Jahreszeitliche Verteilung der Sonnenstrahlung

Die Erde umkreist die Sonne in einer ganz schwach exzentrischen Ellipse und der mittlere Abstand der Erde zur Sonne beträgt etwa 149,6 Mio. km. Der Abstand im Perihel (sonnennächste Position) beträgt ca. 147 Mio. km und im Aphel (sonnenfernste Position) ca. 152 Mio. km. Das Perihel wird Anfang Januar durchlaufen und das Aphel dementsprechend Anfang Juli (Abb. 1). Die Erde ist also in der Tat der Sonne während des nördlichen Hochwinters am nächsten.
Mit dieser jahresperiodischen Schwankung des Abstands der Erde zur Sonne schwankt auch die Sonnenbestrahlungsstärke am oberen Rand der Erdatmosphäre zwischen 1325 W/m² und 1420 W/m². Somit liegt der Wert im Perihel etwa 3,4 % oberhalb und im Aphel etwa 3,3 % unterhalb der mittleren Solarkonstante ( = 1367 W/m²).
Wegen der höheren Bahngeschwindigkeit der Erde in Perihelnähe (2. Keplersches Gesetz: Drehimpulserhaltung) ist der Nordwinter/Südsommer mit 179 Tagen (23.09. bis 21.03.) etwas kürzer als der Nordsommer/Südwinter mit 186 Tagen.

Abb. 1: Entstehung der Jahreszeiten | Quelle

Sommer und Winter selbst sind eine Folge der Neigung der Erdachse relativ zur Bahnebene, der sogenannten Ekliptik. Diese Neigung beträgt etwa 23,5° und zusammen mit der Ekliptik bildet die Drehachse der Erde einen Winkel von 66,5°. Die Stellung der Erdachse in Bezug auf die Erdbahnebene (Ekliptik) bleibt das ganze Jahr über gleich. 

Abb. 2a | Quelle

Abb. 2b | Quelle

Auf der Nordhalbkugel bedeutet dies, dass im Winter der Winkel zwischen den Lichtstrahlen und der Erdoberfläche relativ klein ist. Es liegt also ein flacher Lichteinfall vor (Abb. 2b). Im Sommer ist dieser Winkel dagegen relativ groß, es liegt also ein steiler Lichteinfall vor (Abb. 2a).

Nach dem Lambertschen Gesetz gilt: Je steiler die Sonnenstrahlen auf die Erde auftreffen, desto größer ist die Strahlungsenergie, weil die Strahlen bei steilerem Winkel eine kleinere Fläche bestreichen (Abb. 3). Mathematisch formuliert:

Abb. 3 | Quelle

Das Lambertsche Gesetz bestimmt die Bestrahlungsstärke J der Sonne als Funktion der Sonnenhöhe bzw. des Einfallswinkels der Strahlen. Dabei ist J_0 die maximale Bestrahlungsstärke, die bei einem Einfallswinkel von 90° gleich J ist..
In den Mittelbreiten beträgt der Einfallswinkel bei Sommerbeginn etwa 63,5° und bei Winterbeginn etwa 21,5°. 

Neben der jahreszeitlichen Schwankung der Strahlung weist die Sonneneinstrahlung auf eine bestimmte Fläche der Erdatmosphäre einen tageszeitlichen Verlauf auf (Tag und Nacht). Dieser wird durch die Rotation der Erde um ihre eigene Achse verursacht.


Quellen: Physik unserer Umwelt (Die Atmosphäre), LEIFI Physik