uns die "normale Globalstrahlung" im Allgemeinen, was die absolut höchste Sonne ist, die wir bekommen könnten (wie weiter oben auf dieser Seite besprochen, wenn die gesamte Strahlung am Himmel diffus ist, legen Sie Ihre Sonnenkollektoren am besten einfach flach hin - obwohl in diesem Fall wirst du sowieso nicht viel Sonnenstrahlung sammeln).

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Fußnoten

1. p. 66, Enzyklopädie der Geomorphologie Autor: Mahammad Naqi Herausgeber: Anmol Publications Pvt Ltd Erscheinungsdatum: 2006).

2. Die Daten in diesem Abschnitt wurden aus den Tabellen auf S. 2 rekonstruiert. 77 von Photovoltaik für Europa: eine Bewertungsstudie Autoren: Michael R. Starr, Wolfgang Palz, Kommission der Europäischen Gemeinschaften Erscheinungsdatum: 1983

3. p. 416 Erneuerbare und effiziente Stromsysteme Autor: Gilbert M. Masters Herausgeber: John Wiley & Sons Erscheinungsdatum: 2004.

4. Diese Informationen wurden aus einem Diagramm eines Berichts rekonstruiert, der vom Cold Climate Housing and Research Center in Fairbanks, Alaska, erstellt wurde. Die Grafik ist hier: Leistung von PV-Generatoren.

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Wie viel Wärme wird durch das Zu- und Abnehmen der reflektierten Strahlung der Sonne erzeugt? - Astronomie

11.000 °F) und die viel kühlere Erde mit einer Oberflächentemperatur von 15 °C (

60 °F). Wellenlänge entlang der horizontalen Achse (gemessen in Mikrometer, wobei 1000 Mikrometer = 1 mm) gegen die emittierte Strahlungsmenge auf der vertikalen Achse aufgetragen. Beachten Sie, dass die Sonne die meiste Strahlung im sichtbaren Bereich aussendet (mit einigen Überschneidungen im UV- und IR-Bereich), während die Erde hauptsächlich Infrarotstrahlung aussendet.

Die von der Sonne auf die Erde einfallende Energie ist hauptsächlich sichtbares Sonnenlicht, das als „sichtbarer Teil des Spektrums elektromagnetischer Strahlung“ bezeichnet wird. Wir nehmen sichtbares Sonnenlicht als Farben von Violett (kurzwellige Strahlung) bis Rot (langwellige Strahlung) wahr. Die im Regenbogen zu sehende Farbfolge repräsentiert das Spektrum dieses Lichts, geordnet nach der Wellenlänge. Eine relativ geringe Energiemenge verlässt die Sonne als Strahlung mit kürzerer Wellenlänge ( Ultraviolett ) und als Strahlung mit längerer Wellenlänge ( Infrarot oder Wärmestrahlung ). Sichtbares Licht (die Farben des Regenbogens) nimmt den schmalen Teil des Spektrums zwischen den gestrichelten Linien in der ersten Abbildung ein. Das (unsichtbare) Licht mit Wellenlängen, die gerade kürzer als Violett sind, wird als „Ultraviolett“ bezeichnet, was „jenseits des Violetts“ bedeutet. Es wird in der Atmosphäre weitgehend absorbiert und nur eine bescheidene Menge dieses Lichts gelangt auf die Erdoberfläche. Dies ist ein Glücksfall, denn ultraviolettes Licht, abgekürzt „UV“, kann Haut und Netzhaut von Wirbeltieren schädigen und die Photosynthese von Algen und Pflanzen stören. Der Schutz vor UV-Licht erfolgt (unter anderem) durch die Ozonschicht in der unteren Stratosphäre (Auf die Ozonschicht wird später in Abschnitt 2.6 näher eingegangen). Das (unsichtbare) Licht mit Wellenlängen, die gerade länger als rot sind, wird als „Infrarot“ bezeichnet, was „unterhalb von Rot“ bedeutet und oft einfach als „IR“ bezeichnet wird. IR ist Wärmestrahlung, die von der Sonne kommt. Interessanterweise können einige Organismen, insbesondere einige Insekten, UV sehen und daran navigieren, während sich einige Schlangen an das Sehen im IR angepasst haben. (Weitere Informationen zu elektromagnetischer Strahlung finden Sie im Glossar unter Spektrum.)

Alle Objekte (außer sie haben eine Temperatur von null Grad Kelvin) strahlen Energie ab. Die Temperatur eines Objekts bestimmt die Art der Strahlung, die es aussendet. Daher strahlt jeder Stern Energie mit Wellenlängen entsprechend seiner Oberflächentemperatur ab: Ein kühlerer Stern würde ein rötlicheres Licht ausstrahlen, ein heißerer ein bläulicheres. Am Nachthimmel sind leicht rötliche und bläuliche Sterne zu sehen. Das meiste Licht unseres Sterns, der Sonne, ist gelblich. Durch die Messung des von der Sonne empfangenen Lichts wissen wir, dass seine Strahlung einer Oberflächentemperatur von etwa 6000 °C (oder 6300 K) entspricht, wobei K das Symbol für die Einheit von Kelvin ist Weitere Informationen zur Kelvin-Skala finden Sie im Einheiten-Glossar. . Die Organismen auf der Erde haben sich längst an die Natur dieses Sonnenlichts angepasst. Blaugrünes Licht dringt am tiefsten in das Meer ein, daher ist die Sehschärfe von tief lebenden Fischen im blaugrünen Teil des Spektrums am größten. Unsere eigenen Augen sind auf Gelb, Grün und Rot (Ampelfarben) spezialisiert. Pflanzen verwenden hauptsächlich rotes Licht zum Wachsen und reflektieren den Rest, wodurch sie grün erscheinen.

