Atmosphärisches Fenster

Als atmosphärisches Fenster wird in der Meteorologie und Fernerkundung ein Wellenlängenintervall des elektromagnetischen Strahlungsspektrums (z. B. sichtbares Licht) bezeichnet, für welches die Atmosphäre der Erde weitgehend durchlässig (transparent) ist.

Durchlässigkeit der Atmosphäre für elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen. Der gelbe Bereich heißt atmosphärisches Fenster. In diesem Bereich ist die Atmosphäre durchlässig für IR-Strahlung.
Abbildung der atmosphärischen Fenster bzw. atmosphärischen Absorptionsbanden für einen größeren Ausschnitt des elektromagnetischen Strahlungsspektrums.

Das Gasgemisch der Atmosphäre, die Luft, enthält verschiedene Gase (Ozon, Kohlendioxid, Wasserdampf usw.), die elektromagnetische Strahlung abhängig von deren Wellenlänge absorbieren oder streuen. Das hat Auswirkungen auf den Energiehaushalt und infolgedessen die Temperaturen auf der Erde, durch Abschirmung gefährlicher Strahlendosen für das Leben auf der Erde und auf die Beobachtbarkeit von Quellen elektromagnetischer Wellen außerhalb der Atmosphäre.

Energiehaushalt und Treibhauseffekt

Die Sonne führt durch ihr Licht aller abgestrahlten Wellenlängen der Erde eine große Wärmeleistung zu. Die Erde wiederum strahlt als schwarzer Körper elektromagnetische Wellen längerer Wellenlänge wieder ab. Nur ein Teil der Wärmestrahlung der Erde im IR-Bereich kann nach außen dringen, der Rest wird zurückgestreut. Durch diesen Treibhauseffekt liegt die Durchschnittstemperatur an der Erdoberfläche höher als ohne Atmosphäre, die Temperaturdifferenz ist von der Dichte und Zusammensetzung der Atmosphäre abhängig. Der wichtigste Wellenlängenbereich ist im nebenstehenden Bild gelb eingezeichnet, weil die etwa 300 K warme Erde hier besonders stark strahlt.[1][2][3][4][5]

Absorption der UV-Strahlung in der Ozonschicht

Das Ozon der stratosphärischen Ozonschicht absorbiert die kurzwellige UV-Strahlung des Wellenlängenbereichs unterhalb von 300 Nanometer praktisch vollständig, so dass diese energiereiche UV-Strahlung nicht zur Erdoberfläche durchdringen kann. Dies ist für das Leben auf der Erde von großer Bedeutung, da die so genannte harte UV-Strahlung krebserregend und mutagen auf Organismen wirkt. Eine zu hohe Krebsrate ist für das Überleben höherer Tierarten unmittelbar fatal, eine zu hohe Mutationsrate gefährdet alle Lebensformen. Um diese Risiken zu vermeiden, setzen die von der Ausdünnung der Ozonschicht (siehe auch: Ozonloch) besonders betroffenen Australier ihre Haut nicht der direkten Sonneneinstrahlung aus. Da das Ozon die UV-Strahlung zwischen ca. 200 und 300 Nanometer vollständig absorbiert, stellt dieses Wellenlängenintervall kein atmosphärisches Fenster dar, sondern eine Absorptionsbande, das Gegenstück zum atmosphärischen Fenster.

Atmosphärische Fenster
Die Wellenlängenverteilung der von der Sonne kommenden Strahlung unterscheidet sich von der Infrarotstrahlung, wie sie von der Erde abgestrahlt wird (hier exemplarisch für drei Temperaturwerte der Erde). Darunter ist dargestellt, welche Teile der Atmosphäre welchen spektralen Bereich herausfiltern.

Wellenlängenintervalle, die von den atmosphärischen Gasen nicht oder kaum absorbiert und gestreut werden, bezeichnet man als atmosphärische Fenster.

Optisches Fenster

Die Atmosphäre ist für den Bereich des sichtbaren Lichtes sowie der nahen Infrarotstrahlung nahezu durchsichtig. Dies ermöglicht, dass Sonnenstrahlung dieses Wellenlängenbereiches in großen Mengen die Erdoberfläche erreicht. Diese Wellenlängen werden von der 5800 K heißen Sonne besonders intensiv abgestrahlt. Ohne dieses atmosphärische Fenster wäre kein auf Photosynthese basierendes Leben – so wie wir es kennen – auf der Erde möglich, da kein Licht die Erdoberfläche erreichen würde, wenn in diesem Wellenlängenintervall die Strahlung von den Molekülen der Atmosphärengase stark absorbiert und gestreut werden würde.

Weitere, für die Photosynthese weniger bedeutsame atmosphärische Fenster befinden sich in den ungefähren Wellenlängenbereichen von 750 bis 850 Nanometer, von 950 bis 1100 Nanometer, von 1200 bis 1300 Nanometer, von 1500 bis 1700 Nanometer und von 2100 bis 2400 Nanometer.

Astronomische Fenster

Während das optische Fenster der beobachtenden Astronomie die Beobachtung astronomischer Objekte vom Erdboden aus im Bereich des sichtbaren Lichts und nahen Infraroten ermöglicht, erlaubt das Radiofenster dasselbe mit Methoden der Radioastronomie im Frequenzbereich von ca. 15 MHz bis zur Größenordnung von 100 GHz, was Wellenlängen von 20 m bis hinunter zu einigen Millimetern entspricht.

Einzelnachweise
  1. G. W. Paltridge, C. M. R. Platt: Radiative Processes in Meteorology and Climatology. Elsevier, Amsterdam/ Oxford/ New York 1976, ISBN 0-444-41444-4, S. 139–140, 144–147, 161–164.
  2. R. M. Goody, Y. L. Yung: Atmospheric Radiation. Theoretical Basis. 2. Auflage. Oxford University Press, New York 1989, ISBN 0-19-505134-3, S. 201–204.
  3. K. N. Liou: An Introduction to Atmospheric Radiation. 2. Auflage. Academic Press, Elsevier, Amsterdam 2002, ISBN 0-12-451451-0, S. 119.
  4. R. Stull: Meteorology, for Scientists and Engineers. Brooks/Cole, Delmont CA, 2000, ISBN 0-534-37214-7, S. 402.
  5. J. T. Houghton: The Physics of Atmospheres. 3. Auflage. Cambridge University Press, Cambridge UK, 2002, ISBN 0-521-80456-6, S. 50, 208.
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