Buch - ETH E

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Die Atmosphären
der Erde, der
Planeten unseres
Sonnensystems und
der Exoplaneten
Peter Brüesch
0-0
Es gibt mehr Dinge zwischen Himmel und Erde,
als Eure Schulweisheit sich träumen lässt.
aus «Hamlet»
von William Shakespeare
(1564 – 1616)
0–1
INHALT
0. Einführung – Inhaltsverzeichnis
pp
A - P
1. Prolog : Die Lufthülle unserer Erde
pp
1 - 11
2. Physikalische und chemische Grundlagen
pp 12 - 55
3. Das Wetter in der Troposphäre
pp 56 - 105
4. Das Fliegen und Gleiten in der Luft
pp 106 - 189
5. Luftverschmutzung, Giftgase
und radioaktiver Fallout
pp 190 - 244
6. Atmung und Photosynthese von Pflanzen
pp 245 - 270
7. Die Atmung von Menschen und Tieren
pp 271 - 333
8. Ausgewählte Atmosphärische Phänomene
pp 334 - 373
9. Atmung in der Psychologie , in der Philosophie
und in den Weltreligionen
pp 374 - 404
10. Atmosphären von Planeten und Exoplaneten
pp 405 – 500
Jedes Kapitel enthält einen Anhang mit ergänzenden Informationen.
A
Vorwort
Mein erstes Buch habe ich dem Thema «WASSER: Seine Bedeutung in der Wissenschaft, in der
Natur und Kultur, in den Weltreligionen und im Universum» gewidmet.
Nach der «Vier - Elementen – Lehre» der griechischen Philosophen besteht alles Sein aus den vier
Grundelementen Erde, Feuer, Luft und Wasser. Dieses zweite Buch habe ich dem Element «Luft»
oder allgemeiner der «Atmosphäre» gewidmet. Wie das Wasser ist die Luft für alle Lebewesen
unverzichtbar; Wasser und Luft ermöglichen überhaupt erst das Leben auf unserem Planeten.
Im Gegensatz zu flüssigem und festem Wasser (Eis) ist die Luft unserer Erde unsichtbar. Die
Lufthülle der Erde ist im Vergleich zu ihrem Radius verschwindend klein. Unsere Atmosphäre
besteht aus mehreren Gasen. Ohne sie würden wir während des Tages durch die intensive Hitze
der Sonne verbrannt und während der Nacht wegen der sehr niedrigen Temperaturen erfrieren.
Obwohl wir sie dauernd zum Atmen brauchen (nach wenigen Minuten ohne Luft stirbt der Mensch !),
nehmen wir sie als eine Selbstverständlichkeit hin, was zur Folge hat, dass man sich normalerweise
wenig um deren Eigenschaften und Qualität kümmert. Es braucht schon massive Kontaminationen,
z.B. unübersehbaren Smog oder schlechten Geruch, bis die Alarmglocken läuten.
Mehrere Aspekte über das «Globale Klima» wurde in meinem Buch über «WASSER» behandelt und
werden deshalb hier nicht wiederholt.
Es schien mir wichtig, die zentrale Thematik der «Atmosphäre» jeweils in einen grösseren
Sinnzusammenhang einzubetten, d.h. die zentralen Aspekte nicht isoliert sondern in einem
einführenden und umfassenden Kontext darzustellen.
Das letzte und 10. Kapitel enthält eine Übersicht über die Eigenschaften und Atmosphären der
Planeten unseres Sonnensystems und von Planeten ausserhalb unseres Sonnensystems – den sogenannten extrasolaren Planeten oder Exoplaneten.
Mit wenigen Ausnahmen ist das Buch bewusst einfach und allgemein verständlich geschrieben. Für
ein weitergehendes Studium enthält jedes Kapitel eine umfangreiche Liste von Literaturzitaten.
B
0–2
Peter Brüesch - Januar 2016
Verdankungen
Folgenden Freunden und Kollegen möchte ich meinen herzlichen Dank aussprechen:
Herrn Dr. Walter Schneider (†) danke ich herzlich für seine langjährige Unterstützung: er hatte
mir regelmässig aktuelle Informationen über die verschiedenen Sachgebiete zukommen lassen,
die für meine vorliegende Arbeit von grossem Interesse waren.
Herrn Peter Etter möchte ich für Diskussionen über Insekten im Allgemeinen und insbesondere für die Demonstration und Erklärungen seiner eindrücklichen Schmetterlingssammlung
danken (Kapitel 4, Abschnitt 4.2.2). Ebenso möchte ich ihm für seine Hinweis betreffend des
kleinsten Insektes der Welt, der «Dicopomorpha Echmepterygis» (p. 127) danken,
Herrn Dr. Dieter Kuse danke ich für seine Anregungen und Zusendung von Literatur
betreffend «Polarlichter» und «Kennely-Heaviside Schicht» (Kapitel 8, Abschnitte 8.2 und 8.3).
Herrn Prof. Dr. Norbert Straumann möchte ich für seine Informationen betreffend einschlägiger
Literatur über «Exoplaneten» danken (Kapitel 10, Abschnitte 10.3 und 10.4).
Mein Dank gilt auch Herrn Reto Stephan Grimm für wertvolle Literatur über «Exoplaneten».
Herrn Kirkor Arsik danke ich für seine wertvolle Hilfe bei Fragen der Datenverarbeitung und
PC- Unterstützung.
Meinen beiden Töchtern Elisabeth Schraner – Brüesch und Christine Brüesch danke ich
herzlich für Bücher über «Exoplaneten», aus denen ich viel Wertvolles über deren
Atmosphären gelernt habe. Vielen Dank auch meiner Enkelin Angéline Da Silva für ihre Hilfe bei der
Korrektur einiger Kapitel meines Textes.
Meiner lieben Frau möchte ich für ihr grosses Interesse und ihre Anregungen sowie für ihre
Unterstützung und Geduld während der Entstehung dieser Arbeit von ganzem Herzen danken.
C
Peter Brüesch
Peter Brüesch : Wissenschaftlicher Werdegang und Aktivitäten
1934
Geboren in Scuol , Graubünden
1948 – 1954
Gymnasium in Chur , Graubünden
1954 – 1960
Studium der Experimentalphysik an der ETHZ
1960 – 1965
Doktorarbeit im Institut für „Physikalische Chemie“ der ETHZ
1965 – 1967
„Postdoctoral Fellowship“ in „Physical Chemistry“ , Oregon State University , USA
1967 – 2002
Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Projektleiter im ABB Forschungszentrum – Schweiz.
Arbeiten auf dem Gebiet der Festkörperphysik mit 72 Publikationen
1975
Ernennung zum Privatdozent in Physik der EPFL in Lausanne
Vorlesungen über Festkörperphysik und über „Wasser und wässrige Lösungen“
1987
Ernennung zum Titularprofessor an der EPFL in Lausanne
1982 – 1986
Verfassung von 3 Büchern über «Physics of Phonons» - Springer-Verlag in Solid State Physics
1998 – 2000
Berater bei ABB über „Wasser und wässrige Lösungen“
2000 - 2011
Studium und Forschung auf dem Gebiet des Wassers und der
wässrigen Lösungen und deren Rolle in der Natur
- Seit 1997 : Vorlesungen über Festkörperphysik und Wasser an der EPFL in Lausanne
- 2002 – 2011 : Verfassung einer umfassenden Arbeit über „Wasser“ :
Daraus entstand das folgende erweiterte Werk in Deutsch und Englisch :
- „Wasser : Seine Bedeutung in der Wissenschaft , in der Natur und Kultur ,
in den Weltreligionen und im Universum“
- „Water : Its Significance in Science , in Nature and Culture ,
in World Religions and in the Universe“
2011 - 2015 :
«Die Atmosphären der Erde, der Planeten unseres Sonnensystems und der Exoplaneten»
E-Mail : peterbrueesch@bluewin.ch
D
0–3
Allgemeine Referenzen
R.0.1
Feuer , Wasser , Erde , Luft
Horst Rademacher, Erwin Lausch, Dagmar Röhrlich, Wiebke Rögener
Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
1. Auflage (12- Mai 2003); ISBN-10: 3527404473
R.0.2
Vier_Elemente_Lehre
http://de.wikipedia.org/wiki/Vier:Elemente_Lehre
R.0.3
a) The Elements: A Very Short Introduction
Philip Ball
Oxford University Press - October 2004
b) Earth, Air;Fire & Water: More Techniques of Natural Magic
Scott Cunningham
Pub. Data: 9/1/2001
Publisher: Llewellyn Worldwide, Ltd
R.0.4
Wasser: Seine Bedeutung in der Wissenschaft, in der Natur und Kultur,
in den Weltreligionen und im Universum
Brüesch , Peter
Home – ETH E-Collection
e-Collection.ethbib.ethz.ch
R.0.5
Die Atmosphäre der Erde» (Eine Einführung in die Meteorologie)
Helmut Kraus
Verlag: Springer Berlin (2004); ISBN: 978-3-540-20656-9
R.0.6
Wie der Erde die Luft ausgeht
Das Ende unseres blauen Planeten (1999)
John Brandenburg, Monica Rix Paxson; ISBN-10: 345316539X
R.0.7
Air: Our Planet’s Ailing Atmosphere
Hans Tammemagi
Oxford University Press, April 2009; ISBN-10: 0195430077
E
R.0.8
Was ist was: Luft und Wasser
Rainer Crummenerl und Gerd Ohnesorge
Band 48, 1. Auflage 2010 ; Amazona.de
R.0.9
An Introduction to Atmospheric Physics
David G. Andrews
Second Edition published 2010
Cambridge University Press ; ISBN 978-0-521-87220-1
R.0.10
Fundamentals of Atmospheric Physics
Murry L. Salby
Elsevier Science 1996
ISBN 0126151601 , 9780126151602
R.0.11
Atmosphärenphysik
Niklaus Kämpfer: Institut für angewandte Physik, Univ. Bern
[PDF] Atmosphärenphysik; Frühlingssemester 2011
www.iapmw.unibe.ch/teaching/.../FS.../AT-phys_FS13_Kapitel1_2.pdf
R.0.12
Die Entdeckung der Stratosphäre – ein Ereignis der
Berliner Wissenschaftsgeschichte
Karl-Heinz Bernhardt
Sitzungsberichte der Leibniz – Sozietät 12 (1996) 4, pp 91 – 96
www.leibnizsozietaet.de/wp-content/uploads/2012/10/07_bernhardt_kh.pdf
R.0.13
Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre
buch.de; Erschienen bei Springer
3. überarbeitete und aktualisierte Auflage, 06-2000
Walter Roedel
ISBN-10: 3-540-67180-3 ; ISBN-13 : 978-3-540-671800-0
R.0.14
Thermal Physics of the Atmosphere
Maarten H.P. Ambaum
ISBN: 978-0-470-74515-1
John Wijey & Sons , April 2010
F
0-4
R.0.15
Lectures in Atmospheric Physics , 2010
Björn-Martin Sinnhuber
University of Bremen - Master of Environmental Physics
www.iup.uni-bremen.de(.../lecture.../AtmosphericPhysics-09_01.pdf
R.0.16
Atmospheric Physics
[PDF] Lecture Notes - Assoc. Prof. Dr. Aysegül Yilmaz (2006)
Canakkale Onsekiz Mart University
www.nu.edu.sa/userfiles/semohammad/atmosphere.pdf
R.0.17
Wetter & Klima
Vorhersagen – Wetterphänomene – Klimaänderung – Meteorologie
DORLYNG KINDERSlAY – DK
R.O.18
WOLKENGUCKEN
Gavin Pretor-Pinney
Wilhelm Heyne Verlag, München . 2006
G
Inhaltsverzeichnis
1.
Prolog
pp
1 - 11
1.1
1.2
1.3
A-1
R-1
Entwicklung der Erdatmosphäre
Atmosphäre und Luft
Schichten der Atmosphäre
Anhang
Referenzen
R-1-0 - R-1-2
2.
Physik und Chemie der Erd-Atmosphäre
pp
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
A-2
R-2
Vorbemerkungen und Inhalt
Zusammensetzung der trockenen Luft
Die Troposphäre mit Wasserdampf
Die Stratosphäre
Die Mesosphäre
Die Thermosphäre
Die Exosphäre
Anhang
Referenzen
2- 4
5- 8
9 - 11
H
0-5
12 - 55
13 15 24 33 43 46 51 -
14
23
32
42
45
50
55
R-2-0 - R-2-8
3.
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
A-3
R-3
Das Wetter in der Troposphäre
pp
Das Wetter – Allgemein
Die Troposphäre
Die Welt der Wolken
Der Wind
Niederschläge und extreme Wetterbedingungen
Nutzung der Windenergie
Anhang
Referenzen
4.
Das Fliegen in der Luft
4.0
4.1
4.2
4.2.1
4.2.2
4.2.2.1
4.2.2.2
4.2.2.3
4.2.2.4
Das Fliegen - Überblick
Physikalische Grundlagen
Fliegende und gleitende Tiere - Wirbellose
Wirbellose und Wirbeltiere
Fliegende und gleitende Wirbellose: Insekten
Bienen, Ameisen und Termiten
Schmetterlinge
Wie fliegen Fliegen ?
Hautflügler und Libellen
56 - 105
57 - 62
63 - 67
68 - 78
79 - 86
87 - 99
100 - 105
R-3-0 - R-3-10
pp 106 - 189
107
109
120
121
124
-
108
119
139
123
139
130
131 - 134
135 - 136
137 - 139
I
4.3
Fliegende und gleitende Wirbeltiere
140 – 174
4.3.1
4.3.2
4.3.3
4.3.4
4.3.5
4.3.6
4.3.6.1
4.3.6.2
4.3.6.3
4.3.6.4
Fliegende Urtiere
Die Vögel
Gleitflug von Fischen
Gleitflug von Reptilien
Gleitende Amphibien
Gleitende und fliegende Säugetiere
Übersicht
Fledermäuse – Allgemeines
Flughunde
Gleithörnchen
Gleitende Lemuren
141 - 144
145 - 153
154 – 156
157 - 160
161 - 163
164 - 174
165
166 - 169
170 - 172
173
174
4.4
4.4.1
4.4.2
4.4.3
4.4.4
4.4.5
4.4.6
Gleiten und Fliegen des Menschen
Der Traum vom Fliegen mit Flügeln
Die ersten Gleit- und Flugapparate
Der Zeppelin
Das Segelflugzeug
Der Jumbo-jet Boeing 747 – 81
Der Hubschrauber oder Helikopter
175 - 189
176 - 179
180 - 182
183
184
185 - 187
188 - 189
A-4
Anhang
R-4
Referenzen
R-4-0 - R-4-18
J
0–6
5.
Luftverschmutzung - Giftgase – Radioaktiver Fallout
5.1
5.2
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.2.6
Allgemeine Aspekte
Primärschadstoffe
Kohlenstoffdioxid CO2
Kohlenmonoxid CO
Stickstoffoxide NOx
Methan CH4
Schwefeloxide
Ammoniak NH3
pp
190 - 244
191 – 194
195 – 208
196 – 197
198 – 199
200 – 201
202 – 203
204 – 206
207 - 208
5.3
Toxische organische Moleküle
5.3.1 Flüchtige organische Verbindungen
5.3.2 Persistente organische Schadstoffe (POP’s)
5.3.3 Das Seveso- Unglück mit Dioxin
5.3.4 Die Bhopal- Katastrophe
209 – 220
210 - 211
212 - 215
216 - 217
218 - 220
5.4
5.4.1
5.4.2
5.4.3
5.4.4
5.4.5
5.4.6
5.4.7
221 - 237
222 – 224
225 - 226
227
228 - 231
232 - 234
235
236 - 237
Dynamik von Sekundärschadstoffen
Feinstaub: Kategorien - Partikelgrössen
Cunningham-Korrektur – Viskosität
Gesetz von Stokes mit Cunningham-Korrektur
Sinkgeschwindigkeit fallender Partikel in der Luft
Asbest: Morphologie - Eigenschaften – Krankheiten
Nanopartikel – Schadstoffe
Die Tschernobyl - Katastrophe
K
238 – 244
239 – 244
5.5
Beispiele von Sekundärschadstoffen
5.5.1 Ozon O3
A-5
Anhang
R-5
Referenzen
R-5-0 – R-5-15
6.
Photosynthese und Atmung von Pflanzen
6.1
6.2
6.3
Photosynthese
Zellatmung
Atmung und Photosynthese von Wasserpflanzen
A-6
Anhang
R-6
Referenzen
pp
245 – 270
246 – 254
255 – 261
262 – 270
R-6-0 – R-6-6
L
0-7
7.
Atmung von Menschen und Tieren
7.0
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.6.1
7.6.2
7.6.2.1
7.6.2.2
7.6.2.3
7.6.2.4
7.6.2.5
Tierklassen
Atmung der Säugetiere
Atmung der Amphibien
Atmung der Reptilien
Atmung der Vögel
Atmung der Fische
Atmung der Wirbellosen
Wirbellose – Allgemeines und Beispiele
Insekten
Tracheen – Tracheolen – Stigmen
Schmetterlinge
Ameisen
Termiten
Wasserinsekten
A-7
Anhang
R-7
Referenzen
pp
271 - 333
272 – 276
277 - 286
287 - 290
291 - 305
306 - 310
311 - 319
320 . 333
321 - 323
324 - 333
324 – 327
328 - 329
330
331
332 - 333
R-7-0 - R-7-16
M
8.
Ausgewählte Atmosphärische Phänomene
8.1
8.1.1
8.1.2
8.1.3
8.1.4
8.1.5
8.1.6
8.2
8.2.1
8.2.2
8.2.3
8.3
8.3.1
8.3.2
8.4
8.4.1
8.4.2
8.4.3
8.4.4
8.4.5
8.4.6
Gewitterwolken, Blitz und Donner
Entstehung und Struktur von Gewitterwolken
Elektrische Ladungen in einer Gewitterwolke
Entstehung und Eigenschaften des Donners
Gefahren von Blitzen und Blitzschutz
Fraktale Eigenschaften von Blitzen
Kugelblitze - Beobachtungen und Eigenschaften
Erdmagnetfeld, Sonnenwind, Magnetoplasma
und Polarlichter
Innerer Aufbau der Erde und Erdmagnetfeld
Sonnenwind und Magnetfeld
Das Polarlicht – Entstehung
Heaviside-Schicht, Kurzwellen und Kurzwellensender
Die Ionosphäre mit Kennelly-Heaviside-Schicht
Die Kennelly-Heaviside-Schicht und Kurzwellenrundfunk
Weitere Atmosphärische Phänomene
Der Regenbogen
Halos: Entstehung und Form
Das Elmsfeuer: Allgemeines und Geschichte
Das Purpurlicht
Nachthimmelsleuchten – Airglow
«Rote Kobolde», «Elfen» und «Blaue Strahlen»
A–8
Anhang
R–8
Referenzen
pp 334 - 373
335 336 339 343 345 -
350
338
342
344
347
348
349 - 350
351 - 361
352
353 - 357
358 - 361
362 - 365
363
364 - 365
366 - 373
367
368
369 - 370
371
372
373
R-8-0 – R-8-11
N
0-8
9.
Atmung in Psychologie, Philosophie und Weltreligionen
9.1
9.2
9.3
9.3.1
9.3.2
9.4
9.4.1
9.4.1.1
9.4.1.2
9.4.1.3
9.4.2
9.4.2.1
9.4.2.2
9.4.3
9.4.3.1
9.4.3.2
9.4.4
9.4.4.1
9.4.4.2
9.4.4.3
9.4.5
9.4.5.1
9.4.5 2
A–9
R–9
Atmung in der Psychologie
Atmung in der Philosophie
Der Atem in den Weltreligionen
Die Weltbevölkerung
Die Weltreligionen
Der Atem in den fünf Weltreligionen
Das Christentum
Das Christentum – Allgemeines
Der Atem und der Heilige Geist
Zitate zur Seele und Atem aus dem Neuen Testament
Der Islam
Der Islam – Allgemeines
Geist und Atem im Islam
Der Hinduismus
Der Hinduismus – Allgemeines
Der Atem im Hinduismus
Der Buddhismus
Der Buddhismus – Allgemeines
Die acht Bedeutungen der Buddhistischen Symbole
Der Atem im Buddhismus
Das Judentum
Das Judentum – Allgemein
Der Atem im Judentum
Anhang
Referenzen
O
pp 374 -
404
375 – 378
379 – 380
381 - 385
382
383 - 385
386 - 404
387 - 391
388
389 - 390
391
392 - 394
393
394
395 - 397
396
397
398 - 401
399
400
401
402 - 404
403
404
R-9-0 – R-9-8
10.
Die Atmosphären von Planeten und Exoplaneten
pp 405 – 500
10.1
Die Atmosphären der Planeten unseres Sonnensystems:
Eine Übersicht
pp 406 - 416
10.2.1
10.2.2
10.2.3
10.2.4
Unser Sonnensystem:
Eigenschaften und Atmosphären
Der Planet Merkur
Der Planet Venus
Der Planet Erde
Der Planet Mars
pp
pp
pp
pp
pp
417 418 423 –
428 430 -
456
422
427
429
434
10.2.5
10.2.6
10.2.7
10.2.8
Der Planet Jupiter
Der Planet Saturn
Der Planet Uranus
Der Planet Neptun
pp
pp
pp
pp
435 439 445 452 -
438
444
451
456
10.3
10.3.1
10.3.2
10.3.3
Exoplaneten: Historische Beobachtungen und Beispiele
Beobachtungen von Sternen – Suche nach Exoplaneten
Zur Entdeckung und Systematik von Exoplaneten
Unsere Milchstrassen-Galaxie –
Suche nach einer zweiten Erde
Atmosphären von Exoplaneten
Exoplaneten im Universum
pp 457 - 481
pp 458 - 465
pp 466 - 470
10.2
10.4
10.5
A – 10
Anhang
R – 10
Referenzen
pp 471 - 481
pp 482 - 490
pp 491 - 500
pp R-10-0 - R-10-23
P
0–9
1. P r o l o g
Die Atmosphäre
und die Luft unseres Planeten
1
1–1
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 (H2) und Helium (He) sowie
in geringem Masse über Methan (CH4), Ammoniak (NH3) und einigen Edelgasen
(in der Figur sind nur H2 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 (H2O), Kohlendioxid (CO2) und
Ammoniak (NH3). CO2 löste sich im Meerwasser auf. Mit Hilfe von Sonnenlicht
und CO2 gediehen einfache Bakterien. (Als Nebenprodukt entstand molekularer
Sauerstoff (O2)).
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 H2O – Moleküle)
b) Kohlendioxid (CO2)  Meerwasser
c) Ammoniak (NH3) aus den Vulkanen in die Atmosphäre
3
1–2
Gegenwärtige Atmosphäre der Erde
Gegenwärtige Erde: Pflanzen und Tiere gediehen zusammen im Gleichgewicht. Die
Pflanzen nehmen Kohlenstoffdioxid (CO2) auf und geben Sauerstoff (O2) ab
(Photosynthese (s. Kapitel 6)). Die Tiere nehmen O2 zum Atmen auf und geben CO2
durch Ausatmung ab. Aus Bränden entsteht CO2.
In den Ozeanen lösten sich grosse Mengen von CO2. Daraus entstanden im Laufe
der Zeit einfache Formen von Bakterien, welche von der Sonnenenergie und CO2
leben konnten. Als Nebenprodukt erzeugten diese Bakterien Sauerstoff (O2).
Dadurch begann sich in der Atmosphäre O2 anzureichern, während die
Konzentration von CO2 weiter abnahm. Gleichzeitig wurden in der Atmosphäre die
Ammoniak Moleküle (NH3) durch das Sonnenlicht aufgebrochen, wobei sich N2
und H2 bildete. Die leichten H2 – Moleküle stiegen in die höchsten Schichten der
Atmosphäre und diffundierten in den freien Raum des Universums.
4
1.2 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*1018 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 78.09 % Stickstoff (in
Gew, %), 20.95 % Sauerstoff, 0.93 % Argon, 0.039 % 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
1–3
Zusammensetzung der trockenen (wasserfreien) Atmosphäre
[in Vol. % bzw. in parts per million (ppm)]
Argon : Ar
Kohlen - Dioxid :
CO2
N2 : 78.084 %
(780 840 ppm)
O2 : 20.946 %
(209 460 ppm)
Restgase
Ar : 0.934 %
(9 340 ppm)
Sauerstoff: O2
CO2 : 0.036 %
(360 ppm)
Stickstoff: N2
Restgase : u.a.
Methan (CH4) : 1.5 ppm
Stickstoff - Oxyd (Lachgas): N2O
Edelgase , H2
Zusammensetzung der Troposphäre : s. p. 16)
6
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
1–4
Tropopause: Grenzschicht
Stratosphäre / Troposphäre
Tropopause: 15 km
Alle Luft der Erde
Alle Luft der Erde:
Kugel mit einem Radius R von ca.
1000 km
Bei techn. Normalbedingungen
(20 oC, 1 atm )
entspricht dies einer Masse von ca.
5040 * 1012 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. - 15 bis - 18 oC !
kein flüssiges Wasser auf
unserem Planeten , nur Eis !
8
1.3
Die fünf Schichten der Atmosphäre
10’000 km
Exosphäre
Exopsphäre – äusserste Schicht der Atmosphäre
690 km
Thermosphäre
Thermopause – Grenze: Thermosphäre/Exosphäre
Thermosphäre – sehr kleine Molekül-Konzentratiion
Mesosphäre
85 km
Mesopause- Grenze: Mesosphäre /Thermosphäre
Mesosphäre - Verglühung der meisten Meteore
Stratosphäre
50 km Stratopause – Grenze: Stratosphäre / Mesosphäre
Stratosphäre - enthält Ozonschicht
Troposphäre
20 km
Tropopause – Grenze: Troposphäre /Stratosphäre
Troposphäre – Die der Erdoberfläche nächste Schicht:
enthält fast alle Luft der Erde – Wetter-Zone
9
1–5
9
Atmosphäre der Erde:
Dicke ca. 50 km
- 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
Erde
R = 6’357
km
Schutzschicht speichert
die von der Erde abge strahlte Wärme - Strahlung
im Infrarot  Pullover !
ohne Schutzschicht:
globale Temperatur wäre
ca. - 15 bis - 18 oC !
Dann würde kein flüssiges Wasser auf der Erde existieren !
10
1.4 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
1–6
Die Milchstrassen - Galaxie
Anhang – Kapitel 1
A-1-0
Höhe h (km)
Höhe h (km)
Druck , relative Dichte und Temperatur
in Abhängigkeit der Höhe
R
Druck p (mb)
relative
Dichte
h(p) nach barometrischer Höhenformel
Temperature (0C)
Man beachte den komplexen
Temperaturverlauf in Abhängigkeit
der Höhe h !
11
1-A-3-1
1–7
Referenzen: Kapitel 1
R-1-0
Referenz : Prolog
1.1 Entstehung der Erdatmosphäre
R.1.1.1
pp 2 – 4: How did the Earth’s Atmosphere form ?
http://scijinks.nasa.gov/atmosphere-formation
R.1.1.2
pp. 2 – 4: Erdatmosphäre
http://www.reinis-welten,de/weltgeschichte.dieerde/erdatmosphaere/index.html
R.1.1.3
p. 2: Was ist der Unterschied zwischen einem Asteroiden , Kometen und Meteoriten ?
http://www.astronews.com/frage&antworten/1frage1783.html
R.1.1.4
p. 2: Sonnenwind
www.http://de.wikipedia.org.wiki/Sonnenlicht
1.2 Atmosphäre und Luft
R.1.2.1
p. 5: Atmosphere of Earth
www.http://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth
R.1.2.2
p. 6 : Zusammensetzung der trockenen Erdatmosphäre
«Origin of the Earth’s Atmosphere»
aus : http://www.ux1.eiu/  cfjps/1400/atmos _origin.html
Figuren - Text von P . Brüesch
R.1.2.3
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
http://www.bom.gov.au/info/climate/change/gallery/3.shtml
unteres Bild : Die Stockwerke der Erdatmosphäre
www.google.ch : Bilder
R.1.2.4
p. 8: Wasser und Luft der Erde : Alle Luft der Erde
Adam Nieman: http://www.adamniemann.co.uk/vos/index.html
R-1-1
1–8
1.3 Die Schichten unserer Atmosphäre
R.1.3.1
p . 9 Die Schichten unserer Atmosphäre
Layers_of_Erarth’s_Atmosphere
http://ete.cet.edu/gcc/?/volcanoes_layers/
R.1.3.2
p. 10: Erde mit dünner Atmosphärenschicht
Figur und Text von P. Brüesch aus verschiedenen Literaturquellen
1.4 Atmosphären anderer Planeten
R.1.4.1
p. 11: Atmosphären des Sonnensystems und Exoplaneten
a) Sonnensystem
http://de.wikipedia/wiki/Sonnensystem
b) Solar System
http://en.wikipeia/org/wik/Soalr:System
c) Bild links: Wikipedia: «Unser Sonnensystem»
unteres Bilder: «Internationales Kleeblattforum»
d) Bild rechts: Die Milchstrasse
in: http://www-simone-bahia.de/astronomie/milchsreasse.html
Anhang
1.A.3.1
Druck, Dichte und Temperatur der Erdatmosphäre
Earth’s Atmosphere_ Composition and Structure
- www.vision/earning.com>Library>EarthScience
[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-1-2
1–9
2. Physik und Chemie
der Atmosphäre
12
2–0
2.1
Überblick
13
2.1 Vorbemerkungen zum Inhalt
In diesem Kapitel wird ein Abriss über die physikalischen und chemischen
Eigenschaften der Luft und der globalen Atmosphäre gegeben.
Im Abschnitt 2.2 werden zuerst die wichtigsten Moleküle und Atome der
trockenen Atmosphäre diskutiert. Es handelt sich um molekularen Stickstoff
(N2), um Sauerstoff (O2), Ozon (O3), atomares Argon (Ar) sowie sehr geringe
Mengen von Spurengasen wie z.B. Kohlendioxid (CO2).
Die wichtigsten Eigenschaften der Troposphäre werden im Abschnitt 2.3
erläutert: Allgemeine Eigenschaften, Wasserdampf, Wolken, Winde und
Abhängigkeit des Luftdrucks von der Höhe (vertikaler Druck – Gradient).
Im Abschnitt 2.4 wird die Stratosphäre diskutiert: Allgemeine Eigenschaften,
Temperaturprofil sowie Eigenschaften und Funktion von Ozon.
Der Abschnitt 2.5 ist der Mesophäre gewidtmet: Allgemeine Charakteristika,
Temperaturverlauf und CO2 – Gehalt .
Im Abschnitt 2.6 werden die wichtigsten Eigenschaften der Thermosphäre
erörtert: H2 - Moleküle und He – Atome sowie Strahlungstemperatur.
Der Abschnitt 2.7 ist der äussersten Atmosphärenschicht, der sog. Exosphäre
gewidmet . Die Konzentration der Teilchen ist fast vernachlässigbar klein und
die Teilchen sind weitgehend ionisiert. Die Strahlungstemperatur schwankt
stark zwischen Tag und Nacht.
14
2–1
2.2 Zusammensetzung der
trockenen Atmosphäre
15
Mittlere Zusammensetzung von trockener Luft in der Troposphäre (s. A-2-1)
Hauptbestandteile
Stickstoff (N2)
Sauerstoff (O2)
Argon (Ar)
Zwischensumme
Volumen (%) Volumen (ppm
Massen (%)
78.084
780’840
75.518
20.942
209’420
23.135
0.934
9’340
1.287
999’600 ppm
99.960 %
99.940 %
Spurengase
Kohlendioxid (CO2)
Neon (Ne)
580.000*10-4
380
380.00*10-4
18.18*10-4
18.18
12.670*10-4
Helium (He)
5.24*10-4
5.240
0.720*10-4
Methan (CH4)
1.76*10-4
1.760
0.97*10-4
Krypton (Kr)
1.14*10-4
1.140
3.300*10-4
Xenon (Xe)
0.09*10-4
Wasserstoff (H2)
Distickstoffoxid (N2O)
0.087
~ 0.50*10-4
~ 0.5
0.31*10-4
0.317
Kohlenmonoxid (CO)
~ 0.2*10-4
~0.2
Zwischensumme
~ 0.040 %
~ 400 ppm
16
2–2
0.400*10-4
~ 0.036*10-4
0.480*10-4
~ 0.100*10-4
~ 0.060 %
Das Stickstoffmolekül N2
In einer Dreifachbindung gewährleisten
3 Paare von Bindungselektronen den
Zusammenhalt des Moleküls.
Elementar tritt Stickstoff nur in Form zweiatomiger Moleküle auf (molekularer
Stickstoff), auch Distickstoff genannt, Summenformel N2); er ist mit 78 Volumen %
der Hauptbestanteil der Luft.
Molekularer Stickstoff ist ein farb – geruch - und geschmackloses Gas.
Die beiden N-Atome sind im N2- Molekül durch eine stabile Dreifachbindung
gebunden und das Molekül ist sehr reaktionsträge . Die damit verbundene hohe
Bindungsdissoziationsenergie beträgt 942 kJ/mol (1 Mol N2 enthält 6.023*1023 N2Moleküle)
17
DasSauerstoffmolekül
SauerstoffmolekülOO2
Das
2
Eine Doppelbindung ist eine Verbindung zweier Atome durch je zwei Elektronenpaare.
Elementar tritt Sauerstoff als eine Verbindung aus zwei Sauerstoff-Atomen mit der
Summenformel O2 auf, die man als molekularen Sauerstoff bezeichnet. In O2 sind
die beiden O - Atome durch eine stabile kovalente Doppelbindung gebunden.
Es ist ein farb- und geruchloses Gas, das in der Luft zu ca. 20.9 % enthalten ist.
Die beiden O – Atome sind in O2 durch eine stabile kovalent Doppelbindung gebunden. Fast alle Lebewesen benötigen Sauerstoff zum Leben.
Sauerstoff ist ein sehr reaktionsfreudiges Element; mit N2 sind Reaktionen aber nur
unter speziellen Bedingungen, etwa bei Blitzschlag möglich .
18
2–3
Das Argon – Atom Ar
Bild links : Eine schematische Darstellung der Schale des Argon – Atoms
Bild rechts : Das Argon Atom mit Kern und Schale; das Atomgewicht ist 40
Vorkommen in der Luft : 0.9340 %, entspricht 934 ml pro 100 Liter Luft.
Argon ist das dritt häufigste Element in der Erdatmosphäre (s. p. 16). Der Grund
für die grosse Häufigkeit von Ar liegt darin, das Ar durch radioaktiven Zerfall von
40K, das zu 2.6 % in der Erdkruste vorhanden ist, in 40Ar zerfiel. Es wurde dann
durch vulkanische Aktivitäten in die Atmosphäre transportiert.
40K
40Ar
Zerfallsreaktion :
19 
18 + 1 Positron; Halbwertszeit = 11.93 Gyr
(40Ar18: Massenzahl A = 40, Ordnungszahl Z = 18; Positron = Antiteilchen des Elektrons)
(1 Gyr = 1 Gigajahr = 109 Jahre)
19
Spurengase in der Luft (s. p. 16)
Molekül / Atom
CO2
Ne
He
Methan:
CH4
Krypton
Kr
•
•
•
•
Standard-Dichte in Luft : 1.98 kg / m3 = 0.0198 g/cm3
Lineares Molekül  unpolar , d.h. Dipolmoment = 0
Doppelbindungen zwischen C und O
Relativ hohe Löslichkeit in H2O (1700 mg/L bei NB)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Edelgas mit 8 Elektronen auf äussersten Schale
2 Elektronen in innerer Schale  total 10 Elektronen
Zahl der Protonen (P) = Zahl der Neutronen (N) = 10
Neon (Ne) ist farb – und geruchlos
Verflüchtigt sich aus der Atmosphäre ins Weltall
Edelgas mit 2 Elektronen auf äussersten Schale
Zahl der Protonen (P) = Zahl der Neutronen (N) = 2
Helium (He) ist farb – und geruchlos und ungiftig
Verflüchtigt sich aus der Atmosphäre ins Weltall
•
•
•
Der Kern von C enthält 6 Protonen und 6 Neutronen
Das Kohlenstoffatom C enthält 2 Elektronen in der
inneren Schale und 4 in der äusseren Schale
In CH4: 4 kovalenten C-H Bindungen
•
•
•
•
•
•
Krypton ist ein Edelgas mit P = 36 und N = 48
Die 1. Schale enthält 2 Elektronen
Die 2. Schale enthält 8 Elektronen
Die 3. Schale enthält 18 Elektronen
Die 4. Schale enthält 8 Elektronen
Total : 36 Elektronen
20
2–4
Spurengase in der Luft (cont): s. p. 16
Xenon
(Xe)
H2
N2O
CO
•
•
•
•
Farbloses, geruchloses und reaktionsträges Edelgas;
Ordnungszahl Z = 54; Neutronen N = 77; A = Z + N = 131;
Dichte r = 5.8982 kg/m3 bei 273.15 K, 1 atm = 1013 hPa;
Xenon ist schwerer als Luft;
In Luft: ca. 0.09 ppm
•
•
•
•
Zwei Protonen und 2 Elektronen
Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung
Zweiatomiges Gas
In Atmosphäre sehr selten (s. p. 16)
•
•
•
•
Distickstoffoxid : farbloses Gas (Lachgas)
Lachgas : Einatmen kann zur Euphorie führen
N2O ist en Treibhausgas (davon 6% anthropogen)
N2O trägt zum Abbau von Ozon (O3) bei (s. p. 22)
•
•
•
•
•
•
•
CO : farblos, geruchlos und geschmacklos
Sehr giftig  gefährliches Atemgas
CO ist brennbar
Verdoppelung der CO- Konzentration seit den vorindustriellen Zeiten
Anstieg von troposphärischem CO
Beitrag zu globaler Erwärmung
21
Ozon - eine besondere Art von Sauerstoff - 1
Ozon (O3) ist ein dreiatomiges Sauerstoff-Molekül. Es entsteht bei der
Verbindung eines normalen Sauerstoff-Moleküls (O2) mit einatomigem Sauerstoff
(O), den die energiereiche UV- Strahlung der Sonne entweder aus Stickoxiden
(Bodennähe) oder direkt aus dem normalen Sauerstoff (in der Stratosphäre)
abspaltet.
Ozon bildet sich also überall dort, wo durch Energiezufuhr der normale
Sauerstoff der Luft (O2) in einzelne Atome (O) zerlegt wird, die sich dann mit
jeweils einem Molekül des Luft – Sauerstoffs zu einem Ozon-Molekül (O3)
verbinden können. Es hat nicht lange Bestand, sondern zerfällt schon in
kurzer Zeit wieder zu normalem Sauerstoff. Diese Unbeständigkeit ist die Folge
der besonderen Reaktionsfreudigkeit und Aggressivität, mit der das Ozon
Verbindungen mit anderen Stoffen eingeht. Deshalb ist es auch gar nicht so
sicher, ob der stechende Geruch vom Ozon selber stammt oder erst von
Umwandlungsprodukten erzeugt wird.
22
2–5
Einige Eigenschaften des Ozon – Moleküls - 2
Als Mesomerie (auch Resonanzstruktur) wird das
Phänomen bezeichnet, dass die Bindungsverhältnisse in einem Molekül nicht durch eine einzige
Strukturformel sondern nur durch mehrere Grenzformeln dargestellt werden können.
Mesomere Grenzstrukturen
des Ozonmoleküls
Molekülstruktur: Es handelt sich um ein gewinkeltes polares Molekül mit einem Dipolmoment von 0.5337 D. Der
O-O Abstand beträgt 127.8 pm (= 1.278 Ẳ = 0.1278 nm). Der
Winkel zwischen den 3 Sauerstoffatomen beträgt 116.8o.
Bildung: 3 O2  2 O3; DH = + 286 kJ
Ozon bildet sich in der Atmosphäre vor allem auf drei Arten:
a) Aufspaltung von O2–Molekülen durch energiereiche Sonnenstrahlung in zwei
einzelne Atome, die sich jeweils mit einem weiteren O2–Molekül zu Ozon vereinigen.
b) In Erdnähe bildet sich Ozon bei der Reaktion von Stickoxiden (z.B. NO2) mit O2
unter dem Einfluss von UV-Strahlung.
c) Bei Gewittern: Durch den elektrischen Stromfluss zwischen Wolke und Erdboden
bei der Blitzentladung entsteht Ozon (neben Salpetersäuren und weiteren Stoffen).
23
2–6
2.3 Die Troposphäre
24
2.3.1 Allgemeine Eigenschaften - 1
~ 50 km
~ 20 km
~ 10 km
h (km)
ϑ(0C)
Die relativ warme bodennahe Luft steigt
in der Troposphäre auf und dehnt sich
dabei aus. Dabei kühlt sie sich ab. An
der Tropopause angekommen kann sie
nicht weiter aufsteigen, sondern sich
nur noch in der Breite ausdehnen.
[Im Originalbild ist ersichtlich wie ein
Luftpaket aufsteigt, grösser wird und
sich abkühlt]. (Grafik: Elmar Uherek).
Die Zunahme der Temperatur oberhalb 20
km ist durch Ozon bedingt, welches das
UV – Licht der Sonne absorbiert und
dadurch die Atmosphäre wieder erwärmt
(s. p. 26). (Die h- Skala ist nicht linear).
Die Troposphäre ist diejenige Schicht unserer Atmosphäre, welche der Erde
am nächsten ist (s. p. 9). Es handelt sich um die Luft um uns herum, vom
Erdboden aus bis zu den höchsten Wolken. Wenn wir hinauf zum Himmel
blicken, neigen wir dazu, die Dicke dieser Schicht zu überschätzen.
Die Dicke der Troposphäre beträgt etwa 10 Kilometer an den Polen, wo sie
im Winter bis zu 2 Kilometer niedriger ist als im Sommer, und 18 Kilometer
am Aequator. In der Troposphäre sind etwa 90 % der gesamten Luft
enthalten . Da sich in ihr der Grossteil des Wetters abspielt, spricht man
auch von der Wetterschicht der Atmosphäre.
25
2–7
Eigenschaften der Troposphäre - 2
Die Troposphäre wird nur in geringem Masse direkt durch Sonneneinstrahlung erwärmt.
Der grosse Teil der Wärme wird vom Erdboden aufgenommen, weswegen die
Lufttemperatur im Schnitt um etwa 6.5 oC pro Kilometer Höhe abnimmt. Dies nennt man
den vertikalen atmosphärischen Temperaturgradienten. In trocken-adiabatischen (=
wolkenlosen Abschnitten) beträgt er durchschnittlich 1oC pro 100 Meter, in feuchtadiabatischen (wolken- und nebelreichen) Raum sind es pro 100 Meter etwa 0.6 0C. In
der Tropopause (s. p. 9) beträgt die Temperatur ca. - 75 oC am Aequator und ca. - 45 oC
an den Polen.
Als Inversion bezeichnet man allgemein die Umkehrung des in der Atmosphäre
normalen Temperaturverlaufs mit zunehmender Höhe. Eine sehr stabile Inversion wird
durch die Tropopause gebildet (s. Figur, p. 25) und erklärt sich durch die in einer Höhe
von 10 bis 15 km langsam zunehmende Ozonkonzentration. Das Ozon absorbiert den
sehr kurwelligen UV-B-Teil der Sonneneinstrahlung und führt damit zu einer
Temperaturerhöhung entgegen dem allgemeinen Trend der Temperaturabnahme.
Die chemische Zusammensetzung der trockenen Troposphäre ist im Wesentlichen
gleichmässig (N2, O2, Ar, .., s. p 16). Dies ist aber nicht der Fall für das Wasser
(gasförmiger Wasserdampf, Wolken): Der Wassergehalt der Troposphäre ist in der Regel
sehr stark vom Ort und der Höhe abhängig (s. Kapitel 3).
Der Druck und die Dichte der Atmosphäre sind maximal auf Meereshöhe und nehmen
mit zunehmender Höhe stark ab (s. p. 54). Die Abnahme des Drucks mit steigender Höhe
ist näherungsweise durch die barometrische Höhenformel gegeben (s. pp 27 - 29).
In der Troposphäre spielt sich praktisch das ganze Wettergeschehen unseres Planeten
ab (s. Kapitel 3).
26
Barometrische Höhenformel - 1
Die barometrische Höhenformel beschreibt die vertikale Verteilung der (Gas-) Teilchen in
der Atmosphäre der Erde, also die Abhängigkeit des Luftdruckes von der Höhe. Man
spricht daher auch von einem vertikalen Druck-Gradienten, der jedoch aufgrund der
Wetterdynamik innerhalb der unteren Atmosphäre nur mit Näherungen auf mathematischem Wege beschrieben werden kann.
Der Luftdruck auf Meereshöhe ist 1 bar = 105 Pascal = 105 Pa = 103 hPa; 1 hPa = 100 Pa. In
der einfachsten Form kann grob angenommen werden, dass der Luftdruck in der Höhe
des Meeresspiegels und 0 0C um Dp = 1 hPa (entspricht 1 ‰ des mittleren Luftdrucks) pro
Dh = 8 m Höhenzunahme abnimmt: Dp / Dh = - 1hPa / 8m = - 12.5 Pa / m.
In der einführenden Literatur wird die klassische barometrische Höhenformel zitiert, in welcher man annimmt, dass die Temperatur T unabhängig von der Höhe konstant ist
(isotherme Atmosphäre). Es seien h0 und h > h0 zwei Höhen über dem Meeresspiegel und
p(h0) und p(h) die entsprechenden Drucke. Dann lautet die barometrische Höhenformel:
p(h) = p(h0) * exp( - Dh / hS) ;
dabei ist
(1)
die Höhendifferenz = Dh = h – h0 ; (auf Meereshöhe ist h0 = 0). hs ist die sog.
Skalenhöhe:
hS = R*T / M*g
(s. Anhang p. 2-A-3-1).
28.9644*10-3
(2a)
(2b)
R ist die univ. Gaskonstante = 8.314 J/(mol K), M =
kg/mol ist die Molmasse der
Luft und g(h < 12 km) ≈ g(0) = 9.81 ms-2 ist die Erdbeschleunigung (s. p. 55). Für 300 K (27
oC) ist h = 8779 m, für T= 288 K (~ 15 0C) ist h = 8437 m und für T = 273 K (0 oC) ist h =
S
S
S
7989 m.
Die Dichte r erhält man aus dem idealen Gasgesetz pV = RT und r = M/V; daraus folgt
r(h) = r(h0) * exp (-Dh / hs)
(3)
27
2–8
Barometrische Höhenformel - 2
Atmosphäre mit linearer Temperaturabhängigkeit
Zur Herleitung der Gleichungen (1) bis (3) wurde angenommen, dass die Temperatur
konstant ist. Die Figuren auf pp 1-A-3-1 und 25 zeigen aber, dass in der Troposphäre die
Temperatur mit zunehmender Höhe abnimmt. [Wir sehen hier von der sog. Inversion, d.h.
von der Zunahme der Temperatur mit wachsender Höhe ab] . In erster Näherung beschreiben wir T(h) durch eine lineare Gleichung der Form
T(h) = T(h0) - a*(h – h0)
(4)
Setzt man Gleichung (4) in die Grundgleichung dp / p = - [M g / R T(h)] dh ein, dann
erhält man nach Integration über die Höhe h das Resultat (s. Ref. R.2.3.18)
p(h) = p(h0) * [1 – (a Dh/T(h0)] (Mg / R a)
mit
Dh = h – h0
(5)
Dh = h – h0
(6)
Für die Dichte r(h) erhält man entsprechend
r(h) = r(h0) * [1 – (a Dh/T(h0)] (Mg / R a)
-1
mit
Verglichen mit Gleichung (5) ist in Gleichung (6) der Exponent um 1 verkleinert .
Dies folgt aus pV = RT(h) und r = M/V woraus folgt, dass die Dichte explizit von der
Temperatur T(h) abhängt:
r(h) = r(h0)* [T(h0)/T(h)]*[ p)h)/p(h0)]
(6a)
28
Barometrische Höhenformel - 3
Wie Messungen der Temperaturprofile in der Troposphäre zeigen, ist die Annahme
einer linearen Temperaturabnahme im Mittel eine gute Näherung, wenn auch im
Einzelnen deutliche Abweichungen auftreten können, z.B. bei Inversionswetterlagen (*).
Die Hauptursache für die Temperaturabnahme mit der Höhe ist die Erwärmung der
unteren Luftschichten durch die von der Sonne aufgeheizte Erdoberfläche, während
die oberen Luftschichten Wärme in den Weltraum abstrahlen. Im Mittel über alle
Wetterlagen ist der Temperaturgradient 0.65 K pro 100 m, d.h. die Temperaturabnahme
beträgt a = DT / Dh = 0.65 K/100m = 0.0065 K/m. [Die beschriebenen Verhältnisse sind
auf die Troposphäre beschränkt]. In der Stratosphäre nimmt die Temperatur deutlich
langsamer ab, meist nimmt sie sogar wieder zu, vor allem wegen der Absorption von
UV-Strahlung in der Ozonschicht (s. pp 9, 1-A-3-1, 37 - 42).
Für einen Temperaturgradienten von 0.0065 K/m nimmt der Exponent in Gleichung (5),
p. 28, den Wert 5.255 an, d.h. man erhält
p(h) = p(h0)* [1 – 0.0065*Dh / T(h0)] 5.255
(7a)
Setzt man die Referenzhöhe h0 auf Meereshöhe und nimmt für die dortige Atmosphäre
einen mittlerem Zustand an, wie er durch die Internationale Standardatmosphäre
beschrieben wird (Temperatur 15 0C, Luftdruck 1013.25 hPa, a = 0.0065 K/m), so erhält
man die Internationale Höhenformel für die Troposphäre (bis 11 km Höhe)
p(h) = 1013.25* [1 – 0.0065*Dh / 288.15] 5.255
(**)
(7b)
(*) Unter einer Inversionswetterlage versteht man eine Umkehrung des in der Atmosphäre normalen
Temperaturverlaufs mit zunehmender Höhe, d.h. die Temperatur T nimmt mit wachsender Höhe zu.
(**) Im konkreten Anwendungsfall ist die Genauigkeit der Formel (5b) allerdings begrenzt, da der Berechnung eine mittlere Atmosphäre zugrunde gelegt ist.
29
2–9
Barometrische Höhenkurven p(h)
10’000
Mt- Everest (8848 m)
Höhe h in m
8000
6000
Isotherme
barometrische
Höhenkurve
Internationale
barometrische
Höhenkurve
4000
2000
Mt. Blanc (4807 m)
auf Meereshöhe: 15 oC
0
0
200
400
600
800
1000
Luftdruck p in hPa
1013 hPa
30
Mittlere Wärmekapazität der Luft
Die Wärmekapazität eines Stoffes bei konstantem Druck ist definiert als
cp = DQ / (m DT) .
(8)
Dabei ist DQ die thermische Energie, die der Substanz zugefügt wird, m ist die
Masse der Substanz, cp die spezifische Wärme bei konstantem Druck und DT ist
die Temperaturdifferenz. Bei der Hebung eines Luftpaketes mit dem Gewicht G =
mg um die Höhe Dh ist DQ = G* Dh = m g Dh, womit
Cp = g (Dh / DT) .
(9)
Setzt man gemäss p. 29 für den mittleren Temperaturgradienten a = DT / Dh =
0.0065 K/m ein, dann ist der Mittelwert über alle Wetterlagen (Mittel über Wetter
mit trockener und feuchter Luft):
Cp = 1509 (m2/s2K) = 1509 (Ws/kg K) .
(10)
Dieser Wert liegt zwischen der spezifischen Wärme für trockene Luft mit Cp = 1005
(Ws/kg K) und der spezifischen Wärme von Wasserdampf mit Cp = 2034 (Ws/kg K).
[Bemerkung: Die spezifische Wärme von trockener Luft ist zwischen – 100 0C und
+ 40 0C im wesentlichen konstant: Cp = 1.009 (Ws/kg K) bei – 100oC und Cp = 1.005
(Ws/kg K) bei + 400C].
31
2 – 10
Die Tropopause
Verlauf der Tropopause (km)
Als Tropopause bezeichnet man die schmale Übergangszone (in der Figur rot punktiert)
zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre. Sie ist nach offizieller Definition der
WMO (World Meteorogical Organization) durch einen vertikalen Temperaturgradienten
von weniger als - 0.2 K/100 m über eine Höhendifferenz zwischen einigen hundert Metern
bis 2 – 3 km gekennzeichnet. Wie die Figur zeigt, hängt die Höhe der Tropopause vom
Ort ab, hauptsächlich von der geographischen Breite. Ihre Höhe beträgt ca. 16 km über
Australien am Jahresende und etwa 12 - 16 km in mittleren Jahreszeiten. Mit steigender
geographischen Breite nimmt ihre Höhe ab und am Nord- und Südpol beträgt sie etwa 9
km. Die Ozonschicht befindet sich gleich über der Tropopause aber in der Stratosphäre.
Die meisten kommerziellen Flugzeuge
fliegen zwischen der unteren Stratosphäre und der oberen Troposphäre.
Breitengrad
32
2 – 11
2.4
Die Stratosphäre
33
Allgemeine Eigenschaften
Die Stratosphäre ist die zweite Schicht der Erdatmosphäre; der Grenzbereich
zwischen Stratosphäre und Troposphäre wird als Tropopause bezeichnet (s. p. 32).
Wie die Figur auf p. 32 zeigt, liegt die Tropopause in einer Höhe von ca. 9 km an
den geographischen Polen und ca. 12 - 16 km am Aequator. Über der Stratosphäre
schliesst sich die Mesosphäre an (s. pp 7, 9). Die Grenze ist die Stratopause in
etwa 50 km Höhe .
In der Stratosphäre nimmt die Temperatur im Mittel mit steigender Höhe zu, wobei
diese Steigung in der unteren Stratosphäre, bis ca. 20 km noch verschwindend
klein ist. Diese Temperaturzunahme mit der Höhe unterscheidet die Stratosphäre
von den sie einschliessenden Luftschichten. Verursacht wird dieser inverse
Temperaturvelauf hauptsächlich durch das in der Stratosphäre befindliche Ozon
(s. Figur, p. 35), das UV-Strahlung aus dem Sonnenlicht absorbiert und dabei
elektromagnetische Strahlung in Wärme umwandelt. Am stärksten ist die
Erwärmung im Bereich der Ozonschicht; dort steigt die Temperatur von ca. – 60 oC
bis auf knapp unter 0oC (s. pp. 9 und 1-A-3-1).
Durch die niedrigere Temperatur an der Tropopause kondensiert atmosphärischer
Wasserdampf dort fast vollständig aus. Aus diesem Grunde ist die
stratosphärische Luft sehr trocken. Wolken bilden sich in der Stratosphäre für
gewöhnlich nur unter extrem kalten Bedingungen (sog. Polare Stratosphärenwolken: s. p. 36).
34
2 – 12
Temperaturprofil der Atmosphäre
Die Stratosphäre (15 – 50 km) schliesst
an die Troposphäre an. Ihre Temperatur
ist geschichtet (stratified), wobei die
Temperatur von unten nach oben
zunimmt; dies ist im Gegensatz zum
Temperaturverlauf der Troposphäre.
Die Grenzschicht zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre ist die
Tropopause (p. 32), während die
Grenzschicht zwischen der Stratosphäre und der Mesosphäre die sog.
Stratopause ist. [Die Grenzschicht zwischen der Mesosphäre und der Thermosphäre ist die Mesopause].
Mesopause
Stratopause
Die Zunahme der Temperatur mit
steigender Höhe in der Stratosphäre
wird wesentlich durch die Ozonschicht
verursacht, welche die kurwelligen
Anteile des Sonnenlichtes im UV
absorbiert (s. p. 37).
Tropopause
35
Polare Stratosphärenwolken
In der Stratosphäre ist der Wasserdampfgehalt der Luft sehr gering, sodass sich keine
herkömmlichen Wasserwolken bilden können. Polare Stratosphärenwolken (PSC’s =
Polar Stratospheric Clouds) bestehen aus Salpetersäure (HNO3 und/oder aus Schwefelsäure (H2SO4) und Salpetersäure, beide Modifikationen mit einem Mantel aus Wassereis
umgeben oder aus Wassereis allein. Demgemäss unterscheidet man:
Typ Ia : Kristalle aus Salpetersäuretrihydrat mit vereistem Wasserfilm
Typ Ib : Schwefelsäure und Salpetersäure mit vereistem Wasserfilm
Typ II : lediglich aus vereistem Wasser
An der Oberfläche der Kristalle können chemische Reaktionen ablaufen, die für den
Ozonabbau in der Stratosphäre und die Entstehung des Ozonlochs bedeutsam sind.
Diese polaren Stratosphärenwolken, auch Perlmutterwolken genannt, treten in der
Stratosphäre in Höhen über 20 km auf, meist im Bereich zwischen 22 und 29 km. Dies
geschieht im Winter regelmässig in den Polarregionen jenseits von 800 nördlicher
respektive 800 südlicher Breite.
PSC vom Typ I:
oberste
weisse Wolke
PSC vom Typ II:
perlmuttfarbene
Wolken
Type I
36
2 - 13
Type II
Die Ozonschicht der Stratosphäre
Die Ozonschicht ist ein Teil der Stratosphäre, in der unter der Einwirkung der
energiereichen ultravioletten (UV)- Strahlung der Sonne Sauerstoff in Form von
O2 in Ozon (O3) umgewandelt wird. Die
Ozonschicht beginnt in einer Höhe von
10 bis 17 km und erstreckt sich bis auf
eine Höhe von ca. 50 km.
(zur Bildung und Struktur des Ozonmoleküls: s. pp 22 und 23).