Der Kernfusionsgenerator, der die Sonne antreibt, befindet sich tief im Zentrum der Sonne (der „Kern“ der Sonne genannt), verborgen von einer dicken Schicht aus heißem Wasserstoff und Helium. Das ist ein Glück für uns, denn niemand konnte das Kraftwerk der Sonne anschauen und die Erfahrung überleben: Die Temperatur liegt bei fast 15 Millionen Kelvin. Das Kraftwerk bläst die Sonne deshalb nicht auseinander, weil der enorme Druck der umgebenden Sonnenmaterie es daran hindert. Umgekehrt kollabiert die Sonne nicht aufgrund des im Kern erzeugten Gegendrucks, da in der Sonne Gravitations- und Strahlungsdruck im Gleichgewicht sind. Es dauert etwa eine Million Jahre, bis die im Kern produzierte Energie die Sonnenoberfläche erreicht. Von dort dauert es weniger als 10 Minuten mit Lichtgeschwindigkeit, um die Erde zu erreichen.

Die Energie, die der Kern erzeugt, stammt aus der Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu Heliumkernen. Durch diesen Prozess geht ein Teil der Masse „verloren“ und erscheint als Energie (nach der berühmten Gleichung von Albert Einstein E=mc 2 ), was zu einem Verlust von 4,5 Millionen Tonnen Masse von der Sonne pro Sekunde führt. Aber keine Sorge: Es gibt immer noch viel Wasserstoff zu verbrennen – etwa zwei Drittel der Sonnenmasse bestehen aus Wasserstoff – und der Prozess läuft seit etwa 5 Milliarden Jahren und wird dies in Zukunft etwa so lange tun! lang (Siehe auch den Glossareintrag zur Solarkonstante.).

So wie die Temperatur der Sonnenoberfläche die Art der elektromagnetischen Strahlung bestimmt, die sie abgibt, so bestimmt die Temperatur der Erde, welche Art von Strahlung sie in den Weltraum aussendet, die sich als Infrarot- oder Wärmestrahlung herausstellt. Wie bereits erwähnt, wird die Wärmemenge, die die Erde abführen muss, vollständig durch die Menge bestimmt, die sie von der Sonne erhält, abzüglich des Anteils, den sie sofort in den Weltraum zurückreflektiert. (Der reflektierte Anteil kann nicht in den zurückgestrahlten Anteil aufgenommen werden, da er die Erde nicht wirklich erwärmt. Dieser reflektierte Anteil ist jedoch von einem Raumfahrzeug oder vom Mond aus sichtbar: Die Erde ist für die Planeten relativ hell. hauptsächlich wegen seiner Wolken und seiner Eiskappen und reflektiert 30% des Lichts, das es empfängt, zurück in den Weltraum.Dieser Anteil, der als „Albedo“ der Erde bezeichnet wird, ist geringer als der von der Venus reflektierte, aber mehr als der des Mars - siehe das Glossar für mehr über Albedo.).

Die Art der von den verschiedenen Bereichen der Erdoberfläche abgegebenen Infrarotstrahlung hängt von ihrer Temperatur ab, die wiederum von einer Reihe von Faktoren wie der absorbierten Sonneneinstrahlung und der beim Verdunsten von Wasser verbrauchten Wärme abhängt. In der Wüste kann man nach Sonnenuntergang leicht das hochenergetische Infrarot spüren, das von kürzlich von den Sonnenstrahlen erwärmten Gesteinen abgegeben wird, aber alle Oberflächen strahlen Wärme aus, ob kürzlich von der Sonne erwärmt oder nicht. Normalerweise schwanken die Temperaturen auf der Erdoberfläche irgendwo zwischen dem Gefrierpunkt und 90 °F, was grob das breite "Spektrum" der Infrarotstrahlung definiert, die nach oben in die Atmosphäre emittiert wird.

Nachdem wir nun den Zusammenhang zwischen der von einem Objekt emittierten Strahlung und seiner Temperatur erklärt haben, können wir erklären, wie Treibhausgase die Erde erwärmen. Bestimmte „Linien“ innerhalb des elektromagnetischen Spektrums, insbesondere bestimmte Wellenlängen der Infrarotstrahlung, haben genau die richtige Energie, um mit bestimmten Molekülen in der Erdatmosphäre zu interagieren. Wenn ein solches spezielles Lichtpaket (das sogenannte Photon ) mit dem entsprechenden Molekül interagiert, absorbiert das Molekül die Energie und erhöht seine Temperatur entsprechend. Es strahlt dann Wärme an seine Umgebung ab. Bei der Messung mit einem Instrument bildet diese absorbierte Wärme Absorptionslinien oder sogar „Absorptionsbanden“, die breiter als Linien sind und mehrere Linien umfassen können. Die Absorptionsbanden verschiedener Treibhausgase können sich überlappen oder nicht. Wenn ein Treibhausgas sehr reichlich vorhanden ist, werden die Absorptionslinien, für die es aktiv ist, als „gesättigt“ bezeichnet, d. h. der größte Teil des verfügbaren IR wird von den Molekülen dieses Gases absorbiert. Die Zugabe von mehr von diesem Gas wird nicht mehr IR im Verhältnis der Zugabe absorbieren. Zum Beispiel sind viele Absorptionslinien von Kohlendioxid ziemlich gut gesättigt. Dies ist der wesentliche Grund dafür, dass der 30-prozentige Anstieg des Kohlendioxids seit der industriellen Revolution den Hintergrund-Treibhauseffekt nicht um 30 Prozent erhöht hat. Nur eine Verdoppelung von CO 2 wird einen wesentlichen Effekt haben, durch die Verstärkung durch Wasserdampf (was nach besten Schätzungen zu einem Anstieg von 4 auf 6 &mgr; führt). Eine weitere Verdoppelung darüber hinaus wird vermutlich einen ähnlichen Effekt haben, teilweise durch eine Verbreiterung der betroffenen Absorptionslinien.

