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Die Atmosphäre -Schutzschild der Erde � � � Schützt vor dem Hagel kleiner Meteore aus dem All Schützt vor kurzwelliger UV-Strahlung Schützt durch den Treibhauseffekt vor Unterkühlung Ist das Fenster der Erde – durchlässig für das sichtbare Licht Ist das Medium für den Transport von Wasser und Wärme Ist Quelle und Senke für den Austausch von Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff mit den lebenden Organismen.

Die Luft – eine homogene Mischung von Gasen? � � Im Maßstab von Kubikmetern ist die Luft eine homogene Mischung von Gasen. In einem größeren Maßstab ist sie alles andere als homogen. Variationen der Temperatur, des Drucks und der Feuchtigkeit in den Luftschichten nahe der Erdoberfläche verursachen die dynamischen Effekte, die wir als Wetter kennen. Vertikale Gradienten derselben Variablen sowie der chemischen Zusammensetzung beschreiben die Struktur der Atmosphäre als Ganzes.

Ab 7000 m Höhe wird in den Lungenbläschen der kritische Sauerstoffpartialdruck von 30 bis 35 mm. Hg (4000 bis 4700 Pa) unterschritten. Unterhalb dieses Wertes sinkt die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins im arteriellen Blut unter einen tolerablen Wert. Der Körper baut ab, sodass ein dauerhafter Aufenthalt unmöglich ist, da man an der Höhenkrankheit sterben würde. Todeszone: Region oberhalb von 8000 Metern, wo bei mehr als 48 Stunden Aufenthalt für einen Menschen das Überleben extrem unwahrscheinlich ist. Quelle: Alpine Naturschau Grossglockner Hochalpenstrasse

Die Stomata (Spaltöffnungen) regulieren den Gasaustausch der Pflanze mit der Umgebungsluft (Abgabe von Sauerstoff und Wasser, Aufnahme von Kohlenstoffdioxid). Das Öffnen und Schließen der Stomata erfolgt bei allen Pflanzen nach dem gleichen Mechanismus. Die Stomata befinden sich bei den meisten Pflanzen in der unteren Epidermis der Blätter. Quelle: Alpine Naturschau Grossglockner Hochalpenstrasse

Barometrische Höhenformel beschreibt den Luftdruck als Funktion der Höhe über der Erdoberfläche h. Anders als in Flüssigkeiten, z. B. im Wasser, nimmt der Schweredruck nicht linear mit der Höhe ab, da Gase im Gegensatz zu Flüssigkeiten kompressibel sind und daher unter dem Einfluss ihres Eigengewichtes unten eine höhere Dichte haben als oben. Das führt dazu, dass unten die Druckabnahme pro Höhendifferenz größer ist als oben.

� Der atmosphärische Druck nimmt pro 5, 5 km Höhenzuwachs um 50%ab. � Dieses Gesetz sagt auch voraus, dass sich die Zusammensetzung einer Gasmischung von Gasen unterschiedlicher Molekularmasse mit der Höhe ändern muss. � Der Gravitations-Fraktionierungs-Effekt wird jedoch bis zu einer Höhe von 160 km nicht wirksam, da Windbewegungen stets eine ausreichende Durchmischung bewirken. � Die Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung, die oberen Teile der Atmosphäre charakterisieren, sind auf photochemische Reaktionen zurückzuführen. � Diese folgen aus der Absorption der intensiven kurzwelligen UVStrahlung der Sonne, die in den oberen Atmosphärenschichten vorhanden ist.

Quelle: Fabian

Planetare Grenzschicht = untere Schicht der Atmosphäre, wo Luftströmungen dem Einfluss der Bodenreibung unterliegen.

Drei Quellen von Wärmeenergie � Direkte Absorption von Sonnenstrahlung � Exotherme chemische Reaktionen � Absorption von langwelliger IR-Strahlung, die von der Erdoberfläche emittiert wird. � Jeder dieser Mechanismen dominiert in einem anderen Höhenbereich.

