Strahlungsenergie

Mit Strahlungsenergie wird die Energie des Lichts bezeichnet. Da Licht in der Betrachtungsweise der Physik eine elektromagnetische Welle ist ist die Strahlungsenergie generell auch die Energie einer elektromagnetischen Welle. Die Quantenmechanik beschreibt daß bei höheren Frequenzen elektromagnetische Wellen sich aber wie Teilchen verhalten (bzw. auch umgekehrt): Wellen und Teilchen sind äquivalent. Daher kann auch die Strahlungsenergie eines Teilchenstrahls berechnet werden.

Energie einer Welle: <math>E=h \cdot \nu</math>

Energie eines Teilchens: <math>E=\frac{1}{2}m v^2 </math>

Die Energie der Sonne ist nahezu immer und überall verfügbar, seit Jahrtausenden nutzen wir ihre Wärmestrahlung. Heute arbeiten Physiker, Ingenieure und viele andere Forscher daran, auch die solare Strahlungsenergie nutzbar zu machen.

Die Strahlung der Sonne kommt an der Lufthülle der Erde mit einer Intensität von 1340 Watt pro Quadratmeter an. Sie wird in der Atmosphäre durch Absorption, Reflexion und Streuung abgeschwächt und erreicht den Erdboden entweder als direkte Strahlung oder indirekt durch Streuung an Luftmolekülen (blauer Himmel, Rayleigh-Streuung), Aerosolen oder Wolken. Letzteres wird als diffuses Licht wahrgenommen, das anders als die Direktstrahlung keinen Schatten wirft. Die direkte Strahlung beträgt im Jahresmittel etwa 50 Prozent der gesamten Strahlung. Die Summe aus direkter und indirekter Strahlung wird als Globalstrahlung bezeichnet. Bei klarem Himmel besteht die Globalstrahlung weit überwiegend aus direkter, bei bewölktem Himmel nahezu ausschließlich aus diffuser Strahlung. Im Jahresmittel sind in Deutschland beide Anteile etwa gleich hoch.

Bei wolkenlosem Himmel erreicht die Intensität der Strahlung eine Leistung von ca. 1000 Watt pro Quadratmeter. Bei einem trüben Tag im Winter kann sie jedoch bis auf 50 Watt pro Quadratmeter oder weniger absinken.

Diese Strahlungsleistung kann in Deutschland je nach Standort und atmosphärischen Bedingungen eine Energiemenge von bis zu 900 bis 1200 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr liefern.

Direkte Nutzung des Sonnenlichtes: aktiv und passiv

Biomasse, Wind und Wasserkraft nutzen die Sonnenergie in mehr indirekter Weise über Zwischenprodukte wie organisches Material, Luftbewegung oder kinetische- und potenzielle Energie von Wasser.

Aktive Nutzung

Bei der aktiven Nutzung wird das Sonnenlicht entweder direkt mit Fotovoltaik-Solarzellen in elektrischen Strom umgewandelt oder es wird dazu eingesetzt, um Wärme unterschiedlicher Temperaturen zu erzeugen. Man unterscheidet dabei zwischen Hochtemperatur- und Niedertemperaturnutzung.

Hochtemperaturnutzung liegt im Fall solarthermischer Kraftwerke vor.

Bei der Niedertemperaturnutzung handelt es sich vor allem um den Einsatz von Solarkollektoren für die Warmwasserbereitstellung, wie sie vielfach auf Hausdächern zu beobachten sind.

Passive Nutzung

Bei der passiven Nutzung der Solarenergie geht es zum einen um die Erwärmung und zum anderen um die Beleuchtung von Gebäuden.
Bei Gebäuden sammeln Fenster und Fassaden Strahlungsenergie in besonders geeigneten Bauteilen vorwiegend auf der Südseite (zum Beispiel Verglasung, Wintergärten, transparente Wärmedämmung) und geben dann die Wärme über wärmespeichernde Materialien langsam an das Innere des Hauses ab.

In der Photometrie wird anstelle von E für die Energie Q benutzt. Dies ist kein Fehler: Da die Physik sehr viel mehr Größen kennt, als das lateinische und das griechische Alphabet Zeichen haben, ergibt es sich hin und wieder, dass ein Zeichen in verschiedenen Kontexten verschieden benutzt wird. In der Photometrie wird speziell für die Strahlungsenergie (oben als Eg bezeichnet) das Formelzeichen Qe verwendet. Hierbei steht der Index e für eine energetische Messgröße; der Index v (für visuell) wird in der Photometrie für Messgrößen verwendet, die die physiologischen Eigenschaften des menschlichen Auges berücksichtigen.

Elektromagnetische Wellen sind im elektromagnetischen Spektrum nach der Wellenlänge sortiert. Eine Liste von Frequenzen und Beispiele elektromagnetischer Wellen gibt es im entsprechenden Artikel.

Das am besten bekannte und am meisten studierte Beispiel einer elektromagnetischen Welle ist das sichtbare Licht. Es stellt nur einen winzigen Teil des gesamten Spektrums dar und ist, mit Ausnahme der Infrarotstrahlung (Wärme), der einzige Bereich, der von Menschen ohne technische Hilfsmittel wahrgenommen werden kann. Bei niedrigeren Frequenzen ist die Energie der Photonen zu gering, um chemische Prozesse auslösen zu können. Bei höheren Frequenzen hingegen beginnt der Bereich der ionisierenden Strahlung (Radioaktivität), bei der ein einziges Photon Moleküle zerstören kann. Dieser Effekt tritt bereits bei Ultraviolett-Strahlung auf und ist für die Bildung von Hautkrebs bei übermäßiger Sonnenexposition verantwortlich.

Beim Licht bestimmt die Frequenz die Farbe des Lichtes und nicht, wie oft fälschlicherweise angenommen, die Wellenlänge. Deutlich wird dies, wenn man Licht in optisch dichteren Medien beobachtet, wo es sich mit einer geringeren Geschwindigkeit als c ausbreitet. Die Frequenz wird beim Übergang in optisch dichtere Medien nicht beeinflusst und folglich muss es laut  c=\lambda \cdot f \ eine kürzere Wellenlänge haben. Da sich die Farbe aber im Medium nicht ändert, ist also nur die Frequenz charakteristisch für die Farbe des Lichts. In Spektren wird aus historischen Gründen jedoch immer noch die Wellenlänge als charakteristische Eigenschaft für Licht angegeben. Dieser Zusammenhang zwischen Farbe und Wellenlänge gilt dann aber nur im Vakuum (und in guter Näherung in Luft). Monochromatisches Licht, also Licht nur einer einzigen Wellenlänge, hat stets eine Spektralfarbe.

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