Über diesen Datensatz

Wenn Sie den Mars am Nachthimmel betrachten, ist der Planet kaum mehr als ein leuchtender Punkt. Vom Mars aus würde die Erde das gleiche sternähnliche Aussehen haben. Was gibt den Planeten dieses Licht? Leuchten sie wie ein Stern? Nein. Das Licht besteht hauptsächlich aus reflektiertem Sonnenlicht. Diese Bilder zeigen, wie viel Sonnenlicht die Erde reflektiert. Helle Teile der Erde wie Schnee, Eis und Wolken reflektieren die hellsten dunklen Oberflächen, wie die Ozeane, reflektieren weniger Licht. Die Durchschnittstemperatur der Erde wird durch das Gleichgewicht zwischen der Menge des Sonnenlichts bestimmt, das die Erde reflektiert, wie viel sie absorbiert und wie viel Wärme sie abgibt.

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Juli 2020

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Was bedeuten die Farben?

Die Farben in der Karte zeigen die Menge an Kurzwellenenergie (in Watt pro Quadratmeter), die vom Erdsystem für die gegebene(n) Zeitperiode(n) reflektiert wurde. Die helleren, weißeren Bereiche zeigen, wo mehr Sonnenlicht reflektiert wird, während grüne Bereiche Zwischenwerte zeigen und blaue Bereiche niedrigere Werte sind.

Daten bekommen

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2. Auf der Seite „Bestelldaten“ können Sie die einzelnen Parameter auswählen

Diese Beschichtungen verändern die Art und Weise, wie Strahlung mit einem Objekt interagiert. Oberflächenbeschichtungen, die oft in Form einer speziellen Farbe vorliegen, steuern, wie viel Wärme von externen Wärmequellen absorbiert, abgestrahlt oder reflektiert wird. Ein alltägliches Beispiel ist die von Wüstenbewohnern bevorzugte weiße Kleidung. Weiß neigt dazu, mehr Wärme zu reflektieren als aufzunehmen, und ist daher gut geeignet, den Träger vor der Sonnenwärme zu schützen.

Diese Decken bestehen aus mehreren Schichten Mylar oder ähnlichen Materialien und bilden eine Schutzschicht um die meisten Raumfahrzeuge. Sie speichern die Wärme und enthalten außerdem eine Auswahl an Oberflächenbeschichtungen mit den oben beschriebenen Vorteilen. Übrigens bieten sie auch einen gewissen Schutz vor Mikrometeoroid-Einschlägen und bilden eine Art kugelsichere Weste für das Raumfahrzeug.

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1. Einleitung

[2] Alle ernsthaften Studenten der Klimageschichte der Erde haben vom „100-kyr-Problem“ der Milankovitch-Orbitaltheorie gehört, nämlich dem Fehlen einer offensichtlichen Erklärung für die dominante ∼100-kyr-Periodizität in den Klimaaufzeichnungen der letzten 800.000 Jahre. Allerdings haben nur wenige eine ebenso verblüffende Eigenschaft des Erdklimas in Betracht gezogen, die sich in ähnlicher Weise einer einfachen physikalischen Erklärung widersetzt, aber die jüngsten geologischen Aufzeichnungen der Erde dominiert. Wir nennen dies das „Milankovitch-41-kyr-Problem“. Für das Zeitintervall, das sich bis zur Brunhes-Matuyama-Grenze (0,78 Ma) erstreckt, einem Intervall in der Klimageschichte der Erde, das von der großen (und weitgehend ungeklärten) Periodizität von 100.000 Jahren dominiert wird, Imbrieet al. [1992] zeigten definitiv, dass die in Klimaaufzeichnungen beobachteten Schiefheits- (41.000 Jahre) und Präzessionsfrequenzen (23.000 Jahre) direkte lineare Reaktionen mit physikalisch angemessenen Verzögerungen auf den Sonneneinstrahlungsantrieb in hohen Breitengraden waren. Während der letzten zwei Millionen Jahre des Eisschildwachstums der nördlichen Hemisphäre, von ∼3 Millionen Jahren bis vor etwa 0,8 Millionen Jahren, variierte das globale Eisvolumen jedoch fast ausschließlich in der 41.000-jährigen Schiefeperiode. Da die Sonneneinstrahlung in den hohen Breiten immer von der Präzession dominiert wird, argumentieren wir, dass diese früheren Klimavariationen im aktuellen Rahmen der Milankovitch-Hypothese nicht verstanden werden können. Eine Erklärung für die globalen Klimaschwankungen vom späten Pliozän bis zum frühen Pleistozän zu finden, stellt eines der interessantesten und schwierigsten Probleme dar, mit denen Klimamodellierer heute konfrontiert sind.

Festplattenintegrierte Mondhelligkeit Temperaturen zwischen 89 und 190 GHz

Es werden Messungen der scheibenintegrierten Helligkeitstemperatur des Mondes bei 89, 157, 183 und 190 GHz für Phasenwinkel zwischen -80° und 50° relativ zum Vollmond präsentiert. Sie wurden mit dem Microwave Humidity Sounder (MHS) auf NOAA-18 aus 39 Fällen gewonnen, als der Mond in der Weltraumansicht des Instruments auftauchte. An die Messwerte wurden Polynome angepasst und die maximale Temperatur sowie der Phasenwinkel ihres Auftretens bestimmt. Ein Vergleich dieser Ergebnisse mit den Vorhersagen aus drei verschiedenen Modellen bzw. parametrischen Ausdrücken von Keihm, Mo & Kigawa und Yang et al. zeigten bei den Messungen mit MHS signifikant größere Phasenverzögerungen für die niedrigeren Frequenzen. Da der Mond tausende Male im Sichtfeld aller Mikrowellen-Sonde zusammen aufgetaucht ist, zeigt diese Untersuchung das Potenzial von Wettersatelliten für Feinabstimmungsmodelle und die Etablierung des Mondes als äußerst genaue Kalibrierreferenz.