Das Ozon O3 bildet sich aus molekularem Sauerstoff O2. Die vergleichsweise hohe
Konzentration von Ozon [2–8 ml/m3 oder 2–8 ppm] absorbiert UV-Strahlung,
insbesondere UV-B, wobei das Ozon von dieser Strahlung teilweise wieder in O2
zerlegt wird: Es bildet sich ein chemisches Gleichgewicht, der sog. Ozon –
Sauerstoffzyklus, bei dem die Menge von Ozon annähernd konstant bleibt: im
Gleichgewicht halten sich die Ozonbildung und der Ozonzerfall die Waage:
Ozonbildung:
Ozonzerfall:
3 O2  2 O3 unter UV-B und UV-C Strahlung
2 O3  3 O2 unter UV-B und UV-A Strahlung
Wellenlängen der UV- Strahlungsbereiche:
UV-A: 400 – 315 nm ; UV-B: 315 – 280 nm ; UV-C: 280 – 100 nm
(1 nm = 10-9 m)
37
Ozon- Profile in der Troposphäre und Stratosphäre
Höhe (km)
Atmosphärisches Ozon
Stratosphärisches
Ozon
•
Enthält 90 % des atmosphärischen Ozons
•
•
Positive Eigenschaft:
wirkt als primäres UV
Strahlungsschild
•
Gegenwärtige Probleme:
- Globale Abnahme
- jährliches Ozonloch
in jedem Frühling
•
•
«Smog»
Ozon
Troposphärisches
Ozon
•
Enthält 10 % des atmosphärischen Ozons
Schädliche Wirkung:
giftige Effekte auf Menschen und Vegetation
Zeiten von hoher OzonKonzentration in urba –
nen und ländlichen
Gegenden
mPa 
Ozon – Druck in mPa [1 mPa = 1 milli-Pa ≈ 10 -5 milli-atm]
38
2 - 14
Minimale Ozonkonzentration (DU)
Ozon Konzentration in der Stratosphäre: 1979 – 2008
Jahr
39 39
Fläche in Millionen km2
Mittlere Fläche des Ozon- Lochs in der Antarktis (1980 – 2010)
Jahr
40
2 – 15
Grösstes antarktisches Ozonloch
Bild des grössten antarktischen
Ozonlochs, das im September 2006
beobachtet wurde.
Solche Ozonlöcher können bis 3 mal so
gross wie die Fläche der USA sein.
Fläche dieser Ozonschicht: ca. 30*106 km2 .
Fläche der USA : 9.81*106 km2 .
 Flächenverhältnis : ca. Faktor 3
Das Ozonloch wurde das erste Mal im Jahre 1979 beobachtet (s. pp 39 und
40) und erschien über der kälteren Antarktis und zwar wegen der das Ozon
zerstörenden chemischen Prozesse, welche am besten unter kalten Bedingungen ablaufen. Der antarktische Kontinent ist kälter als der arktische. Im
Laufe der Jahre vergrösserte sich das Ozonloch schnell. Das Ozonloch
dauert nur während 3 Monate an. Gerade wenn die aufgehender Sonne die
Pflanzen und Tiere zur Aktivität anregt, dann erzeugt sie auch eine Dosis
von gefährlicher UV- Strahlung.
41
Ozon – Killer und Folgen des Ozonverlustes
Bestimmte Gase , insbesondere die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und
Distickstoffoxid (N2O), auch Lachgas genannt, können durch katalytische
Effekte einen beschleunigten Abbau des Ozons bewirken, sodass die
Konzentration in Richtung O2 verschoben wird. Diese führen während der
langandauernden Polarnächte zum Ozonloch.
Strahlt gegen Ende der Polarnächte durch das noch nicht wieder
geschlossene Ozonloch Licht auf die Erde, dann nimmt auf der Erde die
UV- Strahlung zu. Dies kann zu einem deutlichen Anstieg an Hautkrebsfällen
und schweren Augenkrankheiten führen Auch das Immunsystem wird gestört.
Zudem wird bei den Pflanzen die Photosynthese im Blattgrün (Chlorophyll)
beeinträchtigt mit der Folge starker Ernterückgänge.
FCKW
N2O
42
2 – 16
2.5 Die Mesosphäre
43
Die Mesosphäre zwischen Stratosphäre und Thermosphäre
Druck ca. 10 - 6 atm
Druck ca. 10 - 3 atm
44
2 – 17
Charakteristika der Mesosphäre
Die Mesosphäre ist de mittlere der fünf Schichten der Erdatmosphäre (s. p. 7).
Sie ist zur Erde hin von der Stratopause (in etwa 50 km Höhe) und nach
oben von der Mesopause (in 80 bis 85 km Höhe) von der Thermosphäre ab gegrenzt. Aufgrund der hier extrem ausgedünnten Luft , sowie der Tatsache,
dass hier kaum mehr Ozon vorhanden ist und sich die Absorption der
energiereichen UV- Strahlung in der Stratosphäre abspielt, sinkt die Temperatur
von etwa 0oC an der Stratopause mit jahreszeitlichen Schwankungen auf
durchschnittlich ca. - 900C in ca 80 km Höhe (s. pp 35, 44, 47). Die Temperaturabnahme ist mit ca 3 K/km allerdings erheblich geringer als jene in der
Troposphäre. Danach bleibt die Temperatur erneut konstant und steigt erst in
der Thermosphäre wieder sehr stark an und kann bis auf 2000 0C steigen .
Die chemische Zusammensetzung der Mesosphäre besteht hauptsächlich aus
leichten Gasen, die sich entsprechend ihrer Masse zu schichten beginnen (die
leichten Elemente kommen über die schweren zu liegen). Wenn Meteore gegen die
Erde stürzen, dann verglühen sie leicht in dieser Schicht.
Das in der Mesosphäre enthaltene CO2 trägt auch zur kalten Temperatur bei. Bei der
Kollision von CO2 – Molekülen wird Wärme absorbiert. Ein Teil dieser Energie wird
in Photonen umgewandelt, einem Prozess, der als Strahlungs-Emission bekannt
ist. Dadurch wird Wärme aus der Mesosphäre in die Thermosphäre abtransportiert .
45
2 – 18
2.6 Die Thermosphäre
46
Die Thermosphäre
Zur Veranschaulichung ist das auf p. 7 dargestellte Stockwerk der verschiedenen Schichten der Atmosphäre hier nochmals abgebildet. Die Thermosphäre ist eine Schicht der
Atmosphäre, die bei ca. 80 km Höhe beginnt und bis etwa 500 km reicht. Hier sind so
wenig Luftmoleküle, dass man sich schon fast im Vakuum des freien Raums befindet. Die
Temperatur ist weniger eine Gleichgewichtstemperatur aller vorhandenen Moleküle und
Atome (deren Konzentration ja ausserordentlich klein ist), als vielmehr eine Strahlungstemperatur. Wegen der fehlenden Schutzwirkung durch die Absorption der
Atmosphäre erfährt man hier das volle Strahlungsspektrum der Sonne und des Weltalls.
Die Ionosphäre erstreckt sich von ca. 70 km bis mehr als 1000 km Höhe.
Exosphere
h ≈ 500 – 600 km;
Strahlungstemperatur ≈ 1100 0C
Thermosphere
Ionosphäre: 70 < h < 1000 km
max. Elektronendichte bei 300 km
Thermopause
h ≈ 82 km;
Mesopause
Mesosphere
h ≈ 50 km;
≈
Stratosphere
h ≈ 15 km;
≈ – 82 0C
Troposphere
Für h ( ) vergleiche auch
mit Diagramm auf p. 35
Stratopause
Thermopause
≈ – 110 0C
47
2 – 19
0 0C
Temperatut T und mittlere Molmasse <M> der Luft als Funktion der Höhe h
M (g / mol)
10
15
20
25
30
600
Temperatur T
Molare Masse M
500
300
200
Thermosphäre
h (km)
<M(h)>
400
Strahlungstemperatur
Die Gründe für die Abnahme der mittleren Molmasse <M> mit zunehmender Höhe h in der
Thermosphäre wird auf
Seite 49 erklärt.
T(h)
81 km 100
0
0
200
400
600
800
1000
1200
T (0C)
48
Thermosphäre (~ 81 km < ~ 600 km) ; zur Graphik von p. 48
Trotz ihres Namens ist die «Wärme» der Thermosphäre nicht «spürbar», weil die Luftdichte extrem viel
kleiner ist als in Bodennähe (s. pp 35, 54). Die Temperatur (300 – 1500 0C) äussert sich nur in der
raschen Bewegung der Gasteilchen. Ihre mittlere freie Weglänge beträgt hier mehrere Kilometer,
sodass zwischen den Teilchen kaum mehr Wechselwirkungen durch Zusammenstösse oder Energieaustausch stattfinden.
Die Temperatur nimmt anfangs (ab ca. 81 km) stark mit der Höhe zu und kann – auch abhängig von der
Sonnenaktivität – bis 1700 0C ansteigen. Diese fühlt sich aber wegen der geringen Dichte und dem
Wärmeverlust als schwarzer Körper trotzdem kalt an (s. auch p. 52).
Bezugnehmend auf die Abhängigkeit der (trockenen) Luftmasse M in Abhängigkeit der Höhe h (s. grüne
Kurve der Graphik auf p. 48) fällt auf, dass diese bis zu einer Höhe von etwa 81 km im wesentlichen
konstant ist: gemäss p. 16 sind in diesem Bereich folgende Volumenanteile vorhanden: 78.08%
molekularer Stickstoff, 20.95% molekularer Sauerstoff und ca. 0.93% Argon. Dies entspricht einer
molaren Masse von etwa 28. 9 g/mol (s. Graphik von p. 48).
Oberhalb von 81 km Höhe verändert dagegen die trockene Luft allmählich ihre Zusammensetzung. Dies
ist zum einen auf die sehr dünne Hochatmosphäre zurückzuführen, in der sich schwerere Gase tiefer
anreichern als leichte, weil die Schwerkraft der Erde nicht mehr auf die Luft als Ganzes, sondern auf die
atmosphärischen Bestandteile im einzelnen wirkt. Zum andern sind es Dissoziations- und
Ionisationsprozesse, welche wichtig werden. So wird z.B. in 180 km Höhe molekularer Stickstoff als
häufigster Bestandteil von leichterem Sauerstoff abgelöst, allerdings nicht von jenem in molekularer
sondern in atomarer Form. Konkret findet man in 180 km Höhe: 48.20% atomarer Sauerstoff und 48.14%
molekularer Stickstoff, 3.51% molekularer Sauerstoff , 0.11% Helium, 0.04% Argon. In 400 km Höhe verändern sich die Anteile weiter auf hier 90.77% atomaren Sauerstoff, während molekularer Stickstoff nur
noch zu 4.42% vorkommt und molekularer Sauerstoff gar nur noch zu 0.12%. Das leichte Edelgas
Helium hat seinen Volumenanteil hingegen bereits auf 4.61% vergrössert und das noch leichtere Gas
Wasserstoff kommt jetzt ebenfalls in nennenswerter Menge von 0.08% vor, mit weiter stark steigender
Tendenz. Diese Tatsachen erklären die Abnahme der mittleren Molmasse <M> mit zunehmender Höhe h
in der Thermosphäre. (s. Figur von p. 48).
49
2 – 20
Die Thermopause
Die Thermopause ist die atmosphärische Grenzschicht zwischen der Thermosphäre und der Exosphäre (s. p. 47) . Die exakte Höhe der Thermopause hängt
von verschiedenen Parametern ab, z.B. dem lokalen Ort, der lokalen Zeit sowie
von der Jahreszeit, und kann an einem gegebenen Ort eine Dicke zwischen
500 und 1000 m besitzen.
Unterhalb der Thermopause, d.h. im oberen Bereich der Thermosphäre, schirmt
die Atmosphäre die zunehmende Präsenz der schwereren Gase, wie z.B. monoatomaren Sauerstoff ab.
Oberhalb der Thermopause schliesst die Exosphäre an (s. pp 7 und 47), welche
den Bereich der verschwindend kleinen Konzentration der atmosphärischen Teilchen darstellt (s. p. 48). Bei diesen Teilchen handelt es sich hauptsächlich um
Wasserstoff-Moleküle und um Helium–Atome, welche sehr grosse mittlere freie
Weglängen besitzen, sodass die Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen
ausserordentlich klein sind.
Obwohl alle diese Bereiche als atmosphärische Schichten bezeichnet werden,
ist der Druck ausserordentlich klein (s. p. 54), sodass die als üblicherweise
bezeichneten atmosphärischen Schichten unterhalb dieser Höhe liegen. Die
Satelliten, welche die Erde umkreisen, erleiden keine nennenswerte atmosphärische Erwärmung, aber je nach der Höhe ihrer Umlaufbahn werden ihre
Umkreisradien im Laufe der Zeit kleiner. Raumfahrzeuge umkreisen die Erde
unterhalb der Thermopause, wo die Luftdichte verschwindend klein ist.
50
2 - 21
2.7 Die Exosphäre
51
Die Exosphäre - 1
Die Exosphäre stellt die äusserste Schicht der Erdatmosphäre dar. Sie markiert den
fliessenden Uebergang von der Erde zum interplanetaren Raum, ist jedoch nach
Definition der NASA bereits dessen Teil.
Sie ist ein Teil der sog. Heterosphäre, d.h. jenes Bereiches der Atmosphäre ab ca. 120
km Höhe, indem sich die Gase entsprechend ihrer Atommassen entmischen und
schichten. Ab einer Höhe von 1000 km kommt nur noch Wasserstoff als das leichteste
Gas vor, dieser Bereich wird auch als Geokorona bezeichnet.
Die Exosphäre schliesst an die Thermosphäre an (s. Bild, p. 47) und beginnt damit
(nach unterschiedlichen Quellenangaben) etwa in einer Höhe zwischen 400 km und
1000 km. Ihre äussere Grenze wird mit etwa 10’000 km angegeben. Allerdings ist die
Grenze nicht genau definiert, weil die Gasdichte kontinuierlich abnimmt und
theoretisch nie den Wert Null erreicht.
Alle in ihr enthaltenen Teilchen sind weitgehend ionisiert. Die Exosphäre ist die
einzige Atmosphärenschicht, aus der Gasmoleküle wegen ihrer eigenen hohen
Geschwindigkeit das Gravitationsfeld der Erde verlassen können, denn es sind so
wenig Teilchen vorhanden, dass deren Bremswirkung vernachlässigt werden kann.
Die hohe Temperatur von über 1’000 0C, die scheinbar in der Exosphäre herrscht,
bezieht sich lediglich auf die hohe Geschwindigkeit der Teilchen (s. gestrichelte Linie
der Temperaturkurve T(h) auf p. 48). Wegen der verschwindend kleinen Zahl der
Teichen ist die Temperatur nicht durch Stösse zwischen den Teilchen bestimmt,
sondern vielmehr durch die Wärmestrahlung der Sonne. Am Tag herrscht deshalb eine
sehr hohe Temperatur während in der Nacht die Temperatur sehr tief ist.
52
2 – 22
Die Exosphäre - 2
In der Exosphäre wird die Temperatur nicht durch die Wechselwirkung, d.h.
durch Stösse der Teilchen bedingt, da wegen der extrem kleinen Konzentration
der Teilchen Stösse extrem selten sind.
Die Temperatur in der Exosphäre wird vielmehr durch die Strahlungstemperatur
der Sonne bestimmt. Diese hängt extrem stark davon ab ob ein Teil der
Exosphäre im Strahlungsfeld der Sonne liegt (am Tag) oder vom Strahlungsfeld
der Sonne abgeschirmt ist (in der Nacht). Am Tag kann die Sonneneinstrahlung
Temperaturen weit über 1’0000C erzeugen, in der Nacht aber weit unter 00C.
Die Exosphäre ist fast ein Vakuum.
Diese Bild zeigt das Hubble Space
Teleskop, welches die Erde in der
Exosphäre umkreist.
Bereiche des Teleskops, welche
der Sonne exponiert sind, sind
sehr heiss. Bereiche im Schatten
sind dagegen sehr kalt.
53
Druck p und Dichte r als Funktion der Höhe h
r (kg/m3)
10-12
10-10
10- 8
10- 6
10- 4
10- 2
1 kg/m3
100
600
600
Druck p in Pa
Höhe h in km
500
Dichte r in kg / m3: log(r) ;
400
aus Gasgleichung:
Dichte r = p / (Rs * T)
Rs = R / M = 287.058 J / kg*K) = spez.
Gaskonstante für trockene Luft
T = 273 K
300
200
s. auch pp 27 - 30
100
0
10-6
10- 4
10- 2
54
2 – 23
100
102
p (Pa)
104 105
(1 bar)
Erdbeschleunigung g als Funktion der Höhe h
10
10
9.81 m/s2
8
m
8
4
4
2
2
0
rE
ME
0
10
100
101
102
Thermopause
g(h) in m/s2
6
Mesopause
Stratopause
r
h
Tropopause
6
103
schwereloser
Raum
104
105
Höhe
101
102 h in km
103
104
Höhe h über Meer (km) – (in log. Skala !)
105
gE = g(h=0) = 9.81 m/s2 = Erdbeschleunigung auf Meereshöhe
Gravitationskraft K(r) = g ME m / r2 = m g(r)  g(r) = g ME / r2 ; r = rE + h ;
mit f = 1 + h/rE folgt: g(h) = gE / f2 ; g = 6.674 x 10-11 m3/kg s2 = Gravitationskonstante ;
ME = 5.972 x 1024 kg = Masse der Erde ; rE = 6371 km = mittlerer Erdradius.
55
2 – 24
Anhang – Kapitel 2
2-A-0
Zusammenhang zwischen Volumen – und Massenanteilen
Auf Seite 16 wurden die Volumenanteile und Massenanteile der verschiedenen
Gase der Luft in der Troposphäre tabellarisch zusammengestellt. Hier soll der
Zusammenhang dieser beiden Grössen erläutert werden.
Es sei M die Gesamtmasse und V das Gesamtvolumen und Mk und Vk die Masse
und das Volumen des Gases k. Ferner sei rk die Dichte des Gases k (bei
Normalbedingungen). Wegen rk = Mk / Vk folgt für das Massenverhältnis h(k) des
Gases k:
Mk
rk Vk
rk (Vk / V)
h(k)) =
=
=
M
S rk V k
S rk (Vk / V)
Beispiel für N2 , O2 , und Ar : p. 16 ; als Näherung berechnen wir h(N2), h(O2) und
h(Ar) aus den Volumenanteilen V(N2)/V, V(O2)/V und V(Ar)/V, d.h. wir vernachlässigen
alle in p. 16 aufgeführten Spurengase. Die Dichten für Normalbedingungen sind (in
Einheiten von kg/m3): r(N2) = 1.2503; r(O2) = 1.429 und r(Ar) = 1.7813. Mit den
entsprechenden prozentualen Volumenanteilen von p. 16: V(N2)/V = 78.084 %, V(O2)/V
= 20.942 % und V(Ar)/V = 0.934 %, folgt für die prozentualen Massenanteile:
h(N2) = 75.552 % ; h(O2) = 23.159 % ; und h(Ar) = 1.287 % .
Diese Werte sind geringfügig grösser als die in p. 16 angegebenen Werte. Hätte
man die Summe im Nenner von h(k) auch über die Spurengase erstreckt, dann
hätte man die in p. 16 angegebenen exakten Werte für die Massenanteile erhalten.
2-A-2-1
2 – 25
Zur Skalenhöhe hs der barometrischen Höhenformel
Die einfachste Höhenformel ist
120
p(h) = p0 exp(- h / hs)
(p0 = 1013.25 hPa, s. pp 27, 30).
HHöhe h in km
100
Wir denken uns die gesamte Atmosphäre
unter der Kurve K auf einen Druck von 1
atm = 1013 hPa komprimiert und bestimmen
die Höhe H des resultierenden Rechtecks. Ist
A die Fläche unter der Kurve, dann gilt:
80
K
60
= p0 h s = p0 H ,
40
p0 / e
20
p0
d,h. die gesuchte Höhe H = hs ist die sog.
Skalenhöhe hs = (RT / (Mg) (s. p. 27).
Bei einer Temperatur T = 288 K = 15 0C ist
hs
H = hs ≈ 8.4 km .
A
0
0
500
1000
(s. rot gestricheltes Rechteck mit Fläche A)
Druck p in hPa
2-A-3-1
Definition der Dobson Einheit (DE)
Schicht mit Fläche von A = 1 m2
und Dicke d = 0.01 mm wird mit
Ozon (O3)- belegt.
Die Dobson- Einheit DE ist eine Einheit
zur Messung der sich in einer Kolonne
befindlichen Spurengases der Erdatmosphäre. Sie wird oft als ein Mass
der Ozonmenge verwendet, die sich
(hauptsächlich) in der Stratosphärenschicht befindet. Ein DE bezieht sich
auf eine 10 mm = 0.01 mm dicke
AlAlles Ozon über einer Fläche Schicht bei Standardbedingungen
wird auf 00C und einen Druck (STP): T = 273 K und p = 1 atm.
von 1 atm komprimiert (StanWerden 300 DE Ozon aus einer Säule
(dard Bedingungen (STP)).
Beispiel: 300 DU (Dobson Unit über der Erdoberfläche bei 1 atm und
0
DU oder DE) entsprechen einer 0 C zusammengepresst, dann entsteht eine Schicht von 3 mm Dicke.
Schichtdicke von 3 mm
Numerisches Beispiel: Zahl der O3- Moleküle in 1 DE
Ideales Gas: p V = n R T; p = Druck; V = Volumen; R = ideale Gaskonstante, T = Temperatur, n = Zahl
der Mole. Wir berechnen n und die Teilchenanzahldichte von O3- Molekülen in 1 DE. Mit p = 1 atm =
1.013 bar, R = 8.314 J/(mole K), T = 273 K und V = 1 m2*10 mm = 1 m2*10-5 m = 10-5 m3 folgt: n = p V/(R T)
= 0.4462*10-3 mol. Da die Avogadro- Zahl NA = 6.0224*1023/mol die Zahl der Moleküle in 1 mol ist,
enthält 1 DE die Zahl NDE = n*NA = 0.4462*10-3 mol * 6.022*1023 (mol)-1 = 2.69*1020 Ozon Moleküle in
einer Schicht der Fläche A = 1 m2 und der Dicke d = 10 mm = 0.01 mm.
Die Ozon-Konzentration in der Stratosphäre ist nicht konstant: sie schwankt zwischen ca. 200 bis 400
DE. Als Folge von anthropogenen Bedingungen ist die Ozonkonzentration jedoch wesentlich kleiner
(Ozonloch!) (s. pp 39 – 42).
2-A-4-1
2 - 26
Referenzen: Kapitel 2
R-2-0
2.2 Zusammensetzung der trockenen Luft in der Troposhäre
R.2.2.1
p. 16: Luft: Zusammensetzung der Luft (Volumen- und Massenanteile)
de-wikipedia.org/wiki/Luft-
R.2.2.2
p. 16: Umrechnung von Volumenprozente in Massenprozente von Luft
a) Atmosphere of Earth - http://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth
b) Gas composition (by volume) - http://en.wikipedia.org/wiki/Gas_composition
c) Luft - www.unternehmensberatung-babel/.de/industriegase-lexikon/...a.../luft/
R.2.2.3
p. 16: Gas composition: http://en.wikipedia.org/wiki/Gas_composition
R.2.2.4
p. 17: Stickstoff: http://de.wikipedia.org/wiki/Stickdtoff
R.2.2.5
p. 17: Nitrogene: http://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogene
R.2.2.6
p. 18: Sauerstoff: http://de.wikipedia-org/wiki/Sauerstoff
R.2.2.7
p. 18: Oxygen: www.en.wikipedia.org/wiki/Oxygen
R.2.2.8
p. 19 : Argon: (in Deutsch): http://de.wikipedia.org/wiki/Argon
Argon: (in Englisch): http://en.wikipedia.org/wiki/Argon
p. 19: Radiogenic nuclide
http://en.wikipedia.org/wiki/Radiogenic: Radioaktiver Zerfall von
R.2.2.9
40K
in
40Ar
R.2.2.10
p. 20 – 21: Die gezeigten Bilder der Moleküle und Atome der Spurengase der trockenen Luft
stammen aus verschiedenen Quellen , u.a. aus Informationen aus dem Internet .
R.2.2.11
p. 22: Ozon - eine besondere Art von Sauerstoff
http://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB126-01.html
R.2.212
p. .23: Ozon: http://de.wikipedia.org/wiki/Ozon
R.2.2.13
p. 23: Mesomere: http://de.wikipedia.org/wiki/Mesomerie
2-A-2-1
Zusammenhang zwischen Volumen und Massenanteilen
Formel zusammengestellt von P. Brüesch
R-2-1
2 – 27
2.3 Die Troposphäre
R.2.3.1
p. 25: Bild der Temperatur in der Troposphäre
von : Google : Troposphäre – Images (Graphik von Elmar Uherek) :
«Untere Atmosphäre (Basis / Vertikaler Aufbau)
http://www..xplora.org/downloads/Knoppix/ESPERE/ESPEREdez05/ESPEREde/www.atmosphere-mpg.de/enid.
R.2.3.2
p. 25: Graph: Temperature variation in the Troposphere, Tropopause and low Stratosphere
Troposphere – Images (Graphik von Elmar Uherek) :
«Untere Atmosphäre (Basis / Vertikaler Aufbau» Figure Text tranlated from German to English by P. Brüesch
http://www..xplora.org/downloads/Knoppix/ESPERE/ESPEREdez05/ESPEREde/www.atmosphere-mpg.de/enid
(Man beachte, dass in der Figur die Höhenskala h nicht linear ist; die Höhen ~20 km und ~ 50 km wurden von P.
Brüesch eingefügt).
R.2.3.3.
pp 25 – 26: Troposphäre : Allgemeine Eigenschaften
http://de,wikipedia.org/wiki/Troposp%C3%A4re
R.2.3.4
p. 26: Troposphäre : Allgemeine Eigenschaften
http.en.wikipedia.org/wiki/Troposphere
Inversionswetterlage
Inversion – Meteorologie
http://www.wissen.de/lexikon/inversion-meteorologie
http://de.wikipedia/wiki/inversionswettetterlage
R.2.3.5
pp 25, 26: Troposphere
a) http://en.wikipedia.org/wiki/Troposphere
b) Why does the temperature of the atmosphere vary ?
http://www.windows2universe.org/kids_space/temp_profole.htm
c) Atmosphere / Troposphere / Stratosphere/…
http://www.wheather-ciminate.org.uk/02.php
R.2.3.6
pp. 27 - 29: Barometrische Höhenformel
http://de.wikipedia.org/wiki/Barometrische_H%C3%B6henformel
[Alle auf den Seiten 27 – 29 angegeben Resultate sind im oben angegebenen Literaturzitat ausführlich
hergeleitet; hier beschränken wir uns auf eine Diskussion der relevanten Formeln]
R-2-2
R.2.3.7
p. 30: Die Internationale Höhenformel – Figur
www.http;//wetterandreae-gynbasium,de/interaktives/DrucK/hoehenformel.htm
R.2.3.8
p. 30: Figuren für die barometrischen Höhenkurven der Troposphäre aus den Formeln von
pp 27 – 29 (Figuren von P. Brüesch)
- grüne Kurve . Barometrische Höhenformel für eine konstante Temperatur von 15 0C, (p, 27, Glg, (1))
- rote Kurve : Barometrische Höhenformel auf der Basis der Gleichung (5b) , p. 29 mit
llinearem Temperaturverlauf T(h) = T(h0) – a*(h - h0) ; T(h0) = 288.15 K (15 0C) , entsprechend
der Internationalen Standardatmosphäre , beschrieben durch die Internationale Höhenformel .
R.2.3.9
p. 31: Mittlere spezifische Wärme von feuchter Luft , von trockener Luft und von Wasserdampf
s. Referenz: http://de.wikipedia.org/wiki/Barometrische_H%C3%B6henformel
R.2.3.10
p. 32: Die Tropopause
a) The height of the tropopause (mit Bild links auf p. 32)
http://www-das_uwyo.edu/.../geerts/cwx/notes/chap01/tropo.html
b) Tropopause: http://www,diplomet.de/Tropopause
c) Definition of the Tropopause in the Free Online Encyclopedia
www.http;//encyclopedia2.thefreedictionary.com/Tropopause
d) Forschungsflugzeug HALO untersucht Atmosphäre über den Wolken (mit Bild rechts auf p. 32)
http://www.uni-heidelberg.depresse/meldungen/2012/m2012097_halo.html
e) Tropopause (auf Deutsch) - www.http://de.wikipedia.org.wiki/Tropopause
f) Tropopause (auf Englisch) - www.http://en.wikipedia.org(wiki/Tropopau
R-2-3
2 - 28
2.4 Die Stratosphäre
R.2.4.1
p. 34: Stratosphäre
aus Wikipedia , der freien Enzyklopedia: http://de.wikipedia.org/wikiStratosph%C3%A4re
R.2.4.2
p. 35: Das Temperaturprofil der Stratosphäre - Für Referenz s. Figur auf p. 1-A-3-1, p. 35
Text aus : Stratosphere – Wikipedia, the free encyclopedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Stratosphere
R.2.4.3
p. 36: Polare Stratosphärenwolken: Polar Stratospheric Clouds - PSC
Figur links: Polare stratosphärisch Wolken (PSC I)
http://www.aushaic.org/the-earth’s-atmosphere
Figur rechts: Polare Stratosphärenwolken: Polar Stratospheric Clouds (PSC II)
http://de.wikipedia.otg/wiki/Polare_Stratosph%C3%A4renwolken
beide Figuren: http://en.wikipedia.org/wiki/Polar_stratosheric_clud
R.2.4.4
p. 37: Die Ozonschicht der Stratosphäre
aus Wikipedia. Der freien Enzyklopedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Ozonschicht
Ozon layer: http://www.nc-climate.ncsu.edu/edu/k12.ozonlayer
httm://en.wikipedia.org/wiki/Ozone-layer
R.2.4.5
p. 38: Ozon in der Troposphäre und Stratosphäre
a) aus Google unter «Atmospheric Ozon» (Bilder)
(Text von Englisch auf Deutsch übersetzt von P. Brüesch)
b) Ozone: From Wikipedia, the free encyclopedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Ozone
R.2.4.6
p 39: Ozon-Konzentration (in DU) : 1979-2011
a) Environmental Change on Earth
http://m.teachastronomy.cpm/astrpedia/article/Environmental.Change-on_Earthb) The Ozone Hole: EPA Bring Primatene Back – Use Some Common Sense
http:// www.theozonehole.com/ozoneholehistory.htm
c) Ozone Hole History: http://www.,theozonehole.com/ozoneholehidzory.htm
d) Umrechnung von DU – Einheit:: http://sacs.aeronomie.be/info/dobson.php
Zur Definition der Dobson- Unit s. p. 2-A-4-1
R-2-4
R.2.4.7
p. 40: Mittlere Fläche des Ozonlochs in der Antarktis – 1979-2011
The Ozone - Hole: http://www.e-education.psu.edu/egee/102/node/1972
R.2.4.8
p. 41: Grösstes antarktisches Ozonloch - Ozonloch-Wikipedia
Bild mit grösstem Ozonloch (2006)
http://de.wikipedia.org/wiki/Ozonloch
de.wikipedia.org/wiki/Ozonloch
http://en.wikipedia.org/wiki/Ozone.depletion
Text und Bilder von 1980 - 2010 ;
The Ozone Hole: http://www.theozonehole.com/ozoneholehistory.htm
R.2.4.9
p. 42: Ozon-Killer und Folgen
Fluorchlorkohlenwasserstoffe
http://de.wikipedia.org.wiki/Fluorchlorkohlenwasserstoffe
http://www.atmosphere.mpg.de/enid/2__Ozonloch/-__PCKW_1mi_html
http://de.wikipedia.org/wiki/Distickstoffmomoxid
FCKW und N2O unter Google : Bilder
Ausgewählte englische Literatur zu Abschnitt 2.4
R.2.4.1.a
p. 34: Properties of the Stratosphere
a) Stratosphere – Wikipedia, the free encyclopedia
http://en,wikipedia.org/wiki/Stratosphere
b) The Stratosphere – Windows to the Universe
http://www.windows2universe.org/earth/Atmosphere/stratosphere.html
c) Stratosphäre - http://de.wikipedia.org/wiki/Stratosph%C3%A4re
R.2.4.3.a
p. 36: Polar Stratospheric Clouds – PSC’s
a) Polar stratospheric cloud - http://en.wikipedia.org/wiki/Polar_stratosheric_cloud
Left-hand Figure: Polar stratospheric cloud of type I - (PSC I)
Right-hand Figure: Polar stratospheric clouds of type II - (PSC II)
b) Polare Stratosphärenwolken - http://de.wikipedia.org/wiki/Polare_Stratosph%C3%A4renwolken
R-2-5
2 - 29
R.2.4.4.a
p. 37: The Ozone Layer in the Stratosphere
a)
b)
c)
R.2.4.5.a
Ozone Layer – Wikipedia, the free enxycloprdia
http://en.wikipedia.org/wiki/Ozone_layer
Ozone Layer / Climate Education Modules for K-12
http://www.nc.climate,ncsu.rdu/edu/k12/.ozonelayer
Ozonschicht - http://www.ping.de/schule/pg-herne/p-wetter/Luft/ozone1.htm
p. 38: Ozone Profils in Troposphere and Stratosphere
a) aus Google unter «Atmospheric Ozon» (Bilder)
(Text von Englisch auf Deutsch übersetzt von P. Brüesch)
b) Ozone - Stratosphärenwolken - http://de.wikipedia.org/wiki/Polare_Stratosph%C3%A4renwolken
From Wikipedia, the free Encyclopedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Ozone
2.5 Die Mesosphäre
R.2.5.1
p. 44: Bild zu Mesosphäre
unter «Bilder zur Mesosphere» - Mesosphere : windows2.org
Für Temperaturen am unteren und oberen Rand der Mesosphäre : s. : p. 35
http://www.atoptics.co.uk/highsky/hmeso.htm
R.2.5.2
p. 45: Charakteristika der Mesosphäre
a) Mesosphäre
http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Mesosph%E4re.html
Zum Text über CO2 in Mesosphäre : (s. p. 45)
b) Mesosphäre
http://de.wikipedia.org/wiki/Mesosph%C3%A4re
R.2.5.3.
p. 45: Mesosphere
http://en.wikipedia.org/wiki(Mesosp
R-2-6
2.6 Die Thermosphäre
R.2.6.1
p. 47: Thermosphäre
a) Text und Darstellung - http://de.wikipedia.org/wiki/Thermosph%C3%A4re
c) Thermosphere - http://en.wikipedia.org/wiki/Thermosphere
d) Thermosphere – overview - http://scied.ucar.edu/shirtcontent/thernosphere-overview
R.2.6.2.
p. 48 Durchschnittlicher Druck und molare Masse der Luft
in Abhängigkeit von der Höhe - http://de.wikipedia.org/wiki/Thermosph%C3%A4re
R.2.6.3
p. 49: Thermosphäre (~ 81 km < h < ~ 600 km): zur Graphik von p. 48
Aufbau der Atmosphäre - Aurora Borealis
http://www.auroraborealis.at/atmosphaere/aufbau
(enthält Text zu Graphik auf p. 48)
R.2.6.4
pp 47 – 49:
a) Thermosphäre
http://www.iwf.oeaw.ac.at/de/forschung/erdloerper/atmosphere/therm
http://universal_lexikon.deacademic.com/192060/Thermosph%C3%A4re
b) Zur Temperatur der Thermosphäre
http://meteo.physik.gymsf.de/ph_atm/stockwerkaufbau/temp_thermo-htm
http://www.uni-protokolle.de/LexikonThermosph%E4re.html
R.2.6.5
p. 50: Die Thermopause
a) http://de.wikipedia.org/wiki/Thermopause
b) http://en.wikipedia-org/wiki(Thermopause
R-2-7
2 - 30
2.7 Exosphäre
R.2.7.1
p. 52: Exosphäre-1: Text - www.http;//de.wikipedia.org/wiki/Exosph%C3%A4re
R.2.7.2
p. 53: Exosohere-2: Hubble – Space - Telescope
http://www.windows2universe.org/earth/Atmosphere/exosphere_temper
2.8 Verschiedenes
R.2.8.3
p. 54: Durchschnittlicher Druck und Dichte in Abhängigkeit der Höhe.
Logarithmische Darstellung für grosse Höhen - Graphik
Referenz R.2.3.4, p. 1 ; Graphik retouchiert und beschriftet von P. Brüesch
R.2.8.4
p. 55: Zur Erdbeschleunigung g(h)
(Berechnung und Figur von P. Brüesch) - man beachte die logarithmische Darstellung der Höhenachse !
s. auch : www.de,wikipedia.org/wiki/Erdbeschleunigungung
www.http://wikipedia.org/wiki/Gravity_of>_Earth
Anhang
2-A-2-1
2-A-2-2
Umrechnung von Volumenanteilen auf Massenanteilen (P. Brüesch)
s. auch : Allgemeine Chemie: http://www.mathematik-forum.de/forum/showthread.php?t=98546
Skalenhöhe: Zur effektiven Höhe der Atmosphäre nach Kompression auf 1 atm Luftdruck bei 00C
.
a)
b)
2-A-4-1
Skalenhöhe: http://de.wikipedia.org/wiki/Skalenhöhe%C3%B6he - Figur und Text von P. Brüesch
Scale height - http://en.wikipedia.org/wiki/Scale_height
Die Dopson – Einheit (The Dobson Unit)
a)
bI
c)
d)
e)
Dobson Unit: http://wikipedia.org/wiki/Dobson_unit
The Ozone Hole - http://www.theozonehole.com/dobsonunit.htm
What is the Dobson Unit (DU) ? - http://sacs.aerononie.be/info/dobson.php
Definition der Dobson-Einheit - http://www.atm.ch.cam.ac.uk)tour/tour_de/dobson.html
Dobson-Einheit - Typische Grössenordnungen - http://de.wilipedia.org/wiki/Dobson-Einheit
R-2-8
2 - 31
3. Das Wetter unseres
Planeten
56
3–0
3.1 Wetter : Allgemein
56
57
Luft :
Wind
Das Wetter
Der blaue Himmel
Gewitter
Luftfeuchtigkeit
Sturm
58
3–1
Das Wetter: Meteorologie – Motor - Verlauf
Als Wetter bezeichnet man den spürbaren, kurzfristigen Zustand der Atmosphäre,
d.h. den messbaren Zustand der Troposphäre, an einem bestimmten Ort der
Erdoberfläche. Solche Zustände sind unter anderem Sonnenschein, Bewölkung,
Regen, Wind, Sturm, Hitze oder Kälte.
Die Meteorologie klassifiziert das örtliche Wetter einer bestimmten Zeit anhand der
verschiedenen Phänomene in der Troposphäre (Abschnitt 2.3).
Im strengen physikalischen Sinn ist das Wetter
ein bestimmter Zustand an einem bestimmten
Ort auf der Erdoberfläche, der die Grössen
Gasdruck, Gasdichte und Gasgemisch vollständig bestimmen .
Der primäre Motor des Wetters ist die Energieeinstrahlung der Sonne einerseits und die
Abstrahlung von der Erde (im sichtbaren und
infraroten Bereich) zu den Wolken bzw. in den
Weltraum andererseits.
Für den Verlauf des Wetters sind dagegen die
Strömungsverhältnisse in der Atmosphäre entscheidend. Diese hängen von der wechselnden
Luftfeuchtigkeit und den globalen Windsystemen ab, ferner vom regionalen Albedo (Rückstrahlvermögen) der Erdoberfläche und andern
lokalen Einflüssen.
56
59
«Aprilwetter»: steht für launisches,
wechselhaftes Wetter mit rascher
Abfolge von Sonne, Wolken und
Schauern.
Das Wetter: Eigenschaften , Erscheinungen und Grundgrössen
Lufttemperatur
•
•
zeitlicher Verlauf
vertikaler Gradient
Sichtweite
•
•
Das
Wetter
Flugzeuge , Schiffe
vertikal, horizontal
• Dunst, Nebel
Atmosphärische Dynamik,
Energiebilanz
•
Turbulenzen , etc.
56
60
3–2
Luftdruck
•
Hoch- und Tiefdruckgebiete
Die Farbe des Himmels am Tag
Durchdringt das Sonnenlicht die Atmosphäre,
wird ein Teil des Lichtes gestreut und erhellt so
den Himmel. Ohne diese Streuung bzw. ohne
Atmosphäre wäre der Himmel fast – wie im
Weltraum – schwarz. Zu dieser diffusen Strahlung
trägt wesentlich die Streuung durch die
Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle in der
Atmosphäre bei. Eine Ursache, speziell bei
Dämmerung sichtbar, ist das Absorptionsverhalten der Ozonschicht der Stratosphäre.
Tagsüber erhält der Himmel seine blaue Färbung infolge der Streuung des
Sonnenlichtes an den Molekülen der Erdatmosphäre. Das sichtbare Licht besteht
bekanntlich aus allen möglichen Wellenlängen l zwischen ca. 400 nm (blau) und 700
nm (rot) (s. Anhang 3-A-1-1). Hierbei wird das kurzwellige blaue Licht viel stärker
gestreut als das langwellige rote Licht. Es ist die sog. Rayleigh-Streuung die erklärt,
warum der Himmel am Tag blau ist. Für das Verhältnis der Wirkungsquerschnitte s ,
welche ein Mass für die Streuintensitäten sind, folgt für lblau = 450 nm , lrot = 650
nm und die Brechungsindizes der Luft, nblau = 1.000275319 und nrot = 1.000270901 :
)2
= (λrot│λblau) 4
≈ 4.5
Für die Wellenlängen lblau = 390 nm und lrot = 780 nm ergäbe sich sogar ein
Streuverhältnis von ca. 16. Das blaue Licht wird also viel stärker gestreut als das
rote Licht und deshalb erscheint der Himmel blau.
61
Die Farben des Himmels am Morgen und am Abend
Am Morgen und am Abend legen die Sonnenstrahlen wegen des flachen
Einstrahlwinkels eine wesentlich längere Strecke durch die Atmosphäre zurück als
während des Tages. Dabei wird das blaue Licht durch Streuung an den
Stickstoff-, Sauerstoff- und Wassermolekülen viel stärker abgeschwächt als das
rote Licht. Daher kommt zu den Dämmerungszeiten am Morgen und am Abend
viel mehr Rot am Erdboden an als Blau. Sowohl der blaue Himmel am Tag (p. 61)
als auch das Morgenrot und Abendrot des wolkenlosen Himmels sind durch die
Rayleigh-Streuung erklärbar (Farben des Sonnenlichtes s. p. 3-A-1-1).
Sonnenaufgang
Sonnenuntergang
bei wolkenlosem Himmel
62
3–3
3.2 Wetter in der Troposphäre
6356
Die feuchte Troposphäre: Wasserdampf
Die Figur zeigt einen Ausschnitt der Troposphäre (ein Luftpaket = Air parcel) mit den
wichtigsten Molekülen: Stickstoff (Nitrogen N2: grüne Kugeln), Sauerstoff (Oxygen O2:
rote Kugeln) und Wassermoleküle (Water molecules H2O: rot – weisse Kugeln). Im
Unterschied zu andern Formen des Wassers ist Wasserdampf unsichtbar. Unter
typischen atmosphärischen Bedingungen wird Wasserdampf durch Verdampfung
kontinuierlich erzeugt und durch Kondensation kontinuierlich entfernt, sodass in der
Luft eine Gleichgewichts - Konzentration entsteht, die von der Temperatur der
Wasserquellen (Flüsse, Seen und Meere) abhängig ist. [Über Wasserdampf: s. auch
P. Brüesch, in Ref. R.0.4, (pp 28 – 30)].
64
3–4
Absolute und relative Luftfeuchtigkeit, Sättigungskonzentration
Beispiel: bei 50 0C erhält man
aus der Figur oder genauer aus
einer Tabelle:
fabs(500C) = 0.04139 kg / m3
fmax(500C) = 0.08278 kg / m3
frel = fabs / fmax = 50 %
Die obige Figur zeigt die absolute Luftfeuchtigkeit fabs als Funktion der Temperatur. Es ist die in einem bestimmten Volumen V enthaltene Wasserdampfmasse mW , d.h. fabs = mW / V.
Die maximale Luftfeuchtigkeit fmax ist die bei einer bestimmten Temperatur
maximal mögliche absolute Luftfeuchtigkeit, d.h. fmax = mW , max / V . Sie wird
erreicht , wenn der Wasserdampfpartialdruck in der Luft so gross wie der Sätti –
gungsdampfdruck des Wassers bei der entsprechenden Temperatur ist .
Die relative Luftfeuchtigkeit ist das Verhältnis der tatsächlich enthaltenen zur
maximal möglichen Masse an Wasserdampf in der Luft, oder anders
ausgedrückt, das Verhältnis zwischen der absoluten Luftfeuchte und der maximalen Luftfeuchte bei einer gegebenen Temperatur; frel = fabs / fmax .
Die Schwankung des Wasserdampfs in der Luft ist sehr stark, nämlich zwischen 0
bis 4 Volumenprozent.
65
Taupunkt (TP) – Relative Luftfeuchtigkeit (RL) – Lufttemperatur (T) - 1
Der Taupunkt ist die Temperatur, auf welche
feuchte Luft abgekühlt werden muss,
sodass sie vollständig mit Wasserdampf
gesättigt wird. Wenn die Luft auf den
Taupunkt abgekühlt wird, dann entsteht
Kondensation zu flüssigem Wasser.
.
Wenn sich die Lufttemperatur T auf TP
abkühlt, dann beginnt die Kondensation
des Dampfes zu flüssigem Wasser (Tau,
Nebel oder Wolken). TP ist immer kleiner
oder gleich der Lufttemperatur T: TP ≤ T.
Die nebenstehende Figur zeigt den Taupunkt TP als Funktion der Lufttemperatur
T für verschiedene relative Luftfeuchtigkeiten RL: TP= f(T,RL).
Taupunkt TP (0C)
Für RL > 50% existiert eine einfache lineare Approximation:
TP = T – (100 – RL) / 5
Beispiel 1: RL = 60%, T = 250C
 TP = 25 – (100 – 60) / 5 = 170C
(s. Punkt auf blauer Linie)
Beispiel 2: RL = 70% , T = 35 0C
 TP = 35 – (100 – 70) / 5 = 29 0C
(s. Punkt auf dunkelrosa Linie)
Luft – Temperatur T
(0C)
Für RL < 50% ist die Gleichung für TP =
f(T,RL) wesentlich komplizierter (s. p. 67).
66
3–5
Taupunkt (TP) – Relative Luftfeuchtigkeit (RL) – Temperatur (T) - 2
Eine gute Approximation zur Berechnung von TP (in oC) als Funktion von RL (in
%) und T (in oC) ist durch die sog . August – Roche – Magnus Beziehung
gegeben:
TP =
mit ɣ(T , RL) = ln(RL / 100) +
mit a = 17.271
und
b = 237.7 oC .
Diese Formel gilt für 0 oC < T < 60 oC, 1 % < RL < 100 % und 0 oC < TP < 50 oC
Beispiele:
1. RL = 100 %  TP = T; 2. RL = 30 % , T = 35 oC  TP = 14.81 oC;
3a) RL = 50 %, T = 10 oC  TP = 0 oC;
3b) RL = 50 %, T = 25 oC  TP = 13.84 oC;
4. RL 70 %, T = 30 oC  TP = 23.9 oC .
Ein Vergleich dieser Werte für TP zeigt, dass die Resultate gut mit den Werten
der Figur auf p. 66 übereinstimmen.
Für RL > 50 % existiert auch eine sehr einfache lineare Näherung zwischen TP ,
RL und der Trockentemperatur T, welche auf ca. 1 % genau ist , nämlich
TP ≈ T - f * (100 – RL)
mit
f ≈ 0. 2 oC
Beispiel: RL = 70 %, T = 30 oC  TP = 24 oC.
67
3–6
3.3
Die Welt der Wolken
68
Bildung von Wolken
Warme und feuchte Luft ist leichter als die sie umgebende Luft und steigt
deshalb in die Höhe. Während des Aufsteigens kühlt sie sich ab, sodass der
(molekulare) Dampf zu mikroskopisch kleinen Wassertröpfchen kondensiert: Es
entsteht eine Wolke.
69
3–7
Tröpfchen und Kristallite in Wolken
sehr
kleiner
Schnee kristall
unterkühlter
kleiner Wassertropfen (oft bis ca.
- 12 oC (!)
•
•
•
• •
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•• • • •• •
•
•
•
•
•• •
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Luft mit Wasser dampf und Kondensationskeimen
(durchsichtig !)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
• •
• •
•
• • • • • ••
• •
Aerosol Keim
•
Wasser Tropfen
Schönwetter - Wolke : Ansammlung von Wassertröpfchen mit Durchmessern
im Bereich zwischen 1 bis 15 mm (1 mm = 0.000’001 m). Tröpfchen bilden sich
oft an Kondensationskeimen (Aerosole). (Man beachte, dass die Tröpfchen
viel zu gross gezeichnet sind !)
Regenwolken: Tröpfchen - Durchmesser bis zu 2 mm  Ausregnung
70
Cumulus - Wolke
Cumulus - Wolke mit Amboss (Amboss Wolke): besteht aus
sehr kleinen Wassertröpfchen.
71
3–8
Weshalb Wolken nicht vom Himmel fallen
Ein Wassertröpfchen in einer Wolke hat einen typischen Durchmesser von 10 mm und eine kleine Fallgeschwindigkeit von
einigen cm / s (einige 100 m / h).
Diesen kleinen Fallgeschwindigkeiten wirken die Aufwinde entgegen,
sodass die Tropfen schweben oder sich sogar nach oben bewegen.
Vergleiche Kapitel 5, pp 230, 231 für Sinkgeschwindigkeiten von Staubteilchen
mit Durchmessern von 100 mm und 1 mm.
72
Farben von Wolken : weiss
Diese Wolke enhält sehr kleine und dicht gepackte Wassertröpfchen, sodass das
Sonnenlicht nicht tief eindringen kann, bevor es reflektiert wird. Im reflektierten
Licht sind alle Farben vorhanden; die Mischung dieser Farben erzeugt die
charakteristische weisse Farbe.
Die Streuung des sichtbaren Lichtes an Teilchen, deren Durchmesser D vergleichbar oder grösser als die Wellenlänge l ist nennt man Mie – Streuung. In
diesem Fall werden alle im Licht enthaltenen Farben mit praktisch gleicher
Intensität gestreut, sodass das gestreute Licht weiss erscheint. Dies ist bei der
Streuung des Sonnenlichts an Wassertröpfchen der Fall (l ≈ 0.38 – 0.78 mm; D ≈
1 – 15 mm, s. Anhang 3-A-3-1 und p. 70).
73
3–9
Farben von Wolken: blau - weiss
Das Sonnenlicht enthält ver schiedene Farben (rot - grüngelb - blau, ...), die zusammen
weiss ergeben.
Die Farbe der Wolke wird durch
die Streuung dieses LIchtes an den
Wassertröpfchen erzeugt. Unser
Auge sieht das gestreute (und
reflektierte) Licht. Dieses hängt von
verschiedenen Faktoren ab, z. B.
von der Tröpfchengrösse , dem
Blickwinkel, der Distanz und dem
Dunst zwischen Wolke und
Beobachter .
74
Farben von Wolken: weiss - grau - dunkelgrau
Wenn sich viele kleine Tröpfchen zu grossen Regentropfen vereinigen, dann
werden die Zwischenräume zwischen den Tropfen grösser. Das Licht kann dann
viel tiefer in die Wolke eindringen und wird z.T. reflektiert und z.T. absorbiert.
Dieser Reflexions - Absorptions - Prozess erzeugt einen Bereich von
Wolkenfarben, der sich von weiss zu grau bis zu schwarz erstreckt.
75
3 – 10
Wolken bei Sonnenaufgang: dunkel-rot - orange-rosa
Solche Wolken erscheinen fast immer beim Sonnenaufgang oder
Sonnenniedergang und ihre Farbe ist das Resultat der Streuung des
Sonnenlichtes an der Atmosphäre, welche das kurzwellige blaue Licht
am stärksten streut. Die Wolken reflektieren dann das restliche Licht,
welches vor allem aus dem langwelligen roten Licht besteht .
76
Struktur und Ladungsverteilung in Gewitterwolken
• positives Ladungsgebiet ,
das sich bis in den
Amboss hinein erstrecken
kann.
• negatives Ladungsgebiet
im unteren Teil der Wolke.
• kleines positives Gebiet
nahe der Wolkenbasis, das
durch Niederschlag entsteht.
Der genaue Mechanismus der Ladungsbildung und der Ladungs trennung ist bis heute noch nicht vollständig geklärt.
(Für weitere Informationen s. auch Kapitel 8, Abschnitt 8.1)
77
3 – 11
Sehr Bedrohliche Gewitterwolke
78
3 - 12
3.4
Der Wind
79
Der Wind - Allgemein
Der Normaldruck der Luft beträgt 1013 hPa (oder 1031 mbar). Gebiete mit einem Luftdruck
über diesem Wert sind Hochdruckgebiete, jene darunter sind Tiefdruckgebiete. Der Wind
ist eine Druckausgleichs-Strömung zwischen Hoch – und Tiefdruckgebieten.
Diese
Strömung hält solange an bis der Druckunterschied ausgeglichen ist. Es handelt sich
beim Wind deshalb um einen Massenstrom, welcher nach dem zweiten Hauptsatz der
Thermodynamik eine Gleichverteilung der Teilchen im Raum und damit eine maximale
Entropie anstrebt. Die zugehörige Kraft bezeichnet man als den Druckgradienten. Je
grösser der Unterschied zwischen dem Luftdruck ist, umso heftiger strömen die
Luftmassen in das Gebiet mit dem niedrigeren Luftdruck und umso stärker ist der aus der
Luftbewegung resultierende Wind.
Die Windrichtung, meist in Form einer Hauptwindrichtung angegeben, wird durch die
Lage von Tiefdruckgebiet und Hochdruckgebiet bestimmt. Dabei wird sie aber durch die
sog. Corioliskraft (pp 83-86) in ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt: In der Nordhalbkugel
wird sie nach rechts, in der Südhalbkugel nach links abgelenkt. Unterhalb der freien
Atmosphäre, d. h. in Bodennähe, wird der Wind zusätzlich durch Reibung beeinflusst und
kann auch durch morphologische Strukturen wie Berge, Täler und Canyons variieren
(Beispiele: Föhn bzw. Fallwind, Aufwind, Tal-Wind, Berg-Wind). Bei rotierenden Systemen
wie Wirbelstürmen spielt zusätzlich die Zentrifugalkraft eine entscheidende Rolle.
Windstärken in der Beaufortskala: In der Einheit von Beaufort (Bft) unterscheidet man
zwischen Brise (zwischen 2 und 5 Bft), starker, steifer und stürmischer Wind zwischen 6
und 8 Bfr, bei Windstärken grösser als 9 Bft spricht man von einem Sturm, bei einer
Windstärke von 12 Bft spricht man von einem Orkan). Der Zusammenhang zwischen der
Windgeschwindigkeit v und der Beaufort-Starke B wird im Anhang 3-A-4-1 diskutiert.
80
3 – 13
Berg – Tal Windsysteme
In den frühen Morgenstunden werden
zuerst die Talhänge und Gipfel erwärmt.
In den Tälern sammelt sich die schwere
und dadurch absinkende Kaltluft. Da
über den Gipfeln Wärme abgestrahlt
wird, bilden sich hier Tiefdruckgebiete.
Die schwere Kaltluft in den Tälern
erzeugt einen hohen Luftdruck. Es weht
also ein Wind vom Tal zum Berg – ein
Tal-Wind.
Im Laufe des Tages werden auch die
Täler erwärmt. Doch beim Einbruch
der Nacht kühlen die Gipfel schnell
ab. Es bilden sich daher auf den
Bergen Hochdruckgebiete – es weht
ein Wind vom Berg zum Tal, ein
Berg-Wind.
81
Luft – Zirkulation Land
600
700
600
800
700
800
900
900
Meer bei Tag und bei Nacht
3000 m
2000 m
1500 m
1000 m
0m
H: Hochdruck; T: Tiefdruck
3000 m
600
600
800
700
700
800
900
800
2000 m
1500 m
1000 m
900
0m
82
3 – 14
Meer – Land Windsystem am Tag
Bei Sonneneinstrahlung steigt die Temperatur der Landoberfläche stärker als jene des
Wassers (grössere spezifische Wärme des
Wassers). Die rote Linie zeigt über Land in
der gleichen Höhe von 1500 m einen Druck
von 800 hPa gegenüber 700 hPa über dem
Meer  Höhenwind vom Land zum Meer
 relativ tiefer Luftdruck an Landoberfläche
 über Meeresoberfläche hoher Luftdruck
relativ zur Landoberfläche  Ausgleichsströme sorgen für den Seewind (See  Land)
Land - Meer Windsystem bei Nacht
Das Land kühlt sich schneller ab als
das Meer (Effekt der Wärmekapazität).
Durch diesen Temperaturwechsel wird
die Zirkulationsrichtung umgekehrt: die
Luft bewegt sich jetzt im Uhrzeigersinn
vom Land zum Wasser. Der Druck über
dem Wasser ist jetzt kleiner als jener
über dem Land, was eine Landbrise
erzeugt.
Passatwinde
Die Passatwinde verlaufen nicht
direkt von den Wendekreisen zum
Aequator, sondern ihre Bahnen
werden durch die Coriolis – Kraft
abgelenkt. Dabei werden NordostPassat und Südost-Passat in entgegegestzten Richtungen abgelenkt (s.
pp 84 und 85).
Die Richtung, aus dem ein Wind weht, verleiht ihm den Namen :
Nordost–Passat (oben): nordöstlicher Winde; Südost–Passat (unten): südöstliche Winde
ITCZ: «International Convergence Zone» = Zone um den Aequator, wo sehr starke Konvektion stattfindet. Grund für diese Konvektion ist die starke Erwärmung durch die Sonne.
ITCZ wird begrenzt durch die Passatwind-Zonen der beiden Hemisphären. In der ITCZ
fallen täglich ergiebige Niederschläge.
83
Coriolis – Beschleunigung aC (m / s2)
Zur Coriolis – Kraft durch Erdrotation
0.00030
PDF
0.00025
0.00020
CF
0.00015
0.00010
PDF
0.00005
0.00000
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Breitengrad
Die Stärke der Corioliskraft hängt von der Geschwindigkeit
und dem Breitengrad ab. Am Aequator ist die Coriolisktaft
Null und ihre Stärke nimmt zu wenn man sich den Polen
nähert. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit v nimmt die
Corioliskraft ebenfalls zu und damit nimmt auch die
Ablenkung des Windes von der Richtung des Druckgradienten zu. v = Winkelgeschwindigkeit der Erdrotation.
FC = m*aC , m = Luftmasse , aC = Coriolis-Beschleunigung
aC = 2 (v x v)
(s. p, 85)
84
3 – 15
Luft, welche sowohl unter dem Einfluss
des Druckgradienten als auch der
Corioliskraft steht, bewegt sich bei kleiner Reibung im Endzustand parallel zu
den Isobaren (Geostrophic Wind). Die
obige Figur zeigt die Bahn des Windes in
der nördlichen Hemisphäre. In der südlichen Halbkugel ist die Ablenkung in der
entgegengesetzten Richtung. Wenn die
Kraft des Druckgradienten und die Corioliskraft entgegengesetzt und gleich sind,
bewegt sich die Luft parallel zu den Isobaren. Es bedeuten ;
PDF = Pressure Gradient Force
CF = Coriolis Force
Windströmung von Hochdruck zu Tiefdruck - Coriolis Kraft
Gäbe es keine Erdrotation, so würden die Winde einfach ihrem Druckgradienten vom Hochdruckgebiet H zum Tiefdruckgebiet T folgen . Wegen der Erdrotation wird diese Windrichtung
durch die Corioliskraft abgelenkt . Die Corioliskraft FC , welche auf die Masse m eines Luftpaketes wirkt , ist proportional zur Geschwindigkeit
des Luftpaketes , und zur Winkelgeschwindigkeit w des Systems, hier die Rotation der Erde um ihre Nord – Süd Achse:
FC = 2 m (v x w) .
v x w ist das Vektorprodukt von v und w , d.h. FC steht senkrecht auf v und auf w .
