Alexander Wastl, Q12 am 13.1.2015
Die Atmosphären
von Exoplaneten
Gliederung
1. Basiswissen zum Thema
1.1 Die Entdeckungen seit dem Beginn der Weltraumforschung
1.2 Erklärung von Planeten und Exoplaneten
1.3 Erste Beschreibung einer Atmosphäre
1.4 Die Atmosphäre der Erde
2. Biomarker
3. Verwendung des Lichtspektrums
4. Die Temperatur
4.1 Bestimmung über die Energiebilanz
4.2 Bestimmung über die Gleichgewichtstemperatur
5. Polarisation
6. Atmosphärische Zirkulation
7. Mein Fazit
Quellen
1. Basiswissen zum Thema
1.1 Die Entdeckungen seit dem Beginn der
Weltraumforschung
• Erster Exoplanet:„51 Pegasi b“, 1995 von Prof. Michel Mayor
• Kepler: 1004 Exoplaneten bestätigt und 4175 Kandidaten hinterlassen
(Stand 8.1.2015)
• Gesamt: 1870 Planeten bestätigt in 1179 Systemen (Stand 8.1.2015)
1. Basiswissen zum Thema
1.2 Erklärung des Begriffs Planet und Exoplanet
• Exoplaneten oder extrasolare Planeten sind Himmelskörper die außerhalb
des Gravitationsfeldes unserer Sonne liegen und somit außerhalb unseres
Sonnensystems existieren. Sie umkreisen regelhaft einen anderen Stern.
• Kriterien und Definition von „Planet“:
1. Er muss sich auf einer Bahn um den jeweiligen Stern befinden.
2. Er muss über eine genügende eigene Schwerkraft verfügen, um die
Kräfte fester Körper zu überwinden, so dass er die Form eines
hydrostatischen Gleichgewichts (eine annähernd runde Form) annehmen
kann.
3. Es muss gegeben sein, dass er die nähere Umgebung seiner Bahn von
anderen Körpern bereinigt hat.
1. Basiswissen zum Thema
1.3 Beschreibung der Atmosphäre
• Atmosphäre, Gemisch von Gasen, das einen Himmelskörper (wie die
Erde) umgibt, dessen Gravitationsfeld stark genug ist, um ein
Entweichen der Gase zu verhindern.
• Entweichgeschwindigkeit v0
• Jedes Teilchen hat eine potentielle Energie
• Um aus dem Gravitationsfeld auszutreten
->
• Desto größer das Verhältnis zu ve wird, desto mehr Teilchen können
aus der Atmosphäre austreten
1. Basiswissen zum Thema
1.4 Die Atmosphäre der Erde
• Die Hauptbestandteile:
- Stickstoff (ca. 78%)
- Sauerstoff (ca. 21%)
-> Restlichen Bestandteile unter >1%
• Ozonschicht (ca. 50km höhe)
2. Biomarker
• Gase die Aufgrund von biochemischer Aktivität auftreten.
• Man untersucht hier folgende Gase: O2 (Sauerstoff), O3 (Ozon), H2
(Wasserstoff), CO2 (Kohlenstoffdioxid), N2 (Stickstoff), N2O
(Distickstoffmonoxid), NO (Stickstoffmonoxid), NO2 (Stickstoffdioxid),
H2S (Schwefelwasserstoff), SO2 (Schwefeldioxid) und CH4 (Methan)
• O2 eher ungeeignet
• Bisher noch nicht Nachgewiesen
3. Verwendung des Lichtspektrums
• Fraunhoferlinien zur exakten Bestimmung
• Erste Aufnahme 2010 im System HR8799
• Die Methode:
- Lichtstrahlen werden in einem Spektrographen aufgenommen
- Zerteilung des Lichtstrahls durch ein Prisma
- Aufnahme des zerteilten Lichtstrahls
- Auswertung des entstandenen Abbildes
• Zwei zu beachtende Ausnahmen:
1. Auftreten der Moleküle der Erdatmosphäre
2. Rotverschiebung der Absorptionslinien
4. Die Temperatur
4.1 Bestimmung über die Energiebilanz
• Stefan-Boltzmann-Gesetz F=σ*T4
• Strahlenleistung eines Sterns Ρ=σ*T4*4πRS2
• Oberfläche des Planeten 4πa2
• Keine vollständige Aufnahme der Energie
-> 1-A (A messbare Rückstrahlvermögen) welcher das
sogenannte Albedo des Planeten ist.