1. Einleitung

Im Jahr 1998 wurde das erste Mitglied der fünften Generation von Satelliten zur Erdbeobachtung auf polaren Umlaufbahnen von der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) gestartet: NOAA-15. Es trug zwei neue Mikrowelleninstrumente, nämlich AMSU-A und AMSU-B (Advanced Microwave Sounding Unit-A/B). Bei der Analyse der Daten von AMSU-A wurde deutlich, dass die Kalibrierung dieses Instruments gelegentlich durch die Anwesenheit des Mondes in seinem Sichtfeld verfälscht wird [1]. Dies liegt daran, dass AMSU-A bei jedem Scan nicht nur auf die Erde, sondern auch auf ein internes Kalibrierungsziel (ICT) bekannter Temperatur und in den Weltraum zeigt. Eine Interpolation zwischen den Zählwerten von einer der Referenzquellen ermöglicht die Berechnung des von den Erdszenen empfangenen Flusses. Manchmal kommt es vor, dass sich der Mond genau an der Position am Himmel befindet, an der AMSU-A oder -B den Weltraum als kalte Referenz für die Kalibrierung beobachtet (siehe Abbildung 1). Da das Instrument in diesem Fall die Strahlung des Mondes zusätzlich zur kosmischen Hintergrundstrahlung empfängt, erzeugt es ein zu hohes Ausgangssignal, was seinerseits einen zu geringen Wert für die Verstärkung des Empfängers bewirkt.

Mo & Kigawa [1] leiteten eine effektive Helligkeitstemperatur (T_B) des Mondes als Funktion des Phasenwinkels von den Intrusionen des Mondes in der Deep Space View (DSV) von AMSU-A auf NOAA-18. Ihre (4) ist eine ziemlich grobe Näherung, wobei die scheibenintegrierten T_B ist für alle Frequenzen gleich und erreicht bei Vollmond seinen maximalen Wert. Seit den 1960er Jahren ist jedoch bekannt, dass die maximale Temperatur des Mondes gemessen im Wellenlängenbereich zwischen 0,4 und 9,6 cm, entsprechend dem Frequenzbereich 75-3,1 GHz, eine deutliche Phasenverschiebung aufweist [2]. Dies liegt daran, dass die Strahlung nicht aus der obersten Schicht der Oberfläche stammt, sondern aus einer Tiefe von mehreren zehn Zentimetern emittiert wird, wo die Erwärmung durch die Sonne verzögert wird. AMSU-A deckt einen Frequenzbereich von 23,8–89 GHz ab, d. h. die bei bodengebundenen Mondbeobachtungen gefundene Phasenverschiebung sollte auch in den Daten des Satelliten enthalten sein.

Yanget al. [4] führten eine ähnliche Untersuchung mit dem Advanced Technology Microwave Sounder (ATMS) auf dem Satelliten SNPP (Suomi National Polar-orbiting Partnership) durch. Sie fanden einen etwas anderen Zusammenhang zwischen Phasenwinkel und Helligkeitstemperatur, von dem sie jedoch annahmen, dass er bei Vollmond wieder sein Maximum erreicht. Ein wichtiges Detail dieser Untersuchungen ist, dass sich die Beobachtungen des Mondes in beiden Fällen auf Phasenwinkel φ zwischen -75° und -60° relativ zum Vollmond. Der Grund dafür ist, dass sowohl NOAA-18 vor dem Jahr 2008 als auch SNPP gegen 13:30 Uhr Ortszeit den Äquator in nördlicher Richtung überquerten. Da der Mond im DSV nur erscheinen kann, wenn er sich nahe der Bahnachse des künstlichen Satelliten und mehr als 90° von der Sonne entfernt befindet, schränkt die Äquatordurchquerungszeit die für die Beobachtung geeigneten Phasenwinkel stark ein. Dies ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt.

NOAA-18 hat seine lokale Äquatorüberquerungszeit zwischen den Jahren 2008 und 2018 um mehr als sechs Stunden geändert. Diese Besonderheit macht es nun möglich, die Helligkeitstemperatur des Mondes über einen Bereich von Phasenwinkeln größer als 125° zu berechnen, indem seine Intrusionen im DSV von MHS (Microwave Humidity Sounder) auf diesem Satelliten analysiert werden. Da diese Messungen sowohl bei zunehmendem als auch abnehmendem Mond durchgeführt wurden, ermöglichten sie die Bestimmung des Phasenwinkels der maximalen Helligkeitstemperatur mit hoher Genauigkeit für alle Kanäle von MHS, d. h. 89, 157, 183 und 190 GHz.

2. Materialien und Methoden

2.1. Identifizierung der Anwesenheit des Mondes im Zentrum des DSV

Der erste Schritt auf dem Weg zur Berechnung der Helligkeitstemperatur des Mondes bestand darin, seine Intrusionen im DSV von MHS auf NOAA-18 zu finden. Im Vergleich zu anderen Mikrowellen-Echoloten und anderen Satelliten ist dieser aus folgenden Gründen für diesen Zweck besonders geeignet: (i) MHS auf NOAA-18 wird von FIDUCEO (http://www.fiduceo.eu) empfohlen (FIDelity and Uncertainty of Climate data records from Earth Observations) und GSICS (https://gsics.wmo.int/en/welcome) (Global Space-based Inter-Calibration System) als Referenzinstrument. Systematische Kalibrierfehler anderer Geräte werden durch Vergleich mit diesem identifiziert. Dies bedeutet, dass die photometrische Stabilität von MHS auf NOAA-18 sehr hoch ist. (ii) NOAA-18 wurde am 20. Mai 2005 gestartet. Alle Kanäle von MHS auf diesem Satelliten funktionierten einwandfrei bis zum 20. Oktober 2018, als der Scan-Mechanismus versagte. (iii) Wie oben erwähnt, verwandelte sich NOAA-18 von einem Nachmittags- auf einen Morgensatelliten. Dies bedeutet, dass NOAA-18 Daten aus einem großen Bereich von Phasenwinkeln um den Vollmond lieferte. (iv) MHS hat ein kleineres Sichtfeld als AMSU-A und erreicht daher bei seinen Mondbeobachtungen ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis.