Betrag von v x w = v * w * sin(f) ; f = Winkel zwischen v und w .
Strömungsrichtungen der
Luft zwischen Hoch (H) Tiefdruckgebiet (T)
Die Zahlen geben den Luftdruck in hPa an ;
1 hPa 100 Pa
1 Pa = 1 Pascal = 1 N/m2
1013.25 hPa = 1 atm
H
T
Isobaren sind Linien
gleichen Druckes
Da die Windrichtungen v auf der Nord- und Südhalbkugel entgegengesetzt sind (s. p. 83),
sind auch die Strömungsrichtungen entgegengesetzt.
85
Einfluss der Corioliskraft auf Flüsse
Alle Bewegungen auf unserem Globus sind der Coriolis – Kraft ausgesetzt.
So unterspülen Flüsse auf der Nordhalbkugel mehr das rechte und auf
der Südhalbkugel mehr das linke Ufer.
Auch Geschosse und Winde folgen dieser Kraft.
86
3 – 16
3.5 Niederschläge und
extreme Wetterverhältnisse
87
Form eines Regentropfens in einem Windkanal
Nur sehr kleine Regentropfen, deren
Durchmesser kleiner als D ≈ 140 mm betragen,
sind wegen der grossen Oberflächenspannung
des Wassers perfekt kugelförmige. Grössere
Tropfen sind dagegen abgeflacht.
Wind - Kanal
Luft - Strömung
Wenn grössere Regentropfen zu fallen
beginnen, dann sind sie zuerst ebenfalls
kugelförmig. Aber dann verändert sich ihre
Form in kurzer Zeit in eine «Hamburger –
ähnliche» Form: eine flache Grundbasis und
eine abgerundete obere Fläche (s. neben stehende Figur). Diese Verformung wird durch
die relative Bewegung gegen die Luft
verursacht, welche zu einer Abflachung der
unteren Fläche des Tropfens führt .
Diese “Pfannkuchen” - artige Form wird bei
den einzelnen Tropfen eines gleichmässig
fallenden Regens beobachtet. In einem Regen
existieren Tropfen mit einer ganzen Verteilung
von Tropfendurchmessern.
Fallgeschwindigkeiten :
Simulation eines fallenden
Regentropfens
d = 0.5 mm:
7 km / h; d = 1 mm: 14 km / h
d = 3 mm: 29 km / h ; d = 8 mm: 43 km / h
88
3 – 17
Formen von vertikal fallenden Wassertropfen
verschiedener Grössen
D
Die weissen Pfeile geben die
Luftströmung um den fallenden
Tropfen an.
Formen von fallenden Wassertropfen
verschiedener Grössen (D in mm)
89
Bergeron – Findeisen: Bildung und Morphologie von Schneeflocken
abdampfendes
Wassermolekül
unterkühlter
Wassertropfen
Bildung eines
Schneekristalls
Bild links: Schneekristalle entstehen, wenn Wasserdampf - Moleküle von unterkühlten
Wassertropfen direkt zu Eis kondensieren was zu einem Wachstum der Eiskristalle führt.
Bild rechts: Die hexagonale Symmetrie eines Schneekristalls entsteht letztlich durch die
hexagonale Symmetrie von Eis Ih , welche ihrerseits durch die hexagonale Symmetrie von
H2O – Clustern entsteht (Ref. R.0.4: pp 41, 50). Für die Form der Schneeflocken sind mehrere
Faktoren verantwortlich, wie z.B. Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Luftströmungen.
Die „Water saturation“ – Kurve entspricht der Differenz zwischen den Sättigungsdampfdrucken von unterkühlten Wassertröpfchen und Schneekristallen (Ref. R.0.4: Anhang 4-A-3-1).
90
3 – 18
Die Faszination von Schneeflocken
Schneeflocken besitzen immer eine sechseckige (hexagonale) Form;
diese ist schon in der hexagonalen Kristall - Struktur vorgeprägt.
Jede Schneeflocke besteht aus einer grossen Zahl von kleinen
Schneekristallen, die sich beim Fallen in der Luft zu Flocken verbinden.
Nach Bentley (1880), der während 40 Winter tausende von
Schneeflocken sammelte und studierte, waren alle in ihrer
detaillierten Form verschieden !!
91
Alle Schneeflocken besitzen hexagonale Symmetrie
Alle Schneeflocken haben hexagonale Symmetrie, aber im
Detail sind alle Flocken voneinander verschieden !
92
3 – 19
Hagel
Entstehung: Hagelkörner entstehen in den inneren Schichten einer
Gewitterzelle durch unterkühltes Wasser, das an Kristallisationskernen zu Eis gefriert.
Kreislauf der Eiskörner: Zunächst werden sie durch den Aufwind
angehoben, fallen dann wieder in tiefere Luftschichten, nehmen
weiteres Wasser auf, werden wieder nach oben gerissen, und
zusätzliches Wasser gefriert an.
Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis ein Hagelkorn zu
schwer wird, um von den Aufwinden getragen zu werden.
Fallgeschwindigkeit : normalerweise betragen die Durchmesser D ca .
0.6 bis 3 cm. Bei D = 3 cm beträgt die Fallgeschwindigkeit ca. 90 km /h !
aber : Durchmesser bis zu 10 cm mit Gewichten von über ein Kilogramm und Fallgeschwindigkeiten von über 150 km / h wurden
beobachtet !!
93
Hagelkörner nach einem Hagelsturm
Nach einem Hagelsturm
Bild eines der grössten
Hagelkörner: ca. 10 cm,
Masse: 154 g,
(von M. Schletter)
Als Grössenvergleich eine 9
Volt Batterie
[Gut ist die igelartige Struktur zu
erkennen, die auf das Anfrieren
von kleineren Körnern an ein
grösseres hindeutet.
Grösstes Hagelkorn:
Nebraska (USA, 2003) :
Durchmesser 17.8 cm !
94
3 – 20
Querschnitt durch ein Hagelkorn
Die Ringe zeugen von den verschiedenen Anlagerungen während
der komplizierten vertikalen Bewegung des Korns in der Luft.
95
7 Tote und 67 Verletzte bei Blitzeinschlag in Südafrika
Ein Blitz ist in der Natur eine Funkenentladung oder ein kurzzeitger Lichtbogen zwischen Wolken oder
zwischen Wolken und der Erde. In aller Regel tritt ein Blitz während eines Gewitters infolge einer
elektrostatischen Aufladung der wolkenbildenden Wassertröpfchen oder Regentropfen auf. Er wird dabei von Donner begleitet und gehört zu den Elektrometeoren. Dabei werden elektrische Ladungen
(Elektronen oder Gas-Ionen) ausgetauscht, d.h. es fliessen elektrische Ströme. Blitze können auch, je
nach Polarität der elektrostatischen Aufladung, von der Erde ausgehen.
Eine ausführliche Diskussion der Entstehung , Eigenschaften und Gefahren von Blitzen ist in Kapitel 8,
(Abschnitt 8.1, pp 335 – 348) enthalten.
Elektrische Spannungen:
Elektrische Ströme:
Max. Lufttemperaturen:
Lokaler Luftdruck:
Explosion der Luft:
einige 100 Millionen Volt !
mehrere 100’000 Ampère !
bis 30’000 oC !
bis 100 Atmosphären !
Donner !
96
3 – 21
Tornado
Tornado, 1949 1n
Kansas (USA)
Ein Tornado, auch Grosstrombe, Wind- oder Wasserhose, in den USA auch
umgangssprachlich Twister genannt, ist ein kleinräumiger Luftwirbel in der
Erdatmosphäre, der eine annähernd senkrechte Drehachse aufweist und im
Zusammenhang mit konvektiver Bewölkung (Cumulus und Cumulonimbus) steht.
Der Wirbel erstreckt sich hierbei durchgehend vom Boden bis zur Wolkenuntergrenze .
97
Hurrikan Isaac
•
•
•
•
Entstehung:
21. August 2012
Auflösung:
1. September 2012
Spitzenwind130 km/h:
geschwindikeit: (eine Minute anhaltend)
Niedrigster
Luftdruck:
968 mbar
•
Opfer:
•
•
Schäden:
Betroffene
Gebiete:
Isaac am 28. 8. 2012 vor der Küste Louisianas
41 Tote direkt,
3 indirekt
2 Milliarden US $
u.a.: Kuba, Jamaika
Bahamas, Florida,
Alabama, Missisippi,
Louisiane, Texas …
Als Hurrikan wird ein tropischer Wirbelsturm bezeichnet, wenn er mindestens
Orkanstärke erreicht, also Windstärke 12 auf der Beaufortskala; das entspricht mehr als 118 km/h. Ein Hurrikan entwickelt sich über warmen
tropischen Meeren. Hurrikane entstehen in der Regel zwischen Mai und
Dezember, die meisten davon zwischen Juli und September.
Das Wort Hurrikan ist aus dem Begriff «Huracan» entstanden,
Taino- und Maya-Sprachen den «Gott des Windes» bezeichnet.
98
3 – 22
der in den
Hurrikan Sandy - 2012
Zugbahn des Hurrikan
(von unten nach oben)
Kanada 
 Ostküste USA
 Bahamas 
 Kuba 
 Jamaika 
 Dominikanische Republik 
 Haiti
•
Entstehung :
19. Oktober 2012
•
Auflösung :
29. Oktober 2012
•
Spitzenwindgeschwindigkeit : 185 km/h
•
Niedrigster
Luftdruck :
940 mbar (hPa)
•
Opfer :
209 direkt
•
Schäden :
99
3 - 23
52.4 Milliarden US$
3.6 Nutzung der
Wind – Energie
100
Wind – Energie: Allgemeine Bemerkungen
Bei der Windenergie handelt es sich um die kinetische Energie der bewegten Luftmasse
der Atmosphäre. Da sie kurzfristig durch die Einwirkung der Sonne nachgeliefert wird,
zählt sie zu den erneuerbaren Energien.
Die Windenergienutzung mittels Windmühlen – heute zur Stromerzeugung mit Windkraftwerkanlagen - ist eine seit dem Altertum bekannte Möglichkeit um Energie aus der
Umwelt für technische Zwecke verfügbar zu machen. Die Windmühle ist ein technisches Bauwerk das mit Hilfe seiner vom Wind in Drehung versetzten Flügel Arbeit
verrichtet.
Windmühlen waren lange neben den an Standorten mit nutzbarer Wasserkraft anzutreffenden Wassermühlen die einzige Kraftmaschine der Menschheit. Entsprechend
vielfältig war ihre Verwendung als Mahlmühle, als Oelmühle (zur Herstellung von
Pflanzenöl aus Oelsaaten und - früchten), zur Verarbeitung von Werkstoffen (etwa als
Sägewerk) und als Pump- oder Schöpfwerk.
Neben der Produktion von mechanischer Leistung ist heute die elektrische Leistung P
von grosser Bedeutung. Es gilt: Kinetische Energie Ekin = (1/2) dm u2 mit u = ds/dt. Die
Leistung ist P = dEkin/dt = (1/2) (dm/dt) u2 = (1/2) (dm/ds) (ds/dt) u2 = (1/2) (dm/ds) u3. Ist
dV = A ds das Volumenelement des Windpacketes, r seine Dichte und dm seine Masse,
dann folgt dm = r dV = r A ds und dm/ds = r A . Setzt man dm/dt in P ein und rechnet
man mit einem Wirkungsgrad k < 1, dann folgt:
P = k* (1/2)*r*A*u3 .
Die Leistung ist also proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit u. Ein
realistisches Beispiel für den Wirkungsgrad ist k ≈ 0.4.
101
3 – 24
Wind - Energie : Windmühle
Die Britzer Windmühle wurde 1865
erbaut und ist heute noch ein voll
funktionstüchtiges technisches Denkmal.
Es handelt sich um eine zwölfkantige
sechs – geschossige Holländerwindmühle
aus Holz mit Galerie.
Die Mühle wurde als Getreidemühle benutzt. Das Mahlwerk besteht aus zwei
Mühlsteinen.
Britzer – Windmühle in Berlin
102
Wind – Energie zur Stromerzeugung: Anlage in Dänemark
Die erzielbare elektrische Leistung nimmt mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit u
zu (s. p. 101). 2009 ermittelten Forscher der Harvard-Universität unter konservativen
Annahmen das globale Windenergiepotential und kamen zum Ergebnis, dass es den
Weltenergiebedarf weit übersteigt: den damaligen Bedarf an elektrischer Energie um
das 40-fache, den Gesamtenergiebedarf um das 5-fache.
Aufgrund der Unstetigkeit des Windes kann die mit Windenergieanlagen gewonnene
elektrische Energie nur im Verbund mit anderen Energiequellen oder mit Speichern, z.B.
via Windgas für eine kontinuierliche Energiebereitstellung genutzt werden. (Aus der
durch Windenergie erzeugten elektrischen Stromes wird Erdgas (~ CH4O) gemacht).
103
3 – 25
Wind - Energie: weltweit installierte Leistung
Die installierte Leistung ist die maximale elektrische Leistung einer Anlage, in diesem
Fall aller weltweit erbauten Wind-Energie Anlagen. Es handelt sich um die Nennleistung,
also die maximal mögliche Leistung, und nicht um die tatsächlich erbrachte Leistung.
[1 GW = 1 Gigawatt = 1000 MW = 1000 Megawatt = 1000 Millionen Watt = 109 Watt] .
104
Der Windkanal
Ein Windkanal dient dazu, die aerodynamischen und aeroakustischen
Eigenschaften von Objekten zu untersuchen und zu vermessen. Am
bekanntesten sind wohl die Windkanaluntersuchungen von Autos und
Flugzeugen (s. Kapitel 4) Bei Autos ist man bestrebt, einen niedrigen
Luftwiderstand und optimale Auftriebswerte zu erzielen. Bei Flugzeugen spielen
wesentlich mehr Aspekte eine Rolle: neben Luftwiderstand und Auftrieb auch
Tragflächenprofil, Stabilität, Steuerung usw. Daneben werden inzwischen auch
Eisenbahnzüge und Schiffe im Windkanal untersucht. Wichtig ist auch die
Untersuchung von Bauwerken wie Hochhäuser, Schornsteine und Brücken.
1)
Eiffel Windkanal
2)
3)
4)
5)
Der Pfeil markiert die Flussrichtung
Gleichrichter: hilft Luftverwirbelungen zu
beseitigen und sorgt für eine gleichmässige
Verteilung im Windkanal
Sorgt für ein gleichmässiges Geschwindigkeitsprofil in der Messstrecke
Messstrecke zur Austestung der Modelle
Diffusor: dient der Druckrückgewinnung
Gebläse: saugt die Luft an und verursacht
somit den Luftstrom
Die offene Bauart wird nach dem Konstrukteur Gustav Eiffel (Erbauer des Eiffel-Turms)
auch Eiffel-Windkanal genannt. Bei dieser Bauart wird die Luft aus der Umgebung abgesaugt, strömt durch den Windkanal und entweicht danach wieder ins Freie. Der
Vorteil dieser Bauart ist, dass sie sehr kostengünstig und einfach umsetzbar ist und
wenig anfällig für Selbstverschmutzung wie Rauch ist. Nachteil: Abhängigkeit von der
angesaugten Luft, was zu Temperatur- und Druckschwankungen führt.
105
3 – 26
Anhang - Kapitel 3
3-A-0
Zur Dispersion des Sonnenlichtes
Im Zusammenhang mit den Farben des Himmels bei Tag und bei Nacht
(pp 61, 62) betrachten wir die spektrale Zerlegung des weissen Lichtes der
Sonne in seine Spektralfarben.
Rot
Orange
Gelb
Grün
Indigo
Glas – Prisma
Violett
Wellenlänge
(in nm)
Blau
weisses
Licht der
Sonne
Durch den nicht senkrechten Einfall des Lichtes und den von der Wellenlänge l abhängigen Brechungsindex n(l) des Prismas wird der einfallende Lichtstrahl je nach l mit
einem anderen Winkel in das Prisma gebrochen. Dieser Effekt verstärkt sich nochmals
an der Austrittfläche des Prismas wo der aufgespaltene Lichtstrahl in unterschiedlichen Austrittswinkeln das Prisma verlässt. [Für Quartz (SiO2) ist n((400 nm) = 1.55773
und n(650 nm) = 1.54205]. Sichtbarer Bereich (VIS - Bereich): 380 nm < l < 780 nm
3-A-1-1
3 – 27
Streuung des Sonnenlichtes an Wolken: Mie - Streuung
Die Mie - Streuung überwiegt an Tagen, wenn grosse Partikel in der Luft sind – das
können Wassertröpfchen in Wolken sein, Dunst oder Qualm. Diese Partikel sind
grösser als die Wellenlängen der Lichtstrahlen, mit denen sie kollidieren.
Wenn Strahlung auf grosse Partikel fällt, wird keine Wellenlänge bevorzugt gestreut.
Alle Wellenlängen werden gleich stark gestreut und daher bleibt das gestreute Licht
weiss. Deswegen sind Wolken weiss (s. p. 73), denn sie bestehen ja aus grossen
Wassertröpfchen. Die Lichtstrahlen werden nicht wie bei der Rayleigh-Streuung in
alle Richtung gleichmässig gestreut, vielmehr werden sie stark nach vorne gestreut
(s. Bild rechts).
3-A-3-1
Stratosphären - Wolken
Polare Stratosphärenwolken (PSC’s)
treten in der Stratosphäre in Höhen über
20 km auf, meist im Bereich von 22 bis
29 km. Damit PSC’s entstehen können,
müssen die Temperaturen unter - 78 0C
sinken. Dies geschieht im Winter in den
Polargebieten jenseits von 800 nördlicher respektive südlicher Breite regelmässig. Auf der Südhalbkugel sind
PSC’s dabei wesentlich häufiger.
Arktische PSC
In der Stratosphäre ist der Wasserdampfgehalt der Luft sehr gering, so dass sich keine
herkömmlichen Wasserwolken bilden können. PSC’s bestehen aus Kristallen von
Schwefelsäure (H2SO4) oder Salpetersäure (HNO3). Bei extrem tiefen Temperaturen
kann sich um diese Säurekristalle noch ein Eismantel bilden. An der Oberfläche der
Kristalle können chemische Reaktionen ablaufen, die für den Ozonabbau in der
Stratosphäre und die Entstehung des Ozonlochs bedeutsam sind.
Die Beugung und Interferenz von Sonnenlicht an den Eiskristallen erzeugt in der Regel
perlmutterartige Farben, weshalb man PSC’s auch als Perlmutterwolken bezeichnet.
Diese Färbung ist dabei besonders deutlich, wenn die Sonne bereits hinter dem
Horizont liegt.
3-A-3-2
3 – 28
Die Beaufort - Skala
Die Beaufortskala ist eine Skala zur Klassifizierung von Winden nach ihrer Geschwindigkeit. Es
handelt sich um das weitest verbreitete System zur Beschreibung der Windgeschwindigkeit.
Sie ist nach Sir Francis Beaufort benannt worden; allerdings hat er nur einen geringen Anteil an
ihrer Entwicklung gehabt . Nach der Revision von 1946 gilt die folgende Beziehung zwischen der
Windgeschwindigkeit u und der sog. Windstärke Bft (1 Bft = Beaufort - Einheit):
u = 0.8360 m/s * Bft 3/2
oder aufgelöst nach Bft : Bft = (u / 0.8360) 2/3 ,
30
orkanartiger
Sturm
schwerer Sturm
Sturm
stürmischer Wind
steifer Wind
frische Brise
mässige Brise
leichte Brise
60
leiser Zug
90
schwache Brise
120
starke Brise
150
Windstille
maximale
Windgeschwindigkeit (km / h)
wobei u die Windgeschwindigkeit 10 m über der Oberfläche ist. Rechnet man u in km/h dann
gilt : u = 3.010 km/h * Bft 3/2 . (Die Beaufort-Skala variiert zwischen 0 und 12: 0 ≤ Bft ≤ 12 ).
0
km/h
Bft
0
1
2
3
4 5 6 7 8
Windstärke (Bft)
9
10 11
3-A-4-1
Dynamik fallender Hagelkörner oder Regentropfen
Es sei v(t) die Geschwindigkeit des in der Luft fallenden Körpers (Graupel, Hagelkorn
oder Wassertropfen) zur Zeit t. Zur Zeit t = 0 sei der Körper in Ruhe: v(0) = 0. Die auf das
Korn der Masse M wirkende totale Kraft K setzt sich zusammen aus dem Gewicht G, der
Reibungskraft R und der Auftriebskraft L: K = G – R – L. Da die Dichte des Hagelkorns
viel grösser als die Dichte der Luft ist, kann L vernachlässigt werden, d.h.
K = G - R
(1)
m/s2
Das Gewicht ist G = M g (g = 9.81
= Erdbeschleunigung). Für grössere fallende
Körper muss mit der Newton’schen Reibungskraft gerechnet werden, welche
proportional zu v2 ist [für fallende Staubteilchen ist R proportional zu v (s. Kapitel 5 (pp
221 – 231)]. Im vorliegenden Fall ist die Newton’sche Reibungskraft gegeben durch
R = (1/2) rL CW A v2
(2)
Dabei ist rL die Dichte der Luft, A die Querschnittsfläche des Körpers und CW der sog.
Widerstandsbeiwert. Zur Berechnung von v(t) eines Hagelkorns mit der Masse M und der
Dichte r muss folgende Differentialgleichung gelöst werden:
K = M (dv/dt) = M g - (1/2) rL CW A v2
(3)
Die Lösung dieser Differentialgleichung ist (s. Literatur, p. R-3-12):
v(t) = vterm * tanh [(g t / vterm)]
(4)
wobei tanh (x) die Tangents-Hyperbolicus Funktion von x ist. vterm ist die konstante
terminale Sinkgeschwindigkeit, die sich nach einer genügend langen Zeit einstellt:
vterm =
2 M g / (rL A CW)
3-A-5-1
3 – 29
(5)
Geschwindigkeiten v(DH,t) fallender Hagelkörner
Die untenstehenden Kurven der Fallgeschwindigkeiten v(t) = vterm * tanh [(g t / vterm)]
(Glg. 4) mit vterm = 2 [(DH g / 3 CW)*(rH / rL)]½ (Glg. 5) von p. 3-A-5-1 wurden von P.
Brüesch mit Hilfe des Maple 13 Programms berechnet. Die schwarze gestrichelte
Gerade v = g t ist die Tangente an die Kurven durch den Ursprung des Koordinatensystems und beschreibt den freien Fall einer Masse im Vakuum. (DH = Durchmesser
und rH = Dichte des Hagelkorns, s. p. 3-A-5-3).
v=g*t
116
DH = 6 cm
25
105
DH = 3 cm
20
15
47.5
DH = 1 cm
10
5
Parameter:
Rh
Fallgeschwindigkeit (km / h)
Fallgeschwindigkeit (m / s)
30
Dichte des Hagelkorns:
rH = 800 kg/m3;
Dichte der Luft:
rL = 1.2 kg/m3;
MH
Widerstandsbeiwert:
CW = 0.5
0
Gh
0
5
10
Zeit t (s)
15
RH ≤ GH
3-A-5-2
Terminale Fallgeschwindigkeiten vterm(DH) fallender Hagelkörner
Im Folgenden diskutieren wir die terminale Fallgeschwindigkeit vterm als Funktion des
Partikeldurchmessers DH des Hagelkorns. Für ein kugelförmiges Hagelkorn ist in Glg.
(5) von p. 3-A-5-1 die Masse MH gegeben durch MH = (p/6)*DH3rH und die Querschnittsfläche ist AH = (p / 4) DH2. Einsetzen in Glg. (5) ergibt:
(DH g / 3 CW) * (rH / rL)
(6)
Die untenstehende Figur wurde mit einem Widerstandsbeiwert von CW = 0.5 berechnet
was einer hohen Reynoldszahl Re entspricht (s. p. 4-A-2-1).
Parameter zur BerechRh
nung von vterm(Dh):
216
60
50
180
40
144
30
108
20
72
10
36
0
0
0
5
10
15
20
Durchmesser DH der Hagelkörner (cm)
Terminale Fallgeschwindigkeit vterm(DH) (km/h)
Terminale Fallgeschwindigkeit vterm(DH) (m/s)
vterm = 2
3-A-5-3
3 - 30
g = 9.81 m / s2
rH = 800 kg / m3 (Hagel)
rL = 1.2 kg / m3 (Luft)
CW = 0.5
RH = GH
MH
Gh
Für die in der Graphik
dargestellte stationäre
oder terminale Fallgegeschwindigkeit vterm(DH)
sind die Werte der Kräfte
GH und RH gleich gross,
die resultierende Kraft
also gleich 0.
Mathematischen Beschreibung der Durchmesserverteilung (p. 3-A-5-5)
Für die Verteilung des Durchmessers verwenden wir die sog. zwei-parametrige GammaVerteiling. In der Mathematik ist diese wie folgt definiert:
ya,b (x) = [b a / G(a)] xa - 1 exp(– b x)
(1)
wobei a und b zwei positive Parameter sind; G(a) ist die sog. Gamma Funktion von a und
exp(- b x) ist die Exponentialfunktion der Variabeln x.
Mit den Bezeichnungen der Verteilung der Durchmesser DH von Hagelkörnern (p. 3-A-5-5)
schreiben wir in Analogie zu Glg. (1):
f(DH/D0) = N(DH)/N0) = [ln / G(n)] (DH/D0)(n – 1) exp[- l (DH/D0)]
(2)
N(DH) ist die Zahl der Körner mit Durchmesser DH pro m3, N0 die Gesamtzahl der Körner
pro m3, und D0 = 1 cm der Einheitsdurchmesser. n entspricht a, l entspricht b und DH/D0
entspricht x von Glg. (1). Setzt man die 1. Ableitung von f(DH/D0) nach der Variablen DH/D0
gleich 0 (Maximum von f(DH/D0)), dann folgt l*(Dm/D0) = n – 1, wobei Dm der Durchmesser
des Maximums der Kurve f(DH/D0) ist. Zur Vereinfachung wählen wir n = 3 womit G(3) = 2
und erhalten
f(DH/D0) = N(DH)/N0) = [l3 / 2] (DH/D0))2 exp[- l (DH/D0)]
(3)
Einige Beispiele (vergleiche mit der Figur von p. 3-A-5-5):
Dm = D0  l = 2, fm(1) = 0.541; Dm = 2 D0  l = 1, f(2) = 0.270: Dm = 3 D0  l = 2/3, f(3)
= 0.180; Dm = 5 D0  l = 0.4, f(5) = 0.108; Dm = 6 D0  l = 0.3333, f(6) = 0.090.
3-A-5-4
Normierte Zahl der Hagelkörner f(DH) = NH/N0
Verteilungen der Durchmesser DH von Hagelkörnern
0.50
Verteilung von sehr
kleinen Hagelkörnern
0.5
0.4
0.40
0.3
0.30
0.2
0.1
0.20
0
0
0.2
0.4 cm 0.6
0.8
1
0.10
00
50
00
Dm = 2 cm
100
150
200
Durchmesser DH (cm)
Normierte Zahl der Hagelkörner f(DH) = N(DH) / N0 als Funktion des Durchmessers DH.
(N0 = totale Zahl der Hagelkörner pro m3). Die Kurven wurden für 6 mittlere Durchmesser Dm = 1, 1.5, 2,
3, 5 und 6 cm mit Hilfe von zwei-parametrigen Gamma - Verteilungen berechnet (s. p. 3-A-5-4). Inset:
im Punkt DH = 0 verlaufen die Kurven horizontal. Von den Hagelkörnern zu unterscheiden sind die sog.
Graupeln mit Durchmessern zwischen 0.2 und 0.5 mm. Ihre Verteilungen sind im Inset nicht
eingezeichnet; sie bestehen aus kleinen Schneekügelchen, welche in einer Eishülle eingekapselt sind.
3-A-5-5
3 – 31
Referenzen: Kapitel 3
R-3-0
Allgemeine Literatur über Wetter – Wolken – Klima :
R.3.0.1
Physische Geographie (von Julius Wagner)
Begründet von Heinrich Harms: bearbeitet von Julius Wagner
List Verlag München; 8. Auflage (1979); pp 301 - 350
R.3.0.2
Wolken – Wetter
Dieter Walch und Ernst Neukamp
Der Bild-Ratgeber für die eigene regionale Wetterprognose
Der Grosse GU Ratgeber
GU – Gräfe und Unzer (1998)
R.3.0.3
Witterung und Klima
Ernst Heyer
BSB B.G. TEUBNER VERLAGSGESELLSCHAFT – 1981
R.3.0.4
Klimatologie
Das Geographische Seminar
R. Scherhag, J. Blüthgen, W. Lauer
George Westermann Verlag
9. verb. Auflage 1977
.
R.3.0.5
Wetter und Klima
Kompakt und Visuell
Vorhersagen - Wetterphänomene – Klimaänderungen – Meteorologie
Dorling Kindersley
London, New York, Melbourne, München und Delhi
R-3-1
3 – 32
3.1 Das Wetter : Allgemein
R.3.1.1
Hochdruckgebiet - http://se.wikipedia.org/wiki/Hochdruckgebiet
R.3.1.2
Tiefdruckgebiet - http://de.wikipedia.org/wiki/Tiefdruckgebiet
R.3.1.3
Meteorology: From Wikipedia, the free encycopedia
www.en.wikipedia.org/wili/Meteorology
R.3.1.4
Planetarische Zirkulation - aus Wikipedia, der freien Enzyklopedie
http://de.wikipedia.org/wiki/Planetarische_Zirkulation
R.3.1.5
Wasserdampf: aus Wikipedia, der freien Enzyklopedia
www.http;//de.wikipedia.org/wiki/Wasserdampf
R.3.1.6
p. 58: Das Wetter: Stichwörter - Zusammengestellt von P. Brüesch
R.3.1.7
p. 59: Das Wetter: Meteorologie – Motor – Verlauf - Kommentare und Bild aus: Wetter
http://de.wikipedia.org/wiki/Wetter
Weather . Wikipedia, the free encyclopedia
http://en-wikipedia.org./wiki/Weather
R.3.1.8
p. 60: Das Wetter: Eigenschaften - Erscheinungen
Information aus Referenz R.3.1.2 : http://de.wikipedia.org/wiki/Wetter
Darstellung der Information von P. Brüesch
R.3.1.9
p. 61 : Die Farben des Himmels am Tag
a) Rayleigh Streuung - http://wikipedia.org/wiki/Rayleigh-Streuung
b) Herleitung der Rayleigh – Streuung und entsprechenden Literaturangaben
www.planet-schule.de/warum/himmelsblau/.../t9/himmelsblau.pdf
c) Rayleigh scattering - http://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering
d) Why is the sky blue ?
http://spaceplace.nasa-gov/blue-sky/ - (mit Bild zu p. 61)
e) Himmel (planetär)
http://de.wikipedia.org/wiki/Himmel_planet%C3%A43)
R-3-2
R.3.1.10
p. 62: Morgenrot und Abendrot
a) Morgenröte - http://de.wikipedua,org/wiki/Morgenr%C3%B6te
b) Wie entsteht Himmelsblau und Abendrot?
http://www.weltderphysik.de(thema/hinter-den-dingen/klima-und-wetter/jimmelsblau-undabendrot/
c) «Unterrichtseinheit: Die Farben des Himmels»
www.planet-schule.de/warum/himmelblau/.../t9/himmelsblau-pdf
Bild links: Sonnenaufgang – Sunrise: aus: www.google.ch/search - Bilder
Bild rechts; Sonnenuntergang – Sunset: aus www.google.ch/search - Bilder
3.2 Die feuchte Troposphäre
R.3.2.1
p. 63: Luftfeuchtigkeit - aus: Wikipedia, der feien Enzyklopedia - http://de.wikipedia.org/wiki/Luftfeuchtigkeit
R.3.2.2.
p. 64: Die feuchte Troposphäre – Wasserdampf
Absolute Humidity - http://apollo-Isc..vsc.edu/classes/met130/notes/chapter4/absol_hum.html
unter: Eingabe von http://www.google.ch: *The Troposphere_Air parcel» - Images  Absolute Humidity
R.3.2.3.
p. 65: Absolute und relative Luftfeuchtigkeit
a) Bild in «Orographic Clouds» - «Water content of air at 25, 50, 75 and 100 % relative humidity
http://windowoutdoors.com/WindowOutdoors/Why%20clouds%20form%20on%20mountain%20tops.html
b) Luftfeuchtigkeit aus Wikipedia, der freien Enzyklopedie - http://de.wikipedia.org/wiki/Luftfeuchtigkeit
c) Sättigung (Pjysik) - http://de.wilipedia.org/wili/S%C3%A4ttifung_(Physik) (mit Tabelle der Sättigungskonzentr.)
d) Humidity and Dew Point: Table - http://rolfb.ch/tools/thtable.php
R.3.2.4
p. 66: Taupunkt - Definition des Taupunktes
Figur für: Taupunkt – relative Luftfeuchtigkeit als Funktion der Lufttemperatur;
aus: Wikipedia, der freien Enzyklopedia - http://de.wikipedia.org/wiki/Taupunkt
R.3.2.5
p. 66: Dew point - Definition of dew point - http://en.wikipedia.org/wiki/Dew_point
Figur für: Taupunkt – relative Luftfeuchtigkeit als Funktion der Lufttemperatur
R.3.2.6
p. 67: Dew point
Formel zur Berechnung des Taupunktes als Funktion der Lufttemperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit
a) http://en.wikipedia.org/wiki/Dew_point
b) http://www.paroscientific.com/dewpoint.htm
R-3-3
3 – 33
3.3 Die Welt der Wolken
R.3.3.1
p. 69: Bildung von Wolken
From Internet: Cloud Formation; Bilder: Csupomona.edu
R.3.3.2
p. 70: Tröpfchen und Kristallite in Wolken
Figur von P. Brüesch gezeichnet
R.3.3.3
p. 71: Cumulus – Wolke
Cumulonimbus Clouds; bretaniongroup.com
R.3.3.4
p. 72: Weshalb Wolken nicht vom Himmel fallen
(Why do clouds not fall from sky)
http://www.islandnet.com/~see/wheather/elements/cloudfloat.html
R.3.3.5
p. 73: Farben von Wolken: weiss
a) Colours of Clouds: white - http://en.wikipedia.org/wiki/Clouds
b) Streuung des Lichts an Wolken - http://de.wikipedia.org/wiki/Mie-Streuung
R.3.3.6
p. 74: Farben von Wolken: blau – weiss
Colours of Clouds: blue – white - http://weathersavvy.com/cumulonimbus5_OPT.jpg
R.3.3.7
p. 75: Farben von Wolken: weiss-grau – dunkel-grau
Colours of Clouds: white-gray – dark-gray - Regenwolken: foto community.de
R.3.3.8
p. 76: Farben von Wolken: dunkel-rot – orange-rosa
Colours of Clouds at Sunset: dark-red – orange-pink
www.yunphoto.net/es/photobase/hr/hr545.html
R.3.3.9
p. 77: Struktur von Ladungsverteilung in Gewitterwolken
U. Funke: Atmosphärische Elektrizität (2003) - www.sferics.physik.uni-muenchen.de/Messgrund/
R.3.3.10
p. 78: Sehr bedrohliche Gewitterwolke
Google: Bilder; unter «Sehr bedrohliche Gewitterwolken»
R-3-4
3.4 Der Wind
R.3.4.1
p. 80: Der Wind – Allgemein
Wind - aus: Wikipedia, der freien Enzyklopedie - www.htttp://de.wikipedia.org/wiki/Wind
R.3.4.2
p. 80: Hochdruckgebiet - s. Referenz R.3.1.1
R.3.4.3
p. 81: Tiefdruckgebiet -
R.3.4.4
p. 81: Berg – Tal Windsysteme / Land – See Windsysteme
Energie – alternativ - «Windsysteme der atmosphärischen Zirkulation»
http://www./hak-vk.at/index.php?id=2614
R.3.4.5
p. 82: Land – See – Wind
(Die auf der Höhenskala in rot beigefügten 1500 m wurde von P. Brüesch eingetragen)
http://www.geographie.uni-muenchen.de/internetvorlesung/klimatologie/kleinzirkula
s. auch Referenz R.3.4.6..
R.3.4.6
p. 83 : Passat – Winde - Passat (Windsystem): aus Wikipedia, der freien Enzyklopedie
http://de.wikipedia.org/wiki/Passat_(Windsystem)
R.3.4.7
p. 84: Corioliskraft - http://de.wikipedia.org/wiki/Corioliskraft
R.3.4.8
p. 84: Zur Corriolis – Kraft durch Erdrotation
Figur links mit Text: «Coriolis Force as a function of latitude»
Figur rechts mit Text: «Bahn des Windes in der nördlichen Hemisphäre»
Figuren und Text s. unter: Forces Acting to Create Wind
http://www.physicalgeography.net/fundamentals/7n.html
Anmerkung:: Kraft = Masse * Beschleunigung: F C = m * ac = Coriolis – Kraft
(Die beiden Figuren wurden von P. Brüesch geringfügig retouchiert)
R.3.4.9
p. 85 : Windströmung zwischen Hoch und Tief - Corioliskraft
Figur gefunden unter : www.google.ch - Bilder - Text von P. Brüesch
R.3.4.10
p. 86: Einfluss der Corioliskraft auf Flüsse (Bild) - Wissen.de
Coriolis – Kraft - http://www.wissen.de/coriolis-kraft
s. Referenz R.3.1.2
R-3-5
3 – 34
3.5
Niederschläge und extreme Wetterverhältnisse
R.3.5.1
p. 88: Fallender Wassertropfen im Windkanal
Source: Falling raindrop in the wind channel: jpg: Film und Standard
R. Jaenicke, IPA Universität Mainz, 2002
R.3.5.2
p. 89: Formen von fallenden Wassertropfen verschiedener Grössen
Bild links: gefunden unter www.google.ch
Shapes of falling raindrops of different sizes : Bilder; sts.bwk.tue.ni
Bild rechts: gefunden unter « Airstream around falling raindrops»
Wheather Doctor’s Wheather People and History: Philipp Lenard
Philipp Lenard (Brushing the Teardrip from Rain)
The Wheather Doctor - http://www.islandnet.com/~see/wheather/history/lenard.htm
R.3.5.3
p. 90: Bildung und Morphologie von Schneeflocken
links: gefunden unter: Der Bergeron-Findeisen-Prozess-ethz.ch
iacweb.ethz.ch/staff/eszter/…/Bergeron-Findeisen.pdf
rechts: http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/primer/primer-html
R.3.5.4
p. 91: Die Faszination von Schneeflocken - Fotos von Schneeflocken gefunden unter
Schneeflocke – Bilder  Schneeflocken w0401226077.jpg - s. auch Beschreibung von Philip Ball :
A biography of Water: Snowflakes : pp 170 - 181
Wiedenfeld R. Nicolson M ; London , 1999
R.3.5.5
p. 92: Alle Schneeflocken besitzen hexagonale Symmetrie
s. Google,ch unter Schneeflocken , bzw, Snowflakes m Bilder
R.3.5.6
pp 93 – 95: Hagelkörner
Hagel - www.http://de.wikipedia.org/wiki(Hage
R.3.5.7
p. 94: Nach einem Hagelsturm (After a Hailstorm) :
http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Hailstorm.jpg
p. 9 : Sehr grosses Hagelkorn - http://home.arcor.de/student.martin/wetter/pdf/Extremhagel.pdf
R.3.5.8
p. 96: Querschnitt durch ein Hagelkorn mit Wachstumsringen
www.fotocommunity.de/pc/pc/display/17206268
R-3-6
Abschnitt 3.5 - (cont.)
R.3.5.9
p. 96: Bild zu Blitz : in Unwetter - http://de.wikipedia,org/wiki/Unwetter
Text zu Blitz: www.daikymail.cu.uk/; aus Wikipedia, der freien Enzyklopedie - http://de.wikipedia.org/wiki/Blitz
R.3.5.10
p. 97: Tornado - http://de.wikipedia.org/wiki/Tornado
Ursache und Entstehung von Tornados - http://www-ping.de/schule/pg-herne/p-wetter/tornado/ursache.htm
R.3.5.11
p. 98: Hurrikan «Isaak» - Figur und Text aus: http://de.wikipedia.org/wiki/Hurrikan Isaak (2012)
R.3.5.12
p. 99: Hurrikan «Sandy» (November 2012)
a)
b)
c)
Hurrikan Sandy - http://de.wikipedia.org/wiki/Hurrikan_Sandy
Atlantische Hurrikansaison 2012 - http://de,/wikipedia.orrg/wiki/Atlantische_Hurrikansaison_2012
Hurricane Sandy - http://www.wunderground.com/blog/weatherhistorian/article.html
R-3-7
3 – 35
3.6 Windenergie
R.3.6.1
p. 101: Windenergie – Allgemein
Windenergie - http://de.wikipedia.org/wiki/Windenergie
R.3.6.2
p. 101: Wie wird die Leistung einer Windkraftanlage berechnet ?
http://www.e-genius.at/fikeadmin/user_upload/windkraft/07_wie_wird_die_leistung_einer_windkraftankage_
berechnet.html
R.3.6.3
p. 101: Wind power - http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_power
R.3.6.4
p. 102: Windmühle
mit Text zu Windmühlen allgemein und Bild zu Britzer-Windmühle http://de.wikipedia.org/wiki/Windm%C3%BChle
R.3.6.5
p. 102: Britzer Mühle - Beschreibung der Britzer-Windmühle und Bild
http://de.wikipedia.org/wiki/Britzer_M%C3%BChle
R.3.6.6
p. 103: Windenergie – Anlage in Dänemark: Referenz R.3.6.1
R.3.6.7
p. 104: Weltweit installierte Leistung
Referenz R.3.6.1 - Graphik von : www.volker-quaschbing.de/darserv/windinst/index.php
R.3.6.8
p. 105: Der Windkanal
a) Windkanal: aus: Wikipedia , der freien Enzyklopedi
www,http;//de.wikipedia.org/wiki/Windkana
b) Bau eines Windkanals - Teil 1: Planung – Die Bauart
http;//windkanal.blogspot.ch/2011/04/teil-1-recherchen.html
R-3-8
Anhang
3.A.1.1
Zur Dispersion des Sonnenlichtes: Prisma (Optik)
a)
b)
3.A.3.1
Bild zur Dispersion des Lichtes - http://de.wikipedia,org/wiki/Prisma_Optik
Beschriftung des Bildes auf Deutsch übersetzt von P. Brüesch - http://www,google.ch (Images)
Mie – Streuung
a) Quelle des Bildes: Lyndon State College . Billd und Text unter Stichwort Mie – Streuung http://www.fe-lexikon.info/lexikon-m.html - http://de.wikipedia,org/wiki/Mie-Streuung
b) Warum sind Wolken weiss ?
http://blog.wolken-online.de/2007/12/10warum-sind-wolken-weiss/
c) Atmospheric Stuff - http://homework.uoregpn.edi/pub/class/atm/optics.jtml
(enthält Bild von Rayleigh- und Mie Streuung)
3.A.3.2
Polare Stratosphärenwolken
http://de.wikipedia.org/wiki/Polare_Stratosph%C3%A4enwolken
Bild aus: http://www-das.uwyo.edu/~geerts/cwx/notes/chap08/noctilucent.htm
3.A.4.1
Beaufort – Skala - http://de.wikipedia.org./wiki/Beaufortskal
Figur unter: www.google.ch : Beaufortskala :
«Bilder zu Beaufortskala»: Windstärkeskala.jpg - Bild von P. Brüesch retouchiert und ergänzt
3.A.5.1
Dynamik_fallender_Hagelkörner
.
3-A-5-2
a) Differentialgleichungen für den Fall des Falles
H.R. Schneebeli (Version vom 13. Oktober 2014)
www.swissed.ch/.../differentialgleichungen/.../differentialgleichungen
b) Freier Fall mit und ohne Luftwiderstand
www.virtual-maxim.de/.../freier%29fall%20mit%20und%20und%20ohne520Luft...
c) Forces on a Falling Object. (with air resistance) - www,grc.nasa.gov/WWW/k-12/falling.htm
d) Drag coeffivient - http://en.wikipedia.org/wiki/Drag_coefficient
Geschwindigkeit v(D,t) fallender Hagelkörner
Die Figuren wurden von P. Brüesch erstellt; die Figur links mit Hilfe des Maple 13 – Programms
R-3-9
3 – 36
3.A.5.3
Terminale Fallgeschwindgikeiten fallender Hagelkörner
a)
b)
c)
d)
Hagel - http://de.wikipedia.org/wiki(Hagel
Hail - http://en.wikipedia.org/wiki/Hail
Reynolds Zahl - http://de.wikipedia.org/wiki/Reynolds-Zahl
Aerosol Transport - Inertia
Newton’s Resistance Law and Stoke’s Law
http://://aerosoll.ees.ufl.edu/aerosol_trans/section03_c.html
(Die Arbeit enthält eine Figur des Widerstandskoeffizienten (Drag coefficient) als Funkion der Reynolds Zahl)
e) Reynolds number - http://en.wikipedoa.org(wiki/Reynolds_number
f) Drag (physics) - http://en.wikipedia.orgwiki/Drag_%28physics%29
g) Drag of a Sphere - www.grc.basa,gov/WWW/k-12/.../dragsphere.html
3.A.5.4
Mathematischen Beschreibung der Durchmesserverteilung von Hagelkörnern
a) Übersicht über die gängigen Wahrscheinlichkeitsverteilungen - http://www,seehun.de/verteilungen
b) Wetterrekorde .- http://de.wikipedia.org/wiki/Wetterrekorde
(enthält Informationen über ein beobachtetes Hagelkorn mit einem gigantischen Durchmesser
von 20.3 cm , einem Umfang von 47.3 cm und einem Masse von 875 g !!!)
c) Inverse Gamma Distribution
John D. Cook (October 3, 2008) - www.johndcook.com/inverse-gamma.pdf
(Unsere Wahrscheinlichkeitsverteilung ist nicht die «Inverse Gamma Verteilung, sondern die sog.
Gamma(a,b) – Verteilung, die im Artikel ebenfalls beschrieben wird)
3.A.5.5
Verteilung der Durchmesser von Hagelkörnern
a) Distribution of Graupel and Hail With Size - August H. Auer, JR.
Monthly Weather Review / Vol. 100, No. 5, May 1972
docs.lib.noaa.gov/rescue/…/mwr-100-05-0325.pdf
b) Note in Hailstone Size Distributions
Stanley A. Cjangnon, JR. - Journal of Applied Meteorology, Vol. 10, pp 168 – 170 (1970)
c) More on Hail - E. Linacre and B. Geerts
http://www-das.uwyo.edu/~geerts/cwx/noteschap09/more_hail.html
(Contains «Monthly Hail Size Distribution» in the USA - 1955 – 1977
d) Graupel - http://de.wiipedia.org/wiki/Graupel
R-3-10
3 – 37
4. Fliegen und Gleiten
in der Luft
106
69
4-0
4.0 Das Fliegen: Überblick
Zur Physik
des Fliegens
Das
Fliegen
Flugsaurier
107
Fliegen von Vögeln und Flugzeugen
Weiss-Storch im Flug
Weiss-Störche sind etwa 80 bis 100 cm
lang und haben eine Flügelspannweite von
200 bis 220 cm. Bis auf die schwarzen
Schwungfedern ist das Federkleid rein
weiss. Weiss-Störche haben ein Gewicht
von etwa 2.5 bis 4.5 kg.
Boeing 747
(Daten für 747-100)
• Länge: 70.6 m
• Spannweite: 59.6 m
• Tragflügelfläche: 511 m2
• Startgeschwindigkeit: ca. 300 km/h
• Flugreichweite: 9’800 km
• max. Startmasse: 333’400 kg
• Durchschn. Sitzplatzanzahl : 366
• Geschwindigkeit: 895 km/h
• Flughöhe: 13’700 m (Stratosphärenflug)
108
4–1
4.1 Physikalische Grundlagen
109
Zur Physik des Fliegens
Fliegen bedeutet gemeinhin die Fortbewegung eines Lebewesens durch die Luft.
Flugbewegungen werden in der Physik mit den Gesetzen der Aerodynamik be –
schrieben.
Dieser 1. Abschnitt enthält einen Überblick über die grundlegenden Prinzipien des
Fliegens. Eine systematische Darstellung auf der Basis der Grundlagen der
Aerodynamik (gekoppelte partielle Differentialgleichungen von Navier-Stokes und
Euler, s. Anhang 4-A-1-1) würde den Rahmen dieser Darstellung bei weitem
sprengen. Wir begnügen uns deshalb mit der einfachsten Beschreibung auf der
Basis der wohlbekannten Bernoulli-Gleichung , aus welcher wir auf heuristischer
Basis die Kutta-Joukowski Gleichung herleiten und diskutieren.
Schon mit Hilfe dieser stark vereinfachten Gleichungen lassen sich die
grundlegenden Aspekte des Fliegens qualitativ erklären. Danach werden wir die
einfachen Gleichungen für den Auftrieb und den Widerstand diskutieren, welche
der Ingenieur und Flugzeugbauer benützt. Diese Gleichungen werden mit einigen
Anpassungen auch für den Flug von Vögeln verwendet. Es stellt sich heraus,
dass die Form der Flügel und ihre Stellung relativ zur Luftströmung von
entscheidender Bedeutung ist. Es zeigt sich dass leicht gekrümmte und
asymmetrische Flügelformen optimal sind.
110
4–2
Aerodynamische Grundlagen
Die Strömung von Luft um die Flügel eines Tieres oder eines Flugzeuges ist physikalisch ein
äusserst komplexer Vorgang: Beim Abflug ist die Strömung in der Regel turbulent (verwirbelt)
und die Stromlinien (Linien mit konstantem Druck) um die Flügel sind entsprechend
kompliziert.
Für eine wohldefinierte Form des Flügels und der Luftströmung kann das Strömungsprofil im
Prinzip experimentell bestimmt werden. Andererseits kann mit theoretischen Methoden der
Aerodynamik das Strömungsprofil auch berechnet
werden. Dazu müssen aber komplexe theoretische Methoden angewendet werden, wie z.B. die
Navier – Stokes Gleichungen, die Euler’sche Strömungstheorie, das Kutta-Joukovsky Theorem
und die Bernoulli–Gleichung (s. Anhang 4-A-1-1). Im Folgenden beschränken wir uns auf die
Bernoulli Gleichung, und auf das Kutta-Joukowsky Theorem. Daraus resultieren qualitative
Aussagen über den Auftrieb und den Widerstand des Systems.
Auftrieb
Kräfte, welche auf die flatternden Flügel
eines Vogels wirken:
Schubkraft - Widerstand – Gewicht – Auftrieb
Die resultierende Kraft auf den Vogel ist
die Superposition der Kräfte, welche
auf die beiden Flügel wirken.
Schubkraft
Widerstand
Gewicht
Auftrieb
Schubkraft
Die Figur zeigt die 4 Kräfte, welche auf den Flügel
eines Vogels oder eines Flugzeugs wirken.
Widerstand
Gewicht
111
Zur Bernoulli-Gleichung
Die im Anhang 4-A-1-2 und 4-A-1-3 hergeleitete Bernoulli-Gleichung lautet
p + (1/2) r u2 + r g z = const.
oder
p1 + (1/2) r
u12
+ r g z1 = p2 + (1/2) r
u22
(4.1.1)
+ r g z2
(4.1.2)
Dabei ist p der statische Druck, (1/2) r
der dynamische Strömungsdruck und r g z der
Schweredruck; u ist die Geschwindigkeit, r die Dichte, g die Erdbeschleunigung und z
die Höhe. Die Gleichung besagt, dass bei stationärem und inkompressiblem Fluss und
vernachlässigbarer Reibung die Summe dieser Drucke konstant ist. Diese Gleichung
kann auch als Energieerhaltungssatz formuliert werden: Mit den im Anhang 4-A-1.2 und
4-A-1-3 eingeführten Bezeichnungen ist r = dm/dV die (konstante) Dichte; daraus folgt
die Gleichung: (dm/r) p + (1/2) dm u2 + dm g z = const. Dabei ist (dm/r)p die
Druckenergie, (1/2) dm u2 die kinetische Energie und dm g z die potentielle Energie der
Lage: Die Gesamtenergie eines Fluidteilchens der Masse dm auf seinem Weg längs einer
Stromlinie bleibt konstant.
u2
Sind in Gleichung (4.1.2) die Ortshöhenunterschiede z2 – z1 in einer Strömung so klein,
dass sie vernachlässigt werden dürfen, dann folgt aus Gleichung (4.1.1)
p + (1/2) r u2 = const.
(4.1.3)
Aus dieser Gleichung folgt, dass dann der Druck in einer strömenden Flüssigkeit umso
kleiner ist, je grösser die Geschwindigkeit u ist. In einem horizontalen Rohr ist also der
Druck an den engeren Stellen kleiner als an den weiteren. Das gleiche gilt auch für die
Strömung um einen Tragflügel (s. Ref. R.4.1.13 und pp 113 - 118).
112
4–3
Strömung um Tragflügel - 1
Im Folgenden werden die an einer Flugzeugtragfläche auftretenden Wirbel und das
resultierende Strömungsbild erklärt. Wird sie mit Luft von vorne her angeströmt,
dann fliesst ein Teil der Luft über die Tragfläche und ein anderer Teil unter der
Tragfläche durch (Parallelströmung).
An der Hinterkannte stellt man einen Geschwindigkeitsunterschied zwischen der oberen und
unteren Teilströmung fest. Die obere Teilströmung muss wegen der asymmetrischen Form
der Tragfläche einen längeren Weg zurücklegen
b
und wird zudem von der Reibung stärker abgebremst als die untere. 2c = Flügelspannweite, b =
c
x mittlere Flügeltiefe einer Tragfläche (Flügel).
Am Flügelende bildet sich dadurch ein freier
Wirbel aus (Wirbelschleppe). Das wird im
mittleren Bild in zweidimensionaler Darstellung
gezeigt. Dieser Wirbel wird als Anfahrwirbel oder
Startwirbel bezeichnet, der sich langsam von der
Tragfläche ablöst und entfernt.
G
Aufgrund der Drehimpulserhaltung muss noch
ein zweiter Wirbel vorhanden sein. Dieser hat
umgekehrten Drehsinn zum Anfahrwirbel und bewegt sich um die Tragfläche. Man bezeichnet ihn
als Zirkulationsströmung G, die sich mit der Parallelströmung um den Flügel überlagert (s. p. 114).
113
Strömung um Tragfläche - 2
Von der technisch höchst wichtigen Theorie der Tragflächen werden hier nur die
wichtigsten Aspekte diskutiert. Bewegt sich die Tragfläche eines Flugzeuges durch die
Luft, so bildet sich um die Tragfläche eine Strömung aus, die man als die Überlagerung einer sog. Potentialströmung (Figur 5a: Parallelströmung) und einer
Zirkulation G (Figur 5b) ansehen kann. Die Entstehung der Zirkulation wurde auf p. 113
dargestellt. Die resultierende Strömung ist in Figur 5c) dargestellt. In dieser sind die
Stromlinien oberhalb der Tragfläche zusammengedrängt, unterhalb der Fläche viel
weniger dicht, und daher ist der Luftdruck nach der Gleichung von Bernoulli
(Gleichung (4.1.3) auf p. 112) geringer als unter ihr. Diese erfährt also eine nach oben
gerichtete Kraft, die man auch als Auftrieb FA bezeichnet und die das Flugzeug trägt.
Eine qualitative Erklärung des Auftriebs wird auf p. 115 gegeben.
FA
p1 < p2 ; u1 > u2
u∞
+
p2 , u 2
u∞
5a) Potentialströmung
5b) Zirkulation G
5c) resultierende Strömung
Die Auftriebskraft FA hängt von der Luftdichte r, der Strömungsgeschwindigkeit u∞ , der
Flügeltiefe b und der Spannweite c des Tragflügels (s. p. 113) sowie von der Zirkulation
G ab. Da die Zirkulation im Gegenuhrzeigersinn verläuft, ist G per Definition negativ:
G < 0 . Eine heuristische Herleitung von G und FA wird auf pp 117-118 erörtert.
114
4–4
Qualitative Erklärung des dynamischen Auftriebs
Unter dem dynamische Auftrieb versteht man die Kräfte, die auf gleichmässig umströmte Körper senkrecht zur Strömung wirken. Dies ist dann der Fall, wenn die Zirkulation auf den Körper ungleich Null ist (s. p. 114).
Durch das Auftreten der zirkulatorischen Umströmung, welche der einfachen Potentialströmung um den Körper überlagert ist, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit auf
der Oberfläche des Körpers (u1 > u∞), auf der Unterseite wird sie vermindert (u2 < u∞) ,
sodass u1 > u2 , (s. Figur, p. 114).
Nach der Bernoulli’schen Gleichung ist die Differenz der Strömungsgeschwindigkeiten
einer Druckdifferenz äquivalent, d.h. p2 > p1 . Da p1 = p1(x) und p2 = p2(x) (x-Koordinate
s. pp 113, 117) ist der Auftrieb gegeben durch
c
FA = b
∫ [p2(x) – p1(x)]
dx
(4.1.4)
0
wobei b die mittlere Flügeltiefe und c die Spannweite eines Flügels ist (s. Figuren pp 113,
117).
Die Kutta–Joukowski Gleichung (pp 116 - 118) liefert den quantitativen Zusammenhang
zwischen der Zirkulation G, der Anströmungsgeschwindigkeit u∞, der Dichte r des
Strömungsmediums (Luft) und dem Auftrieb FA bei reibungsfreier, ebener Umströmung
des Profils :
FA = - r b G u∞ .
(4.1.5)
Die Zirkulation G wird auf pp 116 – 118 definiert und auf der Basis eines einfachen
Beispiels diskutiert. Wegen des Drehsinns ist G < 0 und damit FA > 0.
115
Satz von Kutta - Joukowski und Auftrieb eines Tragflügels
Gemäss Glg. (4.1.5) ist die Auftriebskraft FA gegeben durch
FA = - r b G u∞
(4.1.6)
r = Dichte der umströmenden Luft ; b = mittlere Flügeltiefe (s. pp 113, 115)
u∞ = ungestörte Anströmgeschwindigkeit (s. pp 113 - 115);
G : Zirkulation der Luft um Tragflügel (G < 0 , s. pp 113 - 115)  FA > 0 .
