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Oberflächentemperatur


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Die Oberflächentemperatur ist die Temperatur eines Körpers, die an dessen Oberfläche herrscht und somit, in Bezug auf dessen Wärmestrahlung, die von außen sicht- bzw. messbare Temperatur ist. Sie ist sowohl von Bedeutung, wenn das Innere des Körpers eine andere Temperatur besitzt als die Randschichten, als auch wenn man Prozesse der Wärmeübertragung auf der Oberfläche bzw. zwischen Oberflächen und Körperinnerem/Körperumgebung beschreiben will.

Thermodynamik und Wärmeübertragung

Ein Temperaturgradient innerhalb eines Körpers tritt auf, wenn sich ein Körper mit zunächst homogener Temperatur in einer kälteren oder wärmeren Umgebung befindet, ihm also Wärme zu oder abgeführt wird. Die Außenschichten passen dabei ihre Temperatur schneller an die Umgebungstemperatur an, als das, je nach Temperaturleitfähigkeit, mehr oder weniger stark thermisch isolierte Innere. So hat zum Beispiel ein Körper, der im Wasserbad erwärmt wird, an seiner Oberfläche eine höhere Temperatur als im Inneren, wobei gleiches auch in umgekehrter Form für eine Abkühlung gilt.

Meeresoberfläche

Die Meeresoberflächentemperatur ist definiert als die Wassertemperatur einen Meter unter der unmittelbaren Meeresoberfläche. Sie stellt eine zentrale meteorologische und klimatologische Messgröße dar, da sie sowohl die thermohaline Zirkulation des Meeres als auch dessen Wärmeaustausch mit der Erdatmosphäre bestimmt. In der Regel nutzt man für die Meeresoberflächentemperatur die englische Abkürzung SST (sea surface temperature). Der komplette Wärmeinhalt der Ozeane wird unter anderem mit Tauchsonden ermittelt und im englischen mit OHC (ocean heat content) abgekürzt. Der Wärmeinhalt der Ozeane hat in den letzten Jahren in der Klimatologie an Bedeutung gewonnen.

Wichtige Parameter, die direkt oder indirekt auf der Meeresoberflächentemperatur und deren räumlichen Unterschieden beruhen, sind der Southern Oscillation Index und die Nordatlantische Oszillation. Die SST spielt daher eine große Rolle für El Niño und La Niña sowie für Monsunphänomene und dabei speziell den indischen Monsun.

Es gibt unterschiedliche Wege die SST zu messen, wobei zwischen diesen Verfahren teils erhebliche Unterschiede in der Messgenauigkeit auftreten können, da sie mit unterschiedlich großen Fehlern behaftet sind. Zunächst nutzte man eine direkte Messung durch Thermometer, entweder manuell durch Messung an einer Wasserprobe oder automatisch durch Schiffe. Das so erlangte Datenmaterial weist jedoch erhebliche Ungenauigkeiten auf, da aufgrund beispielsweise eines unterschiedlichen Tiefgangs oder einer uneinheitlichen Position des Messgerätes nicht immer in gleicher Tiefe gemessen wird. Bessere und wesentlich zuverlässigere Daten erhält man daher von ortsfest installierten Bojen. Deren Messdaten werden meist über Satelliten übertragen und dort automatisch ausgewertet. Ein Vorteil ist hierbei jedoch nicht nur die immer gleiche Tiefe der Messung, sondern auch die ortsfeste Position. Man erhält dadurch für definierte Punkte durchgehende Messreihen und vermeidet eine Verzerrung des Datensatzes durch eine räumlich und in der Zeit unterschiedliche Datenlage, je nachdem, ob an einem bestimmten Ort gerade ein Schiff mit Messapparatur zugegen ist, oder nicht. Ein Problem ist jedoch auch, dass die Bojen nur sehr begrenzt hochseetauglich sind und daher oft nur das Küstenbild abdecken.

Seit den 1980ern werden daher verstärkt Satellitenmessungen genutzt, welche den Vorteil haben, das gesamte Areal in der nahezu gleichen Zeit zu erfassen, im Gegensatz zu den obigen Punktmessungen. Hierbei wird der Ozean mit elektromagnetischer Strahlung im Infrarot-Wellenlängenbereich abgetastet (siehe Bildbeschreibung der Abbildung oben rechts). Die Bedeutung der Satellitenmessungen zeigt sich im direkten Vergleich mit ihren Alternativen. Die Satelliten ermöglichen einen hochauflösenden Gesamtüberblick in einem vergleichsweise sehr kurzen Zeitraum. So braucht ein Schiff mit einer Geschwindigkeit von zehn Knoten ungefähr zehn Jahre um den gleichen Abschnitt zu erfassen, wie ein Satellit innerhalb von nur zwei Minuten. Die Messung der absoluten SST mittels Satelliten hat aber auch Nachteile. Die Strahlung wird in den obersten rund zehn Zentimetern des Ozeans reflektiert und repräsentiert daher, bedingt durch die tiefenabhängige Erwärmungswirkung der Sonne, die Abkühlung in der Nacht und die Oberflächenverdunstung, nicht die reale SST. Eine Vergleichbarkeit von direkten Temperaturmessungen durch Bojen und Schiffe mit den Messdaten der Satelliten ist daher nur sehr eingeschränkt gegeben, was bei relevanten Temperaturunterschieden von oft einem Zehntel Grad zu erheblichen Auswertungsproblemen führt. Hinzu kommt, dass Satellitenmessungen durch die Wolkendecke gestört werden und daher selbst Inkonsistenzen aufweisen können, falls diese Störungen nicht ausgeglichen werden. Diese Probleme sind jedoch gering gegenüber den Vorteilen einer satellitengestützten Messung.

Sterne

Hauptartikel: Sternoberfläche

Die Oberflächentemperatur von Sternen ist die für uns messbare Temperatur des Sterns, sagt jedoch wenig über dessen innere Temperatur aus. Sie ist dort höher als die an der Oberfläche, weil im Inneren durch Kernfusion große Wärmemengen freigesetzt werden. Diese Wärme wird dann entlang des Temperaturgefälles nach außen transportiert und dort abgestrahlt, wobei die Beziehung zwischen der Wellenlänge des emittierten Lichtes und der Oberflächentemperatur des Sterns durch das Wiensche Verschiebungsgesetz gegeben ist.

Da man nicht in der Lage ist die Temperatur des Sterns direkt zu messen, wohl aber die Wellenlänge der von ihm freigesetzten Strahlung, kann man auf diese Weise die Oberflächentemperatur des Sterns indirekt ermitteln. Zum Beispiel hat die Sonnenstrahlung ein Spektrum mit einem Maximum bei 500 nm Wellenlänge (blau-grünes Licht), woraus sich eine Temperatur ihrer Photosphäre von ungefähr 5.800 Kelvin folgern lässt.


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