Die Methode zur Identifizierung der Mondintrusionen im DSV wurde ausführlich in Burgdorf et al. [5]. Es beginnt mit der Berechnung des minimalen Abstands zwischen der Zeigerichtung des DSV und der Position des Mondes für alle Umlaufbahnen der gesamten Mission mit einem Programm namens mhscl, das Teil von AAPP (ATOVS [Advanced TIROS

Operational Vertical Sounder] und AVHRR [Advanced Very High Resolution Radiometer] Pre-Processing-Paket). Im ersten Schritt werden Ereignisse ausgewählt, bei denen dieser Abstand einen kleinen Bruchteil eines Grades beträgt. Es besteht jedoch eine Unsicherheit von etwa 0,3° in der berechneten Zeigerichtung und eine ähnlich große Abweichung in der Ausrichtung der verschiedenen Kanäle [6]. Daher haben wir uns im zweiten Schritt die Tatsache zunutze gemacht, dass es bei jedem Scan vier Messungen des Signals aus dem Weltraum in leicht unterschiedlichen Richtungen gibt, jede davon mit einer eigenen „Lichtkurve“, d. h. dem Signal so als Funktion der Zeit t während sich das DSV in Cross-Scan-Richtung über den Mond bewegt (siehe Abbildung 1 in [6]). Unter Berücksichtigung dieser Einbrüche, bei denen der Mond das maximale Signal im DSV-Pixel mit der Zahl . lieferte nein = 2 oder 3, und Identifizieren der Fälle, in denen es in den benachbarten DSV-Pixeln fast das gleiche Signal gab nein-1 und nein+1 haben wir eine Sammlung von Ereignissen erhalten, bei denen der Mond dem Zentrum von DSV . näher als 0,1° kam n. Auf diese Weise stellten wir sicher, dass das maximale Signal mit dem Mond immer an der gleichen Position im Strahlmuster gemessen wurde (siehe Abbildung 2).

2.2. Auswertung der „Licht“-Kurve, die durch die Anwesenheit des Mondes im DSV . erzeugt wird

Die „helle“ Kurve lässt sich in MATLAB gut mit einer Gauß-Funktion anpassen (siehe Abbildung 3):

wo ein ist die Amplitude, b ist der Schwerpunkt (Mond am nächsten zum Zentrum von DSV), und c hängt mit der Peakbreite zusammen. Die Beziehung zwischen c und die volle Dauer zum halben Maximum (FDHM) des Eindringens des Mondes in die DSV ist

ein ist die Anzahl der Zählungen, wenn der Mond dem Zentrum des Strahls am nächsten ist.

Da die für die Kalibrierung verwendeten Referenzquellen – der interne Schwarzkörper und der kosmische Mikrowellenhintergrund – ziemlich ausgedehnt sind, während der Mond nur einen Bruchteil des Gesichtsfelds von MHS ausfüllt, ist es notwendig, die Strahlgröße mit hoher Genauigkeit zu kennen. Die volle Breite auf halbem Maximum (FWHM) wurde bei den Bodentests von MHS bei DASA mit einer angeblichen Genauigkeit von 0,01° nach [8] gemessen. Die Verwendung dieser Werte bei der Berechnung der Helligkeitstemperatur des Mondes führt jedoch zu Diskrepanzen zwischen den klingenden und den Fensterkanälen, die zu groß sind, um durch die Frequenzunterschiede erklärt zu werden (die FWHM von DASA beansprucht impliziert a maximal festplattenintegriert

, also kurz nach Vollmond, von nur 210 K bei 183 GHz). Wir haben uns daher entschieden

für jeden Kanal von MHS aus der Breite der Gaussianer, die an die „helle“ Kurve der Mondintrusionen im DSV angepasst sind. Die Beziehung zwischen diesen physikalischen Größen ist

Die Elemente dieser Gleichung sind wie folgt definiert: (i) α = Winkelabstand zwischen der Zeigerichtung des DSV und der Orbitalebene von NOAA-18 (72,1° für Pixel 1, 73,2° für Pixel 2, 74,3° für Pixel 3, 75,4° für Pixel 4, die Ausrichtung des DSV ist immer von der Sonne entfernt, siehe Abbildung 1) (ii) P = Umlaufperiode von NOAA-18 (6078 s).

Gleichung (3) entspricht im Wesentlichen der zweiten Gleichung in [9], mit einer Bahnwinkelgeschwindigkeit von 360° / P und die Peakbreite ersetzt die Kanalverschiebung.

Wir gehen im Folgenden davon aus, dass der Strahl von MHS rotationssymmetrisch ist, d. h. dass die von uns ermittelte FWHM in Cross-Scan-Richtung gleich der FWHM in Scan-Richtung ist, die man aus den Mondintrusionen nicht mit hoher Genauigkeit bestimmen kann. Diese Annahme wird durch die am Boden vorgenommene Charakterisierung der Balkenform begründet [8].

Gleichung (3) könnte leicht überschätzt werden, da der Mond eine ausgedehnte Quelle ist und daher eine längere Präsenz im DSV hat als ein punktförmiges Objekt. Da der Monddurchmesser weniger als die Hälfte der FWHM (oder

, wie es in den Berichten über die Bodentests genannt wird) des Strahls von MHS (siehe Tabelle 1) und der Ursprung seines Flusses konzentriert sich im wärmsten Bereich seiner Oberfläche (siehe z. 10]), muss jeder systematische Fehler in (3) klein sein. Für die Strahldichteverteilung der Mondscheibe nehmen wir = 0,4° an. Dieser Wert ist repräsentativ für Vollmondphasen, bei Viertelmond wäre er kleiner. Die Werte für (

– ) 0,5 , dh die Strahlgröße nach Korrektur um die Tatsache, dass sie mit einer ausgedehnten Quelle anstelle einer Punktquelle ermittelt wurde, sind in der letzten Spalte von Tabelle 1 in Klammern angegeben. Nur ≈ 0,4° führt zu konformen Strahlgrößen mit Spezifikationen (1.1°± 0.11°) für jeden Kanal. Aber was auch immer der Fehler unseres Wertes ist, er ist für alle Messungen gleich und beeinflusst daher nicht das Verhältnis zwischen Helligkeitstemperaturen bei verschiedenen Phasenwinkeln.