• Zwei Sonderfälle
4. Die Temperatur
4.1 Bestimmung über die Energiebilanz
1. Sonderfall: Nicht rotierender Planet
2. Sonderfall: Schnell rotierender Planet
φein=φaus
Einstrahlung * Querschnitt des Planeten
Abstrahlung * Oberfläche
((σ*TS4*4πRS2)/( 4πa2))*(1-A)=σ*TP4
Daher:
((σ*TS4*4πRS2)/( 4πa2))*(1-A)*πRP2=
σ*TP4*4πRP2
Daher: TP‘= (1/√2)*∜(1-A)*TS*√(R/a)= (TP/√2)
4. Die Temperatur
4.2 Bestimmung über die
Gleichgewichtstemperatur
• Rein theoretische Zahl
• 4 Voraussetzungen:
1. Der Planet hat keine eigene Energiequelle
2. Die Eingestrahlte Energie wird restlos wieder abgestrahlt
3. Die Atmosphäre strahlt wie ein schwarzer Körper
4. Der Anteil η der Energie als sichtbares Licht reflektiert wird und
nicht zu einer Erwärmung der Planetenoberfläche beiträgt
•
4. Die Temperatur
4.2 Bestimmung über die
Gleichgewichtstemperatur
•
• T=Teff,S(Rs/a)1/2[f´(1-AB)]1/4
• Der Korrekturfaktor f muss je nach Situation angepasst werden (hier
f´= ¼ ist wenn die Umverteilung durch Rotation 4π ist.)
• Bei Sofort abgestrahlter Energie f´= 2/3
5. Polarisation
• Konstanter Schwingungs- oder Lichtfluss
• Linear, zirkulär oder elliptisch
• Licht einer Sonne ist nicht polarisiert; aber das Licht einer
Atmosphäre ist polarisiert.
• Rückschlüsse auf die Streuungpartikelgrößen, Zusammensetzung und
die Wärmeemission
• Polarisationskontrast zur Entdeckung
• Zwei Probleme:
1. Schwaches Licht
2. Wolken
6. Atmosphärische Zirkulation
• Temperaturgefälle von Äquator zu den Polen minimieren
• Planeten im Sonnensystem geringes Temperaturgefälle
• „Hot Jupiters“ mit gebundener Rotation zu schwacher
Wärmeaustausch
-> Warme und kalte Seiten
7. Mein Fazit
• Exoplaneten sind Nachweisbar
• Die Untersuchung dieser Planeten wird durch die sich entwickelnden
technischen Möglichkeitenund Analysemethoden ständig exakter und
damit aufschlussreicher.
• Bestimmung von Zusammensetzung, Wärmeemission und
Temperatur
• Hinweis auf außerirdisches Leben konnte noch nicht erbracht werden.
ABER
Mit der Entwicklung des JWST,
dem James Webb Space
Telescope, einem
Weltraumteleskop der neuesten
Generation könnte sich dies
ändern und die Wissenschaft
könnte vielleicht den Nachweis
erbringen, dass wir nicht alleine
im Universum sind.
Quellen
• Literaturquellen:
Seager, Sara, Exoplanet Atmospheres, Princeton University
Press, Princeton, 2010, 1. Auflage
• Sonstige Quellen:
Unterrichtseinheit: Bresele, Horst, Anton-Bruckner-Gymnasium,
Q11 im W.-Seminar Astrophysik am 18.10.2013
• Internetquellen:
Quellen
•
http://www.scilogs.de/go-for-launch/kepler-715-neue-exoolaneten-entdeckt/
•
http://prezi.com/ldlu9vweznb_/was-sind-exoplaneten/
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Planet
•
http://www.enzyklo.de/2013/Begriff/Atmosph%C3%A4re
•
http://www.klassenarbeiten.de/oberstufe/leistungskurs/erdkunde/atmosphaere/aufbauatmosphaere.htm
•
http://www.spektrum.de/lexikon/geographie/atmosphaere/542
•
http://www.heise.de/tp/artikel/42/42500/1.html
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Fraunhoferlinie
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Albedo
•
http://de.wikipedia.org/wiki/Gleichgewichtstemperatur
•
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ph/14/ep/einfuehrung/wellen/grundlagen.vlu/Page/vsc/de/ph/14/ep/einfuehrung/wellen/wellengleichung.vscml.html
•
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ph/14/ep/einfuehrung/wellen/grundlagen.vlu/Page/vsc/de/ph/14/ep/einfuehrung/wellen/wellengleichung.vscml.html
•
http://www.nasa.gov/kepler/keplers-second-light-how-k2-will-work/#.VFeWsvmG91A
•
http://science.nasa.gov/media/medialibrary/2008/12/12/10dec_mirror_resources/jwst_new1.jpg
•
http://kepler.nasa.gov/
•
http://exoplanet.eu/catalog/
•
http://www.pci.tu-bs.de/aggericke/PC5/Kap_IV/Bestandteile.htm
Vielen Dank
für Ihre Aufmerksamkeit
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Die Atmosphären von Exoplaneten - Anton-Bruckner