Die von Kutta–Joukowski eingeführte Zirkulation G ist definiert durch das Linienintergral
G =
∫
∫
u cos(q
) ds
u ds =
(4.1.7)
=
c
c
über eine den Tragflügel umschliessende Kurve C (s. untenstehende Figur).
u cos(q)
q
u
Tragflügel
u∞
C
116
4–5
Heuristisches Modell für die Zirkulation G und den Auftrieb FA
Die von Kutta-Joukovski definierte Zirkulation G (Glg. (4.1.7)) ist erforderlich, um die
Auftriebskraft FA (Glg. (4.1.6)) zu berechnen. Eine exakte Herleitung von G würde den
Rahmen dieser Darstellung sprengen (s. Ref. R.4.1.6.d für eine Herleitung). Die folgende heuristische Betrachtung ist nicht exakt aber illustrativ (Ref. R.1.4.7 c).
Wir betrachten den hier abgebildeten Tragflügel um welche Luft strömt.
FA
a = Anströmwinkel
c
a
u∞
x
b
= Angle of Attack
= Winkel zwischen
anströmender Luft
und Profilsehne des
Flügels
Die Geschwindigkeit der anströmenden Luft ist u∞. Der Luftdruck an der oberen Seite
ist p1(x), jener an der unteren Seite p2(x). Wie auf p. 114 erörtert, ist wegen der
Bernoulli – Gleichung (4.1.2 und 4.1.3) (für Höhen z1 ≈ z2 ) p2 > p1 und demnach u1 >
u2. Die Druckdifferenz Dp(x) = p2 – p1 ist gegeben durch
Dp(x) = p2 – p1 = (1/2) r (u12 – u22) = (1/2) r (u1 + u2) (u1 - u2)
(4.1.8)
Wir setzten näherungsweis (1/2) (u1 + u2) = u∞ und u1 – u2 = Du(x). Daraus folgt:
Dp(x) = r u∞ Du(x). Ist c die Spannweite und b die mittlere Tiefe des Tragflügels,
dann folgt für die Auftriebskraft FA die folgende Gleichung:
117
Kutta – Joukowski : Heuristisches Modell
c
c
FA ≈ b
∫ Dp(x) dx
= b r u∞ ∫ [u1(x) – u2(x)] dx
0
(4.1.9)
0
Eine nähere Betrachtung des Integrals zeigt, dass dieses der negativen Zirkulation
um den Tragflügel entspricht. Die Zirkulation ist gegeben durch
c
G ≈
∫u
0
‘0
2
dx +
∫u
c
1
dx = -
c
∫ (u1 – u2) dx
c
= -
0
∫ Du(x) dx
(4.1.10)
0
Mit (4.1.5) folgt eine Beziehung zwischen der Auftriebskraft FA und der Zirkulation G:
c
FA = - b r u∞ G = + b r u∞
∫ Du(x) dx
(4.1.11)
0
In einer Näherung ersetzen wir u1(x) und u2(x) durch konstante mittlere
Geschwindigkeiten u1m und u2m . Daraus folgt die mittlere Zirkulation
Gm = - c (u1m - u2m)
(4.1.12)
und die mittlere Auftriebskraft FAm ist dann gegeben durch
FAm = - b r u∞ Gm = + b c r u∞ (u1m - u2m)
(4.1.13)
Setzen wir u1m = u∞ + uZirk und u2m = u∞ - uZirkk , wobei uZirk die Zirkulationsgschwindigkeit ist, dann folgt mit u1m - u2m = 2 uZirk
Gm = - 2 c uZirk
und
FAm = 2 b c r u∞ uZirk
118
118
4–6
(4.1.14)
Auftrieb: technische Formel und Kutta – Joukowski
In der technischen Literatur wird für den Auftrieb oft folgende Beziehung
verwendet :
FAt = (1/2) CA b c r u∞2
(4.1.15)
Hier ist CA der sog. Auftriebsbeiwert oder Auftriebskoeffizient , der unter anderem
von der Stellung des Tragflügels (Steigung a , s. p. 117) und der Form des
Tragflügels abhängt . Identifizieren wir Fat mit der theoretischen Formel (4.1.6) , bzw.
(4.1.11) : Fat = FA , dann folgt
(1/2) CA b c r u∞2 = - b r u∞ G
oder
CA = - 2 G / (c u∞)
bzw.
G = - (1/2) CA c u∞
(4.1.16)
(4.1.17 )
[man beachte , dass G < 0 und damit CA > 0] .
Zur Illustration von Glg. (4.1.17) benützen wir das heuristische Modell für G, nämlich
Gm = - 2 c uZirk (Glg. (4.1.14)), und erhalten für den Auftriebskoeffizienten CAm :
CAm = 2 (u1m – u2m) / u∞ = + 4 uZirk / u∞
(4.1.18)
Als Beispiel sei u1m = 1.28 u∞ und u2m = 0.72 u∞ ; dann ist uZirk = 0.28 u∞ und
CAm = 1.12.
119
4–7
4.2 Fliegende und gleitende Tiere
120
4.2.1 Wirbellose und Wirbeltiere
Wirbellose
Wirbeltiere
Als Wirbellose oder Invertebraten
versteht man alle tierischen Organismen ohne Wirbelsäule. Den Invertebraten fehlt in der Regel ein InnenSkelett, dagegen ist oft ein Aussenskelett ausgebildet.
Die Gattung der Wirbeltiere verfügt
über ein Innenskelett, dessen
Zentrum die Wirbelsäule ist.
Wirbeltiere gehören zu den
höherentwickelten Lebensformen.
Beispiele von Wirbeltieren :
Zu dieser Gruppe von Lebewesen
gehört die Mehrzahl aller bekannten
Tierarten.
Säugetiere (z.B. Menschen)
Vögel
Fische
Kriechtiere
Lurche (z.B. Frösche)
Beispiele von Wirbellosen :
Insekten
Weichtiere (z.B. Schnecken)
Ringelwürmer (z,B, Egel)
Nesseltiere (z.B, Qualle)
Urtiere (z,B. Amöbe)
Tintenfische (Tintenschnecken)
121
4–8
Die biologische - geologische Zeitskala
Schrumpfung des Erdzeitalters auf einen Tag
Alter in
Mio. Jahren)
0.01
0.13
1.5
7
10
33
80
200
280
360
420
470
600
1000
1500
2200
3200
Entwicklung
Ackerbau
und Viehzucht
Homo sapiens
Homo habilis
aufrechter Gang
Vormenschen
Menschenaffen
Affen
Säuger
Reptilien
Amphibien
Fische
Wirbeltiere
Vielzeller
Sexualität
Eukaryoten
Photosynthese
Einzeller
Die geologische Zeitskala ist eine Tabelle,
welche die Erdgeschichte chronologisch
und hierarchisch gegliedert darstellt.
(In der Tabelle rechts von unten nach oben)
1 Tag
Alter
0.2 s
2 s
25 s
2 min
3 min
10 min
20 min
1h
1 h 20 min
1 h 45 min
2h
2 h 15 min
3h
5h
7h
11 h
15 h
Mit Beginn des Zeitalters sichtbaren tierischen Lebens vor 542 Millionen Jahren
setzt der kontinuierliche Fossilbericht ein,
der mit den Methoden der Biostratigraphie
eine differenzierte Einteilung ermöglicht.
In der nebenstehenden geologischen
Tabelle befinden sich die älteren Zeitabschnitte unten, die jüngeren oben, so wie
die Serien der Sedimentgesteine innerhalb
eines idealisierten tektonisch ungestörten
Gesteinsprofils anzutreffen sind.
Beispiele von fliegenden oder gleitenden
wirbellosen Tieren und Wirbeltieren sind
auf p. 123 zusammengestellt.
122
Bekannte Lebewesen auf der Erde
Die Insekten werden in viele Gruppen
Eingeteilt, zu denen die Käfer, die
Schmetterlinge, die Mücken und viele
andere gehören. Wie auf dem Bild
ersichtlich, bilden die Käfer die
grösste Gruppe der Insekten.
Es gibt über 250’000 Käferarten.
Sucht man im Wald, so findet man
unter einem umgedrehten Stück Holz
oder im abgefallenen Laub leicht
einen Käfer.
So unterschiedlich die 250’000 Käferarten sind, so haben sie eines
gemeinsam: Alle Käfer werden durch
einen harten Hauptpanzer geschützt.
Unter diesen Hauptpanzern liegen
zwei zarte, faltbare Hautflügel.
Wie alle Insekten bewegen sich Käfer mit sechs Beinen fort. Die Fühler benutzen die
Käfer zum Tasten. Bei der Geburt ist der Käfer eine Larve. Dann verpuppt sich die
Larve und entwickelt sich dann zum Käfer.
Die in der Figur eingezeichneten roten Pfeile geben die Arten der Insekten an.
Man beachte, dass die Wirbeltiere nur einen sehr geringen Anteil aller Lebewesen
ausmachen.
123
4–9
4.2.2 Fliegende und gleitende
Wirbellose: Insekten
124
Was ist ein Insekt ?
Der Begriff «Insekten» kommt vom lateinischen «Insecare», was
«einschneiden» bedeutet und auf die drei Körperabschnitte (Kopf , Brustteil und Hinterleib) hindeutet.
Die Wissenschaft von der Insektenkunde ist die Entomologie .
Insekten sind wirbellose Tiere, d.h. sie haben im Gegensatz zu Säugern,
Fischen, Reptilien, Amphibien und Vögeln keine Wirbelsäule und auch
kein
inneres
Skelett.
Sie
gehören
zum
Wirbellosenstamm
der
Gliederfüssler, welche durch ihre gegliederten Beine und ihr hartes,
schützendes Aussenskelett charakterisiert sind.
Von den übrigen Gliederfüsslern unterscheiden sich die Insekten dadurch,
dass sie nur drei Beinpaare und meist ein bis zwei Paar Flügel besitzen.
Spinnen oder Skorpione gehören daher nicht zu den Insekten .
Eine sehr grosse Anzahl von Insekten sind fliegende Tiere. Neben den
fliegenden Insekten gibt es aber auch nicht-fliegende Insekten , Beispiele
der letzteren sind Grillen, Motten und Steinfliegen.
Innerhalb der vorliegenden Thematik von «fliegenden Tieren» befassen wir
uns nur mit fliegenden Insekten.
125
4 – 10
Der Planet der Insekten
Im Tierreich wird zwischen Ein- und Mehrzellern unterschieden. Letztere unterteilt man
in etwa 30 Stämme, zu denen die Arthropoden (Gliederfüsser) zählen (arthron = Glied
und podes = Füsse). Arthropoden stellen mehr als 80 % aller Tierarten, die
dazugehörigen Insekten hiervon wiederum mehr als 75 % dar, und täglich kommen neu
beschriebene Arten hinzu. Einige Wissenschaftler sprechen gar von über 50 Millionen
Insekten, die irgendwo auf unserem Planeten auf ihre Entdeckung warten.
Mit über einer Million bisher entdeckten Spezien stellen Käfer als artenreichste Insekten
an erster Stelle, gefolgt von Schmetterlingen mit etwa 180’000 beschriebenen Arten (s.
p. 123). Den Schmetterlingen folgen die Fliegen und Mücken und anschliessend die
Hautflügler. Daneben existieren noch viele weitere Insekten, die in der Figur auf p. 123
unter «Sonstige Insekten» aufgeführt sind.
Die ersten Insekten bevölkerten unsere Erde vor etwa 400 Millionen Jahren, gehören
also zu einer der ursprünglichsten Arten unseres Planeten. Zudem sind sie die
anpassungsfähigsten Tiere der Welt, denn während Spezies wie die Dinosaurier
ausstarben, konnten sich Insekten stets weiterentwickeln und vermehren. Ihre enorme
Anpassungsfähigkeit erlaubt den Insekten, jeden Ort der Erde zu bevölkern – sie leben
in der Luft, im Wasser, in Holz, etc.
Entsprechend dem Grundbauplan der Insekten haben die Käfer zwei Paar Flügel, von
denen aber nur das hintere Paar zum Fliegen geeignet ist, Das fordere ist sklerotisiert
(verhärtet). Die meisten Käfer können mehr oder weniger gut fliegen. Darunter gibt es
Arten, die hervorragend gut fliegen und Maximalgeschwindigkeiten bis zu 8 m/s
erreichen.
126
Grösste und kleinste fliegenden Insekten der Welt
Sucht man in der Literatur nach den grössten und kleinsten fliegenden
Insekten der Welt, dann erhält man keine eindeutigen Antworten, hauptsächlich was die grössten Insekten betrifft. Untenstehend wurden Insekten
aufgeführt, die zu den besten Kandidaten gehören.
Flügelspannweite
Königin
Alexandra
Vogelfalter
Männchen
Das kleinste Insekt überhaupt ist eine Art
der Zwergwespen, die sog. «Dicopomorpha
Echmepterygis»: Das Männchen hat eine
Länge von 0.14 mm, ist aber flugunfähig
und blind. Die Weibchen sind ca. L = 0.2
mm und sind flugfähig. Die Reynoldszahl
Re = (r/h) L*u (s. pp 4-A-2-1 und 4-A-2-2),
ist von der Grössenordnung Re ≈ 1.
(Hinweis auf diese Zwergwespe von Herrn
Peter Etter).
Eine der grössten Insekten der Welt ist ein
Schmetterling. Der grösste bekannte
Schmetterling ist der Vogelfalter Königin
Alexander; seine Spannweite wird bis 28
cm gross und der Nachtfalter Atlasspinner
kann über 30 cm erreichen.
127
4 – 11
Zur Morphologie der Insekten
Flügel
Brust
Kopf
Hinterleib
Fassettenauge
Gliederfuss
Insekten sind wirbellose Tiere, sie haben also keine Wirbelsäule. Dafür haben sie
einen harten äusseren Körperpanzer aus Chinin und sechs gegliederte Beine. Ihr
Körper besteht aus drei Abschnitten (s. auch p. 129): Kopf, Brust und Hinterleib.
Augen, Mundwerkzeuge und Fühler befinden sich am Kopf, während Beine und
Flügel mit dem mittleren Brustsegment verbunden sind. Im hinteren Segment
(Abdomen) befinden sich Herz, Darm und Fortpflanzungsorgane des Insekts.
Aber nicht jedes Krabbeltier ist auch ein Insekt ! Spinnen und Krebse ähneln den
Insekten, aber sie bilden ihre eigene Tiergruppe. Charakteristisch ist wirklich die
Gliederung in drei Teile.
128
Zum inneren Körperbau eines Insekts: Die Biene
Augen: Viele Insekten haben zwei Facettenaugen, die sich aus
vielen hundert Einzelaugen zusammensetzen. Die Facetten
nehmen nur einen kleinen Teil der Umwelt war. Erst im Gehirn
wird dann das ganze Bild zusammengesetzt. Je mehr Facetten
die Augen haben, desto klarer wird das Bild.
Atmung: Insekten haben keine Lungen. Entlang des Körpers verfügen sie über viele kleine Löcher, durch die sie Luft aufnehmen
können.
Bienen sind staatenbildende Insekten (s. p. 130). Die Fortpflanzung übernehmen oft nur sehr wenige Geschlechtstiere
innerhalb des Insektenstaates. Bei der Biene ist es nur eine
einzige Königin, die befruchtete und unbefruchtete Eier legt.
129
4 – 12
Facettenauge eines
Drohns: männliche
Biene
Bienen , Ameisen und Termiten
Bienen
Ameisen
Der Höhepunkt des Bienenjahres ist
die Schwarmzeit, in welcher ein Teil
der
natürlichen
Fortpflanzung
stattfindet (vom April bis Juni). Das
ist dann der Fall, wenn der Bienenstock vor Honig und Bienen
überquillt.
Flügel besitzen nur geschlechtsreife Männchen und Weibchen.
Zur Paarung verlassen die fliegenden Ameisen in Schwärmen
ihren Bau und begeben sich auf
Hochzeitsreise: Die Paarung
findet in einer Höhe von 15 – 20
m statt.
Die Bienen stürzen wie ein
Wasserfall aus dem Flugloch und
erfüllen die Luft mit Brausen. Im
Schritttempo zieht diese 10 - 20 m
grosse Bienenwolke friedlich dahin,
die Königin in ihrer Mitte bis sie
sich an einer geeigneten Stelle
wieder setzen.
Ameisen sorgen für ein intaktes
ökologisches
Gleichgewicht:
Dazu gehört die Umschichtung
der oberen Erdschichten, die
Vernichtung von Abfallprodukten und kleinen schädlichen
Insekten.
Termiten-Schwarm
Termiten bilden eine statenbildende Ordnung der Insekten
und gehören zu den Fluginsekten. Ein Termitenstaat
kann mehrere Millionen Individuen umfassen.
Die mit voll entwickelten Facettenaugen versehenen Geschlechtstiere legen nach dem
Schwärmen (Hochzeitsflug) die
Flügel ab. Nach dem Abwurf
der Flügel bleibt an der Flügelbasis eine Flügelschuppe erhalten.
130
4.2.3 Schmetterlinge
Schmetterlinge gehören zu den Insekten (Lepidoptera). Systematisch gesehen bilden sie eine eigene Ordnung innerhalb der Insekten. Weltweit gibt es
ca. 200’000 verschiedene Schmetterlingsarten. In Mitteleuropa leben hiervon
mehr als 3’000 Arten.
PfauenaugeSchmetterling
Von den anderen Insekten lassen sie sich dadurch abgrenzen ,
Flügel besitzen, die Schuppen tragen (s. p. 133).
dass sie
Der Falter ist das erwachsene Tier. Er dient dazu, Nachkommen zu erzeugen
(s. p . 132). Seine Hauptaufgabe besteht deshalb darin, die befruchteten Eier
an Stellen abzulegen, an denen sich diese sicher entwickeln können. Die
Schmetterlingseier werden hierzu von den Weibchen z.B. an der
Blattunterseite einer Pflanze abgelegt, wo sie gut vor Regen und Sonne
geschützt sind.
Die Schmetterlingseier sind je nach Schmetterlingsart unterschiedlich gross
und unterschiedlich geformt; in der Regel haben die Schmetterlingseier aber
einen Durchmesser von 0.4 bis 2.6 mm. Aus den Eiern schlüpfen zumeist
innerhalb weniger Tage die Larven, die man bei den Schmetterlingen Raupen
nennt (s. p. 132).
131
4 – 13
Entwicklungsstadien eines Schmetterlings
Je nach Klima kann der Lebenszyklus einer Art nur
wenige Tage kurz oder bis zu vier Jahren lang sein.
vollentwickeltes
Insekt
(Imago)
geschlechtsreife
Falter bei der
Paarung
aus der Puppe
schlüpfender
Falter
Admiral
(Vanessa atalanta)
befruchtetes Ei:
(dreizehnfach
vergrössert)
Larve oder
Raupe
Puppe oder
Chrysalis
132
Flügel und Flugverhalten
Die Flügel sind bis auf wenige Ausnahmen die eigentlichen Bewegungsapparate
der Falter. Die Vorder- und Hinterflügel sind einzeln aufgehängt, werden aber im
Flug miteinander durch besondere Mechanismen miteinander gekoppelt. Bei den
Tagfaltern fehlt aber eine solche Verbindung.
Schmetterlingsflügel sind viel empfindlicher als
die Flügel von Fliegen. Schmetterlingsflügel sind
nämlich auf der Oberseite und auf der Unterseite
mit Schuppen besetzt, die den sehr dünnen
Häuten erst die richtige Stabilität geben damit sie
auch fliegen können.
Links: Schuppen bei 25 – facher Vergrösserung.
Das Flugverhalten
Abhängig von der Schmetterlingsart und ihrer Flügelform kann man mehrere Flugformen unterscheiden. Vom schnellen Schwirrflug bis hin zum langsamen Flattern
und Gleiten zeigen sie alle von der Geschwindigkeit des Flügelschlags und der Art
der Fortbewegung bedingten Abstufungen. Angetrieben werden die Flügel durch
mehrere Muskeln des Thorax. Die Flügel der Falter schlagen im Flug nicht einfach
auf und ab, sondern drehen sich an der Basis, sodass sie eine «8» beschreiben. Zu
den schnellen Faltern gehören die Schwärmer. Sie können sich bis 50 km/h
fortbewegen und im Flug, während des Nektarsaugens, auch still stehen und sogar
rückwärts fliegen. Die ganz kleinen Falter lassen sich durch den Wind transportieren
und schweben in der Luft wie Plankton im Wasser. Allgemein ist der Wind ein
wichtiges Transportmittel.
133
4 – 14
Einige Schmetterlinge
Admiral – 40- 60 mm
Vogelfalter: bis 280 mm !
Kleiner Fuchs: 45 – 50 mm
134
4.2.4 Fliegen und Mücken: Taufliegen und Tsetsefliegen
Taufliege im Gleitflug:
Flügel stehen fast still.
Sie ist nur wenige mm gross.
Um mit ihren kleinen Flügeln effizient fliegen zu können
(Bild unten), müssen Fliegen sehr schnell damit
schlagen.
Das
verursacht
das
bekannte
und
allgegenwärtige lästige Summen der kleinen Flieger. Die
Taufliege (Drosophila melanogaster), im Volksmund auch
Fruchtfliege genannt, bewegt ihre Flügel mit einer
Frequenz von 200 – 250 Schwingungen pro Sekunde
(200 – 250 Hertz). Ihre Flugmuskeln kontrahieren und
entspannen sich also 200 bis 250 mal pro Sekunde!
Wie erreicht dir Taufliege diese hohe Schlagfrequenz ?
Der Trick der Fliegen ist verblüffend einfach: Die Kontraktionen der Flugmuskeln werden nicht nur durch
Nervenimpulse gesteuert, sondern zusätzlich durch
Spannung. Dazu besitzt die Fliege zwei Kategorien von
Flugmuskeln: Die einen bewegen die Flügel nach unten
und dehnen dabei die andern, die dann kontrahieren.
Dadurch werden die Flügel wieder nach oben gezogen,
ein höchst effektiver Kreislauf.
Die Taufliege kann ihre Flugrichtung innerhalb von 50
Millisekunden um 90o verändern !
Taufliege im aktiven Flug
mit sehr hoher Schlagfrequenz der Flügel !
Tsetsefliegen leben in Afrika, ernähren sich von menschlichem und tierischen Blut und übertragen die gefährliche Schlafkrankheit.
135
4 – 15
Stechmücken
Stechmücken sind eine Familie von Insekten der Ordnung
der Zweiflügler. Weltweit gibt es mehr als 3’500 Stechmückenarten.
Mit Hilfe spezialisierter Mundwerkzeuge, dem stechendsaugenden Rüssel, können weibliche Stechmücken die
Haut ihrer Wirte durchstechen und Blut saugen. Die dabei
aufgenommenen Proteine sind für die Produktion der Eier
erforderlich. Ansonsten ernähren sich Stechmücken von
Nektar und anderen zuckerhaltigen Pflanzen.
Fliegende Stechmücke
Bestimmte Stechmücken sind als Krankheitserreger, wie
zum Beispiel Malaria oder Denguefieber, bekannt. Noch
heute sterben daran jährlich ca. 2 Millionen Menschen!
Flugeigenschaften
Stechmücken können mit einer Geschwindigkeit von etwa 1.5 bis 2.5 km/h fliegen. Ihre
Flughöhe ist im Allgemeinen abhängig von der jeweiligen Art, von der Höhe des Aufenthaltsortes über Meer, vom Wetter, vom Luftdruck, der Temperatur und den Lichtverhältnissen. Bei warmem, windstillem Wetter mit leichter Bewölkung ohne starke
direkte Sonneneinstrahlung ist die Aktivität der Stechmücke am grössten. Dann kann von
einigen Arten eine grosse Flughöhe erreicht werden, indem sie von thermischen
Aufwinden in Höhen von über 100 m getragen werden. Bei kühler oder regnerischer
Witterung fliegen viele Stechmücken nur kurze Distanzen und verbleiben eher in
Bodennähe. Bei deutlichem Wind und Temperaturen im Bereich des Gefrierpunktes
stellen sie die Flugaktivität komplett ein.
136
4.2.5
Hautflügler
Holzwespe
Pflanzenwespe im Flug
Zu den Hautflügler gehören so bekannte Insekten wie die Bienen, Wespen und Hummeln.
Die Bienen stellen für den Menschen wohl die wichtigste Insektengruppe dar.
Die Zahl der bis heute bekannt gewordenen Hautflügler-Arten liegt etwa bei 100’000.
Doch dürfte sich die Gesamtzahl der Arten noch beträchtlich erhöhen, wenn erst in den
tropischen Gebieten noch intensiver nach den Kleinwespen geforscht wird. Verbreitet
sind die Vertreter der Ordnung der Hautflügler in fast allen Lebensräumen, vom feuchten
tropischen Regenwald bis in die trockensten Wüstengebiete.
Die Mehrzahl der Hautflügler trägt zwei membranartige durchsichtige Flügelpaare, wobei
die Hinterflügel kleiner als die Vorderflügel sind. Die funktionelle «Zweiflügeligkeit» wirkt
sich auf die Flugtüchtigkeit sehr positiv aus.
137
4 – 16
4.2.6 Libellen
Ausgespannte Libelle
Libelle im Flug
Die Flugkünste vieler Libellen sind atemberaubend, perfektioniert in Millionen von Jahren der Evolution. Grosslibellen beispielsweise können ohne Rückenwind mehr
als 40 km/h erreichen, schnell beschleunigen, aus vollem
Flug abrupt abbremsen, plötzlich die Richtung ändern
und einige Arten können sogar rückwärts fliegen. Mit
Windunterstützung können einzelne Arten in wenigen
Tagen bis zu 1000 km zurücklegen und so aus dem
Mittelmeergebiet über die Alpen bis nach Mitteleuropa
vordringen, Kleinlibellen beeindrucken mehr durch ihre
extrem hohe Manövrierfähigkeit auf engem Raum.
Ermöglicht werden dies Leistungen durch eine sehr
starke Flugmuskulatur und leichte, aber dennoch stabile
Flügel (die 4 Flügel einer Grosslibelle wiegen zusammen
nur ca. 10 mg, die ganze Libelle aber etwa 1 g). Zudem
können die beiden Flügelpaare unabhängig voneinander
bewegt werden, und da jeder Flügel von einem eigenen
Muskelpaar bewegt wird, ist er einzeln nach Bedarf
verstellbar. Bei gewöhnlichem Fliegen bewegen Libellen
ihre Flügel mit einer relativ kleinen Frequenz, nämlich nur
bis etwa 30 mal pro Sekunde auf und ab und fliegen
praktisch lautlos. Die entsprechende Frequenz von
Fliegen und Mücken (p. 135) ist viel grösser, nämlich 200
- 250 mal pro Sekunde.
138
Vergleich von Libelle mit Helikopter
Das Flugverhalten einer Libelle ist vergleichbar mit jener eines Hubschraubers
(Helikopters) :
•
•
•
•
•
•
Beide sind «Senkrechtstarter» und «Senkrechtlander»
Beschleunigung aus vollem Flug
Abruptes Abbremsen
Plötzliche Aenderung der Richtung
Rückwärtsflüge
Hohe Manövrierbarkeit
[Der Auftrieb von Helikoptern beruht auf der Strömung der Luft um die rotierenden Propeller, deren
Profil jenen der statischen Tragflächen gleicht (s. pp 113 – 119 und Ref. R.4.2.20); Der Auftrieb
entsteht also durch den Unterdruck durch die schneller strömende Luft an der Oberseite der Rotorblätter].
139
4 – 17
4.3 Fliegende und gleitende Wirbeltiere
Der Stamm der Wirbeltiere wird in 5 Klassen eingeteilt:
Säugetiere
140
4.3.1 Fliegende Urtiere
141
4 – 18
Pterosaurier im Gleitflug
Die Flugsaurier sind ausgestorbene
Tiere, die wie die Dinosaurier,
klassisch den Reptilien zugeordnet
werden. Es handelt sich dabei um
Pterosaurier, die im Gegensatz zu
den Dinosaurier, in der Lage waren,
hauptsächlich zu gleiten, ev. gar
aktiv zu fliegen.
Die frühesten Funde von Flugsaurier
reichen zurück bis in die untere
Obertrias (Kambium) vor etwa 228
Millionen Jahren. Sie waren auf der
Erde präsent bis zum grossen
Massensterben an der Wende der
Kreidezeit vor etwa 65 Millionen
Jahren.
Der abgebildete Flugsaurier (Pterosaurus) ist die grösste bekannte
fliegende Kreatur. Wissenschafter
schätzen, dass der Texas Flugsaurier
eine Flügelspannweite von ca 15 m
besass - grösser als die meisten
modernen Überschall-Flugzeuge!
142
Flugsaurier: Anatomie
Das auffälligste Merkmal der Flugsaurier
sind die zu grossen Schwingen umgestalteten Vorderbeine, die den Tieren sowohl
den Gleitflug als auch den aktiven Flug ermöglicht haben.
Die Flügelknochen der Flugsaurier waren
in der Regel hohl und sehr dünnwandig. Sie
enthielten viele luftgefüllte Bereiche.
Damit wurde das Gewicht der Knochen nicht
zu hoch. Durch Knochenbälkchen wurden
vor allem die Enden der grossen Knochen
verstärkt. In der Regel werden aus diesem
Grunde nur Fragmente der Flügelknochen
gefunden, intakte sind äusserst selten.
Die Wirbelsäule der Flugsaurier unterscheidet sich von den früheren Reptilien deutlich
und ist der fliegenden Lebensweise angepasst. In einigen Bereichen ähnelt sie sehr
stark der Wirbelsäule von Vögeln mit einer
ausgeprägten Schulterregion und einer
massiven Region im Bereich der Becken.
143
4 – 19
Charakterisierung der Pterosaurier
Die grössten Pterosaurier hatten eine geschätzte Flügelspannweite vom 11 – 13
Metern. Seine hohlen Knochen ermöglichten ein für seine Grösse geringes Gewicht
von ca. 100 kg; andere Quellen gehen von bis zu 200 kg aus. Der Rumpf war im
Vergleich zur Flügelspannweite sehr klein. Die Art war vermutlich kein ausdauernder
aktiver Flieger sondern legte weite Strecken im Segelflug zurück wobei sie
thermische Luftströmungen ausnützten und so mit minimalem Energieaufwand
stundenlang in der Luft bleiben konnten.
Wie genau sie es schafften, sich mit ihrem Gewicht und ihrer Flügelspannweite in die
Luft zu erheben, ist bis heute umstritten. Während die kleineren Formen vermutlich
recht gute aktive Flieger waren, konnten vermutlich auch die grossen Pterosaurier
(Quetzalcoatlus) aus eigener Kraft vom Boden aus starten, benötigten dazu aber
günstige Windverhältnisse.
Ob der lange spitze Schnabel Zähne besass ist unklar, ebenso ob sich die Tiere am
Boden zweibeinig oder vierbeinig fortbewegten.
144
4 – 20
44.3.2 Die Vögel: Physiologie,
Flugtechnik und Beispiele
145
Vögel : Geschichte - Meister der Lüfte - Beispiele
Zur Geschichte der Vögel
Vor ungefähr 200 Millionen Jahren begann die Geschichte der Vögel. Das nebenstehende Bild zeigt
das mutmassliche Aussehen des «Urvogels», dem
Archeopteryx (umgezeichnet nach dem Original
von Maurice Wilson in W.E. Swinton: Fossil Birds,
London (1965)).
Aus der in der Abbildung gezeigten Rekonstruktion ist klar ersichtlich, dass der
Archeopteryx mit seinem vogelähnlichen Schädel, seinen Krallen, Flügeln, Federn
und einem Gabelbein sehr einem Vogel ähnelte. Ausser den Vögeln besitzt kein
anderes Tier Federn und Gabelbeine. Federn sind hochkomplexe Strukturen, die
optimal für die ihnen zugedachten aerodynamischen Funktionen sowie als
Wärmespeicher konstruiert sind.
Fossile Funde, die als Vögel klassifiziert wurden, zeigen die Verwandtschaft von
deren Vorfahren mit Reptilien. Der oben gezeigte älteste bekannte Urvogel, hatte
etwa die Grösse einer kleinen Taube. Von ihm wurde ausser einer einzelnen Feder
auch sieben vollständige oder teilweise erhaltene Abdrücke gefunden, die alle aus
dem Oberjura (vor 157 Millionen bis 145 Millionen Jahren) stammen.
Vögel findet man auf allen Kontinenten der Erde; sie können sich an fast jeden
Lebensraum anpassen. Es existieren heute etwa 9000 Arten, die in scheinbar
unbelebten Wüsten oder der Antarktis, in Urwäldern, Sümpfen, Felsküsten, Wäldern,
Feldern und in Städten leben können.
146
4 – 21
Vögel : Habitus und Skelett
Die zwei Flügel entsprechen den
beiden Armen des Vogels
Die Knochen sind fast hohl
147
Physiologie der Vögel - Das Skelett
Längsschnitt durch den
Knochen eines Vogels
Um das für das Fliegen notwendige
geringe Körpergewicht zu
erreichen, sind die Knochen
der Vögel weitgehend hohl.
Allerdings ist der Grad der
Pneumatisierung bei den einzelnen
Gruppen unterschiedlich stark
ausgebildet.
Querschnitt durch einen
Vogelknochen .
Die Bälkchen geben die
nötige Stabilität.
Skelett macht nur 6 – 8 %
des Körpergewichtes aus
(bei Säugern 20 – 30 %)
148
4 – 22
Physiologie der Vögel - Flügel
Flügel sind bei Vögeln zum Fliegen dienende Bewegungsorgane, die durch Umbildung
der Vordergliedmassen entstanden sind. Beim Fliegen wird mit ihnen Auftrieb und Vortrieb erzeugt.
Die Befiederung besteht aus grossen Schwungfedern und kürzeren Deckfedern.
Letztere bilden bei Ober- und Unterflügeln die Flügeldecken. Die Schwungfedern sind
die grössten Federn am Flügel und werden in Handschwingen und Armschwingen
unterteilt. Sie greifen dachziegelartig ineinander. Bei flugunfähigen Vögeln (z.B. beim
Strauss), sind die Schwungfedern meist stark reduziert.
Der Zusammenhalt der Federn ist wie unten dargestellt sehr komplex.
Unter dem Mikroskop
erkennbar:
Ineinandergreifende
Haken und Bögen
halten die Federn
zusammen.
149
Zur Dynamik des Vogelflugs
Die physikalischen Prinzipien, auf welchen das Fliegen von Flugzeugen basiert,
wurde im Abschnitt 4.1 (pp 109 – 119) ausführlich diskutiert. Diese Prinzipien
gelten im Wesentlichen auch für den Vogelflug: An einem gestreckten Schlagflügel
(Gleitflug) entsteht der Auftrieb auf die gleiche Art und Weise wie an einem von
vorne angeströmten Tragflügel.
Beim Vogelflug entsteht aber eine wesentliche Komplikation durch die Dynamik der
Flügel beim Flügelschlag, der es dem Vogel ermöglicht, ohne Motor und Kraftstoff
zu fliegen.
Auftrieb und Vortrieb werden wesentlich durch die Flügelform und durch Auf- und
Abschlag der Flügel bewirkt.
Beim Flügelaufschlag trifft die Luft mehr von oben und beim Flügelbschlag mehr
von unten auf den Flügel. Die dabei entstehenden Kräfte sind im Bereich der
Flügelwurzel klein und werden zur Flügelspitze hin grösser.
Beim Flügelabschlag ist die Auftriebsverteilung insgesamt grösser als im Gleitflug
und mehr zur Flugspitze hin verlagert. Durch diese Schlagbewegung entsteht
zudem auf der ganzen Flügellänge eine Schubkraft. Die Funktionsweise ist ähnlich
wie bei einem Propellerblatt mit sehr grosser Steigung, nur dass hier die zu
überwindende Propeller-Umfangskraft als Auftrieb bezeichnet und auch als solche
benutzt wird.
Auch bei den Insekten gibt es prinzipiell diese Flugtechnik; diese unterscheidet
sich aber vor allem aufgrund der unterschiedlichen Grösse doch deutlich von den
Techniken der Vögel (s. Abschnitt 4.2).
150
4 – 23
Meister der Lüfte - Rekorde aus der Vogelwelt
Der schnellste Flieger: Der schnellste Vogel ist der Wanderfalke, der im Sturzflug bis
zu 250 km/h erreichen kann. Seine normale Geschwindigkeit liegt zwischen 50 und
100 km/h.
Die Hochflieger: Die meisten Vogelarten fliegen etwa 100 bis 2000 m über dem
Boden.
Zugvögel steigen jedoch häufig bis auf eine Höhe von 10’000 m hoch, beispielsweise bei der Überquerung des Himalaja. Gemessener Rekord: 11’000 m (afrikanischer Sperbergeier). Es ist erstaunlich, dass die Tiere mit dem dort knappen
Sauerstoffgehalt (s. Kapitel 2, p. 30) die zum Fliegen erforderliche Muskelkraft
aufbringen können.
Die Langstreckenflieger: Rekordhalter im Langstreckenfliegen ist die Küstenseeschwalbe. Sie fliegt von allen Zugvögeln am weitesten. Der Vogel brütet in der Arktis
und fliegt dann in die Antarktis um dort zu überwintern. Dabei legt sie hin und zurück
zwischen 30’000 und 50’000 km zurück. Das entspricht etwa dem Umfang der Erde.
Längster Aufenthalt in der Luft: Kein Vogel befindet sich ausdauernder in der Luft als
der Alpensegler: Erstmals wurde nachgewiesen, dass er einen 200 Tage NonstopFlug zurücklegen kann. Zu den in der Luft ausdauernsten Vögel gehört auch der
Mauersegler (s. Anhang 4-A-3-4).
151
Bunte Vögel
Der eitle Pfau
Die Mandarinente
4 – 24
152
Der Andenkondor
Der Andenkondor ist eine Vogelart, die zu den Neuweltgeiern zählt. Männliche, ausgewachsene Andenkondore sind mächtige, schwarze Greifvögel mit an der Oberseite
deutlich weissen bis silbern weissen Handschwingen und Deckfedern und einer
weissen Halskrause, die den nackten, rötlichbraunen Kopf vom Rumpf absetzt. Sie
sind bis zu 15 kg die schwersten Greifvögel und zählen zu den wenigen Vögeln, deren
Spannweite über 3 m betragen kann!
153
44.3.3 Gleitflug von Fischen - 1
Gewisse Meerfische werden als fliegende
Fische bezeichnet. Fliegende Fische können
Sprünge aus dem Wasser in die Luft durch
Selbstantrieb ausführen. Mit Hilfe ihrer
langen flügelartigen Flossen sind sie in der
Lage, Gleitflüge über dem Wasser entlang
beträchtliche Strecken zurückzulegen. Diese
ungewöhnliche Fähigkeit ist ein natürlicher
Mechanismus zur Selbstverteidigung gegen
Raubtiere.
Es wird immer wieder beobachtet wie fliegende Fische aus dem warmen Ozeanwasser
springen. Ihre stromlinienförmige Torpedoähnliche Form ermöglicht es ihnen genügend Unterwassergeschwindigkeit zu erzeugen und durch ihre grossen flügelähnlichen
Brustflossen werden sie flugtüchtig.
Der Prozess des Gleitens beginnt mit der
Erzeugung hoher Geschwindigkeiten unter
Wasser, etwa 60 km/h. In der Luft erreichen
sie Höhen bis 1.2 m und sie können bis zu
200 m gleiten.
154
4 – 25
Gleitflug von Fischen - 2
Fliegende Fische leben in allen Ozeanen, hauptsächlich im warmen subtropischen
Wasser. Diese Fische sind im Durchschnitt kleiner als 30 Zentimeter; die grössten von
ihnen erreichen eine Länge von 45 Zentimetern.
Fliegende Fische sind Knochenfische, die mit ihren flügelähnlichen Flossen
gleichermassen gut für das Schwimmen im Wasser als auch für das Gleiten in der Luft
angepasst sind. Das gerundete Profil der «Flügel» ist mit der aerodynamischen Form
von Vogelflügeln vergleichbar. Sie können nicht mit den Brustflossen schlagen, um
ähnlich wie Vögel aktiv zu fliegen. Vielmehr katapultieren sie sich mit einem Sprung
aus dem Wasser und segeln kurze Strecken im Gleitflug über die Wasseroberfläche.
Fliegende Fische haben aussergewöhnlich grosse, hoch am Körper angesetzte
Brustflossen. Bei der Unterfamilie Cypselurinae sind auch die Bauchflossen flügelartig,
so dass vier Flügel für den Gleitflug zur Verfügung stehen.
Die weitesten Flugstrecken erreichen die Fische, wenn sie sehr nahe über und parallel
zur Wasseroberfläche durch die Luft gleiten: In einer Höhe von 1.5 Meter gleitend
können die Fische über 30 Sekunden lang in der Luft verweilen und dabei Distanzen
von etwa 50 Meter weit, in Extremfällen bis zu 400 Metern zurücklegen.
Die hervorragenden Flugeigenschaft der Fische rührt daher, dass deren Flossenkonfiguration aerodynamisch sehr günstige Flugströmungsverhältnisse ermöglichen,
die vergleichbar mit jenen von Düsenjets sind.
Gelegentlich erreichen sie bei ihren Gleitflügen Geschwindigkeiten von bis zu 70 km/h
und Flughöhen von bis zu fünf Metern.
155
Gleitflug von Haien
Haie sind Knorpeltiere und damit leichter als Knochenfische. Es sind weltweit etwa
500 Arten bekannt. Die meisten Haie fressen Fische und andere Meerestiere so wie
Plankton. Obwohl jährlich nur etwa 5 Menschen infolge von Haiangriffen sterben,
gelten die Tiere gemeinhin als kaltblütige Killer und Menschenfresser. Unter den
fleischfressenden und jagenden Arten stellt der «Weisse Hai» mit einer
Maximalgrösse von bis zu 7 Metern die grösste Art dar.
Haie haben eine grosse ölhaltige Leber, die ihnen einen gewissen Auftrieb gewährt.
Vor Südafrika haben die «Weissen Haie» eine besondere Technik für die Robbenjagd
entwickelt: Die gewaltigen Tiere schiessen aus der Tiefe senkrecht nach oben und
können über Strecken bis zu 200 Metern durch die Luft gleiten. Dabei setzen sie zwar
mehrmals auf, tauchen aber nicht ein. Ihre Fluggeschwindigkeit beträgt bis zu 55
km/h. Der Auftrieb für den Gleitflug wird durch die leichte ölhaltige Leber und die
relativ leichten Knochen begünstigt; ausserdem ist die Bewegung des Schwanzes,
bzw. der unteren Schwanzflossenlappe, am Auftrieb beteiligt.
156
4 – 26
4.3.4 Gleitflug von Reptilien
Die Reptilien oder Kriechtiere bilden eine Klasse der Wirbeltieren. Reptilien
besitzen einen Schwanz, Hornschuppen-Haut und vier Beine (bei Schlangen und
einigen Echsen zurückgebildet). Sie sind Lungenatmer. Reptilien legen Eier, gebären
lebende Junge oder sind Eierlebendgebärend: im Gegensatz zu den Amphibien
bilden sie kein Larvenstadium aus. Reptilien sind exotherme (auf die Zufuhr von
Wärme von aussen angewiesen) und wechselwarme Tiere, die ihre Körpertemperatur
so weit wie möglich von aussen her regulieren (z.B. Sonnenbaden).
Einige gleitende Reptilien :
Es gibt keine fliegenden Reptilien aber wenige von ihnen können gleiten
•
Flugdrachen (Echse)
•
•
Geckos
Gleitflug von «Flugschlangen»
157
Flugdrachen
Die Flugdrachen sind eine Gattung der Echsenfamilie.
Die Echsen leben auf Bäumen in den Regenwäldern Südostasiens, besonders auf den
Inseln des Malaysischen Archipels und der Philippinen.
Die 20 bis 26 Zentimeter langen Flugdrachen tragen an 5 bis 8 verlängerten Rippen
Flughäute mit denen sie im Gleitflug von Baum zu Baum segeln können. Meistens
überbrücken sie nur wenige Meter, sind aber auch zu Gleitfügen von bis zu 60 Metern
Länge fähig. Die Hautsegel, wie auch der Kehlsack sind oft bunt gefärbt und werden
in Ruhestellung seitlich am Körper nach hinten zusammengelegt.
158
4 – 27
Gleitflug eines Gecko
Geckos sind eine Familie von Schuppenkriechtieren. Sie bevölkern seit etwa 50
Millionen Jahren die Erde und haben sich im Laufe ihrer Entwicklung weltweit
ausgebreitet.
Geckos sind kleine bis mittelgrosse Echsen, die zwischen 1.6 cm und knapp 40 cm
gross werden können. Etwa 75 % sind dämmerungs- und nachtaktive Tiere mit
dementsprechender unauffälliger Färbung.
Fliegende Geckos haben Tragflächen an den Gliedmassen, dem Schwanz und den
Körperseiten. In Ruhestellung dienen die Flughäute dem Insektenjäger neben seiner
rindenartigen Färbung zusätzlich als Tarnung. Weiterhin besitzen sie ein Gewebe
zwischen den Zehen, wodurch sie hervorragend gleiten können.
159
Gleitflug einer «Flugschlange»
Fünf verwandte Natternarten in Asien
schlängeln sich nicht nur über den
Boden, sondern «fliegen» auch durch
die Luft !
Diese Flugschlangen werden als biomechanisches Wunder betrachtet: Sie
besitzen keine Flügel, sind aber trotzdem in der Lage zu «fliegen». Genau
genommen gleiten sie durch die Luft.
Dazu springen sie von einem Baum
oder einem andern hohen Gegenstand und machen ihren Körper in der
Luft flach wie ein Segel. Dann gleiten
sie von einem Baum zum andern oder zum Boden. Im Flug halten die Nattern mit
wellenförmigen Bewegungen ihren Körper in der Luft. Aktiv nach oben fliegen können
die Flugschlangen allerdings nicht.
Flugschlangen sind eine kleine Gruppe der Baumschlangen. Zu dieser Gruppe zählen
nur fünf miteinander verwandte Arten, alle sind sogenannte Schmuckbaumnattern. Sie
leben in Südost- und Südasien. Die ausgewachsenen Reptilien sind zwischen 60 und
120 cm lang. Wenn die tagaktiven Tiere beissen, sondern sie ein leichtes Gift ab, das
allerdings nur für ihre Beutetiere wie Geckos, Frösche, Vögel oder Fledermäuse
gefährlich ist.
Warum diese Schlangen fliegen ist nicht bekannt. Es wird vermutet, dass sie dadurch
Beute fangen oder vor Feinden fliehen können.
160
4 – 28
4.3.5 Gleitende Amphibien
Unterschied zwischen Amphibien und Reptilien
Amphibien sind stark abhängig vom Wasser. Sie beginnen ihr Leben als
Kiemenatmer und brauchen immer einen feuchten Lebensraum, um nicht
auszutrocknen.
Reptilien (pp 157 – 160) sind dagegen reine Landtiere. Sie bevorzugen
warme und sonnige Lebensräume. Ihre Haut besteht aus einer Schuppenschicht; manche haben sogar einen Panzer, der sie schützt. Sie müssen
sich im Laufe des Jahres mehrfach heuten, da ihre Schuppenschicht nicht
nachwächst.
Amphibien: Definition und Allgemeines
Die Amphibien oder Lurche ist die stammesgeschichtlich älteste Klasse
der Landwirbeltiere. Viele Arten verbringen zunächst ein Larvenstadium im
Wasser und gehen nach einer Metamorphose zum Leben an Land über.
Aufgrund dieser Eigenschaft haben sie den wissenschaftlichen Namen
Amphibia erhalten, was vom Griechischen herkommt und «doppellebig»
heisst.
Die erwachsenen Tiere bewohnen im Jahresverlauf oft sowohl aquatische
als auch terrestrische Habitate; die überwiegende Zahl der Arten ist auf
die Existenz von zumindest zeitweilig vorhandenen Süsswasseransammlungen (Gewässern) angewiesen. Viele Lurche sind nachtaktiv, um sich
vor Fressfeinden zu schützen und Wasserverluste über die Haut gering zu
halten.
161
(3)
(1)
(2)
(1)
(1)
(2)
(6)
(5)
In der obigen Abbildung werden die Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb
der Amphibien graphisch dargestellt. Ganz grob lassen sich die 21 einheimischen Amphibienarten in zwei Gruppen aufteilen: die Schwarzlurche und
die Froschlurche. Die Zahl der Arten sind vom Verfasser jeweils in Klammern
angegeben: so gibt es z.B. 5 Arten von Molchen, 2 Arten von Salamander, 2
Arten von Unken, 6 Arten von echten Fröschen, etc.
162
4 – 29
Fliegender Frosch
Schon gewöhnliche Frösche können mit ihren langen Hinterbeinen aus der Hocke
über 1 m weit springen. Der Rekord unter ihnen gehört dem australischen
Raketenfrosch mit 2.27 m. Der Sprung beruht auf den langen Hebeln der Hinterbeine
und seiner Muskulatur. Das ausgestreckte Hinterbein kann bei guten Springern fast
doppelt so lang sein wie der Körper. In der Hocke vor dem Sprung sind die
Sprungbeinhebel zusammengeklappt. Dieser Hebel wird beim Absprung schlagartig
gestreckt, womit sich der Frosch in die Luft katapultiert.
Doch eine bestimmte Art der Baumfrösche kann
fliegen, besser
gesagt
gleiten. Es handelt sich um einen
Baumfrosch, der in Malaysia vorkommt. Er
fliegt nicht zum Vergnügen, sondern um
Beute zu fangen.
Es handelt sich um den sog. Wallace
Baumfrosch und ist besser als andere
Frösche
dazu
ausgerüstet,
fliegende
Insekten zu fangen. Er besitzt schwimmhäutige Füsse mit langen Fingern und
Zähen. Wenn er ein vorüberfliegendes
Insekt nicht sofort fangen kann, dann
spreizt er seine Finger weit auseinander.
Durch die dabei entstehende Vergrösserung
der Oberfläche gleitet er rasant abwärts und
kann seine Beute fangen.
163
4 - 30
4.3.6 Fliegende und gleitende Säugetiere
164
Fliegende und gleitende Säugetiere: Übersicht
Fledermäuse und
Flughunde
165
4 – 31
4.3.6.1 Fledermäuse
Die Fledermäuse sind eine Säugetiergruppe, die zusammen mit den Flughunden
die Ordnung der Fledertiere bilden. Zu dieser Sorte gehören die einzigen
Säugetiere und neben den Vögeln die einzigen Wirbeltiere, die aktiv fliegen
können. Weltweit gibt es rund 900 Fledermausarten. Die hier abgebildete Fledermaus heisst «Grosses Mausohr» und besitzt eine Flügelspannweite von 42 cm! In
unseren Breiten wird das einzelne Tier maximal 8 cm gross.
Das grosse Mausohr
166
Zur Anatomie der Fledermäuse
Fledermäuse tragen ihren Namen eigentlich zu Unrecht, denn sie sind keineswegs mit
den Mäusen verwandt. Fledermäuse oder besser gesagt die Handflügler, stellen eine
eigene Ordnung dar. Zusammen mit den Flughunden sind sie die einzigen flugfähigen Säugetiere und bilden die Ordnung der Fledertiere.
Die Hauptfortbewegungsart der Fledermäuse ist das Fliegen, zu dem sie durch den
Besitz der Flughäute und verschiedene weitere Anpassungen befähigt sind. Es gibt
schmalflügelige und breitflügelige Arten. Die schmalflügeligen Arten sind meistens
schnelle Flieger, die vor allem in offenem Gelände leben. Ihre Fluggeschwindigkeit
beträgt bis 50 km/h. Die breitflügeligen Arten sind langsame Flieger (ca. 15 km/h) und
bewegen sich in strukturreichen Gegenden.
167
4 – 32
Flugtechnik: Fledermaus im Windkanal
Fledermäuse haben keine Federn wie die Vögel. Sie drehen ihre Flügel in die
Senkrechte, klappen sie rasch nach oben und schlagen dann mit flachen Flügeln nach
unten. Die Schwanzflughaut dient dabei zum Manövrieren und zum Abbremsen. Welche
Luftströmungen dabei entstehen und wie die Fledermaus diese geschickt verwenden
wurde von der schwedischen Universität in Lund herausgefunden (s. Bild unten).
Das Geheimnis der wendigen Flugakrobaten sind ihre elastischen und äusserst
flexiblen Membranschwingen, die wie eine Hand mit Häuten zwischen den einzelnen
Fingern funktionieren.
Die Bewegung der Flügel einer Fledermaus im
Windkanal wurde von Forschern des MaxPlank Instituts gefilmt (s. Bild links): Bei
jedem Flügelschlag – und zwar bei Auf- und
Abschlag – bilden sich Wirbel (die Pfeile
zeigen die Wirbelströmungen; die Länge eines
Pfeils gibt die Geschwindigkeit der Luftmoleküle an diesem Ort an): Beim Aufschlag
rotieren diese Wirbel in der Flügelmitte und an
der Flügelspitze in entgegengesetzter Richtung und führen damit zu einer Auftriebskraft
am Körper und einer Abtriebskraft an den Flügelspitzen. Für die Aufnahmen mussten die
Fledermäuse jedoch an einer Position im
Windkanal bleiben und dort einfach die Luft
an sich vorbeiströmen lassen.
168
Echo-Ortung der Fledermäuse
Fledermäuse produzieren mit ihren Stimmbändern und dem Kehlkopf für
uns unhörbare Rufe, die Ultraschall-Laute; man spricht von Ultraschallortung. Diese bei den meisten Arten durch den Mund ausgestossenen Laute
verbreiten sich als Schallwellen in der Luft. Wenn diese auf ein Hindernis
oder ein Beuteinsekt treffen, werden sie reflektiert und von der Fledermaus
als Echo über die empfindlichen Ohren wahrgenommen. Ueber die
Farbigkeit (Frequenzverteilung), also den Klang, weiss der «Sender» ob ein
Haus oder ein Baum im Weg steht oder ein Insekt den Weg kreuzt. Mit
Hilfe des Dopplereffektes (Erhöhung oder Erniedrigung der Frequenz je nach
Annäherung oder Entfernung) erkennen die Tiere in welcher Richtung die
Beute fliegt.
weisse Wellen: von der
Fledermaus ausgestrahlte
Ultraschallwellen.
Vom angepeilten Objekt, z.B.
einem Schmetterling, werden
Ultraschallwellen reflektiert.
169
4 – 33
4.3.6.2 Fliegende Flughunde
Flughunde sind die grössten Fledertierarten: Der Kalong erreicht eine Flügelspannweite von bis zu 170 cm; manche Arten
haben einen Kopfrumpflänge von bis zu 40
cm. Allerdings sind viele Arten kleiner; die
grössten Fledermäuse sind deutlich grösser
als die kleinsten Flughunde.
Im Körperbau entsprechen die Flughunde
den übrigen Fledertieren; die Flugmembran
wird von den verlängerten zweiten bis
fünften Fingern gespannt und reicht bis zu
den Fussgelenken.
Flughunde sind in tropischen und subtropischen Regionen in Afrika, dem
südlichen Asien, Australien und dem westlichen Ozeanien verbreitet. Wie die
Fledermäuse sind sie in erster Linie dämmerungs- und nachtaktiv. Bei der
Nahrungssuche legen sie oft weite Strecken zurück, tagsüber schlafen sie
kopfüber hängend (s. p. 171). Im Gegensatz zu Fledermäusen findet man
Flughunde oft an Bäumen in exponierten Lagen hängend.
Ein weiterer Unterschied zu den Fledermäusen ist das Fehlen der Echo-Ortung –
ausser bei den Rosettenflughunden. Flughunde haben gut entwickelte Augen und
einen ausgezeichneten Geruchssinn. Aufgrund des warmen Klimas in ihren
Verbreitungsorten halten sie keinen Winterschlaf. Während die grösseren Arten oft
in grossen Gruppen (bis zu 500’000 Tieren) auftreten, sind die kleineren Arten eher
Einzelgänger.
170
Orientierung und Schlaf der Flughunde
Orientierung:
Flughunde der Gattung Pteopus orientieren sich optisch.
Dämmerungssehen ist bei ihnen gut entwickelt. Ultraschallpeilung fehlt ihnen aber
gänzlich. Bei der Futtersuche spielt der Geruchsinn eine wichtige Rolle.
Flughunde der Gattung Rousettus besitzen neben der optischen Orientierung eine
wohlausgebildete Ultraschallpegelung. Optische und akustische Orientierung
ergänzen einander je nach Umständen. Mit zunehmender Dunkelheit wird von
optischer Orientierung auf Ultraschallorientierung umgeschaltet.
Wie schlafen Flughunde ? Tagsüber versammeln sie sich in grossen Gruppen in
hohen Bäumen zu Schlafkolonien. Dort hängen sie kopfüber, eingewickelt in ihre
lederartigen Flügel und warten die Nacht ab. Auch die Paarung der Flughunde
findet kopfüber statt !
171
4 – 34
Kleiner Roter Flughund
Die Kleinen Roten Flughunde haben transparente Flügel und einen pelzigen Körper.
Die Tiere sind Baumbewohner. Bei Tag schlafen sie in riesigen Lagern, in welchen
bis zu einer Million Individuen versammelt sein können. Wie der Name verrät, sind
diese Flughunde in der Nacht ausgezeichnete Flieger. Zudem hat sie ihr Leben in
den Bäumen zu sehr guten Kletterer gemacht.
Kleine Rote Flughunde haben sowohl einen ausgezeichnete Sehsinn als auch einen
sehr empfindlichen Geruchsinn.
172
4.3.6.3 Gleithörnchen
Zwischen den Vorder- und Hinterbeinen spannt sich eine Gleithaut, die wie ein
Gleitschirm wirkt wenn sie von einem Ast zu einem andern Ast springt. Obwohl sie
nicht wirklich fliegen können, werden sie auch Flughörnchen genannt.
Der Schwanz ist immer lang, breit und buschig und dient als Steuer beim Gleitflug.
Auf diese Weise können Gleithörnchen Strecken bis zu 50 m zurücklegen. Bei den
Riesengleithörnchen wurden im Einzelfall und unter günstigen Bedingungen sogar
450 m gemessen.
Um an einem senkrechten Stamm unterhalb der Krone zu landen, hebt das
Gleithörnchen den Schwanz und die Arme an und richtet auf diese Weise seinen
Körper in der Luft fast senkrecht auf. Dies bremst die Gleitgeschwindigkeit stark
ab und ermöglicht dem Tier eine sanfte Landung mit dem Kopf nach oben.