2.3. Kalibrierung der Messungen mit dem DSV von MHS auf NOAA-18

Da Einbrüche des Mondes in das DSV nicht für die Standardverarbeitung der mit MHS gewonnenen Daten geeignet sind, haben wir die Berechnung der Helligkeitstemperaturen mit dem in der Datenbank der Ebene 1b verfügbaren Ausgangssignal in digitalen Zählwerten begonnen. Ein Polynom zweiten Grades wurde an die Zählungen der DSV als Funktion der Zeit vor und nach dem Erscheinen des Mondes angepasst und dann verwendet, um die Zählungen zu berechnen, die erhalten worden wären, wenn der Mond nicht vorhanden gewesen wäre, dh nur aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund. Diese Zählungen und die mit dem ICT in Kombination mit den bekannten Temperaturen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und dem ICT wurden dann verwendet, um eine lineare Beziehung zwischen Zählungen und spektraler Strahlung zu berechnen. Ein „Kaltlast-Korrekturfaktor“ von 0,24 K, wie in der Datei mhs_clparams angegeben. dat von AAPP, hinzugefügt. Es wurde keine Warmlast- oder Bandkorrektur angewendet, da sie aufgrund der in AAPP angegebenen Werte als vernachlässigbar angesehen wurden. Siehe [11] für eine detaillierte Diskussion dieser und anderer instrumenteller Effekte.

Die Gaussian wird an die Lichtkurve des Mondes in Counts vom DSV nach Subtraktion der „Basislinie“ mit dem im vorherigen Schritt ermittelten Polynom angepasst. Auf diese Weise wird nicht nur der Beitrag des kosmischen Mikrowellenhintergrunds entfernt, sondern auch die leicht veränderliche thermische Emission des Spiegels [12] und der Plattform. Aus Abbildung 2, in der die Rohzählungen vor der Subtraktion des Basislinienflusses aufgetragen sind, ist ersichtlich, dass die Variationen in der Umlaufbahn recht klein und auf Zeitskalen variabel sind, die viel größer sind als die Dauer der Mondintrusion. Jede von uns verwendete Lichtkurve wurde sorgfältig auf plötzliche Sprünge in der Zählung untersucht, die jedoch nur sehr selten vorkamen.

Die Amplitude der Gauß-Anpassung wird durch die Verstärkung des entsprechenden Kanals und den Anteil des vom Mond abgedeckten Sichtfeldes geteilt, unter der Annahme, dass der Strahl durch eine zweidimensionale Gauß-Funktion beschrieben werden kann, und der Mond bewegt sich durch die Mitte des Pixels. In diesem Fall folgt der Bruchteil des vom Mond bedeckten Strahls aus (1), indem die Zeit durch die Entfernung vom Zentrum des Strahls ersetzt wird r und Integration des Strahlmusters über die vom Mond bedeckte Fläche:

2π ist der Wert des Integrals mit oberem Rand r = . Gleichung (4) gilt nur an einem Punkt der „hellen“ Kurve: ihrem Maximum. Damit lässt sich die spektrale Strahldichte des Mondes berechnen:

Die Elemente dieser Gleichungen sind wie folgt definiert: (i) = spektrale Strahlung des Mondes/kosmischer Mikrowellenhintergrund (ii) G = Verstärkung des Instruments in Zählungen pro Einheit der spektralen Strahlung (iii) η= Strahleffizienz am Boden gemessen [8] (iv) = Anteil des vom Mond bedeckten Strahls =

, abgeleitet aus (2) und (4) (v) = Radius des Mondes vom Raumfahrzeug aus gesehen zum Zeitpunkt des maximalen Signals.

, so wie G und η, nimmt bei verschiedenen Kanälen leicht unterschiedliche Werte an, mit Ausnahme von drei und vier, die den gleichen „quasi-optischen“ Pfad in MHS teilen.

Gleichung (5) enthält einen Term zur Korrektur des Teils des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, der vom Mond blockiert wird, wenn eine Intrusion stattfindet. Es wird benötigt, weil der volle Mikrowellenhintergrund vor der Amplitude abgezogen wurde ein der „Licht“-Kurve berechnet, siehe Abbildung 3. Auf diese Weise stellen wir sicher, dass diese auch im hypothetischen Fall eines Mondes, der keine Mikrowellen aussendet, nicht negativ sein kann. Die resultierende spektrale Strahlung wird dann mit einer inversen Planck-Funktion in die Helligkeitstemperatur des Mondes umgewandelt.

3. Ergebnisse und Diskussion

3.1. Helligkeitstemperaturen als Funktion des Phasenwinkels

Die mit (5) berechneten Helligkeitstemperaturen und die inverse Planck-Funktion sind in den Abbildungen 4–6 als Funktion des Phasenwinkels aufgetragen. An die Messwerte wurde ein Polynom 5. Grades angepasst und zusammen mit den Vorhersagen von drei verschiedenen Modellen dargestellt. Diese Modelle sind wie folgt: (i) Keihm [13]: ein Mondregolithmodell, einschließlich Tiefen- und Temperaturabhängigkeiten der relevanten thermischen und elektrischen Eigenschaften, dessen Helligkeitstemperaturen auf einer Webseite (http://lunar-model- helligkeit-temperaturen.net) oder auf Anfrage. (ii) Mo & Kigawa [1]: ein einfacher Ausdruck für die effektive Helligkeitstemperatur der Mondoberfläche zur Korrektur der Mondkontamination in AMSU‐A‐Daten. (iii) Yanget al. [4]: ein Polynom vom Grad zwei in

, ähnlich dem von Mo & Kigawa verwendeten, das auf Beobachtungen des Diviner Lunar Radiometer Experiments basiert und ein wellenlängenabhängiges Oberflächenemissionsvermögen der Mondscheibe berücksichtigt.

in [1], grün: und Tabelle II in [4], schwarz: Keihm ([13], Zahlen von Webseite und persönlicher Mitteilung), und rot: MHS auf NOAA-18, Einzelmessungen (Punkte) mit Polynom von fünf bestellen.