Erwärmung der Troposphäre � Die atmosphärischen Gase können nur einen kleinen Teil der eingestrahlten Energie der Sonne direkt absorbieren. � N 2 und O 2 absorbieren weder sichtbares Licht noch IR-Strahlung. � Dieses ganze Spektrum passiert die Atmosphäre unverändert und wird von der Erdoberfläche absorbiert. � Die Erdobefläche strahlt die Energie als langwelliges IR wieder ab. � Die Treibhausgase der Troposphäre absorbieren effizient dieses langwellige IR und verwandeln es in Molekülschwingungs- und kinetische Energie, die sehr schnell (durch Stöße) den anderen atmosphärischen Gasen weitergegeben und verteilt wird. � Auf diese Art wird die Troposphäre von unten her geheizt und die Temperatur sinkt mit der Höhe.

Jedes Medium, das sich mit steigender Temperatur ausdehnt, verliert seine mechanische Stabilität, wenn es in einem Gravitationsfeld von unten her erhitzt wird. � � � Ein Luftpaket, das mit einem heißen Fleck auf der Erdoberfläche in Kontakt war, steigt rasch hoch und gelangt in Regionen geringeren atmosphärischen Drucks. Dabei expandiert es adiabatisch und kühlt sich infolgedessen ab. (= Expansion eines realen Gases, Volumenarbeit wird dem Energieinhalt des Gases entnommen). Temperaturgradient: - 9, 8 K/km für trockene Luft (etwas weniger für feuchte Luft, entsprechend der Wärmeabgabe, wenn Wasser aus ihr kondensiert)

Wärmestrahlung � Jeder Körper sendet thermische Strahlung in Form elektromagnetischer Wellen aus. � Diese Strahlung zählt neben der Wärmeleitung und der Konvektion zu den drei Arten der Übertragung thermischer Energie. � Zum Energietransport mittels Wärmestrahlung wird jedoch keine Materie benötigt, weshalb sie die einzige Möglichkeit zum Austausch thermischer Energien im Vakuum darstellt. � Die thermische Strahlung spielt unter den Wärmeübertragungsmechanismen die entscheidende Rolle zum Verständnis des Wärmehaushalts der Erde. � Dass die Erde überhaupt durch die Sonne erwärmt wird, bestätigt die Existenz einer materiefreien Übertragung thermischer Energie, da sich im Weltraum zwischen Sonne und Erde kaum Materie befindet.

Die Wärmestrahlung im Spektrum der elektromagnetischen Strahlung � Rotglut sichtbar ab 525°C Quelle: H. Stümpel, Physik der Wärmestrahlung http: //www. webgeo. de/klimatologie

Spektrale spezifische Ausstrahlung eines schwarzen Körpers bei verschiedenen Temperaturen BT(λ) ist diejenige Strahlungsleistung, die von einem Flächenstück eines Quadratmeters in einem Wellenlängenbereich eines Mikrometers bei einer Temperatur T abgestrahlt wird. Effektive Strahlungstemperatur der Sonne: 5778 K; der Erde: 255 K

IR-Absorption durch die Atmosphäre � Moleküle können Energie aufnehmen indem sie ihren quantenmechanischen Zustand ändern. Dies kann durch elektronische Anregung geschehen, oder durch eine Änderung des Schwingungs- oder Rotationszustandes Moleküls. � Infrarotstrahlung liegt energetisch im Bereich von Schwingungsübergängen von Molekülen, also zwischen dem optischen Bereich, in dem elektronische Anregungen stattfinden, und dem oberen Mikrowellenbereich, in dem Rotationen von Molekülen angeregt werden. � Das Schwingungsverhalten von Molekülen wird durch Normalschwingungen charakterisiert. Bei diesen gehen alle Kerne des Moleküls gleichzeitig durch die Ruhelage, Gesamtimpuls und Gesamtdrehimpuls des Kerngerüsts sind Null. � Eine Molekülschwingung kann als eine Überlagerung von Normalschwingungen beschrieben werden. � In einem aus N Atomen bestehenden Molekül besitzt jedes Atom drei Freiheitsgrade der Translation. Von den insgesamt 3 N Freiheitsgraden entfallen im Molekül jedoch drei Freiheitsgrade für die Translation des Schwerpunktes, sowie im Fall von nichtlinearen Molekülen drei Freiheitsgrade für die Rotation um die drei Hauptträgheitsachsen durch den Molekülschwerpunkt. � N-atomige Moleküle besitzen also im Allgemeinen 3 N − 6, im Fall von linearen Molekülen 3 N − 5 Freiheitsgrade.

