Die Atmosphären der Erde, der Planeten unseres Sonnensystems und der Exoplaneten

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1 Research Collection Report Die Atmosphären der Erde, der Planeten unseres Sonnensystems und der Exoplaneten Author(s): Brüesch, Peter Publication Date: 2016 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 1. P r o l o g Die Atmosphäre und die Luft unseres Planeten 1 1 1

3 1.1 Entstehung der Erdatmosphäre Atmosphäre der Erde im Urzustand Raum Vor etwa 4.5 Milliarden Jahren entstand unsere Erde. Schon sehr früh verfügte sie über eine Atmosphäre bestehend aus Wasserstoff (H 2 ) und Helium (He) sowie in geringem Masse über Methan (CH 4 ), Ammoniak (NH 3 ) und einigen Edelgasen (in der Figur sind nur H 2 und He eingezeichnet). Wegen der geringen Erdanziehung und der schnellen Erdrotation waren diese Moleküle nur schwach an die Erde gebunden und viele gingen relativ schnell wieder verloren. Dazu kam die kontraktionsbedingte Erwärmung, der Zerfall von Radionukleiden unter Wärmeabgabe und die häufigen Impakte durch Meteorite und Asteroide. Wegen diesen hohen Temperaturen, welche durch die Kernfusion in der Sonne zusätzlich erhöht wurden, sowie der extrem starken Sonnenwinde, wurden auch die letzten Reste der Atmosphäre beseitigt. 2 Atmosphäre der jungen Erde Die junge Erde: Aus Vulkanen drang Wasserdampf (H 2 O), Kohlendioxid (CO 2 ) und Ammoniak (NH 3 ). CO 2 löste sich im Meerwasser auf. Mit Hilfe von Sonnenlicht und CO 2 gediehen einfache Bakterien. (Als Nebenprodukt entstand molekularer Sauerstoff (O 2 )). Diese zweite Atmosphäre entstand aus der Erde selbst: Damals existierte eine sehr grosse Zahl von Vulkanen, viel mehr als in der neueren Zeit. Dieser Vulkanismus war eine Folge der Krustenbildung der Erde. Aus den Vulkanen wurden die folgenden Gase ausgestossen: a) Wasserdampf (molekulare H 2 O Moleküle) b) Kohlendioxid (CO 2 ) Meerwasser c) Ammoniak (NH 3 ) aus den Vulkanen in die Atmosphäre 3 1 2

4 Gegenwärtige Atmosphäre der Erde Gegenwärtige Erde: Pflanzen und Tiere gediehen zusammen im Gleichgewicht. Die Pflanzen nehmen Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) auf und geben Sauerstoff (O 2 ) ab (Photosynthese (s. Kapitel 6)). Die Tiere nehmen O 2 zum Atmen auf und geben CO 2 durch Ausatmung ab. Aus Bränden entsteht CO 2. In den Ozeanen lösten sich grosse Mengen von CO 2. Daraus entstanden im Laufe der Zeit einfache Formen von Bakterien, welche von der Sonnenenergie und CO 2 leben konnten. Als Nebenprodukt erzeugten diese Bakterien Sauerstoff (O 2 ). Dadurch begann sich in der Atmosphäre O 2 anzureichern, während die Konzentration von CO 2 weiter abnahm. Gleichzeitig wurden in der Atmosphäre die Ammoniak Moleküle (NH 3 ) durch das Sonnenlicht aufgebrochen, wobei sich N 2 und H 2 bildete. Die leichten H 2 Moleküle stiegen in die höchsten Schichten der Atmosphäre und diffundierten in den freien Raum des Universums Atmosphäre und Luft Atmosphäre Die Atmosphäre der Erde ist eine Gasschicht, welche den Planeten umgibt. Diese Gase werden durch die Gravitation an die Erde gebunden. Die Atmosphäre schützt das Leben auf der Erde durch Absorption der UV- Strahlung der Sonne, der Erwärmung der Erdoberfläche durch ihr Wärmerückhaltvermögen (natürlicher Treibhauseffekt), und durch Reduktion extremer Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht. Die Atmosphäre besteht aus verschiedenen Schichten, die sich durch verschiedene Temperaturen und Zusammensetzungen unterscheiden. Die Masse der Erde beträgt 5.15*10 18 kg, wobei sich ca. 80 % davon in den ersten 11 km von der Erde aus befinden (p. 10). Mit zunehmender Höhe wird die Dichte der Atmosphäre immer kleiner (p. 1-A-3-1). wobei keine definitive Grenze zwischen der Atmosphäre und dem äusseren Raum existiert. Oft wird die Grenze zwischen der Atmosphäre und dem äusseren Raum bei 100 km festgelegt, der sog. Kàrmán - Linie. Luft Als Luft bezeichnet man die Atmosphäre, welche zur Atmung und für die Photosynthese gebraucht wird. Trockene Luft besteht aus % Stickstoff (in Gew, %), % Sauerstoff, 0.93 % Argon, % Kohlendioxyd und einer kleinen Menge anderer Gase (p. 6). Die natürliche Luft enthält auch eine variable Menge von Wasserdampf, im Mittel ca. 1 %. Während die Konzentration und der Atmosphärendruck in den verschiedenen Schichten unterschiedlich ist, existiert die für die Pflanzen und Tiere benötigte Luft nur in der Troposphäre (pp 7, 9, 10) sowie in Form von künstlicher Luft