Nach [1] ist die effektive Mondhelligkeitstemperatur für alle Kanäle von AMSU-A gleich, d. h. im Bereich von 23,8–89 GHz. Da diese Annahme für höhere Frequenzen sicherlich nicht zutrifft [14], haben wir die Werte aus diesem Modell nur in Abbildung 4 aufgetragen. Der Oberflächenemissionsgrad ist jedoch ein Faktor von [4] und wurde daher für beide Kanäle berechnet, die ATMS hat mit MHS gemein, dh bei 89 und 183,3 GHz.

Die Messwerte für die Helligkeitstemperatur in verschiedenen Kanälen und bei verschiedenen Mondphasen, die in den Abbildungen 4–6 als Punkte dargestellt sind, weisen Unsicherheiten auf, die aus der zufälligen Streuung um die Polynomanpassung berechnet werden können. Wir haben eine Standardabweichung von 3,2 K für die Messungen in Kanal 1, 4,1 K für Kanal 2, 3,8 K für den Mittelwert der Kanäle 3 und 4 und 5,1 K für Kanal 5 erhalten. Diese Werte sind deutlich größer als das Rauschen der Empfänger allein [15], da jeder Punkt in den Diagrammen das Ergebnis einer Gaußschen Anpassung an Messungen von etwa 100 verschiedenen Scans ist (siehe Abbildung 3). Aber nur die Messungen in der Nähe des Schwerpunkts schränken die Amplitude dieser Anpassung stark ein, und selbst kleine Ausreißer in den Rohdaten können einen Fehler verursachen.

Eine Korrelation der Streuung der Messungen mit der Befreiung des Mondes oder seiner Entfernung von der Sonne konnte nicht gefunden werden. Wenn eine solche Abhängigkeit besteht, muss sie im Vergleich zur zufälligen Messunsicherheit vernachlässigbar sein.

3.2. Hauptmerkmale der Messungen mit MHS an NOAA-18 und Modellen

Der Zusammenhang zwischen der Helligkeitstemperatur des Mondes und seiner Phase, wie er sich aus den Messungen mit MHS und den Modellen ergibt, wird durch zwei Schlüsselgrößen charakterisiert: die maximale Helligkeitstemperatur, gemittelt über die Scheibe, und die Phasenverschiebung zwischen Vollmond und dem Auftreten von diese Höchsttemperatur. Tabelle 2 gibt einen Überblick über diese Werte.

Die Unsicherheiten der gemessenen Helligkeitstemperaturen in Tabelle 2 wurden aus der Streuung der Werte für den Durchmesser des Strahls jedes Kanals berechnet, die wie oben erläutert aus den Mondintrusionen im DSV selbst bestimmt wurden. Die Strahleffizienz η, die ein Ausdruck für die Verluste des Fernlichts durch Nebenkeulen ist und die wir aus [8] für bare Münze genommen haben, trägt eine zusätzliche systematische Unsicherheit zu den mit MHS gemessenen Helligkeitstemperaturen bei. Sie sollte jedoch weniger entscheidend sein als die Unsicherheit der Strahlbreite, denn η muss nahe eins sein und geht nicht in die Berechnung der Strahldichte in Quadratur ein. Die absolute Unsicherheit der Apollo-basierten Modellvorhersagen wurde auf der Grundlage der Schätzung auf der Webseite von Keihm berechnet.

Alles in allem gibt es keine signifikanten Unterschiede zwischen den mit MHS erhaltenen maximalen Helligkeitstemperaturen und dem Modell von Keihm [13]. Der von Yang [4] angegebene mathematische Ausdruck für die maximale Helligkeitstemperatur des scheibenintegrierten Mondes ist jedoch nicht kompatibel mit den Werten, die mit MHS auf NOAA-18 bei 183 GHz erhalten wurden, und das gleiche gilt für die Schätzung von Mo & Kigawa [1] bei 89 GHz.

Bezüglich der Phasenverschiebung zwischen Vollmond und dem Zeitpunkt maximaler Mikrowellen-Helligkeitstemperatur ergaben die Messungen mit MHS deutlich höhere Werte als alle Modelle, außer dem von Keihm mit 183 GHz. Es sei darauf hingewiesen, dass die Annahme eines anderen Strahldurchmessers oder einer anderen Effizienz fast keinen Einfluss auf die mit MHS gemessenen Phasenverzögerungen hat, da sie im Wesentlichen alle Messungen auf die gleiche Weise beeinflussen. Aufgrund der ausgezeichneten Stabilität von MHS auf NOAA-18 [16] ist die Unsicherheit der Phasenverzögerung hauptsächlich auf die zufällige Streuung der Messungen zurückzuführen.

4. Schlussfolgerung

Unsere Untersuchung hat zwei wesentliche neue Erkenntnisse gebracht: (1) Der Unterschied in der Strahlgröße zwischen den Peilkanälen und H2 ist fast zehnmal so groß wie der bei den Bodentests gemessene Wert, der die Einhaltung der Anforderungen für MHS . belegen sollte auf NOAA-18. Dies ist insbesondere für die Verifikation und den Check-out von MHS auf Metop-C, das am 7. November 2018 gestartet wurde, von Bedeutung, da es zeigt, dass die Strahlgröße im Flug verifiziert werden muss. (2) Der Phasenwinkel des Mondes, bei dem die scheibenintegrierte Helligkeitstemperatur ihr Maximum erreicht, ist bei den niedrigeren Frequenzen größer als jedes der vorhergesagten Modelle, daher reproduzieren sie den Unterschied zwischen zunehmendem und abnehmendem Mond nicht korrekt. Dies ist insbesondere für das Modell von Keihm relevant, da es für die Kalibrierung astronomischer Beobachtungen verwendet werden soll.

Darüber hinaus zeigt unsere Untersuchung, dass präzise Messungen von Wettersatelliten auch über andere Objekte als die Erde nützliche Informationen liefern können.