Gleithörnchen an Baumstamm
173
4 – 35
Gleithörnchen «fliegend»
4.3.6.4 Gleitende Lemuren
Fliegende Lemuren fliegen nicht wirklich, sondern sie gleiten bis zu 130 m
durch den Wald. Sie erklettern mühsam Bäume, da sie durch ihre
zusammengefalteten Flugmembranen behindert sind. Oben angekommen,
springen sie ab und gleiten dann zum nächsten Zielbaum und lassen sich
von dort aus tiefer fallen. Dann geht es zum nächsten Baum und der
mühsame Aufstieg beginnt von neuem.
Gleitende Lemuren sind hauptsächlich nachtaktiv, da ihre akrobatischen
Flüge zu viel Aufmerksamkeit bei den Jägern erwecken würde.
Für die weiblichen Lemuren ist das Gleiten besonders anspruchsvoll, da
sich die Jungen während des Flugs am Bauch der Mutter festhalten.
Bemerkung: Gleitende Lemuren sollten nicht mit den Riesengleiter (p. 4-A-3-5) verwechselt
werden.
Lemur klettert auf den Baum
174
4 – 36
Gleitender Lemur
4.4 Gleit – und Flugversuche
von Menschen
175
4.4.1 Der Traum und der Mythos vom Fliegen
Das Fliegen wurde in der Antike oft als Attribut und Privileg der Götter angesehen. Auch
dort, wo Götter oder übersinnliche Wesen nicht mit Flügeln dargestellt werden, zählt die
Fähigkeit zu fliegen zu ihren Eigenschaften. Die indische Mythologie kennt Bilder von
fliegenden göttlichen Streitwagen (Vimanas), wie sie etwa in dem Epos Ramayana zu
finden sind.
Eine der frühesten Erwägungen des Traums vom Fliegen eines
Menschen findet sich in einer Legende über den chinesischen
Kaiser Shun (2258 – 2208 v. Chr.), in der dieser Kaiser lernte, wie
ein Vogel zu fliegen, um aus seiner Gefangenschaft zu entkommen
Ikarus und Dädalos (Griechische Mythologie)
Wachs und Federn
Ikarus und Dädalos wurden als Strafe
für eine Ungehorsamkeit von König
Minos im Labyrinth des Minotaurus auf
Kreta gefangen gehalten. Zur Flucht erfand Dädalus Flügel für sich und seinen
Sohn. Dazu befestigte er Wachs mit Federn an einem Gestänge. Sie stiegen erfolgreich in die Luft aber mit zunehmender Höhe wurde Ikarus übermütig und
stieg noch höher, sodass die Sonne den
Wachs der Flügel zum Schmelzen brachte und er ins Meer abstürzte und ertrank.
176
4 – 37
Der Schneider von Ulm
Albrecht Ludwig Berblinger (1770 – 1829), bekannt
als der «Schneider von Ulm», war ein deutscher
Erfinder und Flugpionier. Er wurde durch die
Konstruktion eines (flugfähigen) Hängegleiters
bekannt, mit dem er die Donau überfliegen wollte.
Der Gleitflug von der Ulmer Adlerbastei im Jahre
1811 misslang aber und er stürzte in die Donau ab.
Er war wohl der erste Mensch, dem vor diesem
fatalen Versuch kurze Gleitflüge gelangen. Sein
erster öffentlicher Flug vor 200 Jahren vor grossem
Publikum misslang aber kläglich. Dieser Fehlschlag
zerstörte sein Leben. Inzwischen weiss man: Der
wagemutige Flugpionier war einfach an einer
ungünstigen Stelle gestartet.
Berblinger wurde erst im letzten Jahrhundert
rehabilitiert: Man beschäftigte sich mit den thermischen Verhältnissen an der Adlerbastei. Es zeigte
sich, dass über dem kalten Wasser des Flusses
auch bei wärmstem Wetter Abwind herrscht. Wegen
der senkrechten Stadtmauer entwickelt sich
Gegenwind nicht zum Aufwind, sondern zum
Wirbelwind. Diese ungünstigen Windverhältnisse
waren für seinen Misserfolg verantwortlich.
177
Der Luftfahrtpionier Otto Lilienthal
Karl Wilhelm Otto Lilienthal (1848 – 1896) war ein deutscher
Ingenieur und Luftfahrtpionier. Nach heutigem Wissen war er
der erste Mensch, der erfolgreich und wiederholbare
Gleitflüge mit einem Hängegleiter absolvierte und dem
Flugprinzip «schwerer als Luft» damit zum Durchbruch
verhalf. Seine experimentellen Vorarbeiten führten zur bis
heute gültigen physikalischen Beschreibung der Tragfläche.
Die Produktion des «Normalsegelapparates» in seiner
Maschinenfabrik in Berlin war die erste Serienfertigung eines
Flugzeugs. Sein Flugprinzip war das des heutigen
Hängegleiters und wurde von den Gebrüdern Wright zum
Prinzip des Flugzeugs weiterentwickelt.
Die Brüder Otto und Gustav Lilienthal hatten erkannt, dass der Flügelform eine wichtige Bedeutung zukam: Sie erkannten, dass gewölbte Tragflächen einen grösseren Auftrieb liefern als
ebene. Die charakteristische Flügelform der
Vögel war auch anderen Flugtechnikern nicht
entgangen, aber die Lilienthals haben sie
erstmals mit exakten Messungen verbunden. Zur
Berechnung des Auftriebs verwendeten sie die
Beziehung (4.1.15) auf unserer Seite 119.
Die sensationellen Flugfotographien erschienen
in wissenschaftlichen und populären Veröffentlichungen vieler Länder.
178
4 – 38
Zum Fluge bereit
Lilienthal : «Vom Schritt zum Sprung, vom Sprung zum Flug»
An den praktischen Flugversuchen nahm sein Bruder Gustav nicht mehr teil. Deshalb
ist der erste Menschenflug heute ausschliesslich mit dem Namen Otto Lilienthal
verbunden, wenngleich sein Bruder an den Vorbereitungen beteiligt war.
Originalgleiter im «National Air and
Space Museum in Washington
Fotos von Gleitversuchen von Otto Lilienthal mit Flugweiten
bis 250 m.
Lilienthal baute mindestens 21 Flugapparate und
führte mehr als 2’000 Flugversuche durch.
Am 9. August 1896 stürzte er bei Stölin am Gollenberg
aus etwa 15 m Höhe aufgrund einer «Sonnenbö»
(einer thermischen Ablösung), deren Aussteuerung
ihm nicht gelang, ab. Zum Unfall dürfte beigetragen
haben, dass Lilienthal seine Flugdistanzen immer
wieder zu vergrössern suchte, Er starb entweder
infolge einer Halswirbelfraktur oder einer Hirnblutung.
179
Der beschädigte Flugapparat
4.4.2 Die ersten Gleit- und Flugapparate
Dle Brüder Wright, Wilbur Wright (1867–1912) und
Orville Wright (1871–1948) aus Dayton, Ohio, waren USamerikanische Pioniere der Luftfahrt, die zu Beginn des
20. Jahrhunderts erste Flüge mit Gleitflugzeugen und
dann gesteuerte Flüge mit einem von einem Motor
angetriebenen Flugzeug durchführten.
Wie Lilienthal benutzten auch die Brüder Wright die
Beziehung für den Auftrieb (bei uns Glg. 4.1.15, p. 119)
aber mit einem korrigierten Koeffizienten. Sie erkannten
auch, dass Lilienthal’s Absturz die Folge mangelnder
Flugsteuerung (Steuerfähigkeit seines Apparates) war.
1899 begannen die Brüder mit dem Bau des ersten
Flugapparates, einem Doppeldecker-Gleitapparat. Er
besass bereits ein äusserst wichtiges Merkmal: die
Verwindung der Tragflächen, mit welcher die waagrechte
Lage des Apparates kontrolliert werden konnte.
Nach verschiedenen, zuerst unbemannten, dann
bemannten Testflügen in den Jahren 1901 bis 1903
folgten zahlreiche Gleitflüge mit den DoppeldeckerGleiter, allein 1902 über 1’000, der längste über s=189.7
m bei t=26 s Flugzeit, also <v>=s/t ≈ 7.3 m/s = 26.3 km/h.
Gleiter : 1902
180
4 – 39
Doppeldecker – Motorflugzeuge
Am 17. Dezember 1903 starten Orville und Wilbur
Wright ihren «Flyer», ein zerbrechlich wirkendes
Doppeldecker-Motorflugzeug aus Holz, Draht und
Stoff.
Die Wrights schnitten einen Propeller mit einem
hohen Wirkungsgrad und liessen sich ein
geeignetes Triebwerk herstellen, ein 81 kg
schwerer, wassergekühlter Vierzylinder-Viertakt
Benzinmotor, der 12 PS abgab. Zur Kompensation der Momente erhielt der Flugapparat zwei
gegenläufige Luftschrauben mit geeignetem
Antrieb.
Das Motor-Flugzeug war 12 Sekunden lang in der
Luft und legte dabei 37 m zurück (11.1 km/h). Die
Geschwindigkeit konnte auf 16 km/h gesteigert
werden. Die Flugmaschine hatte 12.3 m
Spannweite, war 6.4 m lang und 2.8 m hoch; ihr
Fluggewicht betrug 340 kg und der Pilot lag
unverändert auf der unteren Tragfläche.
Gebrüder Write :
Power Flyer 1905
181
Charles Lindbergh : Allein über den Atlantik
Charles Lindbergh (1902 – 1974) war ein USamerikanischer Pilot und Träger der «Medal of
Honor». Ihm gelang am 19. - 21. März 1927 die
erste Alleinüberquerung des Atlantiks von New
York nach Paris. Die zurückgelegte Strecke war
5’805.5 km, wozu er 33.5 Stunden brauchte, Sein
Flugzeug hatte nur einen Motor mit 223 PS. Die
Durchschnittsgeschwindigkeit war 173 km/h, die
Höchstgeschwindigkeit betrug 220 km/h.
Aus Gewichtsgründen hatte Lindbergh zugunsten
maximaler Treibstoffladung auf Funkgerät und
Sextant verzichtet und war deshalb nur auf
Armbanduhr, Karten und Kompass angewiesen.
Grösste Probleme bereiteten ihm ein Schneesturm
bei Neufundland, das er nach New York und Nova
Scotia überflog, sowie die Ueberwindung der
Müdigkeit auf seinem Weg von Südirland nach
Südengland auf den europäischen Kontinent. Die
Navigation gelang ihm allerdings besonders gut,
denn als er die Küste von Irland erreichte, war er
nur 5 km vom Kurs. Er flog dann an der Küste von
England entlang, überquerte den Ärmelkanal und
erreichte Frankreich. In Paris wurde er von einer
jubelnden Menschenmenge empfangen.
182
4 – 40
Charles Lindbergh, 1927
Lindbergh mit Maschine
«Spirit of St. Louis»
44.4.3 Das Luftschiff von Ferdinand Graf von Zeppelin
Das Prinzip des Luftschiffes ist einfach: Gefüllt mit einem Gas,
das leichter als Luft ist, erhält es Auftrieb und gleitet, von motorengetriebenen Propellern, voran.
Der grösste Zeppelin, der je gebaut wurde, war das gigantische
Luftschiff LZ 129 «Hindenburg». Es war 245 m lang (!), hatte einen
maximalen Durchmesser von 41.2 m und war mit 200’000 m3
Wasserstoff gefüllt. Als Gas kann auch das sichere Helium
verwendet werden. Der LZ 129 wurde mit 4 Dieselmotoren
angetrieben (totale Leistung 4200 PS, maximale Geschwindigkeit
130 km/h, Reisezeit von Frankfurt nach New York: 2 ½ - 3 Tage).
Bei der letzten Fahrt am 6.5.1937 fing die «Hindenburg» bei der
Landung in Lakehurst bei New York Feuer und ging in Sekunden
in Flammen auf. Bei dieser Hindenburg-Katastrophe waren 97
Personen an Bord, von denen aber 62 Leute das Unglück
überlebten.
Graf Zeppelin
(1838 – 1917)
Tragischer
Flug des Zeppelins
«Hindenburg»
von Friedrichshafen
nach Lakehurst
(bei New York)
Aufstieg von Zeppelin «Hindenburg»
LZ 129 in Friedrichshafen
Die Katastrophe des Zeppelin
«Hindenburg» (6. Mai 1937)
183
4.4.4 Das Segelflugzeug
Ein Segelflugzeug ist ein für den Segelflug, also für motorloses Fliegen (Steigen im
Aufwind bzw. Gleiten mit geringem Höhenverlust) konstruiertes Luftahrzeug. Um
fliegen zu können, muss es Höhe (potentielle Energie) in Vorwärtsgeschwindigkeit
(kinetische Energie) umwandeln. Dazu muss das Segelflugzeug in geeigneter Weise
gestartet werden. Eine Möglichkeit besteht im Starten mit einem Flugzeugschlepper
(s. Figur unten links). Dabei wird das Segelflugzeug von einem motorisierten
Leichtflugzeug in die Luft gezogen. Die Höhe, bei der das Segelflugzeug ausklinkt,
liegt üblicherweise zwischen 500 m und 1500 m. Daneben gibt es andere Startarten
(s. Referenz R.4.4.7).
Moderne Segelflugzeuge haben ein Gleitverhältnis zwischen 1:30 und 1:60, d.h. sie
können bei 1 km Höhenverlust in ruhiger Luft 30 bis 60 km weit fliegen. Um gute
Segelflugeigenschaften erbringen zu können, muss ein Segelflugzeug sehr
widerstandsarm gebaut sein.
Flugzeugschlepper mit Segelflugzeug
184
4 – 41
Segelflugzeug im Gleitflug
Hochleistungs - Doppelsitzer
4.4.5 Strahltriebwerke (Düsentriebwerke) von Flugzeugen
Der Antrieb von Düsenflugzeugen (z.B.
Boeing 747) beruht auf dem Rückstossantrieb. Danach bewirkt ein schnelles Ausstossen von Verbrennungsgasen in der
einen Richtung eine Rückstoss in der entgegengesetzten Richtung. Stösst also ein
Triebwerk den Abgasstrahl – eine Masse
von verbranntem Treibstoff – mit einer bestimmten Geschwindigkeit nach hinten aus,
dann wird das gesamte System nach vorn
beschleunigt. [Tintenfische benutzen das
gleiche Prinzip der Impulserhaltung für ihre
Fortbewegung (s. p. 4-A-2-2)].
Einige Daten der Boeing 747 - 81
Länge
76.30 m
Spannweite
68.50 m
Tragflügelfläche
534 m2
Leitwerkspannweite
22.17 m
Höhe
19.40 m
Rumpfhöhe
7.85 m
Kabinenbreite (innen)
6.1 m
Kabinenhöhe
2.54 m
Flugreichweite
14’815 km
Geschwindigkeit auf
etwa 10’700 m Höhe
913 km/h
Startgeschwindigkeit
ca. 300 km/h (*)
maximale Startmasse
447’700 kg
maximale Sitzplatzanzahl
605
durchschnittliche
Sitzplatzanzahl
467
Besatzung (Cockpit)
2
Auslieferung
2013 - 215
Zahl der Bestellungen bis 2013: ca. 33
(*) je nach Startgewicht, Wetter und
Höhe der Startbahn ü.M.
Boeing 747 – 81 (ab 2012 in Betrieb)
Turbine
Brennkammer
Verdichter
Fan
Das Luftstrahltriebwerk saugt die Umgebungsluft ein und komprimiert sie zur Erhöhung des Druckes in einem Verdichter.
In der nachfolgenden Brennkammer wird
der Treibstoff (Kerosin) eingespritzt und
diese Mischung verbrannt. Die Verbrennung erhöht die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit. Die dem Gas zugeführte Strömungsenergie wird dann in
der dahinter folgenden Turbine teilweise in
Drehbewegung umgesetzt, wobei das Gas
noch weiter expandiert (die Turbine entzieht also Energie). Die Turbine dient als
Antrieb des Verdichters, des Fans und
anderer Aggregate. Das Gas expandiert in
die hinter der Turbine liegende Schubdüse
auf fast Umgebungstemperatur, wobei die
Strömungsgeschwindigkeit weiter gesteigert wird. In der Schubdüse wird durch das
ausströmende Gas die eigentliche Vortriebskraft, der Schub (Rückstoss) des
Kerntriebwerkes erzeugt.
Einlauf
Luftstrahltriebwerk
Schubdüse
185
ein
aus
Gesamtschub (Rückstoss)
Geschwindigkeit
Temperatur
Druck
(Weitere Informationen: s. Angang 4-A-4-1)
186
4 – 42
Abschätzung der Take-off Geschwindigkeit der Boeing 747 - 81
Aus Gleichung (4.1.15), p. 119, für den Auftrieb: Fat = (1/2) CA A ρ u2 , folgt für die Geschwindigkeit u
u = [2 Fat / (CA A ρ)]1/2
(4.4.1)
Für die Abhebung muss die Kraft Fat ≥ M g = Gewicht des Flugzeugs (M = Masse des
Flugzeugs mit Kerosin und Passagieren, g = 9.81 m/s2 = Erdbeschleunigung) sein. Dann
ist u ≈ utake-off die take-off oder Abhebe-Geschwindigkeit des Flugzeugs:
utake-off ≈ [2 M g / (CA A ρ)] (1/2)
(4.4.2)
Für die Boeing 747–81 setzen wir M ≈ 400’000 kg (mit Kerosin + Passagieren, s. p. 185).
Der Auftriebskoeffizient CA hängt vom Anströmwinkel a (angle of attack) ab.
Gemäss Ref. (R.4.4.10 a) setzen wir CA = 2par ,
wobei ar der Anströmwinkel (angle of attack, s.
p. 117) im Bogenmass, ar = (p/180)*ad und ad
der Winkel in DEG ist. Die obige Beziehung für
CA ist eine Näherung für ad ≤ 130. Für ad setzen
wir ad = 13o d.h. ar = 0.227 und damit CA = 1.426.
Für die Boeing 747–81 ist die totale Tragfläche A
= 534 m2 (s. p. 185). Die Dichte der Luft ist r ≈
1.204 kg/m3 bei 200C. Daraus folgt aus Glg.
(4.4.2): utake-off = 92.5 m/s = 333 km/h. Diese
Geschwindigkeit entspricht bis auf 11% der
approximativen Abhebegeschwindigkeit von 300
km/h für die Boeing 747–81 (s. p. 185).
187
Take-off der Boeing 747 - 81
4.4.6 Der Hubschrauber - Allgemein
Scheizer Helikopter - gelandet
Ein Hubschrauber ist ein senkrecht startendes und
landendes Luftfahrzeug, das Motorkraft auf einen
oder mehrere Rotoren für Auftrieb und Vortrieb
überträgt. Diese arbeiten als sich drehende
Tragflächen oder Flügel, weshalb Hubschrauber zu
den Drehflüglern zählen.
Die rotierenden Rotorblätter erzeugen durch die
anströmende Luft einen dynamischen Auftrieb.
Wie bei den Tragflächen eines Flugzeuges ist dieser abhängig vom ihrem Profil, dem Anstellwinkel
und der Anströmungsgeschwindigkeit der Luft.
Scheizer Helikopter im Flug
Dem Hubschrauber liegen somit die gleichen physikalischen Prinzipien zugrunde, die auch für ein
Flächenflugzeug gelten, nur dass sich bei einem
Hubschrauber die Tragflächen um die Rotorachse
drehen, und der Hubschrauber dadurch auch auf
der Stelle schweben kann.
Dass ein Flugzeug fliegen kann, lässt sich durch
das Rückstoss-Prinzip erklären: Die Tragflächen
beschleunigen Luftmasse nach unten und erzeugen dadurch einen Auftrieb. Beim Hubschrauber
wird dies besonders deutlich, wenn die «Tragflächen» im Schwebeflug auf der Stelle kreisen.
188
4 – 43
Zur Physik des Hubschraubers
Beim Hubschrauber beschleunigen die sich
drehenden Rotorblätter die Luft von oben nach
unten. Dies geschieht indem bei allen Rotorblättern der Anstellwinkel a gleichzeitig erhöht
wird. (Der Anstellwinkel a ist der Winkel zwischen
der anströmenden Luft und der Profilsehne des
Rotorblattes). Dadurch wird die Luft ähnlich wie
bei einem Ventilator nach unten «geblasen», der
Auftrieb wird erhöht und der Helikopter beginnt zu
steigen. Damit sich der Helikopter nach vorne
bewegt, muss «nur» die Rotorebene nach vorne
geneigt werden, sodass der Luftstrom durch den
Rotor leicht nach hinten geblasen wird.
a Vortrieb
189
Nach dem Gesetz von Actio = Reactio wird der
Rumpf des Helikopters entgegen der Drehrichtung des Rotors gedreht. Um dies zu verhindern,
wird bei den meisten Hubschraubern ein senkrecht drehender Rotor, der Heckrotor angebracht,
welche dieses Drehmoment ausgleicht. Mit diesem
Heckrotor kann der Helikopter im Schwebeflug um
die Hochachse gesteuert werden.
Konstruktionen mit zwei gegenläufig drehenden
Hauptrotoren erzeugen kein resultierendes Drehmoment, was aber zu einem Auftriebsverlust führt.
189
4 – 44
Anhang - Kapitel 4
4-A-0
Grundgleichungen der Aerodynamik
Navier – Stokes Gleichungen
Die Navier–Stokes Gleichungen sind die allgemeinsten und grundlegensten Gleichungen
für viskose und wärmeleitenden Fluide (Gase, Flüssigkeiten). Es handelt sich um ein
System von gekoppelten nichtlineare Differentialgleichungen, welche durch Anwendung der Newton’schen Bewegungsgleichung auf ein Fluid-Element hergeleitet wurde.
Diese Gleichungen sind sehr kompliziert und werden numerisch gelöst .
Euler – Gleichungen
Die Euler-Gleichungen sind ein partielles Differentialgleichungssystem 1. Ordnung, das
sich als Sonderfall der Navier-Stokes Gleichungen ergibt, falls die innere Reibung (Viskosität) und die Wärmeleitung vernachlässigt werden. Die Euler-Gleichungen werden
normalerweise ebenfalls numerisch gelöst .
Die Bernoulli Gleichung
Im Falle stationärer Strömungen kann man die Euler-Gleichung im Raum integrieren und
erhält daraus die Bernoulli-Gleichung, die in der gesamten Strömung gültig ist. Im
Spezialfall für inkompressible homogene Fluide mit konstanter Dichte r erhält man, falls
die Schwerkraft die alleinige Kraft ist: p + r g z + (1/2) r v2 = p0 = const,
Dabei ist p der hydrostatische Druck, p0 der Gesamtdruck, r die Dichte des Fluids (Luft),
v die Geschwindigkeit des sich bewegenden Objektes bzw. des Fluids und der Term
(1/2)*r*v2 ist der hydrodynamische Druck oder Staudruck, g ist die Erdbeschleunigung
und z eine Bezugsebene mit gleicher geodätischer Höhe (pp 4-A-1-3, 4-A-1-4).
4-A-1-1
4 – 45
Kräfte auf Fluidteilchen einer Stromlinie
z
stationäre Strömung
entlang einer
Stromlinie s(x,z)
q
g
dG = g dm
n
s
dV = dA ds : Volumenelement
p = Druck ; p dA = Kraft
dm = Masse in dV
g = Erdbeschleunigung
dG = Gewicht = g dm von dV
u = Geschwindigkeit von dm
a = Beschleunigung von dm
FN = dm a = Newton-Kraft auf dm
ds
dz
q
dx
x
4-A-1-2
Herleitung der Bernoulli - Gleichung
Es sei dm die Masse im Volumenelement dV = dA ds der betrachteten Stromlinie (s.
Figur, p. 4-A-1-2). Ist u(s) = ds/dt die Geschwindigkeit von dm , dann gilt für die Beschleunigung a von dm :
a = du/dt =(du/ds) (ds/dt = u (du/ds)
(1)
und die Newton’sche Kraft ist
FN = dm a = dm u (du/ds) .
(2)
Es sei dV = dA ds das betrachtete Volumenelement und r = dm/dV die Dichte des Fluids
an der Stelle s. Für ein isothermes Fluid und bei Vernachlässigung der Reibung setzen
sich die äusseren Kräfte Fext aus den Druckkräften und der Gewichtskraft dG zusammen:
aus der Figur folgt: Fext = p dA - (p + dp) dA - dG sin(q). Aus Fext = FN folgt
p dA - (p + dp) dA - dG sin(q) = dm u (du/ds)
(3)
Mit dG = g dm, dm = r dV = r dA ds und sin(q) = dz/ds folgt
dG sin(q) = r g dA ds (dz/ds)
Durch Einsetzten von (4) in (3) und aus u du = (1/2)
dp + (1/2) r
d(u2)
d(u2)
(4)
folgt nach Vereinfachungen
+ r g dz = 0
(5)
Ist r unabhängig von p (inkompressibles Fluid), dann folgt nach Integration der Satz
von Bernoulli:
p + (1/2) r u2 + r g z = const.
(6)
oder
p1 + (1/2) r u12 + r g z1 = p2 + (1/2) r u22 + r g z2
4-A-1-3
4 – 46
(6a)
Zur Physik des Fliegens
Zunächst bildet sich eine Parallelströmung aus (1). Bei höheren Geschwindigkeiten
entstehen Wirbel, die zu einer Zirkularströmung führen (2a / 2b). Diese wiederum überlagert die Parallelströmung, so dass die Luft oberhalb der Tragflächen schneller wird
und unterhalb langsamer. Dies führt zu Unterdruck über dem Flügel und dies zu
Auftrieb (3).
1.
2a.
3.
2b.
Unterdruck
Überdruck
Parallelströmung
Anfahrtwirbel
Zirkularströmung
Überlagerung
Diese Erklärung ist stark vereinfacht: Es gibt verschiedene Arten von Flugzeugen mit völlig unterschiedlichen Tragflächen . Auch auf Fälle wie den
Überschallflug und den Flug von Raketen trifft diese Erklärung nicht zu.
Ausserdem gibt es noch einige andere Faktoren, die bei der Physik des
Fliegens eine Rolle spielen. Dazu zählen z.B. Randwirbel und der Anstellwinkel der Flügel.
4-A-1-4
Heuristische Herleitung der Reynolds – Zahl Re
Im Zusammenhang mit p. 127 (kleinstes fliegendes Insekt) und anderer in der Luft sich
bewegenden Körper betrachten wir ein Objekt, das in eine eindimensionale Strömung in
x-Richtung mit der Geschwindigkeit v = dx/dt eingetaucht ist: Die Reynolds-Zahl Re (s.
p. 127) ist das Verhältnis von Trägheitskraft FT und der auf das Objekt entgegengesetzt
wirkenden Reibungskraft FR,
Re = FT / FR
(a)
Trägheitskraft : FT = m b = m (dv/dt) = (r V) (dv/dt) = (r L3) (dv/dt)
(m = Masse , r = Luftdichte , V ≈
Reibungskraft :
L3
, L = charakteristische Länge des Objektes)
FR = [r n (dv/dz] A = [r n (dv/dz)] L2
(n = kinematische Viskosität, [n] =
L3)
m2/s];
(b)
(c)
dv/dz = Änderung von v in z-Richtung
(dv/dt)] / [(r n ) (dv/dz)] L2] = ( L/n) (dz/dt)
Daraus folgt :
FT/FR = [(r
Mit
dz/dt = (dz/dx) (dx/dt) = (dz/dx) v
ergibt sich
FT/FR = (L / n) v (dz/dx)
(d)
(e)
(f)
Da dz/dx nur ein Längenverhältnis darstellt, folgt mit dz/dx ~ L/L = 1 bei geometrisch ähnlichen Objekten :
Re = FT/FR = (v L) / n
(g)
Führt man die dynamische Viskosität h = r n ein [[h] = N s/m2 = kg/(m s)] dann folgt
aus Gleichung (g) für die Reynolds-Zahl :
Re = (r / h) L v
4-A-2-1
4 – 47
(h)
Beispiele von Reynoldszahlen fliegender Tiere und in der Technik
v (m/s
1
Die Figur zeigt die Reynoldszahlen Re verschiedener Klassen (Insekten, Vögel, Modellflugzeuge,
Windturbinen , Flugzeuge, etc.) als Funktion der
Geschwindigkeit v. Dabei sind Re- Zahlen der
kleinsten Insekten wie z.B. der Zwergwespen nicht
eingezeichnet.
Man beachte die logarithmische
Skala der Reynoldszahl und die von P. Brüesch
beigefügte entsprechende Numerus-Skala.
101
102
103 104
105
106
107
108 109
Während Fledermäuse und Vögel mit Re- Zahlen
zwischen 104 und 106 fliegen, bewegen sich die
meisten Insekten von Re ≈ 104 bis in den Zehnerbereich .
Re von 104: Grössere Insekten wie Libellen und Schwärmer fliegen bei Re- Zahlen um 104.
Re von 104 bis 102: Die meisten mittelgrossen Insekten fliegen in diesem Re- Bereich.
Re unter 102: Das grosse Heer der Kleininsekten, die nur wenige Milligramm wiegen, fliegt bei Re-Zahlen
im Zehnerbereich (in Figur nicht enigezeichnet). Bei diesen Tieren beherrschen die viskosen
Zähigkeitskräfte den Flug. W. Nachtigall, ein Pionier des Tierfluges formuliert die Situation für diese
Winzlinge anschaulich: «Für sie ist Luft wie ein «zäher Honig», indem sie herumrudern wie die Wasserflöhe im Wasser».
Beispiel: Zwergwespen sind die kleinsten Insekten überhaupt; die Männchen der Art Dicopomorpha
echmepterygis haben eine Länge von nur 0.15 mm. Mit ihren paddelförmigen reduzierten Vorderflügeln
sind sie keine guten Flieger, sondern werden hauptsächlich durch den Wind verbreitet. Im Folgenden
nehmen wir an, dass sie bei völliger Windstille fliegen und schätzen ihre Reynoldszahl Re ab (s. p.
127). Wir setzen L = 0.15 mm (Weibchen); r = 1.204 kg/m3 (Luft bei 200C); h = 18 x 10-6 kg m-1 s-1; es
sei v = 1 cm/s = 0.01 m/s. Daraus folgt: Re ≈ 1.
4-A-2-2
Geschwindigkeit v als Funktion der Reynolds – Zahl Re
Reynolds – Gesetz: u = (h / r L) x Re ; mit r = 1.204 kg/m3 = Dichte der Luft bei 20 0C ,
L = 1.5 mm ; h = 18 x 10-6 kg m-1 s-1 dann folgt: v ≈ 10-2 x Re m / s
Annahme: Re = 100 = 1
 v ≈ 0.01 m / s = 1 cm / s
4-A-2-3
4 - 48
(s. Figur).
Gleitende Tintenfische: z.B. Kalmare und Kraken
Tintenfische gehören zu den wirbellosen
Weichtieren und sind Kopffüssler mit 8 oder 10
Beinen. Sie sind ausnahmslos Räuber und die
meisten sind äusserst schnelle Schwimmer.
Kalmare und Kraken sind Teilgruppen der
Tintenfische; Kalmare sind zehnarmige,
Kraken sind achtarmige Tintenfische. Auf der
Flucht im Wasser verwenden die Tintenfische
das Rückstossprinzip: Sie drücken das Wasser
aus ihrer Mantelhöhle durch einen Trichter
nach aussen und entfliehen mit dem
Rückstoss.
Tintenfisch im Wasser
Einige Arten schaffen es, mit dieser
Antriebstechnik aus dem Wasser zu entweichen und eine Strecke von etwa 30 bis 50
Metern dicht über der Wasseroberfläche zu
gleiten. Mit ihrem Düsenantrieb erreichen sie
dabei eine Geschwindigkeit bis zu 11.2 Meter
pro Sekunde! Man beachte wie der Tintenfisch
während des Gleitens eine aerodynamisch
günstige Form angenommen hat.
4-A-2-4
Gleitender Tintenfisch
Die fünf Klassen der Wirbeltiere
Tiere mit Wirbelsäulen
Fische
Vögel
Reptilien
Amphibien
Säugetiere
4-A-3-1
4 - 49
Der Vogelzug
Als Vogelzug bezeichnet man den alljährlichen Flug der Zugvögel von ihren
Brutgebieten zu ihren Winterquartieren
und wieder zurück.
Oekologische Ursachen: jahreszeitlich
extrem unterschiedliches Nahrungsangebot in den Brutgebieten. Als Insektenfresser finden sie im Winter keine Insekten und grosse Vogelpopulationen würden deshalb im Winter zugrunde gehen.
Genetische und physiologische Ursachen: Ob ein Vogel zieht, wohin er zieht und wann
bei ihm die Zugunruhe einsetzt, ist genetisch festgelegt. Sowohl die Flugrichtung als
auch die Flugdauer ist angeboren.
Orientierung: Der innere Kompass ist vermutlich die Folge von Magnetfeld-Rezeptoren
im Auge, mit deren Hilfe die Vögel den Neigungswinkel des Erdmagnetfeldes wahrnehmen können. Vögel können sich ferner anhand des Sternhimmels orientieren. Den Sonnenstand können die Vögel auch bei bewölktem Himmel dank ihrer Fähigkeit, UV-Licht
wahrzunehmen, erkennen.
Vogelzug und Stoffwechsel: Ernährung aus vor dem Vogelzug angelegter Nahrung. Sie
greifen sogar auf die Eiweisse ihrer inneren Organe zurück.
4-A-3-2
Zugvögel: Stare auf Flug ins Winterquartier
4-A-3-3
4 - 50
Alpensegler - Weltrekord im Dauerfliegen
Alpensegler
Mauersegler
Auch Vögel müssen zwischendurch landen, um zu fressen und sich zu erholen. Eine Ausnahme
machen Segler, die perfekt an das Leben in der Luft angepasst sind. Sie ernähren sich von
fliegenden Insekten, die sie im Flug fangen. Lange wurde vermutet, dass sie nicht einmal zum
Schlafen, sondern die Nacht hoch oben im Himmel verbringen. Der beste Hinweis für dieses
rastlose Leben waren Radarbilder, die nachts Mauersegler (Bild rechts) in grosser Höhe zeigten.
Jetzt haben Forscher der Schweizerischen Vogelwarte Sempach erstmals nachgewiesen, dass der
nahe verwandte Alpensegler (Bild links) mehr als 6 Monate ununterbrochen in der Luft bleiben
kann. Nach der Brutzeit im Jahre 2011 haben die Forscher (u.a. F. Liechti) Alpensegler mit sog.
«Geolocatoren» ausgestattet. Dieses in Zusammenarbeit mit der Berner Fachhochschule Burgdorf
entwickelten rund 1 g leichten technischen Meisterwerks wird während eines Jahres die Helligkeit
in der Umgebung des Vogels gemessen und gespeichert. Daraus lässt sich die Tageslänge und
damit auch die geographische Position des Vogels berechnen. Mit diesen Sensoren konnte auch
bestimmt werden ob der Vogel mit den Flügeln schlägt oder nicht.
Mit dem Geolocator auf dem Rücken flogen die Alpensegler in ihre Winterquartiere (mehrheitlich in
Afrika), verbrachten dort die kalte Jahreszeit und kehrten im Frühling wieder in die Schweiz zurück.
Das Instrument zeigte, dass die Vögel auf dem Hinzug und im Winterquartier ununterbrochen in der
Luft waren !
4-A-3-4
Riesengleiter (Colugo)
Riesengleiter sind etwa katzengross aber deutlich leichter gebaut. Je nach Art beträgt
die Gesamtlänge 56 bis 69 cm bei einer Kopf-Rumpf-Länge von 34 bis 42 cm. Gewicht: 1
bis 1.74 kg; Spannweite: 70 bis 120 cm. Riesengleiter leben in Südostasien.
Der Gleitflieger besitzt eine Flughaut, die fast den ganzen Körper bis hin zu den spitzen
Krallen bedeckt. Durch Spreizung der Vorder- und Hinterglieder kann er die dünne
Flughaut wie einen Fallschirm öffnen. Die Flughaut lässt sich jedoch nicht bewegen,
deshalb ist der Gleitflieger kein aktiver Flieger.
Riesengleiter sind vorwiegend nachtaktive Baumbewohner und kommen nur selten auf
den Boden. Den Tag verbringen sie in Baumhöhlen oder an Ästen und Baumstämmen in
Höhen von 25 bis 50 Metern. Erst bei Eintritt der Dämmerung wird er in der Regel aktiv.
Die Gleitflüge betragen in der Regel 50 bis 70 m, maximal bis 136 m.
Riesengleiter am Baumstamm
Riesengleiter im Gleitflug mit aufgespannter Flughaut im Anflug
zum nächsten Baum
4-A-3-5
4 - 51
Alfred Hitchcock - Die Vögel
Die übergeordnete Frage ist: Weshalb
greifen die Vögel an? Der Grund dafür
liegt in der langen Geschichte der
Menschheit während welcher Vögel und
andere Tiere getötet wurden. Deshalb
werden nun die Menschen plötzlich die
Opfer der Angriffe der Vögel.
«Die Vögel» bedeutet, dass der Angriff
der Vögel die Rache der Natur an der
willfährigen und eigenmächtigen ignoranten Menschheit ist .
4-A-3-6
Luftstrahlantriebwerk für Düsenflugzeuge (schematisch)
FS : Luftschraubenschub in N
FS ≈ - (dm/dt) (vaus - vein) ;
vein
dm/dt = Luftdurchsatz in kg/s
vaus
Fs
vein : Eintrittsgeschwindigkeit
vaus : Austrittsgeschwindigkeit; vaus >> vein
Wegen Actio = Reactio (Rückstoss) ist Fs antiparallel zu vein und vaus
Luftstrahltriebwerk
•
Das Ansaugen der Luft findet im Ansaugteil statt, wo die Luft der Masse m
mit der Geschwindigkeit vein einströmt.
m·vein = Impuls der einströmenden Luft.
•
Die Luft wird durch einen Verdichter,
der von der Turbine angetrieben wird,
verdichtet.
•
In der Brennkammer findet mit Hilfe
eines Treibstoffes (Kerosin) die Verbrennung statt.
•
Die mit hoher Geschwindigkeit vaus >>
vein ausgeblasene Luft findet im Turbinen- und Schubdüsenteil statt.
4-A-4-1
4 - 52
m·vaus = Impuls der ausströmenden Luft.
Referenzen: Kapitel 4
R-4-0
4.0 Das Fliegen - Überblick
R.4.0.1
p. 107 : Überblick über das Fliegen
zusammengestellt von P. Brüesch
R.4.0.2
p. 108 Fliegen von Vögeln und Flugzeugen:
a) Fliegen (Fortbewegung) - http://de.wikipedia.org/wiki/Fliegen:(Fortbewegung)
b) Flight - From Wikipedia, the free encyclopedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Flight
c) Fliegender Storch und Boeing - 747
- Fliegender Weiss-Storch: Bild aus Google Images: Weissstorch im Flug. jpg – schoepfung.eu
Text aus: Weissstorch; http://wikipedia.org/wiki/Wei%C3%9Fstorch
- Flugzeug: Boeing – 747-100 - Bild aus Google Images: Boeing – 747
Text aus: Boeing 747 - http://de.wikipedia.org/wiki/Boeing:747
s. auch: Boeing 747 – 100 - http://www.fliegerweb.com/airliner/flugzeuge/lexikon.php?show-lexikon-571
4.1 Physikalische Grundlagen
R.4.1.3
p. 110: Überblick über Navier-Stokes – Euler – Bernoulli – und Kutta-Joukowski –Gleichungen (P. Brüesch)
p 110: p. 4-A-1-1: Literatur über Navier - Stokes - Gleichungen
Grundlagen der Strömungsmechanik: Eine Einführung in die Theorie der Strömungen
Franz Durst - Springer Verlag (2008)
Navier-Stokes-Gleichungen - http://de.wikipedia.org/wikipedia.org/wiki/Navier-Stokes_Gleichungen
Diese Literaturstelle enthält mehrere Referenzen über die Navier - Stokes-Gleichungen
Navier - Stokes-Equations - http://en.wikipedia.org/wîki/Navier%E2%80%93Stokes-equations
R.4.1.4
p. 111: Lift (force) : Aerodynamische Grundlagen
a) http://wikipedia.org/wiki/Lift_(force) - enthält auch die Figur auf unserer Seite 111: Forces on an airfoil
b) Flying of birds - Picture found on Google under «The Flying Birds – Animal Wallpaper»
(Kräfte auf Flügel von P. Brüesch eingezeichnet)
R-4-1
4 - 53
R.4.1.5
Euler – Gleichungen - aus Wikipedia, der freien Enzyklopedie
http://de.wikipedia.org/wiki/Euler-Gleichungen
enthält auch Bücher (Englisch und Deutsch) über diese Gleichungen
R.4.1.6
Satz von Kutta-Joukowski
a) Satz von Kutta-Joikowski - http://de.wikipedia.org/wiki/Satz_von_Kutta_Joukowski
b) Das Gesetz von Kutta-Joukowski
http://www.physik.uni-wuerzburg.de/video2/alpha/FluidDynamik/node25_ct.html
c) Die Berechnung der Auftriebskraft nach Kutta-Joukowski
http://www.physik.uni-würzburg.de/video2/alpha/kap5/Tips/Tio01/Tip01:ct.htm
d) Kutta-Joukowski theorem - http://en.wikipedia.org/wiki/Kutta%E2%80%93Joukowski_theorem
R.4.1.7
Zum Satz von Bernoulli und zum Theorem von Kutta-Joukowski
a) Die physikalischen Grundlagen der Luftfahrt
www.eq.uni-mainz.de/.../Die_physikalischen_Grundlagen_der_Luftfahrt - Lena Michaela Altherr
pp 171 – 173: Herleitung der Bernoulli-Theorie bei Altherr (s. hier: Anhang 4-A-1-2, 4-A-1-3)
b) Fliegen und Luftfahrt - [PDF] Script : www.kphys.uni-heidelberg.de/.../huefner/V075-p--c) Lift: Why can airplains fly ? ([PDF[ : Chapter 5)
Hardi Peter und Rolf Schlichtenberger : Introduction to Hydrodynamics
www3.kis.uni-freiburg.de/~peter/hydro05.pdf
d) Wie erklärt man das Fliegen eines Flugzeugs ?
Rita Wodzinski ; highered.mcgraw-hill.com/…/Simple_Chapte
PLIS LUCIS (Fachdidaktik) pp 18 – 22
e) Wie erklärt man den Auftrieb nach Kutta-Jukowski ?
Heuristische Herleitung von Kutta-Joukowski aus Bernoulli-Gleichung (für planparallele dünne Platte)
http://www.physik.uni-würzburg.de/video/alöha/kap5/Tips/Tip0/Tip01_ct.html
R.4.1.8
pp. 4-A-1-2, 4-A-1-3, p. 112: Herleitung und Diskussion der Bernoulli-Gleichung
Diese kann aus dem Energiesatz oder direkt aus dem 2. Gesetz von Newton hergeleitet werden.
Die im Anhang enthaltene Herleitung (pp 4-A-1-2 und 4-A-1-3 basiert auf dem
Newton’schen Gesetz (Lineare Impulsgleichung der Fluid-Mechanik:
highered.mcgraw-hill.com/…/Simple_Chapter.pdf- ; Chapter 12
R-4-2
R.4.1.9
p. 112: Bernoulli-Gleichung; Druckerhaltung und Energieerhaltung
[PDF] Bernoulli-Gleichung; www.delta-q.de/export/.../bernoulligleichung.pdf-
R.4.1.10
p. 112: [PDF] Derivation and Interpretation of Bernoulli’s equation
Lesson 61: Physics – Trinity Valley School
Dr. Mitch Hoselton - Physics: An Incremental Development, John H. Saxon, Jr.
faculty-trinityvalleyschool.org/…/Lesson%2061…
R.4.1.11
p. 4-A-1-3, p. 112: Bernoulli’s principle
Wikipedia, the free encyclopedia; http://en.wikipedia.org/wiki/Bernoulli’s_principle
R.4.1.12
Die Bernoulli-Gleichung - Herleitung aus Energieerhaltungs-Satz
[PDF] Die Bernoulli Gleichung; huberlab.wp.tu-harburg.de/eep1/…/EEP1_02_0
R.4.1.13
Physik: Ein Lehrbuch von Wilhelm Westphal
Achtzehnte und neunzehnte Auflage
Springer. Verlag; Berlin – Göttingen – Heidelberg (1956)
Diskussion der Bernoulli-Gleichung: p. 173 im Besonderen für horizontale Strömung
R.4.1.14
p. 113: Strömung um Tragflächen - 1: Erste und dritte Figur - aus Referenz R.4.1.4
mittleres Bild : Anfahrwirbel :
aus : Bound Vortex - http://wikipedia.org/wiki/Lift_(force)
R.4.1.15
p. 114: Strömung an Tragflächen - 2
http://www.shgymlb.schule-bw.de/unterricht/faecher/ph/stroemungsphysik/trGFLUEGEL.HTML
R.4.1.16
p. 115: Qualitative Erklärung des Auftriebs
in: Lexikon der Physik: Auftrieb – Spektrum der Wissenschaften
www.spektrum.de/labo/lexikon(physik/970
R.4.1.17
p. 116: Auftrieb und Kutta – Joukowski
a) s. Ref. R.4.1.6 d): Kutta – Joukowski theorem
b) s. Ref. R.4.1.7 c): Lift : Why can airplanes fly ?
c) Tragflügel
http://www.peter-junglas,de/th/vorlesungen/stroemungslehre2/htmlkap1-7.html
R-4-3
4 - 54
R.4.1.18
p. 117: Kutta-Joukowski_Heuristisches_Modell - 1
Figur der Tragfläche aus Google unter «Tragflächen»
Bearbeitet von P. Brüesch
R.4.1.19
p. 118: Kutta-Joukowski_Heuristisches_Modell - 2
s. Referenz R.4.1.7 c)
R.4.1.20
p. 118: Kutta-Joukowski – Theorem
Formale Herleitung der Theorie - Referenz R.4.1.6 d)
R.4.1.21
a) p. 119: Technische Formel für den Auftrieb und Vergleich mit Kutta.Joukowski
2. Gasphysik: Zweidimensionale Strömung; 3. Tragflügel endlicher Spannweite
[ PDF] – MBS : www,mbsroegner.bizland,com/FLUWIIA.pdf
b) p. 119: Praktische Aerodynamik; Bild 13
Dieter Thomas : Vortrag im Rahmen der Fluglehrerweiterbildung 1992 in Frankfurt
www.thomas-flight-test.de/.../Aerodynamik_Bilde...
4.2 Fliegende und gleitende Tiere
4.2.1 Wirbellose und Wirbeltiere
R.4.2.1
p. 121: Allgemeine Bemerkungen
Flying and gliding animals
http://en,wikipedia.org/wiki/Flying_and_gliding_animals
R.4.2.2
p. 122: Fliegen in der geologischen Zeitskala
Geologische Zeitskala - http://de.wikipedia.org.wiki/Geologische_Zeitskala
p. 123: Planet der Insekten - http://www.schmetterlinkdpark.de/insekten.htm
R.4.2.3
R-4-4
4.2.2 Fliegende und gleitende Wirbellose: Insekten
R.4.2.4
p. 124: Wirbellose Tiere: Insekten
R.4.2.5
p. 125: Definition: Was ist ein Insekt ?
www.lehrerweb.at/materials/gs/su/riere/,,,/insekten/.../02_definition_p...
R.4.2.6
p. 126: Käfer, Schmetterlinge, Fliegen, Mücken und Hautflügler - http://de.wikipedia.org/wiki/k%C3%A4fer
R.4.2.7
p. 127: Die grössten Insekten der Welt / u.a Schmetterlinge - Königin-Alexandra-Vogelfalter
a) Grösstes Insekt der Welt - http://de.wikpedia.org/wiki/K%C3%B6nigin.Alexandra-Vogelfalte
b) Die kleinsten Insekten der Welt - Die Zwergwespe Dicopomopha echmepterygis
http://de.wikipedia.org/wiki/Dicopomorpa_echmepterygis
http://de.wikpedia.org.wiki/Zwergwespen
http://en.wikpedia.org/wiki/Fairfly
Betreffend der Reynoldszahl Re: s. Anhang: pp 4-A-2-1 und 4-A-2-2 mit Referenzen
Der Autor dankt Herrn Peter Etter herzlich für seine Information über die Dicopomorpha echmepterygis
c) Insektenflug - https://de.wikipedia.org/wiki/insektenflug
Enthält Abschnitt über «Fliegen bei geringen und mittleren Reynolds-Zahlen»
d) How do I … calculate Reynolds number ? - https://www.mh-aerotools.de/airfoils/howod.htm
e) Similarity Parameters - Aerodynamic Forces depend on Re and M
https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/airsim.html
f) https://de.wikipedia.org/wiki/Fransebfl%C3%BCgler
g) Wenn Wasser schlüpfrig und Luft klebrig wird - von B. Rodewald und H.J. Schlichting
https://www.uni-muenster.de/imperial/.../wasser_schl_pfrig_rode.pdf
Enthält eine Graphik der Fluggeschwindigkeit in Abhängigkeit der Reynoldszahl Re: Re = 10-6 bis 106
R.4.2.8
pp 128, 129: Die faszinierende Welt der Insekten
http://www.hoppsala.de/index,php?!menueID=261&contentID=1955
R.4.2.9
p. 129: Das Facettenauge eines Drohns (männliche Biene)
http://www.die-honigmacher.de/kurs1/seite_24102_html
R.4.2.10
p. 130: Drei fliegenden Insektenstaaten: Bienen – Ameisen – Termiten
a) Bild links: Bienen - http://www.inkerei-selzer.gmxhome.de/inkerei1/schwarm.htm
b) Bild Mitte: Fliegende Ameisen - http://www.tiere-umwelt.de/fliegende-Ameisen
c) Bild rechts: Fliegende Termiten - http://de.wikipedia.org/wiki/Termiten
R-4-5
4 - 55
4.2.3 Schmetterlinge
R.4.2.11
p. 131: Schmetterlinge: Vorbemerkungen
R.4.2.12
p. 132: Entwicklungsstadien der Schmetterlinge
Bild aus : Lebenszyklus der Schmetterlinge;
http://www.telfs.com/noafl/schmetterlinspage/frames(Lebenszyklus.htm
(Die Beschriftung der Figur wurde vergrössert und geringfügig modifiziert)
R.4.2.13
p. 133: Schmetterlingsflügel und Flugverhalten
a) Schmetterlingsflügel und Schuppen (Text und Bild) http://www.hydro-kosmos.deklforsch/schuppen.htm
b) Schmetterlinge
Flügel und Flugverhalten - http://wikipedoa.org/wiki/Schmetterlinge
R.4.2.14
p. 134: Einige_Schmetterlinge: Bilder
Eine kleine Auswahl von Schmetterlingen
www.ausgabe.natur/lexikon.com/schmetterlinge-php
R.4.2.15
p. 135: Fliegen
4.2.4 Fliegen und Mücken
a) Fliegen - aus: Wikipedia, der freien Enzyklopedie - http://de.wikipedia.rg/wiki/Fliegen
b) Wie fliegen Fliegen ? - http://www.mpg.de/3648523/Wie_Fliegen_fliegen
c) Taufliege kann mit Augen auf Fühlern sehen
p. 135: oberes Bild: Taufliege im Gleitflug
http://www.krone.at/Wissen&Taufliege:kann:mit:Augen_aif_Fuehlern_sehen-Hilfe:fuer_Blinde-Story-105499
d) Frankfurter Allgemeine: Wissen: DIe Taufliege in der Identitätskrise
Bild unten: Die aktiv fliegende Taufliege
http://m.faz/aktuell/wissen/natur/taxonomie-die-taufliege-in-der-identitätsktise-11008050.html
e) Tsetsefliegen - http://de,wikipedia.org/wiki/Tsetsefliegen
R.4.2.16
a)
b)
c)
d)
p. 136: Mücken - Mosquitos - http://de.wikipedia.org/wiki/M%C3%BCcken
Stechmücken - http://de.wikipedia.9rg.wiki/Stechm%C3%BCcken
Schlagwort – Archiv - Natürlche Insektenabwehr - http://apdikt.wordpress.com/tag/mücken/
Malaria - http://wlikipedia.org/wiki/Malaria
R-4-6
4.2.5 Die Hautflügler
R.4.2.17
p. 137: Hautflügler
a) Hautflügler - «Wespen im Jahr 1970» - Heuschrecken, Käfer und Wespen
Text und Bild links - http://www.aktion-wespenschutz.de/Zeitreise/1970/History%201970.htm
b) aus: Wikipedia, der freien Enzyklopedie - http://de.wikipedia.org/wiki/Haut%C3%BCgler
c) Bild rechts: Xyelidas - http://de.wikipedua.org/wiki/Xyelidae
4.2.6 Libellen
R.4.2.18
a) p. 138: Libellenflug - Flugtechnik der Libellen - http://www.libellen.li/flugverhalten.html
b) Libellen - http://de.wikipedia.org/wili/Libelle
c) Fliegen Libellen anders als andere Insekten ? - wissen.de
http://www.wissen.de/bikdwh/fkiegen-libellen-anders-als-andere-Insekten
R.4.2.19
p. 139: Vergleich von Libelle mit Hubschrauber (Helikopter)
Ingo Rechenberg: Vorbild aus der Natur: « Wie aus der Libelle ein Hubschrauber wurde»
in: DIE WELT (24. 95 10 – Vorbild Natur - www.welt.de>Wissen-
R.4.2.20
p. 139: Hubschraubertechnik und Grundlagen
http://www.luftrettung-hanburg.de/html/hubschraubertechnik.html
4.3 Fliegende und gleitende Wirbeltiere
4.3.1 Flugsaurier
R.4.3.1
p. 142: The earliest flying animals were probably gliders
Der Flugsaurier – Pterosaurier
http://www.lookandlearn.com/blog/19871/the_earliest-flying-animals-probably-gliders/
R.4.3.2
pp 143, 144: Flugsaurier
Bild von p. 143 (Skelett); Bild links von p. 144 (Flugsaurier) - http://de.wikipedia.org/wiki/Flugsaurier...
R.4.3.3
p. 144: Qietzalcoatlus - Text zu p. 144 - http://de.wilioedia/wiki/Quetzalcoates
SCINEXX - Plerosaurier waren Langsamflieger - http://www.scineaxx-de/wissen-aktuell-12606-11-24.html
R-4-7
4 - 56
R.4.3.4
p. 144: Pterosaurier Facts
Bild rechts von p. 144 - http://someinterestingfacts,net/pterosaur.facts
R.4.3.5
Der Ursprung des Fliegens – ein Rätsel der Natur
http://www.jesus.ch/information/wissen_und:Forschung/fossilien_stumme_zeugen_der_vergangenheit.
