Solarenergie: Der Energiefluss zur Erde

Beschreibung des Bildes: Daselektromagnetisches Spektrumumfasst alle Lichtbereiche. Maxwell zeigte, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist und dass es keinen Grund gibt, ihre Wellenlänge auf den Bereich zu beschränken, der dem sichtbaren Spektrum entspricht. In Wirklichkeit besteht das gesamte elektromagnetische Spektrum aus Licht.

Photonenenergie

Sonnenlicht erwärmt die Erde. Diese Energie stammt von elektromagnetischen Wellen und insbesondere Photonen, die auf die Oberfläche unseres Planeten treffen. Sichtbares Licht ist Teil eines kleinen Bereichs elektromagnetischer Schwingungen im elektromagnetischen Spektrum.

L'Erdatmosphärelässt nur einen sehr kleinen Teil dieser Strahlung durch. Kurze Wellen werden in den Atmosphärenschichten absorbiert und lange Wellen reflektiert. Die meisten Wellen, die uns erreichen, sind sichtbare Lichtwellen. Die Natur des Lichts fällt unter die Quantenmechanik, für die es sowohl eine Welle als auch ein Teilchen ist (wir können die in der Welle enthaltenen Teilchen zählen).

Licht hat eine Wellenlänge, die die Farbe bestimmt: Rot emittiert in der Wellenlänge von 620 bis 780 Nanometern, Orange von 592 bis 620 nm, Gelb von 578 bis 592 nm, Grün von 500 bis 578 nm, Blau von 446 bis 600 nm und Violett von 380 bis 446 nm. Die verschiedenen Fenster des elektromagnetischen Spektrums werden durch eine Wellenlänge, aber auch durch einen definierten Frequenzbereich charakterisiert.

Die Frequenz ist die Anzahl der elektromagnetischen Schwingungen, die in einer Sekunde einen bestimmten Punkt durchlaufen. Sie wird mit der Frequenzeinheit Hertz ausgedrückt. Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz. Wenn wir die Lichtstrahlen der Sonne auf unsere Haut treffen, erkennen wir, dass die Photonen Energie transportieren.

Aber wie viel Energie trägt ein Photon?

Es hängt alles vom Photon ab, oder besser gesagt, es hängt alles von der Wellenlänge des Photons ab. Je kürzer die Wellenlänge des Photons ist, desto energiereicher ist es. Es ist die Formel E = hf, die es uns ermöglicht, die Energie eines Photons zu berechnen.

• E ist die in Joule ausgedrückte Energie.
• h ist das Plancksche Wirkungsquantum (6,62 x 10).^-34).
• f ist die Frequenz in Hertz.

Die Energie eines Photons ist daher unendlich klein.

Wie viele Photonen braucht man, um eine Tasse Kaffee zu erhitzen?

Es kommt auf die Frequenz an, also auf die Farbe. Die Frequenz von Rot beträgt 350 THz und die von Blau 750 THz. Die Formel E = hf gibt die Energie eines Photons an.

Energie eines blauen Photons: E = (6,62x10^-34)x(750x10¹²) ≈ 10^-18Joule. 1 Joule ≈ 10¹⁸blaue Photonen.

Die Kalorie ist die Energiemenge, die benötigt wird, um die Temperatur eines Gramms flüssigen Wassers von 14,5 auf 15,5 °C zu erhöhen. Das entspricht 4,1855 Joule. Um die Temperatur von 10 cm3 Kaffee um 50°C zu erhöhen, benötigt man etwa 100x50x10¹⁸d.h. 5,1021 Joule und ungefähr 10²¹blaue Photonen und 10²²rote Photonen. Je kürzer die Wellenlänge, desto größer ist die Energie der Strahlung.

Hinweis: 1 kJ entspricht etwa 239 Kalorien. 1 Ws (Wattsekunde) = 1 Joule. 1 kWh (Kilowattstunde) = 3.600.000 Joule.

Welche Sonnenenergie empfängt die Erde?

Die aktuelle Durchschnittstemperatur der Erde hängt mit der durchschnittlichen auf der Erde empfangenen Sonnenenergie und der Entfernung Erde/Sonne zusammen.

Die Berechnung der auf der Erde empfangenen Leistung in Watt pro Quadratmeter ergibt sich aus Pr = L/4ΠR2 x Πr2 und die Berechnung der von der Erde aufgenommenen Leistung aus Pa = Pr (1-A).

• L/4ΠR2 ist die Solarkonstante, sie beträgt 1368 wm2. Der Durchschnittswert (es gibt nur eine Hemisphäre, die die Strahlung empfängt) beträgt 342 wm2, unter Berücksichtigung der Albedo sind es 239 wm2. Aber die Erde sendet Licht wieder in den Weltraum aus.

Die Erde befindet sich im thermodynamischen Gleichgewicht, das heißt, die aufgenommene Leistung ist gleich der wieder abgegebenen Leistung. Die Berechnung der Durchschnittstemperatur der Erde ergibt 255 K, aber der Treibhauseffekt, der durch die Anwesenheit von Wasserdampf und Kohlendioxid in der Erdatmosphäre entsteht, erhöht die Temperatur um 33 K, sodass sie 288 K oder etwa 15 °C beträgt.