You are using an outdated browser. Please upgrade your browser to improve your experience.

print article Artikel drucken

Der Planet Erde und sein Licht

Wie wir die Welt erleben, hängt in hohem Maße von der Menge und Qualität des Tageslichts ab. Moderne Methoden der Tageslicht-Kartografie können uns faszinierende Erkenntnisse zur Verfügbarkeit natürlichen Lichts in verschiedenen Teilen der Erde liefern und Aufschluss geben, wie die Natur und der Mensch selbst Einfluss darauf nehmen. 
Eine Erläuterung der Tageslichtverteilung auf unserem Planeten von Francesco Anselmo und John Mardaljevic.

Verhältnis von direkter zu ­diffuser Sonneneinstrahlung (Jahresdurchschnitt der Strahlungsintensität: rot=4.0, orange=3.0, türkis=2.0, blau= 1.0, lila=0.0)

Astronomen und andere Wissenschaftler vermitteln uns seit Langem Fakten über den Winkel der Erdachse zur Sonne, über Richtung und Geschwindigkeit der Drehung unseres Planeten sowie die charakteristische Verteilung von Landmassen und Ozeanen. Diese Erkenntnisse gehören inzwischen zum geografischen Grundwissen. Sechzig Jahre Weltraumforschung und die Bilder von immer mehr künstlichen Satelliten (derzeit umkreisen über 3 000 die Erde) haben überdies das emotionale Bild unseres blauen Planeten in den Weiten des Weltraums in unser persönliches und kollektives Gedächtnis eingeprägt. Doch noch immer nehmen wir Menschen unsere Umwelt aus dem Blickwinkel der Weltraumreisenden wahr, deren Lebensumfeld sich auf die dünne Kruste unseres Planeten beschränkt. Dieser Planet kreist mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 107 200 km/h um einen gelben Zwergstern, die Sonne.

Die Drehung der Erde um ihre Achse legt die Abfolge von Licht und Dunkelheit auf der Oberfläche fest und begründet so die Konzepte von Tag und Nacht.
Tageslicht setzt sich aus dem Licht der Sonne (kleine gerichtete Quelle) und dem Licht des Himmels (große diffuse Quelle) zusammen. Himmelslicht ist Sonnenlicht, das in unserer Atmosphäre gestreut wurde – ohne sie wäre der Himmel auf der Erde ebenso schwarz wie auf dem Mond. 

Tage mit klarem Himmel pro Jahr (dunkelblau = 100, weiß = 0)

Die Oberfläche der Erde mit ihren Materialien, ihrer Topografie und Vegetation, aber auch mit den Resultaten menschlicher Aktivitäten interagiert mit der Sonnenenergie. Diese Wechselwirkung erzeugt atmosphärische Phänomene, die langfristig das lokale Klima charakterisieren – und damit auch das Lichtklima, das mit der visuellen Wahrnehmung interagiert. Die Notwendigkeit, das Wetter zu verstehen und vorherzusagen – zunächst für landwirtschaftliche Zwecke –, hat im Laufe der Jahrzehnte ein weltweites Netzwerk aus Wetterstationen entstehen lassen. Auch geostationäre Satelliten dienen dazu, Wetterdaten ferngesteuert zusammenzutragen, sodass die Bodenmessungen mit guter Genauigkeit für jeden Ort auf der Erde hochgerechnet werden können.
Im Anschluss daran lassen sich diese Daten statistisch filtern und in grafischer Form wiedergeben, um einen Einblick in die globale Klimaentwicklung und ihre mögliche Zukunft zu gewinnen.

Die oben dargestellten Karten sind ein Versuch, das Lichtklima für den gesamten Planeten zu zeigen. Ihnen liegt der Wetterdatensatz des NASA SSE (Surface Meteorology and Solar Energy-Programm) zugrunde, der auf monatlichen Daten basiert. Über einen Zeitraum von 22 Jahren (1983–2005) wurden diese Daten durch Satellitenmessungen für ein Gitternetz aus 1°x1°-Flächen für die gesamte Welt erfasst (1° entspricht etwa 111 km auf der Erdoberfläche).

