Strahlungsbeobachtungen

Die langfristige Beobachtung der solaren und thermischen Infrarotstrahlungsflüsse zwischen der Atmosphäre und der Erdoberfläche ist für die Klimaforschung von Bedeutung. Hochpräzise Messungen ermöglichen es, Referenzwerte für die Energiebilanz der Sonnenstrahlung und der Infrarotstrahlung zu bestimmen. Auf diese Weise lassen sich aktuelle Tendenzen in Strahlungsflüssen einordnen und Abweichungen erkennen. Die Rekonstruktion des UV-Strahlungsniveaus seit 1926 zeigt, dass dieses vor allem vom Ozon und der Sonnenscheindauer abhängt.

Strahlung ist die treibende Kraft beim Energieaustausch zwischen der Atmosphäre, den Ozeanen und der Erdoberfläche. Es wird erwartet, dass der direkteste Effekt der globalen Erwärmung ein Anstieg der infraroten Strahlung von der Atmosphäre zum Erdboden sein wird. Ein Ungleichgewicht im Strahlungsbudget sorgt nicht nur für Wetterdynamik, sondern ist auch der Treiber des Klimawandels. Dabei genügen bereits kleine Unterschiede zwischen der eintreffenden und den ausgehenden Strahlungsflüssen, um solche Prozesse in Gang zu bringen. Umso wichtiger ist es, dass die Strahlungsflüsse mit grosser Präzision gemessen werden. Die langfristige Beobachtung der Oberflächen-Strahlungsflüsse ist folglich eine wichtiger Bestandteil in der Überwachung des Klimawandels, bei welcher MeteoSchweiz im Rahmen des Global Atmosphere Watch Programms (GAW) aktiv mitwirkt.

Die Strahlung im Jahresverlauf

An den Stationen des schweizerischen Klimamessnetzes für alpine Strahlungsbeobachtungen SACRaM (Swiss Alpine Climate Radiation Monitoring) misst MeteoSchweiz die Oberflächen-Strahlung, vom ultravioletten über den sichtbaren bis zum infraroten Bereich des Spektrums. Die Stationen befinden sich in Davos, Locarno-Monti, Payerne und auf dem Jungfraujoch.

UV-Strahlung und ihre Einflussfaktoren

Die Intensität der UV-Strahlung hängt von vielen Faktoren ab. Dazu zählen Sonnenstand, Bewölkung und Bodenalbedo (Rückstrahlung des Bodens, die stark durch Schnee beeinflusst wird). Auch der Anteil von atmosphärischen Komponenten wie dem Ozon, die mit der UV-Strahlung interagieren, spielt eine wichtige Rolle. Der vorherrschende Einfluss des Sonnenstandes wird deutlich, wenn die UV-Strahlung im Jahresvergleich betrachtet wird. Die am höchsten gelegene Station auf dem Jungfraujoch weist die höchste UV-Strahlung auf. Von Einfluss sind dabei unter anderem die dünnere Atmosphäre sowie die Tatsache, dass ein grosser Teil des umliegenden Gebiets ganzjährig von Schnee bedeckt ist.

Jeder blaue Punkt in der Grafik repräsentiert einen täglichen Mittelwert des Jahres 2014. Die roten Kurven zeigen die gleitenden Mittel des Jahres 2014; sie werden aus den Werten der 31 umliegenden Tage für jeden Tag des Jahres berechnet. Die schwarzen Kurven zeigen den mittleren Jahresverlauf von Beginn der Messreihe bis 2013. Vergleicht man das gleitende Monatsmittel für 2014 mit dem mittleren Jahresverlauf, so werden die Abweichungen zum mittleren Verlauf sichtbar. So wird zum Beispiel deutlich, dass an den meisten Stationen die UV-Strahlung von Mitte Juni bis Ende August signifikant unter dem langjährigen Durchschnitt lag.

Einfluss der Bewölkung auf die kurzwellige und langwellige Strahlung

Die Intensität der kurzwelligen Strahlung hängt von Sonnenstand, Bewölkung, Bodenalbedo und der Aerosol- optischen Dicke ab. Letztere ist ein Mass für die Lufttrübung. Auf dem Jungfraujoch ist die Aerosol-optische Dicke zum Beispiel in der Regel sehr niedrig, obwohl sie wird von ausgedehnten Störungen wie Sahara-Staub oder lokalen Emissionen aus benachbarten Tälern beeinflusst wird.

Die Bewölkung hat einen grossen Einfluss sowohl auf die kurzwellige (solare) als auch auf die langwellige (infrarote, thermische) Einstrahlung, wobei der Effekt auf diese beiden Wellenlängenbereiche in der Regel gegenteilig ist. Während Wolken die Intensität der kurzwelligen Einstrahlung meist reduzieren, erhöhen sie in der Regel die Stärke der langwelligen Einstrahlung. Doch die langwellige Einstrahlung wird auch von der Temperatur und dem Wasserdampfgehalt der Atmosphäre beeinflusst. Im Jahre 2014 war die kurzwellige Einstrahlung im Januar-Februar und von Ende Juni bis Ende August tiefer als im Mittel in Folge einer höheren Wolkenbedeckung. Im Unterschied dazu lag im März und Juni die kurzwellige Einstrahlung über dem langjährigen Durchschnitt von Payerne und Locarno-Monti. Die langwellige Einstrahlung war im Januar und Februar höher als der Durchschnitt, was eindeutig eine Folge der höheren Bewölkung war. Andererseits war von Ende Juni bis Ende August die langwellige Einstrahlung nicht höher als üblich, was wahrscheinlich an anderen Faktoren als der Bewölkung lag, welche die langwellige Strahlung beeinflussen.

Längere Datenreihen der UV-Strahlung

MeteoSchweiz misst die ultraviolette Strahlung seit 1995 in Davos, seit 1996 auf dem Jungfraujoch, seit 1997 in Payerne und seit 2001 in Locarno-Monti. Angesichts der erheblichen Auswirkungen der UV-Strahlung auf die Gesundheit und das Ökosystem besteht ein Bedarf an längeren Datenreihen. Mittels Rekonstruktionsmethoden lässt sich die UV-Strahlung anhand von Ozon, Sonnenstand, Bewölkung und der Rückstrahlung des Bodens für zurückliegende Perioden berechnen. Für diese Parameter stehen längere Datenreihen zur Verfügung. Die europäische Initiative COST 726 wurde mit dem Ziel lanciert, eine verlässliche Methode zu etablieren, die es erlaubt eine Klimatologie der täglichen UV-Strahlung seit 1958 zu bestimmen. Im Rahmen dieses Projekts hat sich MeteoSchweiz besonders mit dem Einfluss von Bewölkung und Bodenrückstrahlung befasst.

Die Rekonstruktion der UV-Strahlung wurde anhand von Messreihen für Arosa (Ozon) und Davos (Bewölkung) durchgeführt, die bis 1926 zurückreichen. Die Resultate zeigen, dass die UV-Strahlung über die gesamte Periode im Jahresdurchschnitt zwischen 5-10 Prozent schwankt. Den grössten Einfluss auf die Schwankung haben Ozon und Sonnenscheindauer. Die Veränderung der Schneebedeckung hat nur einen geringen Effekt. Die Hauptursache für den Anstieg der UV-Strahlung ab den späten 1970er Jahren liegt in der Verringerung der Ozonschicht.

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