Wetterthema Meteorologie und Quantenphysik
Welche Rolle spielen Erkenntnisse der modernen Physik in der Meteorologie?
Der große deutsche Physik-Nobelpreisträger und Begründer der Quantenphysik wurde am 23.4.1858 in Kiel geboren. Im Jahre 1900 revolutionierte er mit seiner Quantenhypothese die Physik. Die daraufhin entstandene Quantentheorie ist so fundamental, dass sie auch in der Meteorologie von großer Bedeutung ist.
Max Planck wollte die Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung, also auch des sichtbaren Lichts beschreiben. Ihn beschäftigte die Frage, wie die abgestrahlte Energie eines idealisierten, sog. Schwarzen Körpers von der Frequenz der Strahlung und der Temperatur des Körpers abhängt. Er erhielt mit Hilfe der Vorstellungen der klassischen Physik nur genäherte Lösungen des Problems und musste, um die Beobachtungen theoretisch beschreiben zu können eine bahnbrechende Hypothese von historischer Bedeutung machen: Die abgestrahlte Energie hängt von der Frequenz (der Farbe) des Lichtes ab und kann nicht in beliebig kleinen Mengen, sondern nur in sogenannten Energiequanten abgegeben werden. Das auf diesen Annahmen beruhende Plancksche Strahlungsgesetz beschreibt die Energiemenge, die bei bestimmten Lichtfarben abgegeben wird exakt.
Auch die Erde und die Sonne können bezüglich ihres Abstrahlungsverhaltens zunächst einmal näherungsweise als Schwarze Körper betrachtet werden. Um den Energiehaushalt der Atmosphäre zu verstehen, wird das Planck’sche Strahlungsgesetz zugrunde gelegt. Nun befindet sich in der Atmosphäre eine Vielzahl von Gasen, welche die von der Sonne eintreffende und von der Erde ausgehende Strahlung „stören“. Strahlung wird von diesen Gasen aufgenommen, also absorbiert oder abgelenkt, also gestreut.
Jedes Gas hat dabei seine „Lieblingsfarben“, das heißt bestimmte Energiequanten der Strahlung, die ja von deren Farbe (Frequenz) abhängen, können in der Atomstruktur der Gasmoleküle wiederum quantenphysikalische Vorgänge auslösen. In der Fachsprache nennt man diese Lieblingsfarben die für ein bestimmtes Gas typischen Absorptionsbanden.
Das sichtbare Licht ist nur ein kleiner Teil der elektromagnetischen Strahlung. Diese umfast auch für uns schädliche UV-Strahlung, welche zum großen Teil in der Stratosphäre von Ozon
Absorbiert wird. Es ist kein Zufall, dass wir elektromagnetische Strahlung in genau den uns vertrauten Farben sehen können, denn dieses Licht gelangt durch ein sogenanntes atmosphärisches Fenster weitgehend ungestört bis zum Erdboden.
Auf der anderen Seite gibt es auch ein solches „Fenster“ für die von der Erde in den Weltraum abgegebenen Strahlung. Dieses liegt genau in jenem Frequenzbereich, in welchem die Erde besonders stark abstrahlt. Durch das vom Menschen produzierte Kohlendioxid wird nun genau dieses Fenster zum Teil geschlossen, wodurch die globale Erwärmung erklärbar wird.
Diese Sachverhalte basieren alle auf dem Plank’schen Strahlungsgesetz und verdeutlichen, wie grundlegend seine Erkenntnisse auch im Bereich der Meteorologie sind, und wie allgegenwärtig die abstrakte Welt der Quanten ist.