R.4.3.6
Referat: Evolution des Vogels - http://www.pausenhof.de/referat/biologie/evolution-der-voegel/9092
R.4.3.7
p. 146: Ref. R.4.3.5 - Der Ursprung des Fliegens
Bild: Zur Geschichte der Vögel_Aecheopteryx - Images
R.4.3.8
p. 146: Referenz R.4.3.6 - Referat: Evolution der Vögel; Text zu p. 146
R.4.3.9
p. 147: Habitus und Skelett von Vögeln
a) Vogelskelett: http://de.wikipedia.org/wiki/Vogelskelett
b) Skelett, Körperbau und Organe eines Vogels
http://www.medienwerkstatt.online.de/lws_wissen/vorlagen/showcard.php?id=5194
R.4.3.10
p. 148: Physiologie der Vögel: Skelett
Figur a) Längsschnitt; aus www.google.ch/search - Bilder
Figur b): Querschnitt; Faszination Fliegen – Modell Vogel
http://its.mv.fh-duesseldorf.de/Vorlesung/alt_iplom_schueler_etc/facharbeiten/quirimus/CD_facharbeit_Tragfluegel
R.4.3.11
p. 149: Physiologie der Vögel: Die Flügel
http://de.wikipedia.org/wiki/F1%C3%BCgel Vogel
http://universal:lexikon.deacademoc.com/316312/Vogelfl%C3%BCgel
R.4.3.12
p. 150: Zur Physik des Vogelflugs
4.3.2
Die Vögel
a) Schlagflug: http://de.wikipedia.org/wiki/Schlagflug
b) Wie fliegt ein Vogel?
http://www.goethe.lb.bw.schule.de/faecher/biologie/biologie/klasse06/vogelflug/vogelflug-htm
c) Das Flugprinzip der Ornithopter - http://www.ornithopter.de/ptinzip.htm
d) [PDF] How Do Birds Fly ? - files.dnr.state.mn.us/publications/volunteer/young
R-4-8
R.4.3.13
p. 151: Meister der Lüfte – Rekorde aus der Vogelwelt
a) http//www.planet-wissen.de/natur_technik/tierisches/tierische_flieger/meister:der_luefte.jsp
b) Der Alpensegler: Weltrekord im Dauerfliegen - Dr. Felix Liechti (Schweizerische Vogelwarte Sempach)
http://www.xn-vgel-5qa.ch/weltrekord-im-dauerfliegen.html
R.4.3.14
p. 152: Beispiele bunter Bilder von Vögel; aus: Google : Bilder
R.4.3.15
p. 153: Der Andenkondor - http://de.wikipedia.org/wiki/Andenkondor
Bild: unter www.google.ch «Vogelflug» : Aktivitäten 2002 – uzwil.birdlife.ch
4.3.3 Gleitende Fische
R.4.3.16
pp 154, 155: Gleitende Fische
http://de,wikipedia.org/wiki/Fliegende_Fische
a) Flying fish - http://en.wilipedia.org/wiki/Flying_fish
Bild auf p. 154 unter Images; www.google.ch/search - (File: Pink-wing flying fish.jpg-Wikipesia)
b) Flying Fish - http://animals.nationalgeographic.com/animals/fish/flying-fish/
R.4.3.17
p. 156: Haie und Gleitflug von Haien
a) Haie - http://de.wilipedia.org/wiki/Haie
b) Die fliegenden Haie von Seal Island
http://dokumonster.de/sehen/4440-die-fliegenden-Haie-von.seal-island.n24-doku/
c) Bruni + Norbert Fuchs - Amerika II 2006 – 2008 – Die Reiseberichte
http://www.vulpes-vulpes-sam.com/78503.html
4.3.4 Gleitende Reptilien
R.4.3.18
p. 157: Gleitflug von Reptilien - http://de.wikipedia.org/wiki/Reptilien
R.4.3.19
p. 158: Flugdrachen
a) http://de.wikipedia.org/wiki/Flugdrachen
b) Draco (genus) - http://en.wikipedia.org/wiki/Drago_(genus)
Bild aus: www.google.ch/search - Images : Flying Dragon: Lizards: Animal Olanet
R-4-9
4 - 57
R.4.3.20
p. 159: Gleitflug von Geckos
a) Geckos: http://de.wikipedia.org/wiki/Geckos
b) Von Baum zu Baum segeln - Wirbeltiere lernen fliegen
Fluggeckos
http://www.daserste.de/infotmation/wissen-kultur/w-wie-wissen/specialsvon-baum-zu-baum-segeln-100.htm
c) Gleitflug bei Tieren
http://www.wissen.dethema/gleitflug-bei-tiefen?chunk-gleitflug-bei-amphibien-und-reptilien
d) Bild von Gecko: - SCIENCE PHOTO LIBRARY
Flying Gecko - http://www,sclencephoto.com/media/379134/view
R.4.3.21
p. 160: Gleitflug von Flugschlangen
a) Fliegende Schlangen
http://www.focus.de/wissen/natur/biologie-fliegende-schlangen_aid_574578.html
b) s. auch Ref. R.4.3.20 c)
4.3.5 Gleitende Amphibien
R.4.3.22
p. 161: Amphibien und Reptilien
a)
b)
http://www.frankfurt.de/sixcms/detail.php?id=3852&_ffmpar%5B_id_inhalt%5D=30149
Amphibien - http://de.wikipedia.org.(wiki/Amphibien
R.4.3.23
p. 162: Lurche – Amphibien
Die 21 mitteleuropäischen Amphibien und ihre wesentlichen Bestimmungsmerkmale – BioNetworX.de
http://www.bionetworx.de/biomemorix/uebersicht.html
R.4.3.24
p. 163: Hüpfende und gleitende Frösche
a) Vergleichende Tierphysiologie – Vol. 1, p. 627
Gerhard Heldmaier, und Gerhard Neuweiler – 2003 - Science
books.google.ch/books?isbn=3540442839
http://books.google.ch/books?id-rKx-RKYoxeMC&pg=PA627&dq=Sprungweite+von+Fr%C3%B6schen
b) Bild und Text gefunden unter: «Flying frogs» – Images
Collection & Selection: Earth Facts to visit page - Flying frog : Wallace’s Treefrog
R-4-10
4.3.6 Fliegende und gleitende Säugetiere
R.4.3.25
pp 164: 165: Fliegende und gleitende Säugetiere - Übersicht
Informationen über Fledermäuse, Flughunde, Gleithörnchen, Riesengleiter und Lemuren
aus verschiedenen Quellen in Google
R.4.3.26
p. 166: 4.3.6.1 : Fledermäuse
http://de.wikipedia.org/wiki/Fleferm%C3%A4use
R.4.3.27
pp 166, 167: Fledermäuse
Warum Fledermäuse nachts fliegen und tags schlafen
http://www.tk-logo.de/cms/beitrag/1004161/203850/Warum_Fledermaeuse:nachts_fliegen_und tags.html
R.4.3.28
p. 167: Oekosmos: Fledermäuse - http://www.oekosmos.de/artikel/details/fledermeuse/
R.4.3.29
pp 167, 168: Flugtechnik: Fledermaus im Windkanal
a) http://sciencev1.orf.at/science/news/148077.html
b) p. 168: Fliegen wie der Teufel - http://www.zeit.de/online/2007/20/fledermaus-flug-galerie
c) p. 168: [PDF] Fledermäuse sorgen für Wirbel - www.mpg.de/933912/S007_Bkickpunkt:092.pdf
R.4.3.30
p. 169: Landfachausschuss für Fledermausschutz und Forschung: Fledermäuse hören ihre Umgebung
http://www.lfa-fledermausschutzmv.de/Echoortung.19.0.html (s. auch Ref. R.4.3.26, p. 166
R.4.3.31
p. 170: 4.3.6.2 - Flughunde
a) http://de.wikipedia.org/wiki/Flughunde
b) Eigentliche Flughunde - http://de.wikipedia.org/wiki/Eigentliche:Flughunde
R.4.3.32
p. 171: Die Orientierung und das Schlafen von Flughunden
a) http://link.springer.com/articke/10.1007%2FBF00338621?L1=true
b) Flughunde orientieren sich nach interner Landkarte
http://www.focus.de/wissen/natur/wissenschaft-flughunde-orientieren-sich-nach-interner-Landkarte_aid_656004,html
c) Die umgekehrte Welt der Flughunde. Wie schlafen Flughunde ?
http://www.geo.de/GEO/natur/tierwelt/tierwelt-video-die-umgekehrte-welt-der-flughunde-66871-html
d) Bild zu «Schlafende Flughunde» - aus: www.google.ch : Images – unter: «Wie schlafen Flughunde ?»
R-4-11
4 - 58
R.4.3.33
p. 172: Kleine Rote Flughunde
a) Roter Flughund - http://de.wikipedia.org/wiki/Roter_Flughund
b) Little Red Flying Fox - http://animals.nationalgeographic.com(animals/mammals(little-red-flying-fox/
c) Flying foxes make unusual sojourn to the Barkly www.abc.net.au/news/2012-10-12/.../flying-foxes-at.../4310686
By Ruby Jones - contains PHOTO of «Little Flying Foxes»
d) Little red flying fox - http://en.wikipedia.org/wiki/Little_red_flying_fox
R.4.3.34
p. 173: 4.3.6.3 - Das Gleithörnchen
a) Gleithörnchen - http://de.wikipedia.org/wiki/Gleith%C3%B6rnchen
b) Gewöhnliche Gleithörnchen - http://www.markuskappeler.ch/tex/texs/gleithoernchen.html
http://www.wissen.de/thema/gleitflug-beo-tieren?chunk=gleitend-von-baum-zu-baum
c) Gleitflug bei Tieren
http://www.wissen.de/thema/gleitflug-beo-tieren?chunk=gleitend-von-baum-zu-baum
R.4.3.35
p. 174:
a)
b)
c)
4.3.6.4 - Gleitende Lemuren
http://www.khaosok.hotels.com/de/wildhilfe/mammaks/flying-lemur,html
Fliegende Lemuren ebenfals nahe Verwandte des Menschen
http://www.aeroman.org/html/DE/fliegende_lemuren.html
Lemuren - http://de.wikipedia.org/wiki/Lemuren
R-4-12
4.4 Flugversuche von Menschen
R.4.4.1
p. 176: Der Traum vom Fliegen
a) Geschichte der Luftfahrt - http://wikipedia.org/wiki/Geschichte_der_Luftfahrt
b) Geschichte des Fliegens – Die Anfänge bis zum ersten Weltkrieg
http://www.luftrettung-hamburg.de/html/pioniere.html
c) Shun (Kaiser) - http://de.wikipedia.org/wiki/Shun_(Kaiser)
d) Schwerelos . Kai König - http://www.heise.de/ix/artikel/Schwererlos_506840.html
e) Daedalos - http://de.wikipedia.org/wiki/Daidalos
f) Ikarus - http://de.wikipedia.org/wiki/Ikarus
g) Daedalus und Ikarus - (mit Bild rechts unten)
http://owInet.overlake.org/Academics/Faculty/jrothfels/Latin%2011%20Ovid%202007/hades/index.html
h) Icarus - http://en.wikipedia.org/wiki/Icarus
R.4.4.2
p. 177: Albrecht Ludwig Berblinger – Der Schneider von Ulm und der Flugpionier
a) http://de.metapedia.org/wiki/Berlinger,_Albrecht_Ludwig (mit Bild unten)
b) http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/200-jahre-gleitflug-schneiderlein-im-sturzwind-a-765672.html
(mit Bild oben)
R.4.4.3
a) pp 178 – 179: Otto Lilienthal
http://de.wikipedia.org/wiki/Otto_Lilienthal
b) Otto Lilienthal : Kurzbiographie
http://www.luftfahrtachiv.eu/index.php?option=com_content&view=article&id=195:otto-lilienthal....
R.4.4.4
a) pp 180 - 181: Brüder Wright
http://de.wikipedia.org/wiki/Br%C3%BCder_Wright
Anmerkung zum Abschnitt «Doppeldecker-Gleitapparat»: Hier ist ein Fehler: Bei der Streckenangabe
muss 622.5 m durch 622.5 ft = 189.7 m ersetzt werden (1 ft = 0.3048 m)
b) Wright brothers
http://en.wikipedia.org/wiki/Wright:brothers
R-4-13
4 - 59
R.4.4.5
p. 182: Der Transatlantikflug von Lindbergh - Bilder aus: www.google.ch/
a) http://de.wikipedia.org/wiki/Charles_Lindbergh
(Lindbergh geriet in den USA wegen seiner Nazi-freundlichen und Juden-feindlichen Einstellung stark
unter Beschuss, nicht zuletzt von Präsident Roosewelt. Erst viel später, im Jahre 1957, als er seine
Autobiografie schrieb, entsetzte er sich über die NS-Konzentrationslager und die Vernichtung der Juden).
b) Spirit of St. Louis - http://de.wikipedia.org/wiki/Spirit_of_St._Louis
c) Planet Wissen Startseite - Navigationspfad – Luftfahrt
http://www.planet-wissen.de/wissen_interaktiv/html-versionen/luftfahrt/index.jsp
R.4.4.6
p. 183: Der Zeppelin – Die Katastrophe der «Hindenburg» (1937)
a) Zeppelin - http://de.wikipedia.org/wiki/Zeppelin
b) Infos zum Thema «Zeppeline» - Die Luftschiffe von Ferdinand Graf von Zeppelin
http://www.zeppelinfan.de/html-seiten/deutsch/liftschiff_zeppelin.htm
c) Referenz c) von R.4.4.5
d) AKTUELLER / ARTIKEL - Der Zeppelin fliegt wieder
http://www.wasistwas.de/aktuelles/artikel/link/435866c988/article/der-zeppelin-fliegt-wieder.html
e) Zeppelin (in English) - From Wikipedia, the free encyclopedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Zeppelin
R.4.4.7
p. 184: Segelflugzeuge
a) Segelelflugzeug - http://de.wikipedia.org/wiki/Segelflugzeug
b) Glider (sailplane) - http://en.wikipedia.org/wiki/Glider_(sailplane)
R.4.4.8
p. 185: Düsenflugzeuge
a) Flugzeug - http://de.wikipedia.org/wiki/Flugzeug
b) Rückstossantrieb - http://re-flugzeuge-info/rueckstossantrieb.php
c) Flugzeugtriebwerke – Basiswissen Schule Physik
http://m.schuelerlexikon.de/mobile_physik/Flugzeugtriebwerke.htm
d) Rückstoss - http://de.wikipedia.org/wiki/R%C3%BCcksto%C3%9F
e) Boeing 747 - http://de.wikipedia.org.wiki/Boeing_747
R-4-14
R.4.4.9
p. 186: Strahltriebwerk eines Düsenflugzeuges
a)
b)
R.4.4.10
p. 187: Take-off of Boeing 747 - 81
a)
b)
c)
d)
e)
R.4.4.11
Lift Coefficient & Thin Airfoul Theory
http://www.aerospaceweb.org/question/aerodynamics/q0136.shtml
Modern Lift Equation - http://wright.nasa.gov/airplane/lifteq.html
John S. Denker: See How It Flies - A new spin on the perceptions, procedures and principles of flight
Published by McGraw – Hill Companies - Copyright @1996 – 2008 jsd
see especially Chapters 2 and 13 - http://en.wikipedia.org/wiki/Helicopter
Flying: Lessons - Lesson 4: Slow Flight - Definition and Illustrations for the «Angles of Attack»
http://krepelka.com/fsweb/lessons/student/studentlessins04.htm
Airliner Takeoff Speeds - http://www.aerospaceweb.org/question/performance/q0088.shtml
p. 188: Hubschrauber - Allgemein
a)
b)
d)
R.4.4.12
Strahltriebwerk - http://de.enc.tfode.com/Strahlantrieb - (Zur klaren Darstellung wurde die Figur retochiert)
Strahltriebwerk - http://de.wilipedia.org/wiki/Strahtriebwerk
Hubschrauber - http://de.wikipedia.org/wiki/Hubschrauber
Physikalische Grundlagen zum Hubschrauber
http://wiki.re-heli-fan.org/index.php/Physikalische_Grundlagen
From Wikipedia, the free encyclopedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Helicopter
Fotos von Hubschrauber: www.googl.ch/seaech- Helikopters
p. 189: Zur Physik des Hubschraubers
a)
b)
c)
[PDF] Aerodynamik der Hubschrauber - www.grider.de/.../Aerodynamik%20Der%20Hubschrauber(cont
Flugdynamik und Aerodynamik des Hubschraubers
http://www.heliport.de/lexoka/hubschrauber-physiklexikon/
Anstellwinkel - http://wiki.walkera-raptor-forum,de/index.php?title=Anstellwinkel&redirect=no
d)
Physics of Helicopters - From Croom Physics Wiki
http://wiki/croomphysics.com/index.php?title=Physics_of_Helicopters
e) Bilder: [PDF] Aerodynamik der Hubschrauber - oberes Bild:
Vortrieb–Auftrieb–Luftwiderstend–Gewicht
(Beschriftung von P. Brüesch ergänzt) - unteres Bild: Rumpf – Rotor – Heck
R-4-15
4 - 60
Anhang – Kapitel 4
R.A.1.1
p. 4-A-1-1: Basic Aerodynamic Principes and Applications (Chapter 2)
[PDF] www.ohio.edu/people/uijtdeha/chapter-2...basic-aerodynam.pdf
R.A.1.2
p. 4-A-1-2: Figur: Flusslinie zur Bernoulli – Gleichung - Referenz R.4.1.8 - Figur von P. Brüesch bearbeitet
R.A.1.3
p. 4-A-1-3: Herleitung der Bernoulli-Gleichung aus Referenzen R.4.1.8; pp 471 – 474; R.4.1.10, R.4.1.11
R.A.1.4
p. 4-A-1-4: Physik Experiment : Warum fliegen Flugzeuge ?
http://experimentis.de/PhysikExperimente/Versuch/314Fliegen.html
R.A.2.1
p. 4-A-2-1: Zur Herleitung der Reynolds Zahl - Hocine Oumeraci
a) see Reference R.4.3.24 a): Vergleichende Tierphysiologie
b) Leichtweiss – Institut für Wasserbau ; Technische Universität Braunschweig
Vorlesungsdruck für das Grundfach «Hydrodynamik»
Kapitel 11: Laminare und turbulente Strömung
Abschnitt 11.5,2 , p. 202 ; Heuristische Herleitung der Reynolds-Zahl auf der Basis der Trägheitskraft
und der Reibungskraft eines sich durch ein Fluid (Wasser oder Luft) bewegenden Objektes
http://www.tu-braunschweig.de/Medien.../skript-hydromechanik.pdf
c) Intuitive Derivation of Reynolds Number
Randall D. Peters and Loren Summer - http://physics.mercer.edu/hpage/friction/ajp/reynolds.html
Die heuristische Herleitung beruht nicht auf Trägheits- und Reibungskräften. sondern auf Leistungen,
d.h. auf der Aenderungsrate der kinetischen Energie und dem Leistungsverlust durch Reibung des Fluids
R.A.2.2
p. 4-A.2-2: Beispiel von Reynoldszahlen fliegender Insekten und in der Technik
a) Figur gefunden unter: «Speed versus Reynolds number» - Bilder (Pictures)
b) Text aus Referenz R.4.3.24 - Vergleichende Tierphysiologie
c) Beispiel: Reynoldszahl von Zwergwespen - htps://de.wikipedia.org/wiki/Zwergwespen
R-4-16
R.4.2.3
p. 4-A-2-3: Wenn Wasser schlüpfrig und Luft klebrig wird - von B. Rodewald und H.J. Schlichting
https://www.uni-muenster.de/imperial/.../wasser_schl_pfrig_rode.pdf
Enthält eine Graphik der Fluggeschwindigkeit in Abhängigkeit der Reynoldszahl Re: Re = 10-6 bis 106
R.A.2.4
p. 4-A-2-4: Gleitende Tintenfische (z.B. Kalmare und Kraken)
a) Tintenfische - http://de.wikipedia.org/wiki/Tintenfische
b) Fliegende Meerestiere: Tintenfische übertreffen Sprint – Weltrekord
http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/tintenfische-schneller-als-weltrekordhalter-usain-bolt-a-882300.html
(c) Kalmare - http://de.wikipedia.org/wiki/Kalmare
d) Kraken - http://de.wikipedia.org/wiki/Kraken
e) PDF] Tintenfisch - www.fischinfo.de/pdf/TINTENFISCH.pdd
f) Bilder aus : www,google.ch - Images - Tintenfisch bzw. Octopus
R.A.3.1
p. 4-A-3-1: [PDF] Die 5 Klassen der Wirbeltiere
a) Vertebrates: http://mrsmoyerfog4.wikispaces.com/Vertebrates
(Figuren-Text von P. Brüesch von Englisch auf Deutsch übersetzt)
b) Vertebrates: http://bio.edu.ee/animals/selgro.htm
R.A.3.2
p. 4-A-3-2: Der Vogelflug
Text : http://de.wikipedia.org/wiki/Vogelzug
Bild: unter www.google,ch «Vogelflug» : Aktivitäten 2002 – uzwil.birdlife.c
R.4.3.3
p. 4-A-3-3: Zugvögel: Stare auf Flug ins Winterquartier
Sabina Galbiati - Der Sonntag, Nr. 9, 3. März 2013
R.A.3.4
p. 4-A-3-4: Weltrekord im Dauerfliegen (08.10.2013)
a) Mauersegler - Apus apus - http://www,vogelwarte.ch/mauersegler.hrml
b) Dr. Felix Liechti (Schweizerische Vogelwarte Sempach)
Zum Alpensegler - http://www.vogelwarte.ch/weltrekord-im-dauerfliegen.html
c) Alpine Swift (Alpensegler) - http://en,wikipedia.org/wiki/Swift
d) Common Swift - http://en.wikipedia.org/wiki/Common_swift
R-4-17
4 – 61
R-A-3-5
p. 4-A-3-5 - Der Riesengleiter
a) Riesengleiter - http://de.wikipedia.org/wiki/Riesengleiter
b) Riesengleite (Pelzflatterer) - http://bethge.freepage.de/riesengleiter2.htm
c) Was Affen mit Riesengleitern zu tun haben
http://www.wissenschaft.de/wissenschaft/hintergrund/285029.html
R-A-3-6
p. 4-A-3-6 - Theological Reflections on Alfred Hitchkock’s «The Birds»
by Michael J. Bayly - http://www.cpinternet.com~mbayly/filmandtheology3.htm
R-A-4.1
p. 4-A-4-1: Luftstrahltriebwerke für Düsenflugzeuge
homo.arcor.de/p4nty/txt/Facharbeit.doc (Seite retouchiert)
R-4-18
4 – 62
5. Luftverschmutzung:
Giftgase, Feinstaub
und radioaktiver Fallout
190
69
5-0
5.1 Allgemeine Aspekte
191
Zur Luftverschmutzung: Allgemein
Die Luftverschmutzung ist der auf die Luft bezogene Teilaspekt der Umweltverschmutzung. Bei der Luftverschmutzung handelt es sich um eine Veränderung der
natürlichen Zusammensetzung der Luft (s. p. 16), insbesondere durch Rauch,
Feinstaub, Russ, Aerosole, Dämpfe oder Geruchstoffe. Diese Stoffe werden auch als
luftfremde Stoffe bezeichnet. In den meisten Industrieländern ist die lokale Luftverschmuzung in den letzten Jahrzehnten stark zurückgegangen. Gleichzeitig hat
jedoch der Ausstoss von Treibhausgasen wieder zugenommen.
In den Ländern der dritten Welt, in Russland, in der Volksrepublik China und
anderen Schwellenländern ist die lokale und regionale Luftverschmutzung noch ein
ausserordentlich gravierendes Problem (Bild unten: Luftverschmutzung in Peking:
Kontamination durch Feinstaub!).
Der «Air Quality Index» (AQI) ist ein
Index zur Bekanntmachung der täglichen
Luftqualiät. EPA (Environmental Protection Agency) berechnet den AQI für die 5
wichtigsten
Schadstoffe:
Feinstaub
(Particulate Matter: PM), Kohlenmonoxid
(CO), bodennahes Ozon (O3), Schwefeldioxid (SO2) und Stickstoffdioxid (NO2).
In Peking ist die Luftverschmutzung
durch PM’s besonders gravierend. Am
Nachmittag des 12. 1. 2013 war die PMKonzentration extrem hoch, nämlich AQI
= 755, was den oberen Grenzwert von
500 (gefährlich) um 255 Einheiten weit
überstieg (s. p. 5-A-1-2).
Peking
192
5–1
Arten und Quellen der Luftverschmutzung
Arten von Freiluftschadstoffen
Veränderung der natürlichen Zusammensetzung der Luft durch:
Schadstoffe können in zwei Gruppen
unterteilt werden:
a) Primärschadstoffe: entstehen aus
menschlichen Prozessen
Staub
Rauch
b Sekundärschadstoffe: entstehen aus
der Interaktion von Primärschadstoffen
mit der Atmosphäre
Quellen der Luftverschmutzung
Dämpfe oder
Geruchsstoffe
a) Verkehrsschadstoffe: von Fahrzeugen freigesetzte Gase und Partikel
Russ
b) Stationäre Quellen: Verbrennung von
fossilen Brennstoffen wie Kohle, Oel,
in Kraftwerken und Haushalten.
c) Sonstige Quellen: Waldbrände, Verbrennung von Biomasse (abgestorbene Organismen, Vulkanausbrüche, etc.
Gase
Aerosole
193
Ursprung und Herkunft von Schadstoffen
Primärschadstoffe
Quellen - Ursprung - Wirkungen
Kohlendioxid (CO2)
Vulkanaktivität, heisse Quellen, Verbrennungsprozesse, Autos, Kraftwerke
Kohlenmonoxid (CO)
O2-arme Verbrennungsprozesse, Holz, Kohle, Treibstoffe (auch von Autos)
Stickstoffoxide (Nox, NO2)
Verbrennung von Treibstoffen in Autos und Industrieprozessen
Methan (CH4)
Farb- und geruchlos, brennbar, bildet mit O2 hochexplosive Gemische
Schwefeloxide (SOx, SO2)
Durch Verbrennung von Kohle und Oel
Ammoniak (NH3)
Stechend riechendes, giftiges Gas; zur Düngung von Nutzpflanzen, etc.
Flüchtige org. Verbindungen
Aus Fahrzeugabgasen, Reinigungsmitteln, Möbelpolitur, Weichspülern
Asbest (mineralische Silikate) Fasern gelangen in die Lunge  zellschädigende Wirkungen !
Radioaktive Edelgase
Ungesunde Edelgase: z.B. Radon (Rn) aus natürlichem Zerfall von Uran
Blei (Pb)
In der Natur vorkommend; von Bleischmelzen, z.B. in Rohrleitungen
Persistente organische
Aus Industrieprozessen und Abfallverbrennung produziert.
Schadstoffe (POP, z.B. PCB’s) Vom Menschen produzierte synthetische Chemikalien; sind irreversibel
Sekundärschadstoffe
Quellen
Feinstaub
Feine Partikel, z.B. von Sulfaten und Nitraten; durch den Menschen
oder auf natürlichem Weg entstanden
Ozon (O3)
Durch chemische Reaktionen unter Sonneneinstrahlung entstanden
194
194
5–2
5.2 Primärschadstoffe
Ein Primärschadstoff wird direkt von einer
Schadstoffquelle an die Umwelt freigesetzt.
Primärschadstoffe können auf natürliche Art
oder durch menschliche Aktivitäten erzeugt werden.
Sekundärschadstoffe:
s. Abschnitt 5.5 (pp 238 – 244)
195
Kohlendioxid - CO2: Allgemeine Eigenschafften
Kohlenstoffdioxid ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff
mit der Summenformel CO2. CO2 ist ein unbrennbares, saures, farb-und geruchloses
Gas, das sich gut in Wasser löst.
CO2, ein wichtiges Treibhausgas, ist ein natürlicher Bestandteil der Luft, wo es in
einer mittleren Konzentration von 0.039 Vol.-% (390 ppm) vorkommt. Es entsteht
sowohl bei der vollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen
unter ausreichender Sauerstoffzufuhr als auch im Organismus von Lebewesen als
Kuppelprodukt der Zellatmung.
Die Gesamtmasse an CO2 in der Atmosphäre beträgt etwa 3’000 Gigatonnen bzw.
etwa 800 Gigatonnen Kohlenstoff (das Verhältnis der Molmassen von CO2 und C ist
11/3 (Molmasse von CO2 = 12+32 = 44, Molmasse von C = 12). Die Konzentration von
CO2 variiert jahreszeitlich sowie lokal, besonders in Bodennähe. In städtischen Regionen ist die Konzentration im Allgemeinen höher.
1 Picometer =
1 pm = 10-12 m
Lewis-Struktur von CO2
Kalottenmodell von CO2
Das CO2- Molekül ist linear: alle 3 Atome liegen auf einer geraden Linie und es besitzt
kein Dipolmoment. Der Kohlenstoff ist an beide Sauerstoffatome mit Doppelbindungen gebunden, wobei beide Sauerstoffatome zwei freie Elektronenpaare
aufweisen. Die C-O- Bindungen sind polar und der C-O Abstand ist 116.32 pm.
190
69
196
5–3
Kohlendioxid - CO2: Physiologische Wirkungen und Gefahren
Die Schadwirkungen auf Tier und
Mensch beruht nicht nur auf der Verdrängung von O2 in der Luft. Die Raumluft wird je nach CO2- Konzentration in 4
Qualitätsstufen eingeteilt: Bei Werten
unter 800 ppm CO2 gilt die Raumluftqualität als gut. Werte zwischen 800 und
1’400 ppm (0.08 bis 0.14 Vol.-%) gelten
als mittlere bis mässige Qualität. Bei
höheren Konzentration kann CO2 toxisch wirken: Bei Werten über 1’400 ppm
gilt die Raumluftqualität als niedrig. Bei
einer Konzentration von 1.5 % nimmt
das Atemzeitvolumen (*) um mehr als 40
% zu. Im Blut gelöstes CO2 aktiviert in
physiologischer und leicht gesteigerter
Konzentration das Atemzentrum des
Gehirns.
Ab etwa 5 % CO2 in der eingeatmeten Luft treten Kopfschmerzen und Schwindel auf, bei
höheren Konzentrationen beschleunigter Herzschlag (Trachykardie), Blutdruckanstieg,
Atemnot und Bewusstlosigkeit. Hohe CO2-Konzentrationen führen in Futtersilos, Jauchegruben und Brunnen immer wieder zu oft tödlichen Unfällen. [(*): Das Atemzeitvolumen
ist das Volumen an Atemluft, das in einer Minute ein- und wieder ausgeatmet wird: s. Ref.
R.5.2.1 c), d), e)].
190
69
197
Kohlenmonoxid - CO: Physikalische und chemische Eigenschaften
Kohlenstoffmonoxid ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff
mit der Summenformel CO.
Kohlenstoffmonoxid ist ein farb-, geruch- und
geschmackloses und giftiges Gas und wird deshalb nicht wahrgenommen. Es
erscheint unter anderem bei der unvollständigen Verbrennung von kohlenstoffartigen
Stoffen.
CO ist brennbar und verbrennt mit blauer Flamme zu CO2. Als Bestandteil des
Stadtgases wurde es in Deutschland bis in die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts als
Brenn- und Leuchtgas eingesetzt. Zusammen mit H2 wird CO in der chemischen
Industrie zur Herstellung von Methanol (CH4O oder CH3OH) und anderen Grundchemikalien benötigt.
links: Kalottenmodell des CO – Moleküls
rechts: Lewis-Struktur des CO - Moleküls
Die Entstehung von CO wird durch hohe Temperaturen oder einen Sauerstoffunterschuss begünstigt und zwar gemäss CO2 + C
2 CO. Bei Temperaturen von
etwa 1’000 oC beträgt die Konzentration von CO im Gleichgewicht nur etwa 1 %.
Reines CO kann daraus durch rasche Abkühlung auf Raumtemperatur als stabile Verbindung erhalten werden. CO ist schwach polar mit einem permanenten Dipolmoment
von 0.122 D (1 D = 1 Debye ≈ 3.336 10-30 C m; 1 C = 1 Coulomb = 1 Ampere * s).
Weltweit entsteht am meisten CO durch photochemische Reaktionen in der
Troposphäre, woraus pro Jahr etwa 5 x 1012 kg entstehen. Andere natürliche Quellen
sind Vulkane, Waldbrände, Kamine und andere
190
69 Formen von Verbrennungsprozessen.
198
5–4
Kohlenmonoxid - CO : Toxizität
CO ist ein gefährliches Atemgift. Wenn es über die Lunge in den Blutkreislauf gelangt ist,
behindert es den Sauerstofftransport im Blut, was zum Tod durch Erstickung führen
kann. Bei leichter Vergiftung: Kopfschmerzen, Schwindel. Höhere Dosen: toxisch auf das
zentrale Nervensystem und das Herz. Folgeschäden: schwerwiegende negative Effekte
auf Fötenentwicklung. Da CO farb-, geruch- und geschmacklos ist, wird es kaum
wahrgenommen. Im Mittel gelten Belastungen von mehr als 100 ppm als gesundheitsgefährdend. Als Arbeitsplatzgrenzwert gelten 30 ppm. CO ist ein Photosynthesegift und
schädigt deshalb auch das Chlorophyll der Pflanzen.
10000
Industrie-Feuerung 11%
IndustrieProzesse 10%
KleinVerbraucher 1%
NFZ 3%
Offroad-Bereich 13%
PKW: Personenkraftwagen; NFZ: Nutzfahrzeuge
Offroad Bereich: Geländefahrzeuge
CO- Konzentration (ppm)
Kraft, Heizwerke 2%
1000
100
10
0
190
69
199
1
2
3
4
5
6
7
8
Expositionszeit (h)
Stickstoffoxide: NOx
Stickoxide sind Sammelbezeichnungen für die gasförmigen Oxide des Stickstoffs.
Sie werden auch mit NOx abgekürzt, da es auf Grund der vielen Oxidationsstufen
mehrere Stickstoff-Sauerstoffverbindungen gibt. Beispiele sind NO (Stickstoffmonoxid), NO2 (Stickstoffdioxid), N4O, N2O, N4O2, N2O3, N4O6, N2O4 und N2O5.
Die Stickstoffoxide sind ausnahmslos endotherme Verbindungen, d.h. sie bilden sich
aus den Elementen nur unter äusserem Zwang (Energiezufuhr). Mit Ausnahme des
Lachgases (N2O) verhalten sie sich gegen Wasser als Säurebildner. Unter anderem
wegen dieser Säurebildung (auf den Schleimhäuten) wirken sie reizend und giftig.
Lachgas hat einerseits medizinische und technische Anwendungen, andererseits
wird es bei technischen und landwirtschaftlichen Prozessen unbeabsichtigt in die
Atmosphäre abgegeben. Dort wirkt es als Treibhausgas und Ozonkiller.
NO und NO2 entstehen nahezu ausschliesslich bei Verbrennungsvorgängen in Anlagen und Motoren und wird überwiegend als NO ausgestossen. In Anwesenheit von
Luft wird NO zu NO2 oxidiert.
115 pm
Stickstoff – Monoxid : NO
190
69
200
5–5
Stickstoff – Dioxid : NO2
NOx, Stickstoffmonoxid NO und Stickstoffdioxid NO 2
NO und NO2 entstehen bei hohen Temperauren (> 600–800 oC) bel Verbrennungsvorgängen, vor allem im Strassenverkehr und bei Heizanlagen. Sie werden zu 9095 % als NO ausgestossen und in der Atmosphäre in das giftigere NO2 umgewandelt. Der
Hauptanteil stammt vom Verkehr (PKW, NFZ, Offroad-Bereich). Die Konzentrationen von
NO und NO2 haben einen Jahresgang: die höchsten Werte werden im Winterhalbjahr
erreicht.
In der Entstickungsanlage (DENOX) werden die Stickoxide in Stickstoff und Wasser aufgespalten und die Dioxine zerstört. Die gereinigten Rauchgase, die den Kamin verlassen,
bestehen vorwiegend aus Wasserdampf.
Auf natürliche Weise entstehen Stickoxide vor allem bei Blitzen. Bei elektrischen Entladungen in der Luft entstehen Temperaturen bis zu 30’000 oC; dabei wird N2 oxidiert. Weitere Ausstösse gibt es bei Waldbränden (ca. 40 t/Jahr) und durch produktive Böden. Aus
ihnen werden durch Mikroorganismen ca. 6’600 t/Jahr in die Atmosphäre emittiert.
Kraft- Heizwerke 20%
-
Stickoxide im Tabakrauch!
-
Ergebnisse sprechen für die eindeutige Rolle der Vegetation als
Senke für NO2.
-
Bei Inhalation ist NO2 giftig.
Wegen des beissenden Geruchs
kann Inhalation normalerweise
verhütet werden.
NFZ: Nutzfahrzeuge
PKW 20%
PKW: Personenkraftwagen
IndustrieFeuerung 13%
NFZ 25%
IndustrieProzesse 1%
Kleinverbraucher 2%
Haushalte 6 %
Offroad-Bereich 13 %
190
69
201
Methan: CH4
Methan ist ein Kohlenwasserstoff und das einfachste Alkan. Das farb- und geruchlose,
brennbare Gas kommt in der Natur vor und ist als Hauptbestandteil von Erdgas und in
der chemischen Industrie als Heizgas und Ausgangsprodukt für technische Synthesen
von grosser Bedeutung.
CH4 kommt vielfältig vor und wird auf der Erde ständig neu gebildet, so z.B. bei
biologischen und geologischen Prozessen. Auf der Erde werden schätzungsweise
jährlich 60 Millionen Tonnen CH4 emittiert.
Methangas hat eine geringere Dichte als Luft (bei 0C: CH4: 0.72 kg/m3, Luft 1.293 kg/m3)
es steigt also in die höheren Schichten der Erdatmosphäre auf. Dort wirkt es als
Treibhausgas, wobei es 20 bis 30-mal wirkungsvoller ist als CO2, allerdings kommt es in
viel geringeren Mengen als CO2 in der Atmosphäre vor. Es reagiert dort mit O2 zu CO2
und Wasser (Halbwertszeit ≈ 14 Jahre.
Methan entsteht im tieferen Untergrund unterhalb der Oberfläche der Erde bei hohen Temperaturen und Drücken und wird meist bei
vulkanischen Aktivitäten freigesetzt. Es ist Hauptbestandteil des Erdgases (85 – 98 %), das vor
allem als Begleiter von Erdöl vorkommt. [Erdgas
ist ein brennbares Naturgas, das häufig
zusammen mit Erdöl auftritt und besteht
hauptsächlich aus hochentzündlichem Methan].
Die Figur zeigt das Methan- Molekül CH4: Das Kohlenstoffatom C sitzt im Mittelpunkt
eines Tetraeders, das von 4 Wasserstoffatomen H gebildet wird. 1 pm = 10-12 m.
202
5–6
Methan CH4: Umgang, Gefahren und Sicherheit
Bei einem Volumenanteil zwischen 4.4 und 16.5 % in der Luft bildet Methan explosive
Gemische bzw. gefährliche explosionsfähige Atmosphären. Durch unbemerkte
Ausströmung von Erdgas kommt es immer wieder zu folgenschweren Gasexplosionen.
Auch die gefürchteten Grubenexplosionen in Kohlebergwerken (Schlagwetter) sind auf
Methan–Luft-Gemische zurückzuführen. Methan ist hoch entzündlich, der Flammpunkt
liegt bei – 188 oC, die Zündtemperatur bei 600 oC.
Methan ist ungiftig, die Aufnahme von Methan kann allerdings zu erhöhtem Atem(Hyperventilation) und Herzfrequenzen führen, ebenso zu niedrigem Blutdruck, Taubheit
in den Extremitäten, Schläfrigkeit, mentaler Verwirrung und Gedächtnisverlust, alles
hervorgerufen durch Sauerstoffmangel. Methan führt aber normalerweise nicht zu
bleibenden Schäden.
• Durch die weltweite Reisagrikultur werden
pro Jahr zwischen 50 und 100
Millionen
Tonnen Methan produziert. Diese MethanProduktion ist wahrscheinlich die grösste, von
Menschen produzierte Methan-Erzeugung.
• Reis wird weltweit produziert und die Menge
der Methan-Produktion kann örtlich sehr verschieden sein. Sie hängt unter anderem von der
mittleren Temperatur, der Wassertiefe und der
Zeitdauer, während welcher der Reis dem
Wasser exponiert ist, ab.
• Durch die Zunahme der Weltbevölkerung und
den Reisanbau nimmt auch das Methan zu.
Nassreisfelder sind ein Entstehungsort für Methan
203
Schwefeloxide: Allgemeines
Als Schwefeloxide (allgemeine Formel SxOy) bezeichnet man die Oxide des chemischen Elements Schwefel Da Schwefel mehrere unterschiedliche Oxidationszahlen annehmen kann, gibt es mehrere verschiedene Schwefeloxide:
Schwefeloxide entstehen bei der Verbrennung von Schwefel und schwefelhaltigen
Brennstoffen (Kohle, Benzin, Heizöl, Dieselkraftstoff), aber auch aufgrund von natürlichen Vorgängen, z.B. bei Vulkanausbrüchen.
Schwefel bildet bei Verbrennungsvorgängen vor allem zwei Oxide:
• Schwefeldioxid: SO2 und
• Schwefeltrioxid: SO3 (in kleinen Mengen)
Beide Schwefeloxide bilden in wässrigen
Lösungen Säuren. Aus SO2 entsteht so die
unbeständige schweflige Säure H2SO3(aq),
aus SO3 die sehr wichtige Schwefelsäure
H2SO4. Beide Säuren spielen u.a. bei der
Versäuerung von Seen durch sauren Regen
eine Rolle. Diese Säuren sind auch als Gase
giftig.
204
5–7
Schwefeldioxid SO2 und Schwefelsäure H2SO4
Schwefeldioxid SO2, ist das Anhydrit der schwefligen Säure H2SO3. SO2 ist ein farbloses, schleimhautreizendes, stechend reizendes und sauer schmeckendes, giftiges
Gas, ist sehr gut wasserlöslich und bildet mit Wasser in sehr geringem Masse
schweflige Säure.
Lewis – Struktur von SO2
Kalottenmodell von SO2
Schwefelsäure (H2SO4)
SO2 entsteht vor allem bei der Verbrennung von schwefelhaltigen fossilen Brenn.stoffen wie Kohle oder Erdölprodukten, die bis zu 4 % Schwefel enthalten. Dadurch
trägt es in erheblichem Masse zur Luftverschmutzung bei. Es ist der Grund für sauren
Regen, wobei das SO2 zunächst von O2 zu SO3 oxidiert wird und dann von Wasser zu
Schwefelsäure (H2SO4) umgesetzt wird (Das H2SO4-Molekül hat eine tetraedrische
Struktur).
Es gibt 2 Quellen wie SO2 in die Luft geraten kann: Die eine ist natürlichen Ursprungs
durch Vulkanausbrüche, wobei zwischen 2 und 20 Millionen Tonnen pro Jahr
ausgestossen werden. Die zweite Quelle ist anthropogen, d.h. durch den Menschen
erzeugt, z.B. durch Verbrennung fossiler Brennstoffe, also von Kohle und Öl.
SO2 schädigt in hohen Konzentrationen Mensch, Tiere und Pflanzen. Der «saure
Regen» schädigt Ökosysteme wie Wald und Seen. Von allen Verkehrsträgern erzeugt
der Schiffsverkehr den höchsten Emissionsbeitrag.
205
Schwefeltrioxid - SO3
Schwefeltrioxid, SO3, ist das Anhydrit der Schwefelsäure, H2SO4. Es bildet bei
Normalbedingungen farblose, nadelförmige Kristalle, die äusserst hygroskopisch sind
und sehr heftig (explosiv) mit Wasser reagieren. Gasförmiges Schwefeltrioxid liegt als
Monomer vor (Monomere sind niedermolekulare, reaktionsfähige Moleküle, die sich u.a.
zu molekularen Ketten oder Netzen oder verzweigten Polymeren zusammenschliessen
können). Das SO3 – Molekül ist planar (alle Atome in der gleichen Ebene) und trigonal
gebaut (drei 1200 - Winkel) und enthält drei gleich lange Doppelbindungen (s. Bild unten).
Einatmung des Dampfes hat Reizerscheinungen zur Folge; in der Lunge wird
daraus Schwefelsäure (H2SO4) gebildet, die ein lebensgefährliches Lungenödem
auslösen kann. Schwefeltrioxid erzeugt ernsthafte Verbrennungen bei Einatmung
und Einnahme, da es hoch korrosiv und hygroskopisch ist. SO3 sollte mit extremer
Sorgfalt behandelt werden, da es mit Wasser heftig reagiert, wobei es sich in hochkorrosive Schwefelsäure umwandelt.
206
5–8
Ammoniak - NH3: Allgemeine Eigenschaften
Ammoniak ist eine chemische Verbindung von Stickstoff (N) und Wasserstoff (H) mit
der Summenformel NH3. Da Ammoniak leicht mit sauren Verbindungen reagiert,
kommt freies Ammoniakgas nur in geringen Mengen auf der Erde vor. Es entsteht bei
der Zersetzung von abgestorbenen Pflanzen und tierische Exkrementen. Bei der sog.
Humifizierung werden N-haltige Bestandteile der Biomasse durch Mikroorganismen
so abgebaut, dass unter anderem Ammoniak entsteht.
Das Ammoniak-Molekül in verschiedenen Darstellungen
Ammoniak ist bei Raumtemperatur ein farbloses diamagnetisches, stechend riechendes Gas. Unterhalb von – 33 0C wird es flüssig.
Ammoniak ist aus einzelnen Molekülen aufgebaut, die jeweils aus einem Stickstoffund 3 Wasserstoffatomen bestehen. Die Atome sind dabei nicht in einer Ebene,
sondern in Form einer dreiseitigen Pyramide angeordnet. Das N-Atom bildet die
Spitze, die drei H-Atome die Grundfläche der Pyramide. Dabei ist der H-N-H Winkel
107.3 0C, also etwas kleiner als der ideale Tetraederwinkel von 109.5 0C.
Wichtige Quellen für die Ammoniakemission sind Vulkanausbrüche, die Viehhaltung
wie die Rindermast und auch der Verkehr.
207
Ammoniak - NH3 : Toxikologie
Durch den unangenehmen Geruch, der schon bei niedrigen Konzentrationen wahrnehmbar ist, entsteht eine Warnung, sodass Vergiftungsfälle mit Ammoniak sehr
selten sind.
Gasförmiges NH3 kann vor allem über die
Lungen aufgenommen werden. Dadurch
wirkt es durch Reaktion mit Feuchtigkeit
stark ätzend auf die Schleimheute. Auch
die Augen werden durch die Einwirkung
von NH3 stark geschädigt. Beim Einatmen
hoher Konzentrationen ab etwa 1700 ppm
besteht Lebensgefahr durch Schäden in
den Atemwegen (Kehlkopfödem, Stimmritzenkrampf, Lungenödeme, Pneumonitis
und Atemstillstand. Bei Übergang substantieller NH3- Mengen in das Blut steigt
der Blutspiegel von NH4+ über 35 mmol,
was zentralnervöse Erscheinungen wie
Tremor der Hände, Sprach- und Sehstörungen und Verwirrung bis hin zum
Koma und Tod führen kann.
Akute
Ammoniakvergiftungen
können
ausser durch Einatmung auch infolge von
Leberversagen (Hepatitis) auftreten,
208
5–9
5.3
Toxische organische Gase
209
Flüchtige organische Verbindungen - Allgemeines
Flüchtige organische Verbindungen (VOC’s: Volatile Organic Compounds) ist die Sammelbezeichnung
für organische, also kohlenstoffhaltige Stoffe, die leicht verdampfen (flüchtig sind) bzw. schon bei
niedrigen Temperaturen (z.B. Raumtemperatur) als Gas vorliegen. Bei der ebenfalls sehr häufig verwendeten Abkürzung NMVOC’s (Non Methane Volatile Organic Compounds) wird das Gas Methan, CH4
(pp 203, 204), aus der Gruppe der VOC’s ausgeklammert.
VOC’s werden von einer Vielzahl biogener und anthropogener Prozesse in die Umwelt emittiert.
Pflanzen, Tiere, Böden und Meere sind natürliche, biogene Quellen; die industriellen Lösungsmittelanwendung und der Verkehr gehören zu den wichtigsten anthropogenen Quellen.
Biologisch erzeugte VOC’s
VOC in Tonnen pro Jahr
Alle Lebewesen (Menschen, Tiere, Pflanzen, Mikroorganismen) emittieren organische Verbindungen in die Umwelt. Viele Pflanzen emittieren Terpene und andere
organische Stoffe. Das einfachste Terpen ist das rechts gezeigte Isopren C5H8.
Anthropogene Quellen
400
300
200
100
0
1900
1920
1940
1960
1980
2000
Zeitlicher Verlauf des VOC – Gewichtes
in der Schweiz
Bei der vom Menschen verursachten Freisetzung
von flüchtigen organischen Verbindungen dominieren die Verwendung von Lösungsmitteln und
der Strassenverkehr. Betrachtet man die MethanEmission aus dem Reisanbau als anthropogene
Quelle für VOC’s, so ergibt sich hier ebenfalls ein
signifikanter Beitrag.
Neben den VOC’s in der Atmosphäre finden sich
flüchtige organische Stoffe auch in der Innenraumluft. Quellen für diese VOC’s sind u.a. Kunststoffe, Baustoffe, Möbel und Teppiche, Reinigungsmittel sowie Tabakrauch.
210
5 – 10
Flüchtige organische Verbindungen: Toxizität
Durch die Belastung mit VOC’s in der Innenraumluft können Menschen dauerhaft erkranken. Am häufigsten davon betroffen sind Kinder sowie ältere Menschen. Die
Symptome wie Kopfschmerzen, Allergien, Müdigkeit, Leistungsminderung, Schlafstörungen und Reizung der Atemwege werden unter dem Begriff «Sick-Building-Syndrom» zusammengefasst. Das Krankheitsbild ist international verbindlich durch die WHO definiert.
Eigenschaften und Toxizität von Dämpfen von vier VOC’s
•
•
•
Formaldehyd: CH2O
Dichlormethan: CH2Cl2
Tetrachlorethen: C2Cl4
Benzol: C6H6
Schmelzpunkt: - 117 0C
Vorkommen: z.B. im Blut
von Säugetieren; bei Photooxidation in Atmosphäre
Bei unvollständiger Verbrennung, etc.
Toxizität: Allergien, Haut-,
Atemweg - und Irritationen der Augen. Akute Lebensgefahr bei höheren
Konzentrationen (Lungenödem, Pneumonie;
karzinogen !
- 94.92 0C
Anwendungen: Dichlormethan (DCM) ist für
viele Stoffe ein gutes
Lösungsmittel.
Toxizität von DCM beruht auf der Schadwirkung metabolisch wirkenden Kohlenstoffmonoxide (CO). Inhalation
kann fatal sein. Bei Tieren: Karzinome an Brust,
Lunge und Leber.
- 22 0C
Eigenschaften: C2Cl4
ist eine farblose, flüchtige Flüssigkeit, deren
Dämpfe schwerer als
Luft ist.
Toxizität: Verbreitet angewendet in Industrie
und Gewerbe  Kontamination des Grundwassers ! C2Cl4 ist ein
karzinogenerzeugender
Gefahrstoff !
5.5 0C
Eigenschaften: flüchtige organische Verbindung mit aromatischem Geruch.
Toxizität: Beim Einatmen giftig. Die Giftwirkung ebenso wie
die karzinogene Wirkung ist auf die Bildung eines karzinogenen Metaboliten
zurückzuführen.
211
Blausäure oder Cyanwasserstoff (HCN) in der Atmosphäre
HCN ist eines der stärksten Gifte überhaupt. In sehr kleinen Konzentrationen ist es
auch in der Atmosphäre vorhanden. Es konnte gezeigt werden, dass die in der Troposphäre und in der unteren Stratosphäre vorhandene Blausäure durch Verbrennung
von Biomasse auf der Erde entsteht. Das in der Atmosphäre beobachtete HCN hat
eine Lebensdauer von nur einigen Monaten. Es wird vermutet, dass die Aufnahme
von HCN durch die Ozeane für diese begrenzte Lebensdauer verantwortlich ist.
Von den heute bekannten etwa 5’000 giftigen Bestandteilen sind für die akute
Behandlung einer Rauchvergiftung folgende «Noxen» (schädliche Substanzen)
relevant: Kohlenmonoxid (CO), Blausäure (HCN) und verschieden Lungenreizstoffe.
Blausäure wird u.a. frei bei der Verbrennung oder
Verschwelung von Wolle, Seide, Nylon, Polstermöbeln, Vorhängen, Teppichen, Autos, Flugzeugen
und Papier. Blausäure ist ebenfalls im Tabakrauch
enthalten. Im Rauch einer durchschnittlichen
Zigarette sind 400 – 500 mg HCN enthalten.
Eigenschaften von Blausäure:
Molare Masse: 27.03 g/mol; Dichte: 0.68 g/cm3;
Schmelzpunkt: - 13 0C; Siedepunkt: 26 0C;
Dampfdruck bei 20 0C: 816 hPa = 0.816 bar = 0.805 atm
Cyanwasserstoffmolekül: HCN
Ein anderer Name für Blausäure ist Zyklon B; Zyklon B ist
extrem giftig: schon 1 - 2 mg pro kg Körpergewicht wirken
tödlich! Im 2. Weltkrieg wurde Zyklon B zur Massenvernichtung von Menschen eingesetzt (s. Anhang: p. 5-A-3-2).
212
5 – 11
Persistente organische Schadstoffe (POP’s)
Persistente organische Schadstoffe (POP’s: Persistent Organic Pollutants) sind
organische Verbindungen, die in der Umwelt nur sehr langsam abgebaut oder
umgewandelt werden. Typischerweise wendet man den Begriff auf OrganochlorInsektizide der «ersten Klasse» (z.B. Chlordan, DDT, Dieldrin, Toxaphen) und auf einige
industriell hergestellte Chemikalien (PCB) sowie auf Nebenprodukte von Verbrennungsprozessen (Dioxin) an.
H
Cl
O
C
C
Cl
H
DDT – Molekül
C14 H9 Cl5
PCB – Molekül
C6Cl5 - OH
Dioxin: C12H4Cl4O2
POP’s sind «semi-volatil», sie können also sowohl in der Gasphase als auch in Staubpartikeln gebunden vorkommen. Dadurch sind sie in gewissem Umfang in der Umwelt
mobil und können durch Ferntransportmechanismen weltweit verteilt werden. Langlebige organische Schadstoffe sind relativ widerstandsfähig gegenüber chemischen,
biologischen und photolytischen Abbauprozessen. Häufig sind sie aus Chlor- und Kohlenstoffatomen zusammengesetzt: Die Cl-C Bindung ist gegenüber Hydrolyse sehr beständig. POP’s sind schlecht wasserlöslich aber gut fettlöslich. Sie können sich im
Fettgewebe von Tieren und Menschen anreichern.
213
Entblätterung der Urwälder in Vietnam durch «Agent Orange»
Der Vietnam-Krieg (1965 – 1973) zwischen den Amerikanern und Nord-Vietnam wurde
z.T. auf äusserst menschenverachtende, grausame aber auch extrem umweltschädliche Weise geführt. Die Amerikaner setzten unter anderem das dioxinhaltige
Entlaubungsmittel «Agent Orange» ein (Dioxin: s. p. 213 rechts). Das Ziel bestand
darin, eine Entlaubung und schliesslich eine vollständige Vernichtung der Wälder zu
erreichen. Die Wälder dienten dem Widerstand zur Tarnung und als Versorgungswege. Vernichtet wurde auch das Ackerland um dem Gegner die Nahrungsgrundlagen zu entziehen. Bei der Vergiftung mit «Agent Orange» ist keine Methode zur
Entgiftung bekannt.
Zum Namen «Agent Orange» kam es, weil der Wirkstoff (= Agent) in Fässern geliefert
wurde, die mit einem 10 cm breiten orangefarbenen Streifen gekennzeichnet waren. Es
wurden insgesamt je nach Quellen 72 bis 90 Millionen Liter Chemikalien versprüht !
Dioxin aus der Luft: Ein Flugzeug übersprüht
den Urwald in Vietnam (1970)
214
5 – 12
Mit Agent Orange der Amerikaner wurden
in Vietnam die Bäume entblättert
Grausamste Verstümmelung von Neugeborenen
durch den Einsatz von «Agent Orange» (Dioxin) in Vietnam
Gemäss dem Vietnamesischen Roten Kreuz wurden mehr als 3 Millionen Vietnamesen
durch Agent Orange beeinträchtigt und etwa 500’000 Kinder erlitten z.T. grausamste
Geburtsfehler. Etwa 4.8 Millionen Vietnamesen wurden dem Gift Agent Orange
exponiert; sie starben oder wurden verstümmelt.
«Agent Orange», ein Dioxin-haltiges chemisches Entlaubungsmittel wurde von John F.
Kennedy im Jahre 1963 eingeführt und von Lyndon B. Johnson weiter eingesetzt !
In den Gebieten, in welchen «Agent Orange» eingesetzt wurde, erlitten Kinder
vielfältige Gesundheitsprobleme wie z.B. Wolfsrachen (Kieferspalten), schwere geistige
Behinderungen, Hernien (Durchtritt von Baucheingeweiden durch Öffnung der
Bauchpforte), sowie Bildung von zusätzlichen Fingern und Zehen. In den Jahren nach
1970 wurden hohe Konzentrationen von Dioxin in der Muttermilch von Südvietnamesischen Frauen gefunden.
Agent Orange – medizinisches Präparat
Grausam zerstümmelte und zusammengewachsene
von missgebildeten Kindern
Säuglinge durch Agent Orange in Vietnam
215
Das Seveso-Unglück mit Dioxin - 1
Am 10. Juli 1976 kommt es im Chemielabor ICMESA im oberitalienischen Seveso zu
einer Explosion, bei der eine grosse Menge des hochgiftigen Stoffes TCDD (Dioxin)
freigesetzt wurde. Tagelang schwebte die tödliche Wolke über dem Ort und seinen
rund 8’000 Einwohnern. Es vergingen 10 Tage bis die Oeffentlichkeit von der
Firmenleitung über die von dem Giftgas ausgehenden Gefahren informiert wurde! Die
Schutzmassnahmen für die Bevölkerung liefen dadurch viel zu spät an.
Obwohl die Werksleitung von ICMESA schon am ersten Tag nach dem Unfall wusste,
dass Dioxin freigesetzt wurde, gab sie es erst acht Tage später offiziell bekannt. Das
Mitunternehmen Roche in der Schweiz wurde intern auch schon am 12 Juli über den
Unfall und die freigesetzte Substanz unterrichtet, ging aber ebenfalls nicht an die
Oeffentlichkeit.
Die Chemie- Anlage von ICMEA – Roche nach
der Explosion und Austritt von tödlichem Dioxin
ICMESA informiert die italienischen Behörden
erst nach einer Woche über die Giftkatastrophe!
216
5 - 13
Die Folgen der Dioxin-Katastrophe in Seveso - 2
Tagelang schwebte die tödliche Wolke über dem Gebiet
von Seveso und Umgebung.
Ueber 200 Menschen kamen mit Verätzungen und akuten
Vergiftungserscheinungen ins Krankenhaus. Die meisten
dieser Opfer litten an der sog. Chlorakne, einer schweren
Hauterkrankung, die direkt mit Dioxin in Verbindung gebracht wird.
Bei ungeborenen Kindern sind schwere Missbildungen
zu erwarten, sodass viele schwangere Frauen Abtreibungen vornehmen liessen. Vom Unfall waren rund
37’000 Menschen betroffen.
Chlorakne - Opfer
Ein Gebiet von mehr als 320 Hektaren, in dem rund 5’000
Menschen lebten, wurde verseucht. Fünf Tage nach dem
Unfall begann ein Massensterben von Tieren wie Vögel,
Kaninchen und Schafen. In den folgenden Tagen welkten
und verdorrten die Blätter von Bäumen und Sträuchern in
der Umgebung. 3’300 Tierkadaver wurden aufgefunden.
Die hohe Zahl von Tieropfer erklärt sich dadurch, dass
die Tiere von den vergifteten Weiden und vom sonstigen
in der Natur vorhandenem Futter frassen.
Massensterben von Schafen,
2 Monate nach Katastrophe
217
Bhopal – Katastrophe - 1
Die Katastrophe von Bhopal ereignete sich am 3. Dezember 1984 im indischen Bhopal,
der Hauptstadt des Bundesstaates Madhya Pradesh. In einem Werk des US-Chemiekonzerns Union Carbide Corporation (UCC) [ab 2001 der US Chemieriese Dow
Chemical Company (DCC)], traten aufgrund technischer Pannen, welche durch
unverzeihliche Profitgier und durch Nachlässigkeit ausgelöst wurden, eine sehr
grosse Menge hoch-giftiger Gase in die Atmosphäre. Es war bisher die schlimmste
Chemiekatastrophe und eine der bekanntesten Umweltkatastrophen der Geschichte.
Tausende von Menschen starben an ihren unmittelbaren Folgen.
Methylisocyanat:
H3C(NCO)
ist extrem giftig !
In Bhopal wurde das Schädlingsbekämpfungsmittel Sevin produziert. Als Zwischenprodukt wurde das extrem giftige Methylisocyanat (MIC), H3C(NCO) (s. Figur)
verwendet. Zum Zeitpunkt des Unglücks fand aufgrund von Überkapazitäten keine
Produktion statt. Es wurden lediglich Wartungs- und Kontrollarbeiten durchgeführt.
Nachdem im Zuge von Reinigungsarbeiten durch eine unglückliche Verkettung von
Ereignissen sowie von Versäumnissen beim Unterhalt der Anlage Wasser in einem Tank
für MIC eingedrungen war, kam es zu einer exothermen Reaktion, bei der soviel CO2
freigesetzt wurde, dass sich der Tankinnendruck stark erhöhte und zwischen 25 und 40
Tonnen MIC sowie andere Reaktionsprodukte durch die Überdruckventile in die
Atmosphäre entwichen. Der gesamte Tankinhalt verflüchtigte sich in weniger als zwei
Stunden.
218
5 - 14
Bhopal : Die Folgen der Chemie-Katastrophe
Bild links: Von hier ging die bisher weltweit schlimmste Industrie- Katastrophe aus. Ruinen der
Pestizid – Fabrik im indischen Bhopal
Bilder rechts: Warren Anderson (1921 - 2014), CEO von UCC ist einer der Hauptverantwortlichen
der Katastrophe. Nach dem Unfall (oben) ist er in die USA geflohen ! Nach mehr als 25 Jahren
wurden 8 indische leitende Angestellte von UCC der fahrlässigen Tötung verurteilt.