Die Karten zeigen die Stärke des direkten Sonnenlichts in Relation zur Stärke des diffusen Himmelslichts in einem typischen Jahr. Die jährliche Anzahl der Tage mit einem klaren Himmel (viel direktes Sonnenlicht, wenig diffuses  Himmelslicht) wird in Blau dargestellt, wobei ein intensiveres Blau einer höheren Anzahl von Tagen mit klarem Himmel entspricht. Die dunkelblauen Bereiche bezeichnen die Orte auf der Erde, wo direktes Sonnenlicht vorherrscht.

Die Karten zeigen nur das Verhältnis zwischen den jährlichen Durchschnittswerten und liefern daher keinen Aufschluss über saisonale Schwankungen. Dennoch sind sie nützlich, um die vorherrschenden Tageslichtbedingungen zu verstehen und zu erkennen, ob die Tageslichtplanung vorwiegend direktes Sonnenlicht (und damit die Notwendigkeit zur Verschattung) oder diffuse Beleuchtung berücksichtigen sollte.

Karte der globalen Waldflächen. Wälder erzeugen durch ihre Wasserverdunstung Wolken und nehmen dadurch erheblichen ­Einfluss auf das Klima und die Verfügbarkeit von Tageslicht in einer Region.

Es ist aufschlussreich, diese Karten in Verbindung mit der Karte der Waldflächen zu lesen (oben).

Es gibt einen direkten Zusammenhang zwischen Gebieten mit Wäldern und Gebieten, in denen es überwiegend bewölkt ist. Dies ist auf Evapotranspiration zurückzuführen, also auf die Wasserverdunstung aus Pflanzen, die auf der Landoberfläche der Erde wachsen. Evapotranspiration ist ein wichtiger Bestandteil des irdischen Wasserkreislaufs.

Die Wasserbilanz auf der Erde bleibt über die Zeit konstant, doch die einzelnen Wassermoleküle sind ständig in Bewegung. Ferner nehmen sie – aufgrund von Verdunstung und Kondensation – unterschiedliche Aggregatzustände an. Dabei wird das Wasser zu Eis oder Dampf, sodass es zu einem Wärmeaustausch kommt (z. B. wird bei Wasserverdunstung die umgebende Luft abgekühlt). Dieser Wärmeaustausch hat starken Einfluss auf das Klima.

Der Gedanke, die Vegetation für die Messung des lokalen Klimas heranzuziehen, ist nicht neu. Der deutsch-russische Klimatologe Wladimir Köppen entwickelte daraus 1884 erstmals ein System der Klimaklassifikation, das bis heute zu den am häufigsten verwendeten Modellen gehört.

Das System basiert auf dem Konzept, dass die einheimische Vegetation der beste Ausdruck des Klimas ist. Es definiert die Grenzen zwischen den Klimazonen anhand der Vegetationsverteilung, der durchschnittlichen jährlichen und monatlichen Temperaturen und Niederschläge sowie der saisonalen Verteilung der Niederschläge.

Weltkarte der Klimazonen nach Köppen/Geiger: Aktualisiert mit CRU TS 2.1-Temperatur­daten und VASClimO v1.1-Niederschlagsdaten für 1951 bis 2000.

Besonders ausgeprägt ist die Beziehung zwischen Topografie und Klima in den Anden. Aufgrund ihres Gebirgsreliefs beherbergen sie eine Vielzahl verschiedener Klimazonen auf relativ engem Raum.

Dies trifft insbesondere für Chile zu. Das Land erstreckt sich von Norden nach Süden über 4 300 km und 38 Breitengrade. Durch den Einfluss der Anden ist Chile das Land mit den meisten Mikroklimaten der Erde. Während die nördliche Region extrem trocken ist und die Atacama-Wüste sowie viele Orte umfasst, an denen es niemals geregnet hat, ist die zentrale Region ein fruchtbares Gebiet mit gemäßigtem Klima. Die südliche Region hingegen ist kalt und regnerisch, mit vereisten Fjorden und Gletschern im äußersten Süden. 

Das Klima spielt eine wichtige Rolle bei der Definition der kulturellen Identität der Chilenen. Abgesehen von der Wüstenregion haben kalte und wolkenreiche Winter, wie wir sie auch aus Nordeuropa kennen, die Lebenseinstellung der Menschen beeinflusst. Das geht so weit, dass Chilenen im Allgemeinen dem Konzept einer ‚tropischen’ Kultur misstrauen, da sie annehmen, dass diese Trägheit und Unterentwicklung begünstigt.