5 Zusammensetzung der trockenen (wasserfreien) Atmosphäre [in Vol. % bzw. in parts per million (ppm)] Argon : Ar N 2 : % ( ppm) Kohlen - Dioxid : CO 2 Restgase O 2 : % ( ppm) Sauerstoff: O 2 Ar : % (9 340 ppm) Stickstoff: N 2 Zusammensetzung der Troposphäre : s. p. 16) 6 CO 2 : % (360 ppm) Restgase : u.a. Methan (CH 4 ) : 1.5 ppm Stickstoff - Oxyd (Lachgas): N 2 O Edelgase, H 2 Stockwerke der Atmosphäre Exosphäre, Thermosphäre und Mesosphäre Stratosphäre Troposphäre Erde Ionosphäre: Exosphäre + Thermosphäre + Teil der Mesosphäre Thermopause: 500 km Mesopause: Grenzschicht Thermosphäre / Mesosphäre Mesopause: 80 km Stratopause: Grenzschicht Mesosphäre / Stratosphäre Stratopause: 50 km 7 Tropopause: Grenzschicht Stratosphäre / Troposphäre Tropopause: 15 km 1 4

6 Alle Luft der Erde Alle Luft der Erde: Kugel mit einem Radius R von ca km Bei techn. Normalbedingungen (20 o C, 1 atm ) entspricht dies einer Masse von ca * Tonnen. Bei Normaldruck wäre die gesamte Atmosphäre nur 7.8 km hoch. Luftschicht sehr dünn: Troposphäre + Stratosphäre zusammen nur ca. 50 km Luftschicht = Schutzschicht : speichert die von der Erde abgestrahlte Wärmestrahlung im Infrarot Pullover - Effekt! ohne Luftschicht wäre die globale Temperatur ca bis - 18 o C! kein flüssiges Wasser auf unserem Planeten, nur Eis! Die fünf Schichten der Atmosphäre Exosphäre km Exopsphäre äusserste Schicht der Atmosphäre Thermosphäre 690 km Thermopause Grenze: Thermosphäre/Exosphäre Thermosphäre sehr kleine Molekül-Konzentratiion Mesosphäre Stratosphäre Troposphäre 20 km 50 km 85 km Mesopause- Grenze: Mesosphäre /Thermosphäre Mesosphäre - Verglühung der meisten Meteore Stratopause Grenze: Stratosphäre / Mesosphäre Stratosphäre - enthält Ozonschicht Tropopause Grenze: Troposphäre /Stratosphäre Troposphäre Die der Erdoberfläche nächste Schicht: enthält fast alle Luft der Erde Wetter-Zone