IR Absorption � Elektromagnetische Strahlung kann von Molekülen absorbiert werden, falls die Energie der Strahlung der Energiedifferenz zwischen quantenmechanischen Zuständen des Moleküls entspricht und der Übergang bestimmten quantenmechanische Auswahlregeln genügt. � Absorption infraroter Strahlung durch ein Molekül kann nur stattfinden, wenn sich durch die Schwingung das elektrische Dipolmoment ändert. � Molekülschwingungen mit dieser Eigenschaft werden IR-aktiv genannt. � symmetrische Schwingungen, bei welchen der Ladungsschwerpunkt stets erhalten bleibt, sind IR-inaktiv. � Zweiatomige homonukleare Moleküle können nur symmetrische Schwingungen ausführen und somit keine Infrarotstrahlung absorbieren.

Normalschwingungen von Kohlendioxid und Wasser

Natürliche Treibhausgase

Synthetische Treibhausgase � � � Haben hohes Treibhauspotential, lange Lebensdauer in der Troposphäre Fluorkohlenwasserstoffe z. B. CHF 3, C 2 HF 5 Perfluorkohlenwasserstoffe z. B. CF 4 , C 2 F 6, C 4 F 10 Schwefelhexafluorid (Schutzgas in Hochspannungsanlagen) Stickstofftrifluorid

Stickstofftrifluorid � Ein „neues“synthetisches Gas in der Atmosphäre ist NF 3 das in der Elektronikindustrie freigesetzt wird und etwa die 19. 000 -fache Wirkung auf den Treibhauseffekt hat verglichen mit CO 2. � Lebensdauer in der Troposphäre >500 Jahre. � Die NF 3 -Konzentration hat sich in den Jahren 2000 -2016 verhundertfacht, ist aber derzeit noch immer sehr gering (Volumenanteil 1 ppt =10 -12). � Stickstofftrifluorid wird in der Halbleiter-, Flüssigkristallbildschirm- und Solarindustrie (bei Dünnschicht-Solarzellen) zum Reinigen der PECVD (= Plasma-enhanced chemical vapor deposition) Beschichtungskammern von Siliciumdioxid, Siliciumoxinitrid (Si. ON) und Siliciumnitrid (Si 3 N 4)-Rückständen verwendet.

Die Erde als Schwarzkörperstrahler S=Solarkonstante, 1380 Watt/m 2 Te=effektive Strahlungstemperatur =Albedo (0, 30) =Stefan-Boltzmann Konstante 5, 67 x 10 -8 Wm-2 K-4 Faktor 4: Verhältnis der gesamten Erdoberfläche zur Kreisfläche, die Strahlung empfängt.

Treibhauseffekt ermöglicht Leben auf der Erde � � � Mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche: 288 K (+15° C) Effektive Temperatur im Strahlungsgleichgewicht mit der Sonne: 255 K (— 18° C) Treibhauseffekt +33 K

Quelle: Wikipedia

Quelle: Fabian

Latente Wärme � 1 kg Wasser bei 25°C zu verdampfen braucht 2, 444∙ 106 J � 1 kg Eis zu schmelzen braucht 3, 338∙ 105 J � � Spezifische Wärme von flüssigem Wasser: 4180 J kg-1 K-1 Mit der Energie, die notwendig ist, um 1 kg 0°C Eis zu schmelzen, kann 1 kg 0°C Wasser auf ? °C aufgeheizt werden?