Die Erde in der Energie-Kaskade

Der Antrieb unserer Biosphäre, der nachhaltig fliessende Strahlungsenergiestrom der Sonne, wird an deren Photosphäre auf einem Temperatur-Potential von 5'800 K emittiert und trifft mit einer Intensität von 1'322 W/m2 (anfangs Juli) ..... 1'414 W/m2 (anfangs Januar) auf die Querschnittsfläche der Erde.

Bezogen auf die Gesamtoberfläche der Erde, also dem Vierfachen der angestrahlten Querschnittsfläche und gemittelt über ein Jahr, ergibt dies einen Strahlungsenergiestrom von 342 W/m2 beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre; dies bei der mittleren Distanz Sonne-Erde von knapp 150 Millionen Kilometer.

Ein Teil dieser gemittelten, eintreffenden Strahlung, nämlich 107 W/m2 (31 %), wird an und in der Atmosphäre oder auf der Erdoberfläche gleich wieder reflektiert; der übrige Teil (235 W/m2) wird in der Atmosphäre und auf der Erdoberfläche absorbiert und wirkt als dominierender Antrieb für alle nachhaltig laufenden Prozesse auf der Erde.

Die anderen nachhaltig fliessenden Energieströme, wie der Wärme- bzw. Entropiestrom aus dem Erdinnern (ca. 0.1 W/m2) oder die im Bild nicht angegebenen Energieströme aus den Gravitationskräften von Mond und Sonne (ca. 0.01 W/m2), sind im Vergleich zum dominierenden Strahlungsenergiestrom der Sonne, wieder bezogen auf die gesamte Erdoberfläche, vernachlässigbar klein. 

Auch die nicht nachhaltige Nutzung der über Jahrmillionen aus organischer Substanz der Biosphäre aufgebauten, fossilen Depots in der Erdkruste durch den Menschen, ist im Vergleich zum Strahlungsenergiestrom der Sonne unbedeutend, jedoch wegen den dabei erzeugten Emissionen (Treibhausgase etc.) indirekt wirksam innerhalb der Atmosphäre.

Der in der Atmosphäre und auf der Erdoberfläche absorbierte Teil des Strahlungsenergiestroms der Sonne von 235 W/m2 geht wieder von der Erde weg (Energiebilanz-Ausgleich), wird also auch wieder durch Strahlung auf dem mittleren Abstrahlungs-Temperatur-Potential der Erde über deren Gesamtoberfläche an das unendliche All mit dem Hintergrund-Strahlungs-Potential von 2.7 K abgegeben.

Die Erde liegt zwischen der versorgenden Sonne und dem aufnehmenden All und wird über die Energiebilanz auf ihrem Temperatur-Potential gehalten. Das mittlere Abstrahlungs-Temperatur-Potential der Erde kann nach dem Gesetz von Stefan und Boltzmann abgeschätzt werden, wenn man vereinfachend annimmt, dass die Erde bei der Strahlungsemission, mit einem Maximum bei Wellenlängen in der Grössenordnung von 10 μm, wie ein Schwarzer Strahler wirkt.

Das Gesetz von Stefan und Boltzmann besagt mit der gleichnamigen Konstanten, dass die Intensität des Strahlungsenergiestromes mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur steigt. Umgekehrt kann aus dem hier bekannten Abstrahlungs-Energiestrom der Erde (235 W/m2) das zugehörige Abstrahlungs-Temperatur-Potential von 255 K (-18°C) errechnet werden. Dieses Temperatur-Potential muss als Mittelwert zwischen den Teil-Strahlungs-Energieströmen von der Erdoberfläche (atmosphärisches Fenster) und von der Atmosphäre (Wolken) verstanden werden.

Diese Gesamtbetrachtung der äusseren Energie-Kaskade (Sonne 5'800 K -> Erde 255 K -> All 2.7 K) zeigt die bestimmenden Grössen für das mittlere Abstrahlungs-Temperatur-Potential der Erde, nämlich einerseits die Intensität des eintreffenden Strahlungsenergiestromes, bzw. die Distanz Sonne - Erde und andererseits das Absorptionsverhalten der Erde (Aufteilung Reflexion zu Absorption).

Die inneren Energie-Kaskaden in Atmosphäre und Biosphäre, hier in hervorragender Weise die Photosynthese für den Stoffaufbau etc., sind im Detail nicht Thema dieser Betrachtungen. Wichtig ist die Erkenntnis, dass der von der Sonne auf hohem Potential eintreffende Energiestrom, innerhalb der Atmosphäre, Biosphäre etc. verästelt und mehrfach übertragen wird, sowie dabei kaskadenartig, bei jedem Umladen an Potential verliert bis hin zur Abstrahlung ins All.