Wie viele Menschen genau Opfer des Giftes wurden, ist nicht bekannt. Die meisten
Schätzungen gehen davon aus, dass in den ersten 72 Stunden nach dem Unglück
bis zu 10’000 Menschen zu Tode kamen ! Menschenrechtsorganisationen gehen von
30’000 Todesopfern aus. An den Spätfolgen starben bis heute mehr als 15’000
weitere Opfer in Bhopal. Mindestens 100’000 Menschen wurden chronisch krank.
219
Bhopal – Bilder des Schreckens
Apokalypse: massenhaft Tote !
Fürs Leben schwer geschädigte Menschen
220
5 - 15
5.4 Feinstaub oder Particulate Matter (PM’s)
in der Atmosphäre - Bildung und Dynamik
Man unterscheidet zwischen Primär – Feinstaub
und Sekundär – Feinstaub:
Primär – Feistaub wird direkt von Quellen emittiert, z.B.
von Baustellen, Sandstrassen, Äcker, Schornsteinen.
(s. Analogie zu Primärschadstoffen, Abschnitt 5.2)
Sekundär - Feinstaub: dazu gehören die meisten kleinen
Partikel. Sie bilden sich in der Atmosphäre durch komplizierte
chemische Reaktionen. Beispiele: Schwefeldioxid und
Stickstoffoxide welche durch Kraftwerke, Industrien und
Automobile emittiert werden.
(s. Analogie zu Sekundärschadstoffen, Abschnitt 5.5)
221
Feinstaub: Allgemeine Bemerkungen
Feinstaub ist ein Teil des Schwebestaubs, auch als «Particulate Matter» (PM’s bezeichnet).
DP = Durchmesser der PM’s; je nach Dp unterscheidet man zwischen:
PM10: Partikel P mit 2.5 mm < DP < 10 mm – inhalierbarer Feinstaub; (1 mm = 10 -6 m)
PM2.5: Partikel P mit 0.1 mm < DP < 2.5 mm – Lungengängiger Feinstaub
PMUP: Ultrafeine Partikel P mit Dp < 0.1 mm = 100 nm (1 nm = 10-9 m = 0.001 mm)
PM’s sind sehr kleine feste oder flüssige Teilchen in der Atmosphäre der Erde. Sie sind als
atmosphärisches Aerosol suspendiert. PM’s können einen natürlichen Ursprung haben oder sie können
anthropogen (vom Menschen erzeugt) sein. PM’s können die menschliche Gesundheit nachteilig
beeinflussen und sie können auch Auswirkungen auf das Klima und Niederschläge haben.
Beispiele für natürliche PM’s:
- Pflanzen (Pollen)
- Vulkanausbrüche
- Seesalz durch Gischt
- Waldbrände
- Saharastaub
- durch Erosion von Gesteinen
- Partikelneubildung aus Vorläufern
- in der Atmosphäre
Beispiele für anthropogene PM’s:
- Wirtschaft: Industrie, Industriefeuerungen,
- Schüttgutumschlag
- Verkehr: Strassenverkehr, Schienenverkehr,
übriger Verkehr
- Privathaushalte und Kleinverbraucher
- Elektrizität und Fernheizwerke
- Landwirtschaft
PM2.5 und PM10 verglichen mit Menschenhaar
und feinem Seesand
222
5 - 16
Feinstaub: Kategorisierung von Schwebestäuben
Schwebestaub
Sammelbezeichnung für alle festen Schwebeteilchen:
Russ in der Luft:
Staub in der Luft:
Rauch in der Luft:
Kohlenstoff – Partikel;
aus unvollständigen
Verbrennungsprozessen
feinste, feste Teilchen; aus
mechanischen Prozessen
oder durch Aufwirbelung
feinst verteilte feste Teilchen
aus chemischen oder
thermischen Prozessen
Unterteilung nach Staubart, z.B.
Unterteilung nach Partikelgrösse
((Inhalierbarer)
Feinstaub: PM10
DP < 10 mm
Lungengängiger
Feinstaub: PM2.5
DP < 2.5 mm
Ultrafeine
Partikel: PMUP
DP < 0.1 mm
Hausstaub
Grobstaub
•
•
•
•
•
•
(Sedimentationsstaub)
DP > 10 mm
DP = Durchmesser,
rP = DP/2 = Radius
des Partikels P
Gesteinskörnchen
Hautschuppen
Lebensmittelreste
Abriebmaterial
Pilzsporen
Bakterien
PM: Particulate Matter
UP: Ultrafine Particles
Faserstaub
• anorg. Fasern
(z.B. Asbest, Glaswolle)
• organische Fasern
(z.B. Baumwollstaub)
Gesteinsstaub
«Wollmäuse»
•
•
Silikate (Sand)
Löss
Schwarze
Wohnungen
•
Pollen
Blütenstaub
223
Partikelgrössen DP und Knudsen – Zahl Kn
Die Partikelgrösse (Durchmesser DP für ein kugelförmiges Teilchen) spielt eine entscheidende Rolle. Das gleiche gilt für die sog. Knudsen-Zahl Kn. Ist lL die mittlere
freie Weglänge der Luftmoleküle, dann definieren wir:
Kn = lL / DP
(5.1)
Im Folgenden sei lL = 0.068 mm die mittlere freie Weglänge der Luft bei 200C und 1 bar.
Je nach den Wertebereichen für DP unterscheidet man folgende drei Bereiche:
A) Kontinuums - Bereich: DP >> lL
0.2 mm < DP < 100 mm

0.00068 < Kn < 0.34 (Kn < 1)
B) Kinetischer Bereich: DP << lL
0.001 mm < DP < 0.01 mm
 6.8 < Kn < 68
(Kn > 1)
Hier verhalten sich die Partikel wie freie Moleküle.
C) Uebergangsbereich:
0.01 mm < DP < 0.2 mm

224
5 - 17
0.34 < Kn < 6.8
Knudsen-Zahl Kn und Cunningham Korrekturfaktor CC
Für das Gesetz von Stokes (p. 227) und für die Sinkgeschwindigkeit eines fallenden Teilchens als
Funktion der Zeit (p. 228) benötigen wir den sog. Cunningham Korrekturfaktor Cc. Dieser Faktor wird
wichtig, wenn der Teilchendurchmesser DP der sinkenden Partikel vergleichbar oder kleiner als die
mittleren freien Weglänge lL der Luftmoleküle ist. Die Partikel können sich dann weitgehend frei
zwischen den Luftmolekülen bewegen. Der Cunningham-Faktor hat die folgende Form:
Cc(l L/DP) = 1 + 2 Kn*[A1 + A2*exp(- A3/Kn)]
(5.2)
wobei Kn = l L/DP die in Gleichung (5.1) eingeführte Knudsen-Zahl ist. Die Konstanten sind: A1 =
1.257, A2 = 0.400, A3 = 0.55. Die Figur zeigt den Verlauf von Kn(DP) und von Cc(DP) bei 200C und 1 atm
mit lL = 6.6*10-8 m = 0.06 mm.
c
L
L
c
lL
DP (mm)
225
Viskosität und mittlere freie Weglänge
Die Viskosität h ist ein Mass für die Zähflüssigkeit eines Fluids. Je grösser h, desto
dickflüssiger, je niedriger h, desto dünnflüssiger ist das Fluid. Die Einheit von h ist Pa s;
für Gase wird oft die Einheit mPa s = 10-6 Pa s verwendet.
Für die dynamische Viskosität von Gasen ergibt die Theorie: h = (1/3) n m v l, wobei n
die Teilchenzahl, m die (mittlere) Masse der Gasteilchen, v die mittlere Teilchengeschwindigkeit, und l die mittlere freie Weglänge der Teilchen ist.
Die Viskosität von Gasen ist bei niedrigen Drücken (0.1 bis 10 bar) unabhängig vom
Druck. Grundsätzlich abhängig ist h aber von der Temperatur. Mit zunehmender Temperatur steigt h, da die mittlere Teilchengeschwindigkeit v proportional zu √T wächst.
Die nebenstehende Figur zeigt h(T)
für einige Gase im Temperaturbereich von 200 K bis 1000 K (- 73 0C
bis + 727 0C).
h (mPa s)
40
Für trockene Luft ist hL(0 0C) = 17.1
mPa s, und hL(20 0C) = 18.6 mPa s. Da
Luft ca. 80 % Stickstoff enthält, ist
h(N2) sehr ähnlich zu hL.
30
00C
20
10
200
400
600
800
[Die Viskosität der Luft erscheint in der
Reibungskraft eines in der Luft fallenden
Teilchens (s. pp 227 – 231)].
1000
T (K)
226
5 - 18
Theorem von Stokes mit Cunningham - Korrektur
Wir betrachten zunächst das Theorem von Stokes, welches die Reibungskraft FRS eines in einem Fluid
F (Flüssigkeit oder Gas) mit konstanter Geschwindigkeit vPS fallenden Partikels P beschreibt. Es sei
hF die Viskosität des Fluids und RP der Radius des Partikels. Bei nichtsphärischen Partikeln wird als
Näherung anstelle des Partikelradius die Hälfte eines geeigneten Aequivalentdurchmessers
verwendet. Die Reibungskraft von Stokes ist dann gegeben durch:
FRS = 6 p RP hF vPS = 3 p DP hF vPS
;
(DP = Durchmesser der Kugel)
(5.3)
Sind die in einem Gas sinkenden Kugeln so klein, dass sie von der gleichen Grössenordnung oder
kleiner als die mittlere freie Weglänge l F der Gasmoleküle des Fluids sind, dann wird die Stosszahl
und damit FRS gemäss dem Cunnigham-Korrekturfaktors CC ≥ 1 (p. 225) reduziert und man erhält für in
Luft (L) fallende Partikel die folgende Stokes-Cunnungham Reibungskraft FRSC:
FRSC = 3 p DP hL vPSC / CC .
(CC ≥ 1)
Die Stokesche Gleichung dient zur Berechnung der StokesCunningham Sedimentationsgeschwindigdigkeit vPSC des
sphärischen Parikels in einem Fluid (Wasser, Luft, Öl etc). Ist
FG das Gewicht, FRSC die Reibungskraft, und FA
die
Auftriebskraft, dann gilt: FG = FRSC + FA. Mit FG = MP g =
(4p/3) RP3 rP g und FA = (4p/3) RP3 rL g [rP, rL: Dichten von
Partikel und Luft] folgt mit rL << rP für die stationäre StokesCunningham Sedimentationsgeschwindigkeit des Partikels P:
vPSC ≈ (2/9 hL)*RP2 g rP CC = (1/18 hL)*(DP2 g rP CC)
(5.5 a)
vPS ≈ (1/18
hL)*DP2
Daraus folgt:
g rP (Stokes-Geschwindigkeit)
vPS(DP1) =
(Dp1/Dp2)2
(5.4)
FRSC
DP = 100 nm
rP = 2 g/cm3
hL = 1.8 10-5 kg/(ms)
CC ≈ 2.9
g = 9.81 m/s2
(5.5 b)
vPS(Dp2)
Beispiel:
Russpartikel
 vPSC ≈ 6.1 mm/h
FG
227
= 6.1 * 10-3 m/h
Sinkgeschwindigkeiten vPS und vPSC in m/h
Sinkgeschwindigkeiten von Staubpartikeln P mit und ohne
Cunningham-Korrektur CC; Dichte rP = 1g/cm3 ; (rL << rP)
103
102
vPSC = vPS * CP(DP,l L)
101
100
10-1
vPSC: Stokes-Geschwindigkeit mit CunninghamKorrektur: vPSC ≥ vPS
10-2
10-3
10-4
vPS : Stokes-Geschwindigkeit
ohne Cunningham-Korrektur
10-5
10-6
10-7
10-3
1
10-2
10
10-1
102
100
103
Partikel – Durchmesser DP
228
228
228
5 - 19
101
104
102
105
mm
nm
Sinkgeschwindigkeit und Beschleunigung von fallenden Partikeln
Für die Fallgeschwindigkeit v(t) einer Partikel P mit der Masse mP und dem charakteristischen Durchmesser DP in ruhiger Luft der Viskosität ηL gilt die Differentialgleichung
mP (dv/dt) = mP g - (3 p ηL DP / CP) v(t)
(5.6)
m/s2
wobei g = 9.81
die Erdbeschleunigung und CP der Cunningham Korrekturfaktor ist.
Mit den Anfangsbedingungen v(t=0) = 0 und der stationären Geschwindigkeit v0 = g*t
erhält man die Lösung:
v(t) = vPSC [1 – exp(- t/t)] .
(5.7)
Dabei ist t die charakteristische Relaxationszeit t = mP CC / (3 p ηL DP).
Für ein kugelförmiges Partikel der Dichte rP ist die Masse mP = (p/6) rP DP3, womit
t = (1/18 ηL) rP DP2 CC
und
vPSC = g t = (1/18 ηL) rP g DP2 CC .
(5.8)
Für t << t ist 1 – exp(- t/t) ≈ t/t und damit ist v(t << t) ≈ g t (s. Kapitel 3, p. 3-A-5-3
für die Analogie von fallenden Hagelkörnern).
Aus (5.7) und (5.8) folgt für die Beschleunigung a(t) = dv(t)/dt :
a(t) = g exp(- t / t) .
(5.9)
Beispiel: Dp = 100 mm =
m; rP = 1
=
ηL = 18.2 x
kg/(m s);
lL = 68 nm = 6.8 x 10-8 m und Cc = 1.0178 (Wert für 298 K und 1 atm). Daraus folgt auf
Meereshöhe: vPSC = 1078 m/h = 0.2994 m/s; t = vPSC/g = 0.0305 s und a(t=0) = g. Bei einer
Höhe h = 10 km erhält man mit den entsprechenden höhenabhängigen Parametern aus
der Literatur die folgenden Werte: vPSC = 1350 m/h = 0.375 m/s und t ≈ 0.038 s (berechnet von P. Brüesch).
229
10-4
g/cm3
103
kg/m3;
106
Sinkgeschwindigkeit vIt) in m / h
Sinkgeschwindigkeit v(t) für Partikel mit
Durchmesser Dp = 100 mm = 10-4 m
vPSC
gt
v(t) = vPSC [ 1 - exp( - t/t)]
t = rP*DP2*CC / (18*hL) = 0.031 s;
vPSC = g*t = 1078 m/h; CC = 1.0178;
rP = 1 g/cm3; hL = 1.82*10-5 kg/(m s).
0.02
t = 0.031 s
Zeit t in s
230
230
5 - 20
Sinkgeschwindigkeit v(t) für Partikel mit
Durchmesser DP = 1 mm = 10-6 m
Sinkgeschwindigkeit v(t) in cm / h
14
gt
vPSC
12
10
8
6
v(t) = vPSC [ 1 - exp( - t/t)]
4
t = rP*DP2*CC / (18*hL) = 3.6 ms;
vPSC = g*t = 12.5 cm/h;
2
rP = 1 g/cm3;
CC = 1.1659;
hL = 1.82*10-5 kg/(m s).
0
0
5
10
15
20
25
Zeit t in ms
t = 3.6 ms
231
Asbestminerale - Morphologie
Weissasbest oder Chrysotil wird auch
als Faserserpentin bezeichnet, ist also
ein Angehöriger der Mineralfamilie der
Serpentine. Das Schichtsilikat hat die
Zusammensetzung
Mg3 Si2 O5 (OH)4.
Riebeckit oder Krokydolith ist vornehmlich von blauer Farbe und wird daher
auch als Blaueisenstein (Blauasbest)
bezeichnet. Er ist faserförmig und seine
chemische Zusammensetzung ist
Na2 [Fe32+Fe23+] Si8 O22 (OH)2
Weissasbest oder Chrysotil mit seiner
Namen gebenden goldbraunen Farbe
Faserförmiger Riebeckit
oder Krokydolith
232
5 - 21
Asbest - Eigenschaften - Probleme
Asbest ist eine Sammelbezeichnung für verschiedene, natürlich vorkommende
faserförmige Silikat-Minerale. Es gibt verschiedene, zum Asbest zählende Mineralien. Eine wichtige Modifikation ist das Chrysotil, auch Weissasbest genannt.
Chrysotil fand die weitaus breiteste technische Anwendung, zum grössten Teil als
Armierungsfaser in Asbestzement.
Asbest wurde auch «Wunderfaser» genannt, weil es eine grosse Festigkeit besitzt,
hitze- und säurebeständig ist, hervorragend Wärme dämmt und verwoben werden
kann.
Mit diesen Eigenschaften konnte sich Asbest
in der Werftindustrie für die Schifffahrt, in der
Wärmedämmung, der Bauindustrie und der
Autoreifenindustrie durchsetzen. Aufgrund der
inzwischen eindeutig festgestellten Gesundheitsgefahren, die von Asbest ausgehen, ist
der Einsatz heute in vielen Staaten seit 1990
verboten, u.a. in der ganzen EU und in der
Schweiz. Asbest stellt heute primär ein Entsorgungsproblem dar.
Faserlänge :
5 mm
Faserdurchmesser : < 3 mm
Dichte : 2.53 – 2.65 g/cm3
Zugfestigkeit : höher als Stahldraht
Chemische Beständigkeit : sehr inert
233
Asbest - Gesundheitsschädlichkeit durch Asbestose - Krebs
Die Asbestose ist eine Krankheit der Lunge und gehört zu den so genannten
Pneumokoniosen (Staublungenkrankheit). Sie entsteht durch eingeatmeten Staub von
Asbest, dessen Verwendung aus diesem Grunde in Österreich und der Schweiz seit
1990, in Deutschland seit 1993 und in der EU seit 2005 verboten ist.
Pathophysiologie
Fibrose: Je nach Dauer der Exposition und Konzentration der Asbestfeinstäube sowie
persönlicher Disposition führen eingeatmete Asbestpartikel nach einer Verzögerung
vom 15 bis 20 Jahren zu einer Fibrosierung des Lungenparenchyms.
Lungenkrebs: Nach einer Latenz von insgesamt 25 – 40 Jahren kann die Asbestose zur
Entstehung von Lungenkrebs führen.
Lungenfellkrebs: Entstehung eines Mesothelioms, eines bösartigen Tumors des
Rippenfells (ebenfalls nach 20 bis 40 Jahren.
Asbestfasern und Lungenkarzinom;
Untersuchung mit Zytodiagnostik
234
5 - 22
Asbestsanierung eines Daches
mit Schiefer
Nanopartikel
Ultrafeine Partikel UP sind kleiner als 0.1 mm, also kleiner als 100 nm. Die
Partikelgrösse ist bestimmend dafür, ob ein Staubteilchen eingeatmet werden kann
und wo die Ablagerung im Atemtrakt erfolgt.
Partikel mit einer Grösse von 10 mm (PM10, pp 223, 224) werden zu etwa 50 % in den
Bronchien abgelagert. Mit weiter abnehmender Grösse der Partikel nimmt der Anteil
zu, der bis in die Alveolen (Lungenbläschen) gelangt. Es gibt Hinweise dafür, dass
bereits Partikel von 1 mm und ultrafeine Partikel kleiner als 0.1 mm (100 nm) die
Wand der Alveolenbläschen durchdringen und so in das Blut gelangen.
PartikelDurchmesser
Angriffsorte
NasenRachenraum
5 – 10 mm
Luftröhre
3 - 5 mm
Bronchien
2 - 3 mm
Bronchiolen
Alveolen
(Lungenbläschen)
Ablagerung von
Feinpartikeln im
menschlichen
Atemtrakt
1 – 2 mm
0. 1– 1 mm
(100 – 1000 nm)
235
Tschernobyl - Explosion des Kernreaktors
Das Tschernobyl – Unglück war eine nukleare Katastrophe, welche sich am 26. April 1986
im Tschernobyl – Kernkraftwerk in der Ukraine ereignete. Eine Explosion und Feuer verursachten die Emission einer riesiger Menge von radioaktiven Teilchen in die
Atmosphäre. Die radioaktive Wolke erstreckte sich über den westlichen Teil der UdSSR
und Europa. (s. Anhang p. 5-A-4-5). Das Tschernobyl – Unglück war eine der schlimmsten
Kernkraftwerk- Katastrophen der Geschichte, und zwar sowohl bezüglich der Zahl der
Todesopfer und Strahlungsopfern, als auch bezüglich der Kosten. Es handelte sich um
eine Katastrophe der Klasse 7 (der höchst möglichen Klassifikation). Die andere
Katastrophe dieser Klasse ist der Fukushima Kernkraftwerk – Unfall von 2011.
Das Unglück begann während eines SystemTests des Reaktorblocks 4 des Kraftwerks nahe
der Stadt Pripyat. Es entstand eine unerwartete
Leistungsspitze und beim Versuch einer Notabschaltung entstand ein Bruch des Reaktorkessels, gefolgt von einer Reihe von Dampfexplosionen. Durch das dabei entstehende
Feuer stieg eine Strahlungswolke mit hoch
radioaktivem Staub in die Atmosphäre, was zu
einem Fallout führte, der sich über eine riesige
Fläche erstreckte. Die Strahlungswolke bewegte
sich über einen grossen Teil der westlichen
UdSSR und Europa. Zwischen 1986 und 2000
wurden etwa 350’000 Personen evakuiert und
neu angesiedelt. Gemäss offiziellen Daten fielen
ca. 60% des Fallout über Belarus.
Kernkraftwerk nach der Katastrophe
236
5 – 23
Tschernobyl - Explosion des Kernreaktors und Oper
Todeswolke über Kernreaktor 4 von Tschernobyl
Die geschätzte Zahl der Todesopfer der Katastrophe variiert
sehr stark: Je nach Quelle bewegt sie sich im Zeitraum
zwischen 1984 und 2004 zwischen 4’000 und 985’000 (!!)
Invallde und Verkrüppelte: In Belarus, Russland und der
Ukraine werden insgesamt etwa 148’000 Opfer geschätzt (!!)
Radioaktiv kontaminiertes Land: ca. 163’000 km2 (!!)
(s. Anhang p. 5-A-4-5 für weitere Informationen)
237
Schreckliche Opfer der
Reaktorkatastrophe
5.5 Sekundärschadstoffe
Sekundärschadstoffe werden nicht direkt aus einer Quelle emittiert.
Sie bilden sich vielmehr durch chemische Reaktionen von
Primärschadstoffen in der Atmosphäre.
Beispiele von Sekundärschadstoffen:
- Ozon: O3
- Wasserstoffperoxid: H2O2
- Peroxyacethylnitrat: C2H3NO5
- Aldehyde: R - CHO
Im Folgenden diskutieren wir nur Ozon (O3). Ozon ist ambivalent, d.h. es
hat sowohl positive als auch negative Einflüsse auf den Menschen:
• Positiv: Schutz vor UV – Strahlung der Sonne.
• Negativ: Bodennahes Ozon irritiert das Atmungssystem.
Im Kapitel 2, pp 22, 23, 37 – 42 wurden schon einige Aspekte von Ozon diskutiert.
Ohne das stratosphärische Ozon wäre kein irdisches Leben möglich; andererseits
ist bodennahes Ozon ein Schadstoff. Aus diesem Grund ist dieser Abschnitt einer
vertieften Diskussion gewidmet..
238
5 - 24
Das Ozon - Molekül O3
Ozon ist ambivalent: in der Stratosphäre
schützt es uns vor der gefährlichen
Ultraviolettstrahlung (s. pp 241 – 243);
andererseits ist bodennahes Ozon für
den Menschen ein Sekundärschadstoff
(s. p. 244).
239
Ozon O3 : Molekül und allgemeine Eigenschaften
Bildung des O3-Moleküls aus atomarem (O)
und molekularem (O2) Sauerstoff
Struktur des O3- Moleküls mit Bindungslängen und Bindungswinkel;
O3 ist ein polares Molekül
Ozon (O3) ist ein aus drei Sauerstoffatomen bestehendes Molekül. Spuren von OzonGas in der Luft zerfallen unter Normalbedingungen innerhalb einiger Tage zu
dimerem Sauerstoff O2. Einerseits ist es ein starkes Oxidationsmittel, wodurch es
beim Menschen und Tieren zu Reizungen der Atemwege führen kann. Andererseits
schützt das Gas in der Ozonschicht der unteren Stratosphäre die Lebewesen vor der
Schädigung durch energiereiche ultraviolette Strahlung der Sonne (s. p. 241).
O3 ist ein sehr starkes Oxidationsmittel (viel stärker als O2) und wird für viele
Industrie- und Konsumprodukte im Zusammenhang mit Oxidation verwendet. Dieses
grosse Oxidationspotential schädigt andererseits aber die Schleimheute und die
Gewebe der Atemwege von Menschen und Tieren. Auch pflanzliches Gewebe wird
bei Konzentrationen oberhalb von 100 ppb geschädigt. Deshalb ist O3 eine starke
Gefährdung für die Atmung und ein Schadstoff in der Bodennähe der Erde.
240
5 - 25
Ozonschicht in der Stratosphäre
Höhe (km)
60
50
40
Stratosphäre
Radarsonde
30
Ueberschall
Flugzeug
20
10
VerkehrsFlugzeug
Troposphäre
0
241
Ohne Ozonschicht kein Leben !
Das in der Ozonschicht vorhanden Ozon filtert das von der Sonne ausgestrahlte UVLicht mit Wellenlängen von etwa 200 nm bis 315 nm mit einem Intensitätsmaximum
bei etwa 250 nm heraus. Diese Absorption des UV- Lichtes durch das Ozon ist für das
Leben auf der Erde von grösster Bedeutung.
Schon die natürlichen Sauerstoffmoleküle O2 und Stickstoffmoleküle N2 der Luft
absorbieren UV- Strahlung mit Wellenlängen < 200 nm. Die O3 - Moleküle der
Ozonschicht absorbieren aber zudem UV-C Strahlung (200 nm – 280 nm) und das
ganze UV-B Band (280 – 315 nm). Der kleine verbleibende nicht absorbierte Teil von
UV-B, der nach Durchdringung der Ozonschicht die Erde trotzdem erreicht, erzeugt
bei den Menschen Sonnenbrand und DNA – Zerstörung im lebenden Gewebe und
zwar sowohl bei Menschen und Tieren als auch bei Pflanzen.
Der wichtige Effekt von Ozon im mittleren UV-B Bereich bei 290 nm wird drastisch
verdeutlicht, wenn man sich vergegenwärtigt, dass die Strahlungsintensität im
Bereich der Stratosphäre vor der Ozonschicht etwa 350 Millionen mal höher ist als an
der Erdoberfläche. Trotz dieser enormen Abschwächung erreicht eine genügend hohe
Intensität von UV-B Strahlung die Erdoberfläche, welche einerseits Sonnenbrand
erzeugt und andererseits aber auch die Produktion von Vitamin B in Menschen
ermöglicht.
Die Ozonschicht hat einen sehr kleinen Effekt auf die langwellige Strahlung im UV-A
(315 – 400 nm), aber diese Strahlung erzeugt weder Sonnenbrand noch DNAZerstörung.
242
5 - 26
Zeitliche Entwicklung des Ozonlochs
Oktober 1980
Oktober 2012
Südamerika
Südamerika
Südpol
Südpol
Antarktis
Antarktis
Südafrik
a
Südafrik
a
Australien
Australien
Veränderung der Ozonkonzentration über der Antarktis
In Dubson-Einheiten: Mass für die Gesamtdicke der Ozonschicht
l (nm)
100
125
150
175
200
225
250
275
300
325
350
375
400
425
450
450
500
Es existiert Evidenz für die Tatsache, dass sich das Ozonloch in der Antarktis
langsam verkleinert und sich die Ozonschicht bis zum Jahr 2050 erholt haben könnte.
243
Bodennahes Ozon
Ozon ist ambivalent, d.h. es hat positive und negative Wirkungen (pp 240 – 243).
Während uns das O3 der Stratosphäre vor schädlicher UV-Strahlung schützt, ist
bodennahes Ozon für Menschen, Tiere und Pflanzen in der Regel schädlich.
Sonnige, windstille Perioden im Sommer haben steigende Ozonbelastung zur Folge.
Diese Verschmutzung wirkt sich sowohl auf die menschliche Gesundheit (Asthma,
andere Atemprobleme, Reizung der Schleimhäute, etc.) als auch auf die Vegetation
sowie Gebäude, Materialien und das Klima aus.
Schuld am bodennahen Ozon sind die beiden Vorläuferschadstoffe Stickoxide (NOx pp
200, 201) und flüchtige organische Verbindungen (VOC, pp 210, 211), aus denen unter
Einwirkung des Sonnenlichtes Ozon und weitere Sekundärschadstoffe entstehen.
Hauptverursacher dieser Vorläuferstufen sind:
•
•
Durch Ozon beschädigte Pflanze (links)
und gesunde Pflanze (rechts)
Vor allem der motorisierte Verkehr
Industrie und Gewerbe
EU-Richtwerte für O3- Konzentrationen:
Keine Gefahr bei < 110 mg/m3
Ab Ein-Stunden-Mittelwert von 180 mg/m3:
Unterrichtung der Bevölkerung.
Ab 200 mg/m3: Reizung der Atemwege, etc.
Ab Ein-Stunden-Mittelwert von 360 mg/m3:
Warnung der Bevölkerung, da ab dieser Konzentration Gefahr für die menschliche Gesundheit besteht.
244
5 - 27
Anhang - Kapitel 5
5-A-0
Luftverschmutzung in Peking
Die Luftverschmutzung in China nimmt dramatische Ausmasse an !
5-A-1-1
5 - 28
Qualitäts-Index für Luft: Air Quality Index (AQI)
Der AQI rechnet Konzentrationen von Feinstaub (Particulate Matter: PM) in
eine Zahl zwischen 0 und 500 um. Luftqualitäten werden wie folgt charakterisiert; «gut» (0 < AQI < 50); (151 < AQI < 200): «ungesund»; (301 < AQI < 500):
«gefährlich». Detaillierte Darstellung siehe unten. [In Peking wurde am
12.1.2013 ein AQI – Wert von 755 gemessen! (s. p. 192)].
5-A-1-2
Globale Temperatur
Jährliches Mittel
Mittel über 5 Jahre
14 . 0 oC
Die Erwärmung des globalen Klimasystems ist heute unmissverständlich . Dies folgt
aus Beobachtungen des globalen Anstiegs der mittleren Temperaturen der Luft und
der Ozeane, der grossflächigen Abschmelzung von Schnee und Eis, sowie des
globalen Anstiegs der Meereshöhen .
Der grösste Anteil des beobachteten Anstiegs der mittleren Temperatur seit der Mitte
des 20. Jahrhunderts ist mit grosser Wahrscheinlichkeit durch die beobachtete
Zunahme der anthropogenen Treibhausgas - Konzentrationen erzeugt. CO2 macht ca .
60 % des vom Menschen verursachten (anthropogenen) Treibhauseffekts aus .
5-A-2-1
5 - 29
Giftgas- Einsatz im Ersten Weltkrieg (1914 – 1918)
Als Beginn des Gaskrieges während des Ersten Weltkrieges
gilt der Einsatz von Chlorgas (Cl2) durch deutsche Truppen am
22. April 1915. Der berühmte Chemiker und spätere NobelPreisträger (!) Fritz Haber hatte bereits Ende 1914 vorgeschlagen, dieses tödliche Gas einzusetzen. Der ebenso berühmte
Nobel-Preisträger Walther Nernst war ebenfalls massgeblich an
den wissenschaftlichen Aspekten beteiligt. Ausser Chlorgas
wurde das noch wesentlich giftigere Phosgengas, (CCl2O), auch
Kohlenmonoxiddichlorid genannt, verwendet.
Der Deutsche Generalstabchef Erich von Falkenhayn und der
Chemiker und Industrielle Carl Duisberg waren massgeblich für
die technischen Aspekten der Giftgaseinsätze verantwortlich.
Als Antwort auf die Giftgas-Angriffe der Mittelmächte
(Deutschland, …) setzte die Gegenseite, die «Triple Entente»,
(England, Frankreich, Russland, …) ebenfalls Giftgase ein.
Es kann davon ausgegangen werden, dass von den 10 Millionen
Toten des 1. Weltkrieges ca. 90’000 Tote durch Giftgase zu
beklagen sind !
Gaskriegsopfer
Fritz Haber
Walter Nernst
Erich Falkenhayn
Carl Duisberg
5-A-3-1
Zyklon-B: Massenvernichtungsgift der NAZI
Die tödliche Wirkung der Blausäure HCN wurde in den nationalsozialistischen
Vernichtungslagern wie z.B. Auschwitz-Birkenau benutzt um Millionen von Menschen
zu ermorden (Holocaust). Die HCN- Konzentrationen (Zyklon B) in den Gaskammern
waren je nach Entfernung zur Einwurfsstelle unterschiedlich, lagen aber immer über
300 ppm ≈ 0.332 g/m3 = 332 mg/m3 HCN bei 25 0C. (s. Anhang 5-A-3-3).
Da die Flüssigkeit bereits bei Zimmertemperatur verdunsted, werden die Dämpfe leicht eingeatmet oder durch
die Hauf aufgenommen. Zyklon B blockiert in den Zellen
die Zellatmung. Bei einer Vergiftung können die Zellen den
lebensnotwendigen Sauerstoff nicht mehr verwerten.
Hohe Konzentrationen verursachen Schnellatmigkeit,
Paralyse, Ohnmacht, Zuckungen und Atemstillstand. 300
ppm über mehrere Minuten sind tödlich.
Gaskammer der NAZI von
Auschwitz - Birkenau
Zyklon B in geeignetem
Trägermaterial, z,B. in Kieselgur
5-A-3-2
5 - 30
Etikett einer 500 g Dose
aus Auschwitz
Fremdgaskonzentrationen in Luft: Unwandlung von ppmv in mg/m3
Definition: 1 ppmv = 1 part per million by volume:
1 ppmv = 1 mLFremd-Gas / 1 LLuft = 1 mLFG / 1 LL
Gasgleichung:
1)
PL*VFG = nFG*(R*TL) = (mFG / MFG)*(R*TL)
2)
PL = Luftdruck; VL = Luftvolumen, VFG = Volumen des Fremd-Gases; R= Gaskonstante
mFG = Masse des Fremd-Gases; MFG = Molmasse des Fremd-Gases;
Aus 1) und 2):
nFG = mFG/MFG;
ppmv = VFG / VL = [(R*TL) / (PL*VL)]*(mFG / MFG)
oder:
3)
mFG / VL = (MFG*PL) / (R*TL)* ppmv
4)
Beispiel für Blausäure: HCN) (s. p. 5-A-3-2)
T = 298 K (25 0C) ;
M(HCN) = 27.0253 g / mol;
R = 8.314’463 J/(mol K) =
Es sei: c(ppmv) =

c(mg(m3)
8.207*10-5
300*10-6
(atm*m3)
PL = 1 atm;
/ (mol*K) ;
(s. p. 5-A-3-2 für HCN);
= [27.0253 * 1 / (8.207*10-5*298)]*300*10-6 ;
Daraus folgt: c(HCN) = 0.332 g / m3 = 332 mg / m3
In den Massenvernichtungs-Gaskammern der NAZI (p. 5-A-3-2) war eine solche
Konzentration schon tödlich !
5-A-3-3
Sinkgeschwindigkeit v(t) für Partikel mit
Durchmesser DP = 0.01 mm = 10-8 m
Sinkgeschwindigkeit v(t) in mm / h
300
gt
250
vPSC
200
150
v(t) = vPSC [ 1 - exp( - t/t)]
100
t = rP*DP2*CC / (18*hL) t = 6.9 ns;
vPSC = g*t = 245 mm/h; CC = 22.45;
rP = 1 g/cm3; hL = 1.82*10-5 kg/(m s).
50
0
0
5
10
t = 6.9 ns
15
20
25
Zeit t in ns
5-A-4-1
5 - 31
30
35
40
Sahara – Staub: Herkunft und Partikelgrössen
Über 50% des globalen troposphärischen Aerosols sind Mineralstaubpartikel, die hauptsächlich
aus den Wüstenregionen wie der Sahara (Bild links), der Gobi oder anderen ariden Gebieten der
Subtropen stammen. Der Eintrag von Staub in die Atmosphäre ist abhängig von der
Korngrössenverteilung am Boden, der Rauigkeit des Geländes und der Bodenfeuchte, sodass erst
oberhalb einer kritischen Windgeschwindigkeit Mineralstaub vom Boden aufgewirbelt wird. Mit
hohen Windgeschwindigkeiten einhergehende bodennahen Turbulenzen werden Partikel vom
Erdboden schnell in grosse Höhen und danach oft auch über weite Strecken transportiert. Die
chemische Zusammensetzung ist aus dem Bild rechts ersichtlich.
Mit ca. 1.8 Milliarden Tonnen pro Jahr ist Winderosion von Mineralstaub die stärkste Aeorsolquelle
der nördliche Hemisphäre; fast zwei Drittel davon ist Sand aus der Sahara. Wenn die feinsten
Partikel mit der Grösse des Schluffs (Korngrösse von 0.002 bis 0.063 mm oder 2 mm bis 63 mm) in
dichten Wolken hoch in die Luft gehoben werden, nennt man das Phänomen einen Staubsturm.
Dieser ist nicht zu verwechseln mit einem Sandsturm, bei dem die grösseren Sandpartikel
(Korngrössen 0.063 mm bis 2 mm) verfrachtet werden. Bei diesen wird eine niedrige Wolke aus
bewegtem Sand gebildet, der lediglich wenige Zentimeter bis maximal 2 m vom Boden in die Höhe
reicht.
Saharastaub in Nordafrika vom 4. 4. 2014
5-A-4-2
Sahara-Staub und Sahara-Sand
Sahara – Staub in Österreich und Deutschland
Sahara–Staub im Tirol
Seefeld im Bundesland Tirol
(Österreich)
am Nachmittag
des 21. 02. 2004.
Der Saharastaub verdunkelte
den Himmel.
(Bild von Friedrich Föst)
Besuch aus Nordafrika
«Eine knallrote, mit feinsten Sandkörnern
bespickter Himmel»: So sah der Sonnenaufgang am Morgen des 3. 4. 2014 über
Remscheid (Regierungsbezirk Düsseldorf
in Nordrhein-Westfalen) aus. Für die Eintrübung sorgte ein Tiefdruckgebiet, das
von England bis Marokko reichte und
dort den Wüstensand aufwirbelte.
5-A-4-3
5 - 32
Tschernobyl: Verstrahlungsgebiet durch radioaktiven Fallout
Hier beschränken wir uns im Wesentlichen mit dem nuklearen Niederschlag (Fallout) der Katastrophe.
Ursache der grossräumigen Verfrachtung war der heftige Graphit-Brand im Reaktor, der die radioaktiven
Partikel hoch in die Atmosphäre hinauf (1500-10’000 m) beförderte.
Die Wolken mit dem radioaktiven
Fallout verteilten sich zunächst über
weite Teile Europas und schliesslich
über die gesamte nördliche Halbkugel.
Wechselnde Luftströme trieben sie
zunächst nach Skandinavien, dann
über Polen, Tschechien, Österreich,
Süddeutschland und Norditalien. Eine
dritte Wolke erreichte den Balkan,
Griechenland und die Türkei. Innerhalb dieser Länder wurde der Boden je
nach regionalen Regenfällen unterschiedlich stark belastet. Die angegebenen Daten geben den Beginn der
radioaktiven Niederschläge an.
Das Sievert (Einheitszeichen Sv), nach dem schwedischen Mediziner und Physiker Rolf Sievert, ist die
Masseinheit für Strahlendosen. Sie dient zur Bestimmung der Strahlenbelastung biologischer Organismen und wird bei der Analyse des Strahlenrisikos verwendet; 1 mSv = 0.001 Sv.
•
•
•
•
•
0.01 – 0.03 mSv: Dosis bei einer Röntgenaufnahme des Brustkorbs.
10 – 20 mSv: Dosis bei einer Computer-Tomographie eines Erwachsenen.
1’000 mSv: Etwa 10% der exponierten Personen entwickeln Krebs oder Leukämie.
3’000–4’000 mSv: ohne medizinische Behandlung: : 50% der Personen sterben.
> 8’000 mSv: Tod in sehr kurzer Zeit schon nach kurzzeitiger Strahlenbelastung.
5-A-4-4
Referenzen: Kapitel 5
R-5-0
5 - 33
einige
Beispiele
5.1 Luftverschmutzung - Allgemein
R.5.1.1
p. 192: Luftverschmutzung - Allgemein
a) Luftverschmutzung: http://de.wikipedia.org/wiki/Luftverschmutzung
b) Bild: «Luftverschmutzung in Peking: Atmen kann tödlich sein» – Bernhard Zand (Spiegel Online)
http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/feinstaub-pekings-luftverschmutzung-erreicht-drastische-werte-..
c) Air quality index: http://en.wikipedia.org/wiki/Air_qualizy_index
d) Beijing Air Pollution Exposes China’s Health & Environmental Risks
http://www.globalsherpa.org/shona-air-pollution-health-environment
R.5.1.2
p. 193: Schadstoffe und woher sie kommen
a) links: Arten und Quellen der Luftverschmutzung – European Lung Foundation (ELF)
www.de.european-lung-foundation.org/17473-art
b) rechts: Arten der Luftverschmutzung - (zusammengestellt von P. Brüesch)
R.5.1.3
p. 194 : Ursprung und Herkunft von Schadstoffen
Zusammenstellung von P. Brüesch aus verschiedenen Literaturquellen
R.5.1.4
Luftverschmutzung: Ein Leitprogramm für den Geographieunterricht
ETH – Institut für Verhaltenswissenschaften - [Herausgegeben von S. Reinfried und J. Roth]
Geographisches Institut - [PDF] www.edu.org/Umweltverschmutzung
5.2 Primärschadstoffe
.
R.5.2.0
p. 195: Definition von Primärschadstoffen
Primärschadstoffe: (pp 195 – 220) ; Sekundärschadstoffe: pp 221 - 233) :
http://www.greenfacts.org/de/glossar(pqrs/primaerschadstoff-sekundaerschadstoff.htn
What are the primary and Secondary Air Pollutants ?
http://www,publishyourarticles.net/knowledge-hub/environmental-studies/
whate-are-the-primary-amd-secondary-air-pollutands
R.5.2.1
pp. 196 - 197: Kohlenstoffdioxid – CO2 - http://de.-wikipedia-org/wiki/Kohlenstoffdixid
Die Bilder der Seiten 196 und 197 sind in obigem Literaturzitat enthalten:
p. 196: Bilder von Levis-Modell und von Kalottenmodell von CO2: s. unter entsprechenden Bilder in Google
p. 197: Bild und Text zu «Symptome ein Kohlendioxidvergiftung»
R-5-1
R.5.2.1
(cont.)
a) p. 197: Bild - Text zu «Symptome einer Kohlendioxidvergiftung» - http://de.-wikipedia-org/wiki/Kohlenstoffdioxid
b) Carbon dioxide - http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide
Definition des Atemzeitvolumens - Respiratory minute volume
c) Atemzeitvoluen: https://de.wikipedia.org/wiki/Atemminutenvolume
d) Respiratory minute volume: https://en.Wikipedia.org/wiki/Respiratory_minute_volume
e) Die Steuerung der Atmung - www.kardiotechnik.org/kuntrolle_atmung.pdf
R.5.2.2
p. 198: Kohlenstoffmonoxid – CO
a) Kohlenstoffmonoxid - http://de/wikipedia.org/wiki/Kohlenstoffmonoxid
Bild des Kalottenmodells und des Levi-Modell aus Google unter «Carbonmonoxide» - Bilder
b) CO: Farblos, geruchlos und tödlich : Gefährliches Kohlenmonoxid
http://www-daserste.de/information/ratgeber-service/gesundheit/sendung/rbb/2013/
kohlenmonoxid-19012013-100.html
R.5.2.3
p. 199 : Carbon monoxide
a) General Information and Figure of CO - http://en.wokopedia.org/wiki/Carbon_monoxide
b) Kohlenmonoxid CO
Figur links: CO-Emissionen in Deutschland 1998: 5800 [kt/Jahr]
http://www.kfztech.de/kfutecjnik/motor/abgas/co.htm
Beschriftung der Figur erklärt und retochiert von P. Brüesch
c) Carbon Monoxide – Health Effects
http://www.engineeringtoolbox.com/carbon-monoxide-d_893.html
Right-hand Figure: CO-concentration versus Exposure Time
R.5.2.4
p. 200: Stickoxide
a)
b)
c)
d)
aus Wikipedia, der freien Enzyklopedia - http://de.wikipedia.org.wiki/Stickoxide
Nitrogen dioxide - http://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen_dioxide
Nitric oxide
Stickstoffoxid (NOx) – Emission
http://www.umweltbundesamt-daten-zur-umwelt.de/umweltdaten/publc/thema. do?nodeldent=3573
NOx im Verkehrsbereich . DENOX - Rauchgasentstickung
e) Rauchgasentstickung - http://de.wikipedia.org/wiki(Rauchgasentstickung
R-5-2
5 - 34
R.5.2.4
p. 200 (cont.)
f) Untersuchungen zur Rolle der Vegetation beim Austausch von Stickstoffdioxid mit der Atmosphäre
Jürgen Kesselmeier
g) Ueber die eindeutige Rolle der Vegetation als Senke für Stickstoffdioxid (NO 2)
http://www.mpg.de/4996506/Stickstoffdioxid?c=5732389
R.5.2.5
p. 201: Stickstoffoxide - NOx, NO, NO2 .
a) Tabakrauch - http://www.bag.admin.ch/themen/chemikalien/00238/01355/01358/10340/index.html?lamg=de
b) Stickstoffdioxid - https://de.wikipedia.org/wiki/Stickstoffdioxid
c) «Wirkung auf den menschlichen Körper», NO 2 im Zigarettenrauch enthalten: stark toxisches Gas! .
http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_no2.htm
d) Luftverschmutzung: Ein Leitprogramm für den Geographieunterricht (1995)
Herausgegeben von S. Reinfried und J. Roth
e) ETH Institut für Verhaltenswissenschaft – Geographisches Institut - www.educ.org/Umweltverschmutzung
f) Entstehung von Stickoxiden - http://www.kfzrech.de/kfztechnik/motor(abgas/nox.htm
Bild der NOx-Emissionen in Deutschland: 1998 – 1670 [kt / Jahr]
R.5.2.6
p
202: Methan - CH4
a) enthält auch Molekülstruktur von CH4 - http://de.wikipedia.org/wiki/Methan
b) Methane - http://en.wikipedia.org/wiki/Methane
R.5.2.7
p. 203: Methan - Gefahren
a) Methan - Erdgas - Expolosionen - http://de.wikipedia.org/wiki/Erdgas
b) Methane Sources – Rice Paddies - http://www.ghgonline.org/methanerice.htm
Nassreisfelder sind ein Entstehungsort für Methan !
R.5.2.8
pp 204 - 205: Schwefeloxide – Allgemeines
a)
b)
c)
d)
Schwefeloxid - http://de.wikipedia.org/wiki/Schwefeloxide - (Tabelle überarbeitet von P. Brüesch)
Schwefeldioxide - http://de.wikipedia.org/wiki/Schwefeldioxid
Sulfur dioxide - http://en/wikipedia.org/wiki/Sulfur_dioxide
Schwefeldioxid und Schwefelsäure - http://www. cumschmidt.de/sm_so2.htm
(Molekülstrukturen von SO2 und H2SO4: s. unter www.google.ch/search - Bilder)
e) Schwefeldioxid und Schwefelsäure – H2SO4 https://de.wikipedia.rg/wiki/Schwefel%C3%A4ure
R-5-3
R.5.2.9
p. 206: Schwefeltrioxid
a) Schwefeltrioxid - (Molekülstrukturen von SO3: s. www.google.ch/search - Bilder)
http://de.wikipedia.org/wiki/Schwefeltrioxid
b) Sulfur trioxide - http://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_trioxide
R.5.2.10
pp 207 - 208: Ammoniak .(NH3)
a) Ammoniak - http://de/wikipedia.org/wiki/Ammoniak
b) Molekülstrukturen von Ammoniak – NH3 und Ammoniakvergiftung - www.google.ch/search - Bilder c) Ammonia NH3 - http://en.wikipedia.org/wiki/Ammonia
5.3
R.5.3.1
Toxische organische Gase
p. 210: Volatile organische Verbindungen
a) Flüchtige organische Verbindungen
http://de.wikipedia.org/wiki/F1%C3%BCchtige_organische_Verbindungen
Figur von Isopren-Molekül: s. Isopren – Bilder
Figur: zeitlicher Verlauf von VOC in der Schweiz: s. «Flüchtige organische Verbindungen» : Bilder
b) Volatile organic compounds - http://en.wikipedia.org/wiki/Volatile:organic_compound
R.5.3.2
p. 211: Flüchtige organische Verbindungen: Auswirkungen auf Gesundheit - Einführender Text: Ref. R.5.3.1
R.5.3.3
pp 210 - 211: Flüchtige organische Verbindungen
a) Flüchtige organische Verbindungen (VOC) - http://www.bafu.admin.ch/luft/00585/10765/index.html?lang-de
b) Sick.Building-Syndrom - http://de.wikipedia.org/wiki/Sick-Building.Syndrom
R.5.3.4
p. 211: Formaldehyd
Dichlormethan - Tetrachlorethen - Benzol
a)
Formaldehyd - http://de,wikipedia.org/wiki/Formaldehy
Formaldehyde - http://en.wikipedia.org./wiki/Formaldehyde
b) Dichlormethan (DCM) - (CAS-Nummer: 75-09-2) - www.baua.de/cae/serviet/.../900-dichlormethan.pfd
{PDF] Begründung zu Dichlormethan in TRGS 900
c) Tetrachlorethen - http://de.wikipedia.org/wiki/Tetrachlorethen
d) Benzol - http://de.wikipedia.org/wiki/Benzol
Benzene - http://en.wikipedia.org/wiki/Benzene
R-5-4
5 - 35
R.5.3.5
p. 212: Blausäure (HCN) in der Atmosphäre
a) Atmospheric Hydrogen Cyanade (HCN): Biomass Burning Source, Ocean Sink ?
Quinbin Li, Daniel J. Jacob, Isabelle Bey, Robert M. Yantosca; Y. Zhao, Y Kondo, and J. Kondo
Geophysical Research Letters, Vol. 27, No.3, pp 357 – 360, February 1, 2000
b) What drives the observed variability of HCN in the Troposphere and lower Stratosphere ?
Q. Li, P.I. Palmer, H.C. Pumphtey, P. Bernath, and E. Mahleu
Atmospheric Chem. Phys. 9, pp 8531 – 8543, 2009
c) Brandgase - (HCN im Brandgas) www.toxcenter.org/stoff-infos/brandgase.pdf
d) Tabackrauch - http://de.wikipedia.org/wiki/Tabakrauch
(Blausäure im Tabackrauch)
e) Noxe
(Substanz, die eine schädigende, pathogene Wirkung auf einen Organismus oder ein Körperorgan ausübt)
http://de.wikipedia.org/wiki/Noxe
f) Cyanwasserstoff - https://de.wikipedia.org/wiki/Cyanwasserstoff
(Vergiftung der Juden durch den Nationalsozialismus in Auswitch-Birkenau – Holocaust)
g) Linear Molecular Geometry - [Containing BeH2, CO2; and HCN] - Figur von HCN
http://chemiwiki.uedavis.edu/Inorganic_Chemistry/Molecular_Geometry/Linear_Molecular
h) Conversion of ppm’s to milligrams and micrograms per m3.
Die Umrechnung der Konzentrationen c von ppm in mg/m3 erfolgt gemäss
c(mg/m3) = [M(HCN) / 24,45] * c(ppm) ; M(HCN) = 27.03 g/mol ; Vluft = 24,45 L = Molvolumen; c(ppm) = 300
Conversion of ppm to milligrams and micrograms per m3.
Anwendung auf HCN - www.gasdetection/com/xalculation(ppm.xls
i) Blausäure (Cyanwaserstoff) HCN - hhttp://www.seilnacht.com/Chemie/ch_hcn.html
R.5.3.6
a) p. 213: Langlebige organische Schadstoffe
http://de.wikipedia.org/wiki(Langlebige_organische_Schadstoffe
b) [PDP Persistente Organische Verbindungen (POP’s) - krimhild.uff.uni_bremen.de/…/POP_de.pd…
c) p. 213: Persistent organic pollutant
http://en.wikipedia.org/wlki/Persistent_orga/wiki/Persistent_organic_pollutants
d) p. 213: Lerneinheit: 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-Dioxin-ChemgalPedia
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/de/ch&6/ac/bibliothek/_vlu/dioxin.vlu/Page/
vsc/de/ch/6/ac/bibliothek/dioxin
R-5-5
R.5.3.7
p. 214: Persistente organische Schadstoffe (POP
a) Persistente organische Schadstoffe (POP) als Problemstoffe
http://www.lfu.bayern.de/analytik_stoffe/analytik_org_stoffe_pop/index.htm
b) US helping to clean Agent Orange contaminated parts of Vietnam-Mirror Online
«A little late but greatly appreciated»: American helps to clean toxjc Agent Orange it sprayed in Vietnam War
http://www.mirror.co.uk/news/world-news/us-helping-to-clean-agent-orange-contaminated-1244991/
R.5.3.8
pp 214 – 215: Agent Orange
a) Agent Orange - Wikipedia, the free encyclopedia
http://en.wikipedia.org/wiki/Agent_Orange
s. auch Bild unten links auf p. 215: Verstümmelte totgeborene Babies
b) p. 215 : Text zu p. 215 über Agent Orange und Dioxin
Agent Orange: Dioxin, Entlaubungsmittel und der Vietnamkrieg
Bild unten links: Durch Dioxin (Agent Orange) verstümmelttes Baby in Vietnam
http://pharmgesch-bs.de/Seminar/agent%20orange-Dateien/agent%20orange.htm
c) Monsanto’s Agent Orange Still Poisoning Children in Vietnam - Bild von totgeborenen Opfer von Dioxin
http://www..cheeslave.com/monsantos-agent-orange-still-poisoning-children-in-vietnam
R.5.3.9
p. 216: Das Seveso – Unglück mit Dioxin – 1
a) Seveso - http://de-wikipedia.org/wiki/Seveso
b) Sevesounglück - http://de.wikipedia.org/wiki/Sevesoungl%C3%BCck
c) Seveso Dioxin Accident Chemical Plant
http://post-apocalypse.wiki.com/wiki/File:Seveso_Dioxin_Accident_Chemical_Plant.jpg
d) Management Systems Engineering – Chemical Industries c)
Zerstörte Chemiefabrik nach Dioxin Unfall
http://www.mse-consulting.com/de/branchen/chemieindustrie.php
R.5.3.10
p. 217: Die Folgen der Giftkatastrophe in Seveso - 2
a) aus: DIE WELT - Seveso & Co: «Warum Konzerne nach Katastrophen nicht untergehen»
von P. Schelling und J. Menge
http://www.welt.de/img/wirtschaft/crop101176535/9580711440-ci3x21-w580-aorigina..
b) Die Seveso-Katastrophe - http://www.wissen.de/die-severo-katastrophe
R-5-6
5 – 36
R.5.3.10
p. 217 (cont.)
c) Seveso – Opfer des Chemiekalienwahnsinns
http://www.greenpeace.de/themen/chemie/nachrichten/artikel/seveso_opfer_des_chemokalienwahnsinns
d) Das Überall-Gift: 1960 – 2011 - Chlorakne – SPIEGEL.ONLINE
Bild oben links : Ein Kind mit schwerer Chlorakne
http://einestages.spiegel.de/static/entry/das_ueberall_gift/78322/chlorakne.html
e) Als die Giftwolke kam / wissen.de
Bild unten links : Seveso – Dioxin Unglück - Massensterben von Schafen 2 Monate
nach der Giftkatastrophe - http://www.wissen.de/als-die-giftwolke-kam
R.5.3.11
pp 218 – 220: Feinstaub - Particulate Matter (PM’s) - 1) – 3)
a) Katastrophe von Bhopal - 1
http://de.wikipedia.org/wiki/Katastrophe:von_Bhopal
b) Union –Carbide – Manager nach 25 Jahren verurteilt
http://www.stern.de/panorama/bhopal-katastrophe-union-carbide-manager-nach-25-jahren-verurteilt-1572075.html.
R.5.3.12
p. 219: 90 – jähriger soll für die grösste Chemiekatastrophe aller Zeiten haften
Foto rechts oben: Warren Anderson . CEO zur Zeit des Unfalls; nachher in die USA geflüchted
Foto rechts unten: Warren Anderson (heute über 90 Jahre alt) lebt in der USA
http://derhoningmannsagt.wordpress.com/2011/03/25/90-jähriger-soll-fur-groddtechemiekatastrophe-aller-zeiten-haften
R.5.3.13
p. 220:: Bilder von Opfer der Bhopal – Katastrophe 2)
a) «Reinventing memories» - http://santanusc.blpgspot.ch/201012/compensating-riff-raff.html
b) «Stadt unterm Leichentuch» b)
http://einestages.spiegel.de/static/topicalbumbackground/5588/stadt_unterm_leichentuch.html
c) Bhopal disaster - http://en.wikipedia.org/wiki/Bhopal_disaster
d) Methyl isocyanate - http://en.wikipedia.org/wiki/Methyl_isocyanate
e) Methylisocyanat - http://de.wikipedia.org/wiki/Methylisocyanat
f) Warren Anderson - http://de.wikipedia.org/wiki/Warren_Anderson
g) Opfer von Bhopal - Erschreckende Bilder aus Internet (Images)
R-5-7
5.4
R.5.4.0
Feinstaub - Particulate Matter (PM’s)
Definition von Primärschadstoffen
Primärschadstoffe: pp 195 – 220; Sekundärschadstoffe: pp 221 - 233)
http://www.greenfacts.org/de/glossar(pqrs/primaerschadstoff-sekundaerschadstoff.htn
What are the primary and Secondary Air Pollutants ?
http://www,publishyourarticles.net/knowledge-hub/environmental-studies/
whate-are-the-primary-amd-secondary-air-pollutands
R.5.4.1
p. 221: Feinstaub oder Particulate Matter (PM’s) in der Atmosphäre - Bildung und Dynamik - Titel
R.5.4.2
p. 222: Feinstaub – Allgemein
a)
b)
c)
d)
e)
Allgemeime Bemerkungen - www.de.wikipedia.org/wiki/Feinstaub
Particulates - http://en.wikipedia.org/wili/Particulates
Aerosol - http://de.wikipedia.org/wiki/Aerosol
Air pollution - http://en,wikipedia.org.wiki/Air_pollution
Feinstaub - http://de/wikipedia.org/wiki/Feinstaub
R.5.4.3
p. 223: Feinstaub – Kategorisierung von Schwebeteilchen
Tabelle: s. Referenz R.5.4.2 e) - (Tabelle von P. Brüesch bearbeitet und leicht vereinfacht)
R.5.4.4
p. 224: Partikelgrösse und Knudsen-Zahl
a) Teile der Information stammen aus dem Artikel von Otto Klemm:
[PPT] – Partikel - Umweltmeteorologie – 11.. Aerosolpartikel
www.uni-muenster.de/.../env_meteo_u11aerosolphysik...
