\section{Einführung}
Die bedeutendste Energiequelle für die Erde ist die Solarstrahlung. An der Erdoberfläche gibt der Nettostrahlungsfluss die Energie pro Zeit- und Flächeneinheit an, die zur Verfügung steht. Die Nettorstrahlung an der Erdoberfläche ist das Resultat einer Verknüpfung von verschiedenen Strahlungsprozessen.

\subsection{Kurzwellige Strahlung}
Ein Teil der von der Sonne kommende kurzwellige Solarstrahlung, Maximum um 500\,nm, wird bereits in der Atmosphäre reflektiert und absorbiert bevor sie auf die Erde trifft. Die auf die Erde treffende kurzwellige Solarstrahlung ($SW\downarrow$) stetzt sich aus der direkten Sonnenstrahlung und der diffusen Himmelsstrahlung zusammen. An der Erdoberfläche wird ein Teil dieser Strahlung direkt wieder reflektiert ($SW\uparrow$). Der Anteil der reflektierten Strahlung ist abhängig der Albedo ($\alpha$) der Oberfläche.

\subsection{Langwellige Strahlung}
Die Erdoberfläche strahlt auf Grund ihrer Temperatur (288\,K) langwellige Strahlung ab ($LW\uparrow$) im Infrarotbereich, mit einer Intesität von $I=\epsilon \sigma T_r^4$. Ein Teil dieser Strahlung wird von der Atmosphäre absorbiert und wieder emittiert. Diese Strahlung kann nun wieder auf die Erdoberfläche zurückgestrahlt werden ($LW\downarrow$).
%% TODO weshlab ein \epsilon

\subsection{Nettostrahlung}
Aus der Strahlungsbilanz kann die Nettostrahlung ($R_n$) bestimmt werden:
\begin{eqnarray}
R_n & = & SW\downarrow - SW\uparrow + LW\downarrow - LW\uparrow\\
\end{eqnarray}
Für die kurzwellige und langwellige einfallende Strahlung gilt:
\begin{eqnarray}
SW\uparrow & = & \alpha SW\downarrow\\
LW\downarrow & = & \epsilon \sigma T_r^4
\end{eqnarray}

Die Nettostrahlung bestimmt im wesentlichen die biophysikalischen und hydrologischen Austauschprozesse auf der Erdoberfläche. Die Nettostrahlungsenergie ($R_n$) wird aufgeteilt auf den fühlbaren Wärmefluss ($H$), den latenten Wärmefluss ($\lambda E$) und den Wärmefluss in den Boden ($G$):
\begin{eqnarray}
R_n & = & H + \lambda E + G
\end{eqnarray}
$\lambda E$ wird auch Evapotranspiration genannt, $\lambda$ ist die Verdunstungswärme von Wasser ($2.52\,J\,kg^{-1}$), und ist dadurch mit dem hydrologischen Kreislauf verbunden:
\begin{eqnarray}
P & = & E + R
\end{eqnarray}
$P$ ist der Niederschlag $E$ die Verdunstung und Transpiration (Evapotranspiration) und $R$ der Abfluss.

\subsection{Albedo}
Die Albedo $\alpha$ bestimmt welcher Anteil der Strahlung auf der Oberfläche reflektiert wird. Die einfallende Strahlung ist nicht über allen Wellenlängen gleich, daher wird eine wellenlängenabhängige Albedo gemessen. Die spektralen Eigenschaften der Albedo hängt vom Oberflächenmaterial ab und ändert sich auch mit der Richtung der einfallenden Strahlung.

\section{Instrumente}
Fest installierte Instrumente bei der Klimastation Büel:
\begin{itemize}
\item 4-Komponenten Pyranometer ($SW\uparrow$, $SW\downarrow$) und Pyrgeometer ($LW\uparrow$, $LW\downarrow$)
\item Netradiometer ($R_n$)
\item Doppelpyranometer ($SW\uparrow$, $SW\downarrow$)
\end{itemize}
In unserem Versuch verwendete mobile Instrumente:
\begin{itemize}
\item Doppelpyranometer ($SW\uparrow$, $SW\downarrow$)
\item Netradiometer ($R_n$)
\item Spektrometer ASD Fieldspec (misst spektral aufgelöst die einfallende und reflektierte Strahlung im Bereich 400--1\'050\,nm)
\end{itemize}

\section{Experiment}
\subsection{Leuchtstoffröhren}
\begin{figure}
\centering
\includegraphics[page=85, viewport=78 98 730 500, clip, angle=0, width=0.99\linewidth]{../B_strahlungsmessung/auswertung/leuchtsoffroehren}
\caption{Spektrum zweier Leuchtstoffröhren. Wärmeres Licht der Leuchtstoffröhre \glqq{}Gelbe FL\grqq{} rote Linie, kälteres Licht der Leuchtstoffröhre \glqq{}Weisse FL\grqq{} blaue Linie (Skala links). Zum Vergleich ist ein Spektrum auf dem Tisch in der Nähe des Fensters gestrichelt dargestellt (Skala rechts).}\label{B:abb:spektrum_fl}
\end{figure}
Auf Grund des schlechten Wetters wurden zuerst zwei Spektrale Messungen im Schuppen durchgeführt. Es standen zwei unterschiedliche alte Leuchtstoffröhren zur Verfügung deren Spektren gemessen wurde (Abbildung~\ref{B:abb:spektrum_fl}).