Bei 183,3 GHz ist die Frequenz des H₂O-Absorption an der

→ Resonanz, zwischen den Beobachtungen mit MHS und dem Modell von Keihm besteht im Rahmen der Unsicherheit eine Übereinstimmung. Dies bestätigt die Gültigkeit der Methode, mit der Rohdaten aus der Weltraumansicht in Helligkeitstemperaturen umgewandelt werden. Ebenso ist es ein zusätzlicher Beweis für die Existenz der Mikrowellen-Phasenverzögerung, die in den Funktionen bezüglich des Phasenwinkels . fehlt φ die auf Beobachtungen über nur einen schmalen Bereich von Phasenwinkeln bei zunehmendem Mond basieren. Allein anhand der in [1, 4] vorgestellten Messungen lässt sich der Phasenwinkel der maximalen Helligkeitstemperatur nicht bestimmen. Das Modell von Yang et al. stimmt jedoch mit den von Keihm angegebenen Werten im Bereich = -70° ± 10° überein und hat den Vorteil eines einfachen mathematischen Zusammenhangs zwischen Helligkeitstemperatur und Phasenwinkel, was es für Anwendungen mit die Verarbeitung großer Datenmengen von Nachmittagssatelliten. Solche Anwendungen sind beispielsweise die Entfernung der Kontamination der Zählungen aus dem DSV durch die Anwesenheit des Mondes oder die Überprüfung der Stabilität der photometrischen Kalibrierung [1, 4]. Das Modell von Yang basiert auf aktuellen Messungen mit ATMS bei Phasenwinkeln zwischen -75° und -60° relativ zum Vollmond. Seine sehr gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen, die wir mit MHS in den gleichen Phasen erhalten haben, ist ein Beweis für die hohe Genauigkeit der Helligkeitstemperaturwerte, die durch die Analyse der Mondintrusionen im DSV von meteorologischen Forschungssatelliten erreichbar sind. Es zeigt auch die Relevanz des Mondes für die Kreuzkalibrierung, denn es ermöglicht die Erkennung von Verzerrungen zwischen ganz unterschiedlichen Instrumenten, die zu ganz unterschiedlichen Zeiten arbeiten, eine gewichtige Voraussetzung für Studien zum Klimawandel mit Satellitendaten.

Die Hauptstärke der Mondbeobachtungen mit MHS liegt in der Bestimmung des Mikrowellen-Phasenverzögerungseffekts und der entsprechenden Asymmetrie zwischen den Helligkeitstemperaturen von zunehmendem und abnehmendem Mond. Dies liegt daran, dass seine Charakterisierung auf Unterschieden zwischen gemessenen Flüssen und nicht auf ihren Absolutwerten beruht, so dass die meisten möglichen systematischen Fehler, die sich beispielsweise auf die Eigenschaften des Strahls beziehen, sich aufheben. Die Tatsache, dass die bei den Fensterkanälen von MHS gefundene Phasenverzögerung signifikant größer ist als die von den Modellen vorhergesagte, legt nahe, dass die thermophysikalischen und elektrischen Eigenschaften des Bulk-Regoliths nicht mit den Werten identisch sind, die aus den zurückgegebenen Apollo-Proben abgeleitet wurden.

Dieser Befund ist wichtig, da der Mond von vielen astronomischen Mikrowellenprojekten als Kalibrierreferenz verwendet wurde, bei denen die Annahme einer falschen Phasenverzögerung systematische Fehler verursacht. Interessanterweise trat bei der Kalibrierung von COBE (COsmic Background Explorer) bei 53 GHz ein zweiwöchiger, 5% lunarphasenabhängiger Fehler auf, als die Helligkeitstemperatur des Mondes mit dem Keihm-Modell berechnet wurde [17]. Die Unsicherheit der Phasenverzögerung kann reduziert werden, indem mehr als die 39 Einbrüche des Mondes im DSV analysiert werden, die den Zahlen in Tabelle 2 zugrunde liegen. Der Mond erschien insgesamt 1566 Mal im DSV von MHS auf NOAA-18 zwischen Mai 2005 und Oktober 2018, und diese Zahl ist für andere Satelliten ähnlich. Die Unsicherheit der maximalen Helligkeitstemperatur des Mondes kann durch die Analyse von Daten von mehr Satelliten reduziert werden: Es befinden sich fünf MHSs und drei AMSU-Bs in der Umlaufbahn, und eine Mittelung ihrer Messungen würde die Auswirkungen systematischer Fehler erheblich mildern.

Die Nutzung des Mondes als Kalibrierreferenz ist nicht auf den Mikrowellenbereich des Spektrums beschränkt. Die Erde und der Mond sind beispielsweise die einzigen beobachteten Ziele während der Reisephase von Hayabusa2, die als Kalibratoren für den TIR (Thermal InfraRed Imager) verwendet werden können [18]. Da es auf Satelliten zahlreiche Instrumente zur Erdbeobachtung mit Kanälen im mittleren Infrarot gibt, könnte eine genaue Charakterisierung der Mondstrahlung im Infraroten mit einer Methode analog der in diesem Artikel für MHS beschriebenen erreicht werden.

Datenverfügbarkeit

Die in diesem Manuskript vorgestellten Level 1b-Daten von MHS sind von NOAA CLASS (Comprehensive Large Array-data Stewardship System) erhältlich.

Interessenskonflikte

Die Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Danksagung

Die Autoren danken Oliver Lemke für die Bereitstellung der Satellitendaten und Roberto Bonsignori für die Bereitstellung von Informationen zu MHS auf NOAA-18. Die Charakterisierung des Mondes als Flussreferenz ist Teil der Bemühungen, das Unsicherheitsbudget für Mikrowellensonde im Rahmen des H2020-Projekts Fidelity and Uncertainty in Climate data records from Earth Observation (FIDUCEO) zu quantifizieren. FIDUCEO erhält Fördermittel aus dem Horizon 2020-Programm für Forschung und Innovation der Europäischen Union unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 638822.

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Copyright © 2019 Martin J. Burgdorf et al. Dies ist ein Open-Access-Artikel, der unter der Creative Commons Attribution License vertrieben wird und die uneingeschränkte Verwendung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium erlaubt, vorausgesetzt, das Originalwerk wird ordnungsgemäß zitiert.