Ein weiteres interessantes Phänomen ist die Tatsache, dass die Landflächen in gemäßigten und feuchten Klimaten vorwiegend Bewölkungswetterlagen aufweisen, während der Himmel über dem Meer in der Regel sonniger ist. In Wüstengebieten ist normalerweise das Gegenteil zu beobachten. Dies trifft beispielsweise für die Sahara, die Atacama-Wüste, Namibia sowie die Wüstengebiete in Nordamerika und Australien zu.

Auch über der Antarktis sind Wolken extrem selten. Aus diesem Grund wird der Kontinent als Wüste klassifiziert. Eine gefrorene Wüste aus Schnee, wo es tatsächlich keine oder nur geringe Niederschläge gibt.

Bei näherer Betrachtung können die Lichtklimakarten auch interessante Geschichten über den Menschen erzählen.

Warum ist beispielsweise das Sonnenlicht in China so schwach?

Einerseits gibt es in China Nebelwälder auf dem Yunnan-Plateau. Diese tropischen oder subtropischen Wälder zeichnen sich durch eine tiefhängende, lang anhaltende Bewölkung aus, die ganzjährig oder saisonal auftritt und die vorherrschenden Tageslichtbedingungen in diesen Regionen beeinflusst.

In China konzentriert sich aber auch ein immer größerer Teil der weltweiten Bergbauaktivitäten und der industriellen Fertigung, wobei man vorwiegend auf Kohle zur Energieerzeugung setzt. Zusätzlich treten hier natürliche saisonale Phänomene auf, wie etwa Staubstürme. All diese Faktoren haben in den letzten Jahren die Luftqualität stark beeinträchtigt. Die chinesische Regierung forderte daher im Januar 2013 Fabriken auf, ihre Emissionen zu verringern und Wasser auf industrielle Gebäude zu spritzen, um den Smog in einigen Regionen einzudämmen. Schulen wurde geraten, auf Aktivitäten im Freien zu verzichten, und der Bevölkerung wurde mit Nachdruck empfohlen, „Maßnahmen zum Schutz der eigenen Gesundheit zu treffen“.

Die Weltbank beschrieb diese Situation bereits in 2007 in dem Bericht Die Kosten der Umweltverschmutzung in China. Dort heißt es, dass von den 20 Städten mit der weltweit stärksten Verschmutzung 16 in China liegen und dass die durch Luft- und Wasserverschmutzung verursachten Kosten zwischen 3,5 % und 8 % des chinesischen Bruttoinlandsprodukts ausmachen.

Die Karten zeigen, dass sich die Umweltverschmutzung auch auf die Verfügbarkeit von Tageslicht und solarer Strahlung auswirkt. Insbesondere die direkte Sonnenstrahlung und die Beleuchtungsstärke im Freien sind hier auf Niveaus reduziert, die mit tropischen Wäldern oder subpolaren Regionen vergleichbar sind.

Dieser Artikel erschien zuerst in der Fachzeitschrift DA Daylight and Architecture, die von VELUX herausgegeben wird.

Francesco Anselmo ist Senior Lighting Designer bei Arup in London. Er promovierte im Fach Umweltphysik und besitzt Hochschulabschlüsse in Elektrotechnik und Ingenieurwesen. Er ist Experte für numerische Simulations- und Visualisierungssysteme und entwickelt Computer-Tools für Beleuchtungsdesign, Gebäudesimulation und Interaktionsdesign.

John Mardaljevic ist Professor für Tageslichtmodellierung in Gebäuden an der Fakultät für Bauingenieurwesen der Loughborough University in GB. Seit den 1990er-Jahren ist seine Arbeit wegweisend für die Anwendung von Klimadatensätzen in Tageslicht- und Solarmodellen jeglicher Größenordnung – von urbanen Gebieten bis hin zu einzelnen Gebäuden. Derzeit ist John Mardaljevic Mitglied des europäischen Normenausschusses für Tageslicht.

Stichworte:
Aktuelles Heft
DETAIL 9/2018
DETAIL 9/2018, Schulen

Konzept: Schulen

Zum Heft
Shop-Empfehlung
Anzeige

ARCHITEKTUR & DESIGN

Detail Newsletter

Wir informieren Sie regelmäßig über internationale Projekte, Neuigkeiten zu Architektur - und Designthemen, Research und aktuellen Veranstaltungen in unserem Newsletter.