Es können drei verschiedene Typen von Leuchtstoffröhren unterschieden werden:
\begin{description}
\item[Standardleuchtstoff] (sogenannte \glq{}Halophosphate\grq{}), sind günstig, haben eine schlechte Farbwiedergabe bei relativ geringer Lichtausbeute.
\item[Drei-Banden-Leuchtstofflampen] Leuchtstoffbeschichtung aus einer Mischung von drei Leuchtstoffen, die im roten, grünen und blauen Bereich des sichtbaren Spektrums relativ scharfbandige Emissionen zeigen
\item[Vollspektrum-Leuchtstofflampen] beste Farbwiedergabe, geringste Farbverfälschungen. Das Spektrum ist tageslichtähnlich und fast ebenso kontinuierlich. Dies wird durch Einsatz von mindestens vier unterschiedlichen Leuchtstoffen erreicht.
\end{description}

Die Leuchtstoffbeschichtung besteht aus kristallinen Pulvern (vorwiegend anorganische Oxide), die im Falle von Drei-Banden-Leuchtstoffen Spuren von zwei- oder dreiwertigen Lanthanoid-Kationen enthalten, welche je nach eingesetztem Lanthanoid und des zugrundeliegenden Wirtsgittersystems unterschiedliche Farben erzeugen. Diese Farben ergeben additiv die Leuchtfarbe der Röhre. Die Standardleuchtstoffe basieren auf dem System des sogenannten Calciumhalophosphats der allgemeinen Formel Ca$_{10}$(PO$_{4}$)$_{6}$(F,Cl):Sb,Mn, wobei die unterschiedliche Farbtemperatur durch Variationen in der Konzentration der beiden Dotierelemente Mangan (Mn) und Antimon (Sb) erzielt wird.\footnote{Quelle: \hyperref{http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtstoffr\%C3\%B6hre}{}{}{Wikipedia. {\tt http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtstoffröhre}}}

Es sind deutlich drei Maximas im Spektrum zu erkennen bei 438\,nm, 546\,nm und 578\,nm, bei der \glqq{}Gelben FL\grqq{} zudem ein viertes bei 684\,nm. Auf Grund dieser drei Maximums und den relativ scharfbandigen Emissionen handelt es sich wahrscheilich um Drei-Banden-Leuchtstoffröhren. Das Spektrum ohne leuchtende Leuchstoffröhren wurde nicht gemessen, wodurch nicht genau gesagt werden kann welcher Anteil der Strahlung zur Hintergrundstrahlung gehört (Diffuse Sonnenstrahlung durch das Fenster), zum Vergleich ist aber das zu erwartende Spektrum welches ganz am Anfang beim Tisch am Fenster gemessen wurde in der Abbildung~\ref{B:abb:spektrum_fl} gestrichelt dargestellt. Das Spektrum beim Fenster ist im nahen Infrarotbereich das selbe, dieser Anteil im Spektrum kommt daher nicht von den Leuchtstoffröhren.

Bei der \glqq{}Gelben FL\grqq{} Leuchtstoffröhre gibt es ein Maximum mehr um 684\,nm (Rot) wodurch das Licht wärmer ist.

\subsection{Gras}
Zwei Messungen wurden durchgeführt eine über niedergedrückten hohem Gras und eine zweite über ungestörtem hohen Gras (Abbildung~\ref{B:abb:spektrum_gras}).

\begin{figure}
\centering
\includegraphics[page=127, viewport=78 98 730 500, clip, angle=0, width=0.99\linewidth]{../B_strahlungsmessung/auswertung/gras}
\caption{Spektrum der Einfallenden Strahlung (obere Kurven) und von hohem Gras: niedergedrückt und ungestört (untere Kurven). Die totale Nettointensität beträgt 167\,W\,m$^{-2}$ (flachgedrückt) bzw. 145\,W\,m$^{-2}$ (ungestört)}\label{B:abb:spektrum_gras}
\end{figure}

\subsubsection{Spektren}
Die beiden Spektren unterscheiden sich bis auf die Intensität nicht. Die nach oben abgestrahlte Strahlung weisst einen sehr geringen Anteil im sichtbaren Bereich auf (wenig Reflektion von 300\,nm bis kurz vor 700\,nm) mit einem kleinen Maximum bei etwa 550\,nm (Grün). Das Maximum um 550\,nm führt dazu, dass uns Gras grün erscheint.