Beim Absorbieren des Strahlungsenergiestromes der Sonne in der Atmosphäre und auf der Erdoberfläche wird massiv Entropie produziert, also dem entsprechend Potential zur Verfügbarmachung von Prozessleistung dissipiert. Nur ein geringer Teil des eintreffenden Strahlungsenergiestromes wird mittels Photosynthese, dort wo Vegetation überhaupt möglich ist, auf den Energieträger Stoffstrom mit dazugehörigem chemischem Potential umgeladen (Grössenordnung < 2.5%).

Die der Photosynthese nachgelagerten Prozesse zur Verfügbarmachung von Prozessleistung zum Antrieb technischer Einrichtungen zur Befriedigung menschlicher Bedürfnisse (Gebäude-, Infrastruktur-, Mobilitätsaufbau etc. und deren Betrieb) haben also nur noch stark eingeschränktes Potential und stehen zudem in Konflikt zur Nahrungsmittelproduktion.

Die unterschiedliche Intensität des Strahlungsenergiestromes der Sonne zwischen Äquator und Polen hat bei der Absorption in der Atmosphäre und auf der Erdoberfläche dementsprechend unterschiedliche Entropieproduktion zur Folge, was wiederum als hauptsächlicher Antrieb für die globale Wasser-, Wasserdampf- und Luft-Zirkulation wirkt.

Die Luftströmungen und Wasserabflüsse auf den Kontinenten können technisch genutzt werden. Die vorgelagerten, massiv mit Dissipation bzw. Entropieproduktion verbundenen Energieübertragungen, schränken jedoch das Potential zur Verfügbarmachung von Prozessleistung zum Antrieb technischer Einrichtungen ein.

Das theoretisch grösste Potential zur Verfügbarmachung von Prozessleistung zum Antrieb technischer Einrichtungen steht also direkt beim Eintreffen des Strahlungsenergiestromes von der Sonne zur Verfügung. Die ideale, isentrope Maschine dafür, hat einen Absorber der nur die Strahlung der Sonne "sieht" und auf dem Temperatur-Potential von 2'500 K den durchschnittlich, netto dort eintreffenden Strahlungsenergiestrom (190 W/m2) vollständig absorbiert, sowie anschliessend den erzeugten Entropiestrom auf das Potential von 255 K entspannt und dabei die Prozessleistung von 170 W/m2 zum Antrieb technischer Prozesse zur Verfügung stellt.

Die heute beste technische Lösung zur Nutzung des eintreffenden Strahlungsenergiestromes der Sonne bietet die Photovoltaik, welche eine mittlere Prozessleistung von 36 W/m2 verfügbar machen kann und somit im Vergleich zur idealen, isentropen Maschine einen Wirkungsgrad von 21% erreicht. 

Ob mit dem eintreffenden Strahlungsenergiestrom der Sonne gemäss natürlichem Ablauf direkt bei der Absorption massiv Entropie produziert wird oder ob ein kleiner Teil davon durch technische Einrichtungen zur Verfügbarmachung von Prozessleistung für menschliche Bedürfnisse zur Zwischennutzung übertragen wird, spielt in der Gesamtbetrachtung keine Rolle, denn am Ende der Nutzungskette (Energie-Kaskade) wird immer derselbe Gesamt-Energiestrom und derselbe Gesamt-Entropiestrom mittels Abstrahlung von der Erde ans All abgegeben. Nur der Produktionsort der Entropie wird etwas verschoben.

Im Gegensatz zur Energie, der Erhaltungsgrösse, nimmt der Entropiestrom mit dem Potentialgefälle der Energie-Kaskade ständig zu, solange die Zeit läuft. Die Entropie ist sozusagen eine Schwester der Zeit.

Der Strahlungsenergiestrom der Sonne ist zwar insgesamt gross, aber nicht überall gut und konfliktfrei für die Verfügbarmachung von Prozessleistung zugänglich, daher müssen die technischen Einrichtungen effizient konstruiert werden (hoher isentroper Wirkungsgrad) und die so verfügbar gemachte Prozessleistung soll nicht direkt zur Entropieproduktion verwendet werden. Es ist stets effizienter (theoretisch) bei Entropiebedarf diesen aus dem Umgebungsniveau auf das Nutzungsniveau zu pumpen, als zu erzeugen. Ausser etwa bei sehr hoher Nutzungs-Temperatur.

Demnach müsste auch jegliche "Brandstiftung" (Feuerungen, Verbrennungsmotoren etc.) gebüsst, bzw. durch Lenkung zum Verschwinden gebracht werden, denn bei diesen technischen Einrichtungen an fragwürdiger Stelle der Energiekaskade wird vor allem Entropie produziert und ausserdem werden auch noch problematische Abgase emittiert. 

Weitergehende Betrachtungen zu Entropie und Energie