Solare und terrestrische Strahlungswechselwirkung zwischen ... - AWI

2 Theoretische Grundlagen der
Strahlungsübertragung
Die Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung wird durch die Theorie der Strahlungsübertragung
quantitativ erfaßt. Dabei spielt die duale Natur der elektromagnetischen Strahlung
eine Rolle. Einige Phänomene lassen sich wellenmechanisch (z.B. Rayleigh- oder
Mie-Streuung), andere nur quantenmechanisch (z.B. Absorptionsspektren) verstehen. Die
elektromagnetische Strahlung wird in vielfältige spezielle Formen – z.B. die Mikrowellenstrahlung,
die Wärme- oder Infrarotstrahlung, die sichtbare Lichtstrahlung oder die
UV-Strahlung – gegliedert. Diese Bereiche unterscheiden sich durch die Methoden ihrer
Erzeugung und durch ihre Wirkung auf die Materie, physikalisch jedoch nur durch ihren
verschiedenen Frequenzbereich.
Die folgende Erläuterung der theoretischen Grundlagen der Strahlungsübertragung in der
Atmosphäre orientiert sich an Darstellungen von Bakan [1985], Roedel [1992] sowie Zdunkowski
und Korb [1985].
2.1 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Hydrometeoren
Zur Beschreibung der Wechselwirkungsprozesse zwischen Strahlung und Materie wird sowohl
das Wellen- als auch das Photonenbild verwendet. Im Photonenbild kann das Photon
bei einer Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie seine Energie vollständig an
ein Atom, Molekül oder das Gitter eines Festkörpers abgeben und geht damit dem Strahlungsfeld
verloren. Als Folge davon nimmt entweder ein Elektron die Photonenenergie auf
und wird in einen höheren Energiezustand gehoben oder das Molekül oder der Festkörper
werden in einen höheren Rotations- bzw. Schwingungszustand versetzt. Das Atom kann
die Energie wieder abgegeben, indem das Elektron auf seinen ursprünglichen Energiewert
spontan zurückfällt und ein Photon emittiert wird. Dieses Photon unterscheidet sich zwar
von dem vorhergehenden um seine Streurichtung relativ zur Einfallsrichtung, aber nicht
in der Photonenenergie (Wellenlänge). Man spricht dann von kohärenter Streuung. Das
Photon bleibt dem Strahlungsfeld erhalten, aber die Intensität der Strahldichte wird für
den Winkel der einfallenden Strahlrichtung geschwächt. Weitere Streuwechselwirkungen
(Raman-Streuung, Lumineszenz, Compton-Streuung) haben eine deutlich geringere Ereigniswahrscheinlichkeit.
Fällt das Elektron eines angeregten Moleküls durch Zusammenstoß
mit einem weiteren Molekül auf ein niedrigeres Energieniveau zurück, erhöht sich die
kinetische Energie der Moleküle und damit die Temperatur. Diese Wechselwirkung nennt
man Absorption. Der Oberbegriff von Absorption und Streuung heißt Extinktion.