\subsubsection{Intensität}
Das Spektrum des flachgedrückten Grases mit einer Intensität  von 167\,W\,m$^{-2}$ wurde um 11:21 (MESZ), dasjenige des hohen Grases mit 145\,W\,m$^{-2}$ um 11:37 gemessen.

Die totale Nettointensität beträgt ungefähr 150\,W\,m$^{-2}$ dies entpricht ungefähr der Leistung einer konventioneller Ständerlampe (mit Glühleuchtmitteln).

Der zeitliche Verlauf der Strahlung ist in Abbildung~\ref{B:abb:intensitaet} dargestellt. Die mit dem Netradiometer gemessene Nettostrahlung liegt um 20\,W\,m$^{-2}$ und somit viel tiefer als die aus dem Spektrum berechnete Nettostrahlung. Es ist jedoch nicht klar in welchem Wellenlängenbereich das Netradiometer misst, wodurch ein vergleich der beiden Werte nicht möglich ist.

Wird die Nettostrahlung aus den Daten vom Doppelpyranometer berechnet ($R_n = SW\downarrow - SW\uparrow$) ergeben sich höhere Werte (Abweichung bis zu 100\%) als mit dem Netradiometer gemessen wurden. Zum Zeitpunkt der Messung der beiden Spektren ist die Abweichung ebenfalls gross, eine Abdeckung nur eines der beiden Gerät kann daher ausgeschlossen werden. Ebenso ist unbekannt wie gross der Fehler auf Grund der Eichung ist und welche Wellenlängenbereiche beim Doppelpyranometer berücksichtigt werden, dadurch ist es nicht möglich abzuschätzen woher dieser grosse Fehler kommt.
\begin{figure}
\centering
\includegraphics[page=5, viewport=78 98 730 500, clip, angle=0, width=0.99\linewidth]{../B_strahlungsmessung/auswertung/strahlung}
\caption{Zeitlicher Verlauf der kurzwelligen Strahlung gmessen mit dem Doppelpyranometer (SWd ($SW\downarrow$), SWu ($SW\uparrow$) und die berechnete Nettostrahlung  SWd-SWu ($R_n = SW\downarrow - SW\uparrow$)) und dem  Netradiometer (Rn ($R_n$)).}\label{B:abb:intensitaet}
\end{figure}

\subsubsection{Albedo}
Die Albedo ist im sichtbaren Berich sehr niedrig (bis maximal 0.1) mit einem Maxmimum bei 550\,nm (grün). Das flachgedrückte Gras weisst eine höhere Albedo auf. Im nahen Infrarotbereich ist die Albedo sehr hoch (0.45--0.7), im Gegensatz zum sichtbaren Bereich weisst hier das ungestörte Gras höhere Werte auf (Abbildung~\ref{B:abb:albedo_gras}).
\begin{figure}
\centering
\includegraphics[page=128, viewport=78 98 730 500, clip, angle=0, width=0.99\linewidth]{../B_strahlungsmessung/auswertung/gras}
\caption{Albedo in Abhängigkeit der Welenlänge für niedergedrücktes und ungestörtes Gras}\label{B:abb:albedo_gras}
\end{figure}

\subsection{Langwellige Strahlungsbilanz}
In einer klaren Nacht ist der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre niedrig, wodurch nur ein geringer Anteil der abgestrahlten langwelligen Strahlung an Wasserdampf absorbiert und zurück emittiert werden kann. Die Bilanz wird daher in der Nacht negativ sein ($LW\uparrow > LW\downarrow$).

Am Tag ist die von der Erde abgestrahlte Intensität der langwelligen Strahlung grösser, da die Erdoberfläche wärmer ist. Durch die einstrahlende kurzwellige Strahlung wird zudem die Atmosphäre erwärmt, dadurch ist die langwellige Strahlung der Atmosphäre viel grösser als in der Nacht. Dies führt zu einer positiven Bilanz am Tag (Treibhauseffekt).
%% TODO stimmt das???

%Dies entspricht einem Wellenlängenbereich von etwa 780 nm bis 1 mm. Bei kurzwelliger IR-Strahlung (ab 780 nm) spricht man oft von nahem Infrarot (near infrared, NIR), bei Wellenlängen von ca. 5...25 Mikrometer von mittlerem Infrarot (mid infrared, MIR). Extrem langwellige IR-Strahlung (25 µm-1 mm) bezeichnet man als fernes Infrarot (far infrared, FIR).