7 R = km Atmosphäre der Erde: Dicke ca. 50 km Erde - Troposphäre: 0 bis ca. 11 km Höhe - Stratosphäre: 11 bis ca. 50 km Höhe - Mesosphäre Schutzschicht sehr dünn! enthält mehr als 99 % der Masse der irdischen Atmosphäre Schutzschicht speichert die von der Erde abge - strahlte Wärme - Strahlung im Infrarot Pullover! ohne Schutzschicht: globale Temperatur wäre ca bis - 18 o C! Dann würde kein flüssiges Wasser auf der Erde existieren! Atmosphären anderer Planeten Während die Kapitel 1 bis 9 der Atmosphäre unseres Planeten Erde gewidmet sind, werden im 10. Kapitel die Atmosphären der Planeten unseres Sonnensystems sowie von Exoplaneten, d.h. Planeten ausserhalb unseres Sonnensystems diskutiert. Das Universum besteht aus schätzungsweise 100 bis 200 Milliarden Galaxien und in jeder Galaxie wie z.b. unsere Milchstrassen - Galaxie sind wieder etwa 100 bis 200 Milliarden Sterne enthalten, von denen viele von mehreren Planeten umkreist werden. Während die Strukturen und Atmosphären der Planeten unseres Sonnensystems schon weitgehend bekannt sind, werden heute und in Zukunft intensiv Exoplaneten der Milchstrassen-Galaxie untersucht. Im Zentrum steht dabei die Suche nach erdähnlichen Planeten, in denen Leben oder gar intelligente Lebewesen existieren. Mit andern Worten: man sucht nach einer zweiten Erde. Unser Sonnensystem 11 Die Milchstrassen - Galaxie 1 6

8 Höhe h (km) Höhe h (km) Anhang Kapitel 1 A-1-0 Druck, relative Dichte und Temperatur in Abhängigkeit der Höhe Druck p (mb) R relative Dichte h(p) nach barometrischer Höhenformel Man beachte den komplexen Temperaturverlauf in Abhängigkeit der Höhe h! 11 1-A-3-1 Temperature ( 0 C) 1 7

9 Referenzen: Kapitel 1 R-1-0 Referenz : Prolog 1.1 Entstehung der Erdatmosphäre R pp 2 4: How did the Earth s Atmosphere form? R pp. 2 4: Erdatmosphäre R p. 2: Was ist der Unterschied zwischen einem Asteroiden, Kometen und Meteoriten? R p. 2: Sonnenwind www Atmosphäre und Luft R R p. 5: Atmosphere of Earth www. p. 6 : Zusammensetzung der trockenen Erdatmosphäre «Origin of the Earth s Atmosphere» aus : cfjps/1400/atmos _origin.html Figuren - Text von P. Brüesch R p. 7: oberes Bild : Atmosphäre vom Raum aus gesehen : Image from The Greenhouse Effect and Climate Change (p. 3 of 77) A slice through the earth s atmosphere viewed from space unteres Bild : Die Stockwerke der Erdatmosphäre : Bilder R p. 8: Wasser und Luft der Erde : Alle Luft der Erde Adam Nieman: R

10 1.3 Die Schichten unserer Atmosphäre R R p. 9 Die Schichten unserer Atmosphäre Layers_of_Erarth s_atmosphere p. 10: Erde mit dünner Atmosphärenschicht Figur und Text von P. Brüesch aus verschiedenen Literaturquellen 1.4 Atmosphären anderer Planeten R p. 11: Atmosphären des Sonnensystems und Exoplaneten a) Sonnensystem b) Solar System c) Bild links: Wikipedia: «Unser Sonnensystem» unteres Bilder: «Internationales Kleeblattforum» d) Bild rechts: Die Milchstrasse in: Anhang 1.A.3.1 Druck, Dichte und Temperatur der Erdatmosphäre Earth s Atmosphere_ Composition and Structure - [alle drei Figuren : Druck p(h) / relative Dichte r(h) sowie Temperatur T(h)] Figur links: p(h) nach einfacher barometrischen Höhenforme (stark idealisiert) Figur rechts: p(h) gemäss realistischem Verlauf - Druck und Dichte der Atmosphäre als Funktion der Höhe s. p. 54, Kapitel 2 R