(Darstellung und Text überarbeitet von P. Brüesch)
b) Knudsen – Zahl - https://wikipedia.org/wiki/Knudsen-Zahl
c) Knudsen – number - https://en.wikipedia/Knudsen_number
R-5-8
5 – 37
R.5.4.5
p. 225: Particulate Matter – [PDF] Sedimentation
a) Sedimentation - www.ce.udel.edu/~dentel/434/Lecture%203a.pdf
Enthält auch Informationen über Zusammenhang zwischen Knudsenzahl Kn und Cunningham KorrekturFaktor Cc sowie Figur von Kn(Dp) und Cc(Dp) als Funktion des Partikeldurchmessers Dp.
b) Knudsen-Zahl - http://de.wikipedia/9rg/wiki/Knudsen-Zahl
c) Knudsen number - http://en.wlikipedia/org/wiki/Knudsen_number
R.5.4.6
p. 226: Zur Viskosität von Luft
a) Viskosität - http://de.wikipedia.org.wiki/Viskosität%A4t
(enthält Figur der Viskosität verschiedener Gase versur Temperatur)
b) Viscosity - http://en.wikipedia(org/wiki/Viscosity
c) Viscosity and Reynolds numbers
physikpraktika.uni-oldenburg.de/download/GPR/pdf/E_Viskositaet.pdf
R.5.4.7
p. 227: Gesetz von Stokes für Reibungskraft auf einen fallender sphärischer Körper
a) Gesetz von Stokes (mit Cunningham Korrektur-Faktor)
http://de.wikipedia.org/wiki/Gesetz_von_Stokes
b) Stokes’ Law - http://en.wikipedia.org/wiki/Stokes’:law
c) Drag (physics) - http://en.wikipedia.org/wiki/Drag_(physics)
d) s. Referenz R.5.4.7 a) für Cunningham Korrektur-Faktor
Knudsen-Zahl Kn(Dp) und Cunningham-Faktor CC(DP)
e) Slip Correction Factor - http://aerosol.ees.ufl.edu/aerosol_trans/section06.html
Diese Referenz enthält den folgenden physikalisch leicht verständlichen Kommentar für den Cunningham «Slip
Correction factor» CC (sinngemäss übersetzt von Englisch auf Deutsch von P. Brüesch):
«Für sehr kleine Partikel (Durchmesse kleiner als 1 mm) ist die Sinkgeschwindigkeit grösser als die von Stokes
vorausgesagte Geschwindigkeit. Was ist der Grund für diese Tatsache ?
Antwort: Eine kritische Annahme des Stokes – Gesetz postuliert, dass die relative Geschwindigkeit des Gases
(der Luftmoleküle) an der Oberfläche eines Teilchens Null ist, d.h. ein Luftmolekül bewegt sich in diesem Augenblick mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Teilchen. Dies ist nur dann der Fall, wenn das Medium (Luft)
«kontinuierlich» ist. Bei abnehmender Grösse des Teilchens ist die Luft bezüglich des Teilchens aber nicht mehr
«kontinuierlich»: Gasmoleküle, welche sich um ein Teilchen bewegen, können das Teilchen ohne Kollision umumgehen, was man als «slip» bezeichnet (ein Teilchen «schlüpft» durch die es umgebenden Luftmoleküle).
Deshalb ist die relative Geschwindigkeit eines Gasmoleküls in unmittelbarer Nähe der Teilchenoberfläche wegen
R-5-9
der fehlenden Kollision nicht mehr Null. Da Kollisionen die Ursache der Reibung sind, wird die Sinkgeschwindigkeit
der Teilchen grösser als die nach Stokes vorausgesagte Geschwindigkeit und zwar wegen der kleineren Reibung,
welche durch das «Durchschlüpfen» vieler Teilchen entsteht. [Die oben zitierte Arbeit enthält auch ein sehr illustratives «motion picture», und zwar sowohl für den Fall grösserer Teilchen in einem kontinuierlichen Medium (Stokes)
als auch für den Fall von kleineren «durchschlüpfenden» (slipping particles) in einem nicht-kontinuierlichen Medium].
R.5.4.8
p. 228: Sinkgeschwindigkeit von Staubteilchen in der Luft – Figur
a) Die stationären Sinkgeschwindigkeiten mit und ohne Cunningham-Korrektur wurden mit Hilfe von aus der
Literatur bekannten Daten (Viskosität und mittlere freie Weglänge der Luft, etc) von P. Brüesch mit Hilfe
eines MATLAB- Programms berechnet. Die Berechnung wurde für Normalbedingungen durchgeführt.
b) Physikalische Konstanten:
1) Viskosität h : http://de.wikipedia.org/wiki/Viskositöt%C3%A41
Zahlenwert für Luft hL = 18.2 10-6 kg/(m s) bei 20 0C und 1 atm
aus: [PDF] Tabelle 2; Stoffgrössen für trockene Luft bei 1.013 bar und 20 0C
www. versorgung.entsorgung.w-hs.de/---/Tabelle_2-Stoffgr…
2) Mittlere freie Weglänge der Luftmoleküle lL (mean free path):
http://en.wikipedia.org/wiki/Mean_free_path - Zahlenwert: lL = 68 nm bei 1 bar und Raumtemperatur
R.5.4.9
p. 229 : Sinkgeschwindigkeit und Beschleunigung von fallenden Partikeln in der Luft
Die Gleichung (5.6) für ein in der Luft fallendes Partikel ist eine inhomogene Differentialgleichung 1. Ordnung
der Form: dv/dt = a(t) v + b(t) mit der Anfangsbedingung v(t=0) = 0. Im vorliegenden Fall sind a und b
unabhängig von t was die Lösung besonders vereinfacht. Mit der obigen Anfangsbedingung erhält
man als Lösung sofort den Ausdruck für v(t) (Gleichung (5.7) auf p. 229)
a) Differentialgleichung von in der Luft fallenden Partikeln.
Teile der Informationaus dem Artikel von Otto Klemm: Partikel - Umweltmeteorologie – 11.. Aerosolpartikel
www.uni-muenster.de/.../env_meteo_u11aerosolphysik...
(Lösung der Differentialgleichung für fallende Partikel von P. Brüesch)
b) «The effects of linear and quadratic drag on falling spheres: an undergraduate laboratory»
Julia P. Owen and William S. Ryu: Eur. J. Physics 26 (2005), pp 1085 .- 1091
www.physics.emery.edu/edu~weeks/journal/9wen-ejp05.pdf
c) «Drag physics» - http://en,wikipedia.org/wiki/Drag_(physics)
R-5-10
5 – 38
R.5.4.10
p. 230, 231: Sinkgeschwindigkeit v(tP) von kleinen kugelförmigen Partikeln mit Durchmessern Dp
Berechnungen und Figuren von P. Brüesch
a) p. 230: v(t) für Durchmesser DP = 100 mm
b) p. 231: v(t) für Durchmesser Dp =
1 mm
R.5.4.11
p. 232:
Asbestminerale – Morphologie
a) Asbest – Vom Rohstoff zum Problemstoff (von Gunnar Ries; mit Fotos von Kristallstrukturen)
www.scilogs.de/mente-et-malleo/asbest-vom-rohstoff-zum-Problemstoff
b) Asbest - http://de.wikipedia.org/wiki/Asbest
c) Chrysotil - http://wikipedia.org/wiki/Chrysotyll - (Bild unten links)
d) Asbestos - http://en.wikipedia.org/wiki/Asbestos - (Bild unten Mitte)
e) Classification of hydrous layered silicates
http://www.gly.uga.edu/Schroeder/geol6550CM07.html - (Bild auf 1. Seite)
R.5.4.12
p. 233: Asbest: Eigenschaften und Probleme
Referenz a) von R.5.4.2 - (Bild auf erster Sete oben rechts)
R.5.4.13
p. 234: Asbestose
a) http://de.wikipedia.org/wiki/Asbestose
(Bild unten links: Asbestose und Lungenkarzinome)
b) Asbestsanierung
http://www._rathscheck,de/Forum.fuer-Bauherren/Asbestsanierung-auch-mit-Schiefer-steuerlich-absetzbar
(Bild unten rechts: Asbestsanierung)
R.5.4.14
p. 235: Nanopartikel
a) Nanopartikel - http://www.lubw.naden-wuertenberg.de/servlet/is/1879/
Bild retouchiert): Ablagerung von Feinpartikeln im menschlichen Atemtrakt)
b) Ultrafine particle (Nanoparticles) - http://en.wikipedia.org(wiki(/Ultrafine_particle
c) Factsheet: Nanopartikel und ultrafeine Partikel am Arbeitsplatz (SUVA)
www.SUVA.ch/arbeitsmedizin-factsheet
R-5-11
R.5.4.15
pp. 236, 237: Explosion des Kernreaktors in Tschernobyl
a) Nuklearkatastrophe von Tschernobyl
http://de.wikipedia.org/wiki/Nuklearkatastrophe_von_Tschernobyl
b) Einige wichtige Dosiswerte und Grenzwerte;
in: Fragen und Antworten zu Strahlenschutz-Aspekten in Japan
http://www.bfs.de/de/kerntechnik/unfaelle/fukushima/strahlenschutz_japan.html
c) Effects of the Chernobyl disaster
http://en.wikipedia.org/wiki/Effects_of:the_Chernobyl_disaster
5.5 Sekundärschadstoffen
R.5.5.0
p. 238: Sekundäre Schadstoffe - R.5.5.1
p. 239: Ozon - O3 - Titel
R.5.5.2
p. 240: Das Ozon- Molekül und Eigenschaften von O3
a) Ozon – Molekül und Eigenschaften von O3 - http://de.wikipedia.org/wiki/Ozon
b) Ozone Molecule and Properties of O3 - http://en.wikipedia/org/wiki/Ozone
R.5.5.3
p. 241: Ozonschicht der Stratosphäre
Bild aus Google unter: Ozonschicht in der Stratosphäre
R.5.5.4
p. 242: Text from Reference R.5.5.2 b).
R.5.5.5
R.5.5.6
p. 243: Ozonschicht soll sich bis 2050 regeneriert haben
www.welt.de/wissenschaft/umwelt/article109695690/Ozonschicht-soll-sich-bis-2050-regeneriert-haben.html
(Bild auf p. 243 : Ozonschichten 1998 und 2012; Beschriftung von P. Brüesch retouchiert)
p. 244 : Gesundheitliche Schädigungen durch bodennahes Ozon
a) BAFU . Luft – Ozon – Sommersmog - http:// www.bafu.admin.ch./luft/00575/00577/index.html/lang=de
b) Ozon: Ref. R.5.5.2 b)
c) How Ozone Pollution Works – Avoiding and Reducing Ozone
http://science.howstuffworks.com/environmental/green-science/ozone-pollution1.htm
(Bild: Ozon-damaged plant and normal plant)
e) Ozon . Grenzwerte . Richtwerte / Allum – Allergie, Umwelt und Gesundheit
http://www.allum,de/stoffe-und-ausloeser/ozon/grenzwerterichterte
R-5-12
5 – 39
Anhang Kapitel 5
5-A-1-1
Smog in Peking
Die Luftverschmutzung in China nimmt dramatische Formen an (Keystone)
www.blick.ch/.../ausland/chinas-behoerden-geben-
5-A-1-2
Beijing Air Pollution Exposes China’s Health & Environmental Risks
http://www.globalsherpa.org/shona-air-pollution-health-environment
(Bild von «Air Quality Index – AQI mit Text)
5-A.2.1
Globale Erwärmung
a) s. In «WASSER»: (P. Brüesch) - Referenz R-0-4
Kaipitel 5: pp 246 - 249
b) Globale Erwärmung
http://de.wikipedia.org/wiki/Globale_Erw%C3%A4rmung
c) Global warming
http://en.wikioedua,org/wiki/Global:warming
5-A-3-1
Giftgas- Einsatz im Ersten Weltkrieg (1914 – 1918)
a) Erster Weltkrieg - http://de.wikipedia.org/wiki_Erster_Weltkrieg
b) World War 1 - http://en.wikipedua.org/wiki/World_War_1
c) Gaskrieg während des Ersten Weltkrieges
http://de.wikipedia.org/wif/Gaskrieg_w%C3%A4hrend:des:Ersten_Weötkrieges
d) Chemical weapons in World War I - http://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_weapons_in_World_War_II
e) Fritz Haber - http://de.wikipedia.org/wiki/Fritz_Haber
f) Walther Nernst http://de.wikipedia.org/wiki/Walther_Nernst
g) Erich von Falkenhayn - http://de.wikipedia.org/wiki/Erich_von_Falkenhayn
h) Carl Duisberg - http://de.wiipedia.org/wiki/Carl_Duisberg
i) Chlor http://de.wikipedia.org/wiki/Chlor
http://de.wikipedia.org/wiki/Chlor
j) Chlorine - http://en/wikipedia.org/wiki/chlorine
k) Phosgen http://de.wikipedia.org/Phosgen
l) Phosgene - http://en.wikipedia.org/wiki/Phosgene
R-5-13
5.A.3.2
Cyanwasserstoff HCN - Blausäure - Zyklon B
a) Atmospheric Hydrogen Cyanade (HCN): Biomass Burning Source, Ocean Sink ?
Quinbin Li, Daniel J. Jacob, Isabelle Bey, Robert M. Yantosca; Y. Zhao, Y Kondo, and J. Kondo
Geophysical Research Letters, Vol. 27, No.3, pp 357 – 360, February 1, 2000
b) What drives the observed variability of HCN in the Troposphere and lower Stratosphere ?
Q. Li, P.I. Palmer, H.C. Pumphrey, P. Bernath, and E. Mahleu
Atmospheric Chem. Phys. 9, pp 8531 – 8543, 2009
c) Brandgase - www.toxcenter.org/stoff-infos/brandgase.pdf
Tabakrauch - http://de.wikipedia.org/wiki/Tabakrauch - (Blausäure im Tabackrauch)
d) Cyanwasserstoff - https://de.wikipedia.org/wiki/Cyanwasserstoff
Vergiftung der Juden durch die NAZI in Auschwitz-Birkenau – Holocaust
e) Zyklon B. http://de.wikipedia.org/wiki/Zyklon_B
f) Gaskammer (Massenmord): http://de.wikipedia.org/wiki/Gaskammer_(Massenmord)
g) Allgemein – Zyklon: http://www.zyklon-b.info/produkt/allgemein.htm
h) Die sieben Gaskammern von Auschwitz
http://www.deathcamps.org/gas:chambers/gas:chambers:auschwitz:de.html
i) Gaskammer Auschwitz – Bild & Foto von Bernd 1959 aus Krieg und seine Folgen (14103841) / fotocommunity
http://www.fotocommunity.de/pc/pc/dispöay/14103841
k) akdh.net - Auschwitz und Leugnung des Holocaust: Der Leuchterreport
http://www.akdh.ch/ps/ps_Leucht.html
5-A-3-3
Umrechnung von ppm in mg/m3
a) EPA On-line Tools for Site Assessment Calculations - Indoor Air Unit Conversion
http://www.epa.gov/athens/learn2model/part-two/onsite/ia_unit_conversion_detail.html
b) Konzentrationsrechner (Umrechnung von Konzentrationsgrössen, Gehaltsgrössen)
http://www.ansyco.de/CMS/frontend/index.php?itcatside=153
c) Umrechnung von ppmv in mg/m3 (hergeleitet von P. Brüesch - p. 5-A-3-3)
Conversion of ppm to milligrams and micrograms per m3 : www.gasdetection/com/xalculation(ppm.xls
R-5-14
5 – 40
5.A-4-1
Sinkgeschwindigkeit v(t) für Partikel mit Durchmesser DP = 0.01 mm
(Berechnung und Figur erstellt von P. Brüesch)
5-A-4-2
Saharastaub - Herkunft und Partikelgrössen
a) Wetter und Klima – Deutscher Wetterdienst – Ozon,GAW, Luftchemie
Umweltthemen: Saharastaub
b) Sandsturm: http://de.wikipedia.org(wiki/Sandsturm
c) Schluff: http://de.wikipedia.org/wiki/Schluff
d) Bild links: Saharastaub über Bayern: http://www.sat1bayern.de(news/20140403/saharastaub-ueber-bayern
e) Bild rechts: Intercontinental Transport of Dust: Historical and Recent Observational Evidence
Rudolf B. Husar; Chapter 11 of the Book: Intercontinental Transport of Pollutants., A. Stohl, Ed.
Springer Verlag 2004
f) Mineral dust . Sahara dust
http://en.wikipedia.org/wiki/Mineral_dust
5-A-4-3
Saharawind in Oesterreich und Deutschland
a) Bild oben: Wetter – Sahara-Staub in den Alpen
aus: «Bilder zu Sahara-Staub in den Alpen»
b) Bild unten: «Besuch aus Nordafrika»
http://www1.wdr,de/fernsehen/aks/saharasand100.html
5-A-4-4
Tscheronobyl - Verstrahlungsgebiet durch radioaktiven Fallout
a) Global Radiatoin Patterns
(Spread of radio-active contaminates into the atmosphere from the Chernobyl accident ….)
http://users.owt.com/smsrpm/Chernobyl/glbr
b) Bild des radioaktiven Fallout von Tschernobyl gefunden unter: «Ausbreitung des Fallout von
Tschernobyl - Bilder»
R-5-15
5 – 41
6. Photosynthese
und Atmung
von Pflanzen
245
69
6–0
6.1 Photosynthese
246
Zum Prinzip der Photosynthese
Das hier abgebildete Prinzip der Photosynthes, in welchem aus Kohlendioxid
und Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht das Nettoprodukte Traubenzucker und
Sauerstoff entsteht, wird im Folgenden näher diskutiert. Das Sonnenlicht wird
durch Chlorophyll absorbiert und in chemische Energie umgewandelt, welche
zum Aufbau von Glukose (Traubenzucker) und Stärke erforderlich ist.
247
6–1
Photosynthese: Chloroplasten - Chlorophyll
Unter Photosynthese versteht man die Erzeugung von energiereichen Stoffen aus
energieärmeren Stoffen mit Hilfe von Lichtenergie E = hn (n = Frequenz des Lichtes,
h = Planck’sche Konstante). Sie wird von Pflanzen, Algen und einigen Bakteriengruppen betrieben. Bei diesem biochemischen Vorgang wird zunächst mit Hilfe von
lichtabsorbierenden Farbstoffen, meistens Chlorophyllen, auch Blattgrün genannt,
Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt. Diese chemische Energie wird dann
unter anderem zum Aufbau energiereicher organischer Verbindungen – Kohlehydrate aus energiearmen, anorganischen Stoffen, hauptsächlich aus CO2 und H2O verwendet.
Die Chlroplasten sind Organellen der
Zellen von höheren Pflanzen und
Grünalgen, welche die Photosynthese
erlauben.
In den Chloroplasten sind verschiedene Pigmente eingelagert, vor allem
der grüne Farbstoff Chlorophyll
(Blattgrüm). [Das Pigment Chlorophyll
absorbiert nur rotes und blaues Licht,
und reflektiert das grüne Licht 
grüne Farbe - s. p. 250].
Die Pigmente können Licht absorbieren, die in chemische Energie
umgewandelt wird.
Chloroplast in der Blattspreite
des Laubmooses
248
Struktur von Chlorophyll
Der «Kopf» des Chlorophyllmoleküls
ist der entscheidende Teil für die Lichtabsorption. Er besteht aus einem
Pophyrinring mit einem zentral
angebauten Magnesiumatom.
An den «Kopf» ist eine Phytolkette gebunden. Das ist ein langkettiger Alkohol. Damit
wird das Molekül in der Thylakoidmembran
(photosynthetisch aktive Struktur in den
Chloroplasten) verankert.
Chlorophyll a und b unterscheiden sich nur in einer der funktionellen Gruppen
am Porphyrinring. Diese funktionellen Gruppen sind an der Stelle, die mit R
(für Rest) gekennzeichnet ist, mit dem Porpyrinring verknüpft.
249
6–2
Absorption von Lichtenergie durch Chlorophyll a und b
Chlorophyll absorbiert das von der Sonne ausgestrahlte Licht im Wellenlängenbereich
von ca. 400 nm bis 490 nm (Soret - Bereich) und im roten Bereich zwischen 620 nm und
700 nm (1 nm = 10-9 m). Der Soret-Bereich ist die intensivste Bande im sichtbaren
Absorptionsbereich von Chlorophyll. Dieser Bereich wurde von J.L. Soret entdeckt. Die
Banden a (im roten Spektralbereich) und b (im violetten Spektralbereich) werden vom
Chlorophyll (Blattgrün) der Pflanzen und Bäume absorbiert.
Die sog. Grünlücke («green gap»)
bezeichnet den Bereich zwischen
ca. 490 nm und 590 nm des
Sonnenlichtes, welcher ausserhalb
des
Absorptionsspektrums
von
Chlorophyll a und b liegt. In diesem
Spektralbereich wird das Licht von
den Blättern reflektiert. Das erklärt,
warum Pflanzen für das menschliche Auge grün erscheinen.
Grünlücke
Absorptions – Spektren
von Chlorophyll a und b
245
69
250
Bedeutung und Bruttoreaktion der oxygenen Photosynthese
Bei der oxygenen Photosynthese wird molekularer Sauerstoff (O2) erzeugt. Die oxygene
Photosynthese ist nicht nur der bedeutendste biochemische Prozess der Erde, sondern
auch einer der ältesten. Sie treibt durch die Bildung von Glucose oder Traubenzucker,
C6H12O6 (p. 252) mittels Sonnenenergie direkt oder indirekt nahezu alle bestehenden
Oekosysteme an, da sie anderen Lebewesen energiereiche Baustoff- und Energiequellen
liefert. Die grünen Pflanzen, Algen und Cyanobakterien nutzen die Energie des Lichts, um
Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) zu speichern.
Ein Teil des erzeugten Sauerstoffs wird für die Zellatmung (aerobe Atmung) als
Oxidationsmittel wieder verbraucht (p. 254), so dass sich wegen der oxygenen
Photosynthese höher entwickelte Lebewesen bilden konnten. Der Rest des entstehenden
Sauerstoffs wird an die Luft abgegeben (p. 254) als auch zum Aufbau der schützenden
Ozonschicht verwendet (pp 239 – 244).
Die Reaktionsgleichung für die Photosynthese umfasst eine Reihe von komplexen
Zwischenschritten, die hier nicht diskutieren werden sollen. Wir geben vielmehr nur die
Bruttoreaktion an: auf der linken Seite 12 H2O-Moleküle, rechts 6 O2- Moleküle.
6 CO2 + 12 H2O
Kohlendioxid
Wasser
Licht

C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2
Glucose
Wasser
Sauerstoff
Die Farben der Atome zeigen an, dass der Sauerstoff der Glucose aus dem CO2 stammt,
der freie Sauerstoff jedoch aus der Photolyse des Wassers entsteht. Diese Tatsache
konnte durch radioaktive Tracer-Experimente mit den Isotopen 16O und 18O nachgewiesen werden [s. Anhang 6-A-1-1]; (Nettoreaktion: s. Ref. R.6.1.5).
251
6–3
Das Glukose - Molekül
Die in der Bruttoreaktion der Photosynthese entstehende Glucose, C6H12O6, (p. 251)
ist ein Monosaccharid (Einfachzucker) und gehört zu den Kohlehydraten. In der
Natur kommt ausschliesslich die sog. D-Glucose vor (s. Figur). Diese wird auch als
Traubenzucker bezeichnet. Normalerweise kommt Glucose aber nicht frei, sondern
in Form von Polymeren, z.B. Milchzucker, Rübenzucker, Stärke oder Cellulose vor.
In den Pflanzen sind die Glucose-Polymere sowohl Reservestoffe als auch
Bestandteile der Zellstruktur. Alle Lebewesen sind ausserdem in der Lage, Glucose
aus bestimmten Ausgangsprodukten selbst herzustellen, wenn sich die
Notwendigkeit ergibt.
oder
a-D-Glucose
b -D-Glucose
D-Glucose existiert in zwei Formen: a–D- Glucose und b –D–Glucose. Die beiden
Formen unterscheiden sich nur in der Richtung, in welcher die –H und –OH Gruppen
des Kohlenstoffatoms 1 orientiert sind. Wenn a-D-Glucose Moleküle chemisch
gebunden werden, dann bildet sich ein Stärke-Polymer. Wenn b-D-Glucose Moleküle
gebunden werden, dann entsteht ein Cellulose-Polymer.
252
Photosynthese in Regenwäldern
In einem Gürtel rund um den Aequator herrscht warmes, feuchtes Klima (Figur links).
Hier kann der Regenwald gedeihen, denn er trifft auf optimale Bedingungen: Temperaturen zwischen 20 bis 28 oC, gekoppelt mit hohen Niederschlägen über das ganze Jahr.
In den Regenwäldern kann zwischen drei unterschiedlichen «Stockwerken» unterschieden werden: das Dach des Regenwaldes bilden die sog. «Überständer», Bäume, die
60 bis 80 m hoch werden (Bild rechts). Unter der Mittelregion der Baumriesen erheben
sich die Kronen der mittel hohen Bäume. Das Untergeschoss wird von der bodennahen
Vegetation gebildet.
Das Laubwerk der grossen Bäume leistet einen entscheidenden Beitrag zur Regeneration
der Erdatmosphäre. Die Blätter entziehen der Luft mittels der Sonnenergie Kohlendioxid
(CO2). Mit Hilfe der Photosynthese wandeln sie das für die Atmosphäre schädliche CO2 in
Sauerstoff (O2) um, das einerseits für die Zellatmung der Bäume und Pflanzen benötigt
wird und andererseits an die Luft abgegeben wird (p. 251).
Tropische Regenwälder (in rot)
253
6–4
Regenwald in Brasilien
Photosynthese und Zellatmung
Licht
SonnenLicht
6 CO2 + 12 H2O
C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2
PHOTOSYNTHESE
Licht
6 CO2 + 12 H2O
Luft
C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2
Glucose
ATP:
enthält Energie
für Zelle
s. pp 258, 259;
6-A-2-1, 6-A-2-2
ZELLATMUNG
(Aerobe Atmung)
«Einatmung»
von Sauerstoff
«Ausatmung»
von CO2
254
6–5
6.2 Die Zellatmung
255
Zellatmung und Photosynthese
Pflanzen produzieren nicht nur Sauerstoff über die Photosynthese, sondern sie
benötigen ihn auch bei der Zellatmung zu ihrer Energieversorgung. Anders als Tiere
und Menschen verfügen Pflanzen nicht über einen Blutkreislauf, der den Sauerstoff an
die Orte des Bedarfs transportiert, sondern der Sauerstoff wird durch Diffusion verteilt.
Pflanzen, die an Land wachsen, haben an der Unterseite ihrer Blätter winzige kleine
Spaltöffnungen, auch Stomata genannt ( s. P. Brüesch: Arbeit über «Wasser», Kapitel 4,
pp 217, 218). Mit diesen kleinen «Mündern» atmen sie den Sauerstoff aus der Luft ein.
Die Pflanze atmet bei Tag und Nacht. Am Tag überwiegt jedoch die Photosynthese, d.h.
es wird mehr CO2 aufgenommen als abgegeben. In der Nacht wird wegen des fehlenden
Sonnenlichtes die Photosynthese eingestellt, die Pflanze betreibt nur noch Zellatmung.
Am Morgen und am Abend gibt es einen Zeitpunkt, an dem sich Photosynthese und
Atmung die Waage halten (Kompensationspunkte).
Photosynthese
(am Tag)
Sonne
Zellatmung
(Tag und Nacht)
256
6–6
Raten von Photosynthese und Atmung in Pflanzen
und Atmung
in
Da die Photosynthese Kohlenstoffhydrate
produziert,
ist die Produktionsrate positiv
(gelbe Fläche (a)), ihr Betrag erreicht während der Zeit der Sonneneinstrahlung ein
Maximum (in der Figur um ca. 13 Uhr). Zu dieser Zeit ist auch die Produktion von
Sauerstoff maximal.
Andererseits werden durch die Atmung Kohlenstoffhydrate und Sauerstoff verbraucht.
Deshalb sind ihre Verbrauchsraten bei der Atmung negativ (grüne Fläche (b)).
Die gelbe Fläche (a) stellt die totale Menge der Kohlenstoffhydrate dar, welche in 24 h
durch Photosynthese produzieret werden. Die grüne Fläche (b) stellt die totale Menge
von Kohlenstoffhydraten dar, welche durch die Atmung in dieser Zeit verbraucht werden.
Damit eine grüne Pflanze
überleben, wachsen und
reife Früchte produzieren
kann, muss die gelbe
Fläche (a) grösser als die
grüne Fläche (b) sein.
257
Die Zellatmung der Pflanzen – 1 : Glucose  ATP
Die Atmung der Pflanze besteht wie die der Tiere in der Aufnahme von Sauerstoff O2
und in der Abgabe von Kohlendioxid CO2. Durch den in jeder lebenden Pflanzenzelle
fortgesetzt sich abspielenden langsamen Verbrennungsvorgang werden Betriebskräfte für die Unterhaltung der Lebenstätigkeit der Zelle gewonnen.
Bei besonders lebhafter Atmung wie sie in frisch keimenden Samen und in aufblühenden Knospen stattfinden, wird ein Kraftüberschuss erzeugt, der als Temperatursteigerung bemerkbar wird.
Fehlt der zur Unterhaltung der Atmung nötige Sauerstoff, so hören zunächst die
Lebensäusserungen der Pflanzen, wie Wachstum, Reizbarkeit, Zelltätigkeit, Protoplasmabewegungen, auf. Bei längerem Sauerstoffmangel tritt der Erstickungstot ein.
Bei der Atmung wird die energiereiche Glucose zersetzt. Die dabei gewonnene
Energie wird in Zellen wie ATP gespeichert (p. 256, pp 6-A-2-1. 6-A-2-2 und
untenstehendes Bild). Die Zellatmung kann durch die folgende Darstellung
veranschaulicht werden.
Sauerstoff
Zucker
Kohlenstoffdioxid
Wasser
Reaktion bei der Atmung einer Pflanze
258
6–7
Energie
Die Zellatmung der Pflanzen – 2 : Mitochondrien
Ein Mitochondrium ist eine von einer Doppelschichtmembran umschlossenes
Zellorganell (d.h. Zellen, die einen Zellkern enthalten), das zur Energiegewinnung dient.
Mitochondrien sind kornförmige, grosse Zellorganellen. Sie kommen gehäuft in Zellen
vor, die einen hohen Energiebedarf brauchen.
Mitochondrien besitzen eine Doppelmembran. Die äussere Membran grenzt das
Mitochondrium nach aussen ab und enthält Kanäle für die Durchlässigkeit von
Molekülen.
An der inneren Membran befinden sich zahlreiche Einstülpungen, die sich Christae
(von lat. crista «Kamm») nennen. Dadurch wird die Oberfläche der inneren Membran, an
der chemische Reaktionen stattfinden können, erheblich vergrössert und damit die
Fähigkeit, ATP zu produzieren (pp 6-A-2-1, 6-A.2-2), verbessert.
Mitochondrie
In den Mitochondrien laufen die chemischen Reaktionen der Atmungskette ab. Dadurch ist es möglich,
aufgenommene Glucose (p. 252) mit einem hohen
Effizienzgrad zur Synthese von ATP zu verwenden.
ATP wird im Intermembranraum (zwischen den
beiden Membranen der Doppelmembran) synthetisiert und kann von dort ins Zytosol (flüssiger
Bestandteil der Zelle) abgegeben werden.
Mitochondrien stellen einen intrazellulären Speicher
für Kalzium dar und dienen so auch der Homöostase
(Aufrechterhaltung eines Gleichgewichtszustandes)
in der Zelle.
259
Kompensationspunkt für Lichtstärke und O2 - Konzentration
Allgemein gilt: Je höher die Lichtintensität ist, desto stärker ist die Photosynthese.
Allerdings ist diese Beziehung nur bei geringen und mittleren Lichtintensitäten (LI)
linear. Bei höheren LI liegt ein typisches Sättigungsverhalten (Sättigungskurve) vor (s.
Figur unten). Diese Abbildung zeigt die Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration von
der LI bei einer Lichtpflanze (LP) und einer Schattenpflanze (SP) [Als SP werden
Pflanzen bezeichnet, die nur eine Teilmenge der sonst üblichen Lichtmenge benötigen,
um Photosynthese betreiben zu können und daher an schattigen Standorten wachsen
können. Ein Beispiel ist die europäische Eibe. Beispiele für unsere Breite sind
Sauerklee und Springkraut, die nur mit etwa 1 % des Sonnenlichtes auskommen!].
Bei niedrigen LI wird nicht nur kein Sauerstoff produziert, sondern es wird sogar
Sauerstoff für die Atmung der Pflanzen im Dunkeln verbraucht (pp 258, 259).
Die LI, bei der sich Sauerstoffverbrauch durch Atmung
und Sauerstoffproduktion durch Photosymthese die
Waage halten, ist der Lichtkompensationspukt (LKP).
SKP
Lchtkompensationspunkt (LKP)
LP haben in der Regel einen höheren LKP als SP, d.h. es
ist in der Regel mehr Licht erforderlich als bei einer SP,
damit überhaupt Sauerstoff produziert wird. Bei
niedrigen LI im Schattenkompsationspunkt SKP (im
dunklen Wald) ist die SP der LP also überlegen. Bei
höheren LI kann die LP das Licht besser ausnützen, weil
der Sättigungswert der Sauerstoffproduktion höher ist
als bei der SP.
260
6–8
Blätterfärbung der Laubbäume im Herbst
Bäume, die jeden Herbst ihre Blätter abwerfen, verhindern ihr Austrocknen im Winter,
wenn die Wurzeln kein Wasser aus dem gefrorenen Boden aufnehmen können. Denn
über ihre Blätter läuft die Transpiration der Pflanzen, d.h. dass das aufgenommenen
Wasser über die Spaltöffnungen (Stomata) in den Blattflächen verdunstet wird. Durch
das Abwerfen der Blätter entfällt auch ein Frostschutz für sie.
Vor dem Abwurf der Blätter werden viele lebenswichtige Elemente, wie z.B. Natrium,
Schwefel, Eisen, Phosphor, Kalium, Magnesium und Mangan, sowie die mobilisierbaren
Kohlehydrate in das Speichergewebe des Stamms und der Zweige verlagert.
Mobilisierbare Kohlehydrate liegen in einer Form vor, in der sie transportiert werden
können; das ist z.B. der Rohrzucker. Diese Nährstoffe werden im folgenden Frühling
den jungen, sich entwickelnden Blätter zugeführt.
Ahornblätter im Farbenmix der Jahreszeiten
Im Winter fallen die Bäume in einen
«Winterschlaf» und leben von den
Nährstoffen, die sie während des
Sommers gespeichert haben. Damit
überleben sie die Winterzeit, in
welcher aber keine neuen Blätter
wachsen. In diesem Schlafzustand
ernähren sich die Laubbäume von
der
im
Sommer
produzierten
überschüssigen Glucose, welche in
den zentralen Vakuolen des Baumes
gespeichert ist.
261
6.3 Wasserpflanzen:
Photosynthese und Zellatmung
262
6–9
Lichtabschwächung in einem klaren und einem trüben See
Mit zunehmender Tiefe des Wassers eines Sees
nimmt
die
Intensität
des
einfallenden
Sonnenlichtes ab. Die Absorption (Abschwächung) und die Attenuation (Dämpfung) des
Lichtes sind die massgebenden Faktoren,
welche die Temperatur und die Photosynthese
in einem Gewässer bestimmen. Die Photosynthese liefert die Nahrung, welche für das
ganze Nahrungsnetz benötigt wird. Sie liefert
auch einen grossen Anteil des im Wasser
gelösten Sauerstoffs.
Für «klares» Wasser folgt aus dem
Extinktionsgesetz: I(20 m(/I(0) ≈ 1.8 %.
Die Intensität des Lichtes hängt von der Jahreszeit und von der Bewölkung ab. Wie die Figur
zeigt, nimmt die Lichtintensität I mit zunehmender Wassertiefe d stark ab, und zwar für klares
Wasser exponentiell. Ist k der vertikale Extinktionskoeffizient, dann gilt für klares Wasser:
I(d) ≈ exp(- k d)
(Extinktions - Gesetz)
Die Rate, mit welcher die Lichtintensität I mit zunehmender Tiefe d abnimmt hängt
von der Konzentration der absorbierenden gelösten Stoffe sowie von der Stärke der
Absorption und der Streuung der suspendierten Partikel ab. In Seen mit kleinen kWerten (z.B. k = 0.2 m-1, klares Wasser) dringt das Licht viel tiefer ein als für Seen mit
hohen k-Werten (z.B. k = 0.9 m–1, turbides oder trübes Wasser).
263
Wasserpflanzen im See bei verschiedenen Tiefen
0–1 m
1–2 m
1–6 m
2–8 m
Mit zunehmender Wassertiefe im See nimmt die Lichtmenge für die
Photosynthese rasch ab. Dies führt zu einer Zonierung der Pflanzenbestände am Ufer, bei welcher die für die Photosynthese lichthungrigsten
Pflanzen an den seichtesten Stellen wachsen und weiter unten immer
genügsamere Arten auftreten. An einem natürlichen flachen See - oder
Teichufer findet man deshalb in der Regel die oben angegebene
Pflanzenzonierung.
264
6 – 10
Allgemeine Eigenschaften und Arten von Wasserpflanzen
Die meisten höheren Pflanzen in unseren Seen gehören zu den Laich –
krautgewächsen und haben mit „Seegras“ oder „Algen“ nichts zu tun.
Im Gegensatz zu den Landpflanzen besitzen Wasserpflanzen kein festes
Stützgewebe; wenn man sie aus dem Wasser nimmt, liegen sie schlaff da. Im
Wasser stehen sie aber aufrecht und machen die Wasserbewegungen
geschmeidig mit, ohne zu brechen. Ihre Stängel sind sehr zäh und elastisch.
Wasserpflanzen brauchen keinen Verdunstungsschutz wie die Landpflanzen;
ihre Blätter sind daher sehr weich und dünn. Dies ermöglicht eine intensive
Nährstoffaufnahme direkt aus dem Wasser über die Blätter.
Die Wurzeln dienen in erster Linie der Verankerung im Boden und nicht der
Wasser - und Nährstoffaufnahme.
Gemäss der Figur auf p . 264 unterscheidet man folgende Arten von Wasserpflanzen:
a) Röhrichtpflanzen
b) Schwimmblattpflanzen
c) Laichkrautpflanzen
d) ganz untergetauchte Pflanzen
265
a) Röhrichtpflanzen
Als
Röhrichtpflanzen
werden
eine
Untergruppe der Sumpfpflanzen bezeichnet, die an Gewässerufern bis in etwa 1,5
m Wassertiefe vordringen und durch
kräftige Rhizome in der Lage sind, dichte
Bestände, die Röhrichte zu bilden. (Ein
Rhizom ist ein meist unterirdisches
wachsendes Sprossensystem). Ein wichtiges Beispiel ist das Schilfrohr.
Atmung – Gasaustausch: Ueber die abgebrochenen Halme erfolgt ein Luftein- und
Ausstrom, der durch die Transpiration und den Venturi-Effekt (bei dem der Wind
einen Sog in den abgebrochenen Halmen erzeugt) angetrieben wird.
Die zahlreichen Aerenchymzellen (Zellen des Durchlüftungsgewebes) der Rhizome
stehen über ein durchgehendes Luftkammersystem mit den Blättern in Verbindung,
sodass photosynthetisch produzierter Luft-Sauerstoff im gasförmigen Zustand
schnell auch in die Rhizome gelangen kann. Er kann hier – genau wie Stickstoff und
Kohlendioxid – in den Arenchymzellen gespeichert werden.
In der ersten Zeit des Wachstums neuer Sprossen (noch innerhalb der Wassersäule)
übersteigt die Atmung die Photosynthese in der Bilanz.
266
6 – 11
b) Schwimmblattpflanzen: Seerosen
Nymphaea alba:
eine Seerosenart
Eine Besonderheit stellen die Schwimmblattpflanzen
dar (z.B. Seerosen und Lotusgewächse), die mit ihren
Wurzeln im Untergrund haften, deren Blätter aber an der
Oberfläche schwimmen. Die Blätter sind durch Luftkammern in der Lage, einerseits auf dem Wasser zu
treiben, andererseits Luft durch den hohlen Stängel
auch in die Wurzeln zu leiten, sodass diese im
sauerstoffarmen Schlamm nicht ersticken. Der Wassertransport durch ihre Xylem-Leiterbahnen erfolgt durch
Wurzeldruck, nicht durch den Transpirationssog in
hohen Bäumen (s. Kapitel 0, p. E; Ref. R.0.4).
Die für die Atmung nötigen Spaltöffnungen (Stomata)
der Blätter befinden sich – anders als bei Landpflanzen – auf der Blattoberseite. Diese Pflanzen atmen
also den Sauerstoff der Luft ein. Die Blätter haben
weitmaschige Lufträume im Gewebe, von wo aus die
durch die Spaltöffnungen aufgenommene Atemluft
durch Luftkanäle im Blattstiel zum Rhizom (ein meist
unterirdisches oder dicht über dem Boden wachsendes
Sprossachsensystem) geleitet werden kann.
Die Photosynthese und die Atmung erfolgt also über die
Oberseite der Schwimmblätter.
Luftkammern im Blattstiel
267
Schwimmblattpflanzen: Lotusblume mit Blätter und Seerosenblätter
Luftblase
Wassertropfen
Lotusblume
Lotusblätter
Seerosenblätter
Lotusblätter im Regen. Auf den Lotus –
blätter bilden sich Regentropfen, d.h. sie
sind wasserabstossend (hydrophob). Blätter
der normalen Seerose (unterer Bildrand) werden komplett vom Wasser benetzt, d.h. sie
sind wasseranziehend (hydrophil).
Lotusblätter sind hydrophob: Das Bild
zeigt einen Wassertropfen auf der
Oberfläche eines Blattes. Auf der linken
Seite des Tropfens erkennt man eine
Luftblase, die durch die Atmung des
Blattes erzeugt wird (Das Bild zeigt den
«Snapshot» einer Video-Aufnahme).
268
6 – 12
Laichkräuter
Laichkräuter sind Pflanzen, die den Fischen als
Laichmöglichkeit und als Nahrung dienen.
Die Laichkrautzone ist 2 – 5 m tief. Die
Blätter der Laichkräuter (pondweed) wachsen
unter Wasser, nur die Blüten ragen über die
Wasseroberfläche hinaus. In den dichten
Laichkrautwäldern kann man im Sommer
scharenweise Jungfische, alle möglichen
Wirbellosen und oft auch lauernde Hechte
beobachten.
Auf den Blätter der Laichkreuter findet man Schnecken ,
Insektenlarven, Hydren
und
Wassermilben in grosser Zahl .
Einige Fischarten legen ihren
Laich gerne auf diese Pflanzen ab.
Submerse
Pflanzen
(völlig
eingetauchte
Pflanzen) sind in ihrer CO2- Versorgung für die
Photosynthese auf den geringeren Gehalt im
Wasser angewiesen. Submerse Pflanzen in
Stillgewässern haben daher schmale oder
zerschlitzte Blätter (Wasserpest). Die Diffussion
des CO2 vom Wasser in die Pflanze ist langsam
aber der Diffusionsweg ist kurz. Durch die
fehlende Transpiration können die Pflanzen
auch keine Mineralsalze aus dem Boden
aufnehmen. Ihre Xylem- Leiterbahnen sind
reduziert.
269
Ganz untergetauchte Pflanzen
Diese Pflanzen blühen auch unter Wasser. Kein Teil der Pflanze erreicht im
Normalfall je die Oberfläche.
Die meisten Organismen, die man als Algen bezeichnet sind Wasserpflanzen. Das bedeutet, dass
sie die gleichen Bedürfnisse haben wie Teichpflanzen. Sie haben einen Zellstoffwechsel, bei dem sie
Zucker zu Wasser und Kohlendioxid veratmen. Zur
Deckung ihres Energiebedarfs sind sie in der Lage,
mit Hilfe von Licht, CO2 und H2O Zucker zu
synthetisieren. Der Vorgang der Photosynthese unterscheidet sich bei ihnen nicht von dem der
höheren Pflanzen.
Viele Armleuchteralgen sind an kalkhaltigen
Standorten vertreten und sind dann mit einer starren
Kalziumkarbonat-Kruste bedeckt; sie werden deshalb als Kalkalgen bezeichnet. Diese Kalkschicht
entsteht dadurch, dass Armleuchteralgen bei
Zerbrechliche Armleuchteralge
intensiver Photosynthese dem Wasser anorganische
(Chara globularis)
Stoffe entziehe und dabei zu einer Entkalkung des
Armleuchteralgen sind oft mit
Wassers führt.
Kalziumkarbonat (CaCO3) bedeckt, Man findet sie am Ge- Biologisch sind Algen unverzichtbar: sie produziewässergrund, wo sie flächig am ren einen Grossteil des Sauerstoffs, der heute in
Boden wachsen und gedeihen. unserer Atmosphäre ist.
270
6 – 13
Anhang: Kapitel 6
6-A-0
Photosynthese: Tracer-Experimente mit
18O
Tracer-Methode zur Aufklärung der Herkunft des freien Sauerstoffs in der
Photosynthese. Verwendet wurden Verbindungen, die mit schwerem Sauerstoff 18O
markiert wurden.
«Kreuzung» in zwei getrennten Experimenten; Markierung:
-
einmal von H2O
einmal von CO2
mit schwerem (nicht radioaktivem) Sauerstoff)
Experiment 1:
6 CO2 + 12 H218O  C6H12O6 + 6 18O2 + 6 H2O
 Bei Verwendung von isotopenmarkiertem Wasser tritt das Isotop im freiwerdenden
Sauerstoff auf!
Experiment 2:
6 C18O2 + 12 H2O  C6H1218O6 + 6 O2 + 6 H218O
 Bei Verwendung von isotopenmarkiertem Kohlendioxid tritt das Isotop im Kohlenhydrat (C6H12O6) und im neu entstehenden Wasser auf.
Damit ist bewiesen, dass der Sauerstoff aus der Photolyse des Wassers stammt:
H2O  2 H+ + 2 e- + (1/2) O2
Die in der Bruttoreaktion auf der rechten Seite auftretenden 6 H2O werden durch die
Spaltöffnungen (Stomata) der Pflanzen wieder in die Atmosphäre verdampft (s. P.
Brüesch, Ref. R.0.B: Kapitel 4 über «Wasser», pp 217, 218).
6-A-1-1
6 – 14
ATP und ADP - Moleküle
ATP ist der universelle und unmittelbar verfügbare Energieträger in jeder Zelle von Pflanzen und Tieren und gleichzeitig ein wichtiger
Regulator energieliefernder Prozesse.
Das ATP-Molekül stellt Energie für chemische, osmotische oder mechanische Arbeit zur
Verfügung. Dabei sind die drei Phosphate a, b,
und g von zentraler Bedeutung: Werden die
Bindungen zwischen a und b hydrolytisch
gespalten, dann entsteht das energieärmere
ADP.
Aus dem bei der Energieabgabe aus ATP entstandene ADP regenerieret die Zelle das ATP
(s. p. 6-A-2-2).
ATP
Adenosintriphosphat
a
b
g
Durch Phosphorylierung von Substraten mit Hilfe von
ATP entsteht ein Produkt und ADP:
ADP
ATP + Substrat  Produkt + ADP
AAdenosin-
In dieser Reaktion wird die Bindung zwischen a- und bPhosphaten aufgebrochen. Das Produkt ist energiereicher als das Substrat. Das energieärmere ADP wird
durch Energie- produzierende Reaktionen im Körper
wieder phosphoryliert wodurch energiereicheres ATP
entsteht (s. p. 6-A-2-2).
diphosphat
b
g
6-A-2-1
Der ATP – ADP - Zyklus
ATP – 100% erneuerbare Energie
Energie aus
Nährstoffen
Energie für
Zellen
Alle lebenden Zellen brauchen eine Energiequelle um z.B. Moleküle aufzubauen oder
Muskeln zu spannen: Diese energiereiche Substanz ist ATP (Adenosintriphosphat).
Beim Aufbrechen des ATP-Moleküls wird Energie frei; dabei entsteht das energieärmere ADP (Adenosindiphosphat) . Durch Andockung eines Phosphats entsteht aus
ADP wieder ein ATP- Molekül (s. p. 6-A-2-1). Die dazu benötigte Energie stammt bei
Tieren aus der aufgenommenen Nahrung und bei Pflanzen durch Zersetzung der
Glucose (s. p. 254, 258, 259). [In der Figur steht Pi für Phosphat].
6-A-2-2
6 – 15
Fleischfressende Pflanzen: Karnivoren
Als fleischfressende Pflanzen, auch Karnivoren genannt, bezeichnet man Pflanzen, die mit sog.
Fangblättern meist Einzeller oder Gliederfüssler, aber auch grössere Beutetiere bis hin zu
Fröschen und Mäuse fangen und vertilgen und so ihre Versorgung mit Mineralstoffen und vor allem
Stickstoffverbindungen, an extremen Standorten von Mooren oder blanken Felsen verbessern. In
der Regel besteht die Beute aus kleinen Insekten und Fliegen; grössere sog. «Kannenpflanzen»
können auch kleine Nagetiere verdauen.
Des Weiteren muss eine ausreichende Versorgung mit Licht und Wasser gewährleistet sein, damit
die Fangblätter ausreichend Photosynthesese zur Energieumwandlung betreiben können. Die
Form des Blattes ist so aufgerollt, dass sie einerseits eine bessere Falle für Beutetiere ist, aber
andererseits ist sie weniger effizient für die Photosynthese.
Die Karnivoren müssen auch zusätzliche Energie für Drüsen, Haare, Klebstoffe und Verdaunungsenzyme aus nicht-photosynthetischen Strukturen zur Verfügung stellen. Um solche Strukturen zu produzieren, benötigt die Pflanze ATP (pp 254, 6-A-2-1, 6-A-2-2) und veratmet zusätzliche
Biomasse (Glucose). Deshalb haben karnivore Pflanzen einerseits eine reduzierte Photosynthese,
andererseits aber eine intenivere Atmung.
Das gemeine Fettkraut, eine fleischfressende
Pflanze vertilgt Fluginsekten.
Gewisse Karnivoren («Kannenpflanzen»)
können Frösche oder Mäuse vertilgen !
6-A-2-3
6 – 16
Gelöster O2 in mg/kg H2O
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
Sättigungskonzentrationen von O2 und CO2
in Frischwasser als
Funktion der
Temperatur
(approximative Werte)
O2 Löslichkeit in Wasser
Gelöstes CO2 in mg/k H2O
Temperatur (0C)
Im normalen
Temperaturbereich
(0 – 30 0C) ist die
Löslichkeit von CO2
etwa 200 Mal grösser
als jene von O2.
3500
3000
2500
2000
1500
CO2 Löslichkeit in Wasser
1000
0
5
10
15
20
25
30
35
Temperatur (0C)
6-A-3-1
SEASONAL VARIATION
Gelöster O2
Wassertemp.
JAN. FEB. MAR. APR. MAY JUNE JULY SEPT OCT . NOV. DEC..
Wassertemperatur (0C)
Konzentration von gelöstem O2 (mg/L)
Mittlere O2- Konzentration und H2O- Temperatur im Passaic River in N.J
Die Figur zeigt, dass die Konzentration des gelösten Sauerstoffs im Oberflächenwasser durch die Temperatur
bestimmt ist und sowohl eine jahreszeitlichen als auch einen täglichen
Zyklus besitzt..
Kaltes Wasser kann mehr gelösten
Sauerstoff aufnehmen als warmes
Wasser (s. p. 6-A-3-1).
Im Winter und Frühlingsbeginn ist die
die O2- Konzentration gross; im
Sommer und Herbst ist sie kleiner.
(Die Konzentration von gelöstem O2
ist invers zur Wassertemperatur].
Regeln für praktisch wichtige CO2- Konzentrationen
•
Eine CO2-Konzentration von 0.5–1 mg/L ist für ein gutes Pflanzenwachstum ungenügend
•
Werte zwischen 5 - 15 mg/L erlauben ein genügendes Wachstum
•
Eine CO2-Konzentration grösser als 20 mg/L kann für Fische schädlich sein
•
Im Trinkwasser sind CO2 – Konzentrationen von 6 – 8 mg/L vorteilhaft
•
Grenzwerte: für ein gutes Pflanzenwachstum aber auch für Fische sollten die CO2Konzentrationen nicht kleiner als ca. 10 mg/L sein.
6-A-3-2
6 – 17
Referenzen: Kapitel 6
R-6-0
6.1
Photosynthese
R.6.1.0
Allgemeine Botanik - Kurzes Lehrbuch für Mediziner und Naturwissenschaftler - von Wilhelm Nultsch
Georg Thieme Verlag Stuttgart (1977) - 6. überarbeitete Auflage
R.6.1.1
p. 247: Bild zum Prinzip der Photosynthese
http://www.growlightsoutions.com/2011(11/was-ist.diephotosynthese/
R.6.1.2
p. 248: Photosynthese: Chloroplasten – Chlorophyll (Text und Bild)
a)
b)
c)
R.6.1.3
http://de,wikipedia,org/wiki/Photosynthese
Chloroplast - http://de.wikipedia.org/wiki/Chloroplast
Photosynthesis - http://en.wilipedia.org/wiki/Photosynthesis
p. 249: Strukturformel des Chlorophylls
a) http://www.uni-duessldorf.de/MathNat/Biologie/Didaktik/Fotosynthese/datei/chloroph.html
b) Chlorophylle - http://de.wikipedia.org/wiki/Chlorophylle
R.6.1.4
p. 250: Absorption von Licht durch Chlorophyll a und b
a)
b)
c)
d)
e)
R.6.1.5
Photosynthese - http://de.wikipedia.org/wiki/Photosynthese
Grünlücke - http://de.wikipedia.org/wiki/Gr%C3%BCnl%C3%BCcke
Soret – Bande - http://de.wikipedia.org/wiki/Soret-Bande
Chlorophyll a - http://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll_a
Chlorophyll b - http://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll_b
p. 251: Bedeutung und Beschreibung der oxygenen Photosynthese ; aus Referenz R.6.1.2
Bruttoreaktion der Photosynthese:
Nettoreaktion der Photosynthese:
a)
b)
c)
6 CO2 + 12 H2O .
6 CO2 + 6 H2O 
C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
C6H12O6 + 6 O2
A Primer on Photosynthesis and the Functioning of Cells
http://www.globalchange.unich.edu/globalchange1/current /lectures/kling/energyflow/psn_primer.hrml
Stoff- und Energiewechsel - http://fehertamas.com/2009/stoff-und-energiewechsel
Tracer-Methode zur Aufklärung der Herkunft des freien O2 bei der Photosynthese;
Ursprünglich bewiesen durch Experimente von Samuel Rubens und Martin Kamen
Die Darstellung im Anhang 6-A-1-1 stammt aus: [PDF] Historische Experimente zur Ernährung der Pflan…
www.tired-joe-com/.../Slript%20Bio%20Teil%20VI.p---
R-6-1
6 – 18
R.6.1.6
p. 252: a-D-Glucose und b-D-Glucose
a) Glucose : http://de,wikipedia.org/wiki/Glucose
b) Glucose; http://de,wikipedia.org/wiki/Glucose
c) The Interactive Library: What is the difference between alpha and beta Glucose ?
http://www.edinformatics.com/interactive_molecules/a_b_glucose_differences.htm
Bild aus Google unter a-D-Glucose und b-D-Glucose
R.6.1.7
p. 253: Photosynthese in Regenwäldern
a) Tropischer Regenwald - http://wikipedia.org/wiki/Tropischer_Regenwald
b) AMAZONAS.de - Regenwald - http://www.amazonas.de/amazonas/wissen_regenwald1.html
c) Der tropische Regenwald . Die «grüne Lunge» der Erde
Die massive Zerstörung hat verheerende Folgen für Mensch und Natur
von Britta Pawlak - http://www.helles-koepfchen.de/tropischer-regenwald.html
d) Rainforest - http://en.wikipedia.org/wiki/Rainforest
Bild links: unter Bilder ; Bild rechts: unter Regenwald in Brasilien
R.6.1.8
p. 254: Photosynthese und Zellatmung – der geschlossene Kreislauf
Figur mit Text von P. Brüesch aus verschiedenen Referenzen zusammengestellt
a) Sauerstoff in Pflanzen – wie ein Lebenselixier gleichzeitig Stressfaktor und
Signalstoff sein kann (Max – Planck – Gesellschaft)
http://www.mpg.de/4982054/Pflanzen_Sauerstoff
b) Element : Luft - Photosynthese - Auch Pflanzen brauchen Luft
http://www.kindernetz,de/infonetz/thema/luft/fotosynthese/~/id=128294/nid=128294/did=128266/lnw2rxt/
c) Wovon ernähren sich Pflanzen? Die Entdeckung der Photosynthese - [p. 3: Zellatmung]
www.caucau.ch/science_files/2.2_Fotosynthese.üdf
d) Atmung - http://de.wikipedia.org/wiki/Atmung
s. p. 1 unter: « … und Abgabe (Ausatmung) des Kohlenstoffdioxids….»
s. p. 2 : Kommentare über «Aerobe Atmung»
R-6-2
6.2 Zellatmung
R.6.2.1
p.
256: Zellatmung und Photosynthese
Atmung der Pflanzen - http://de.academic.ru/dic.nsf/meyers/8795/Atmung
Figur aus: www.goggle – Images - Figurentext auf Deutsch übersetzt von P. Brüesch
R.6.2.2
p.
257: Photosynthese vs Atmung (Photosynthesis vs Respiration)
«Plants and Light – Energy Input into Ecosystems»
http://resources.yesican-science.ca/tomatosphere/final/activity9a.html
R.6.2.3
p.
258: Die Atmung der Pflanzen – 1: Glucose - ATP
a)
b)
Atmung der Pflanzen - Meyers grosser Konversationslexikon - Referenz von R.6.2.1
Cellular Respiration Tutorial - http://www.hartnell.edu/tutorials/biology/cellularrespiration.html
(mit Figur über Reaktion bei der Atmung einer Pflanze)
p.
259: Die Atmung der Pflanzen – 2: Mitochondrien
a)
b)
c)
d)
Mitochondrium - Mach Med - http://flexikon.docchrck.cpm/de/Mikrochondrium
Cellular respiration - http://en.wikipedia.org/wiki/Cellular_respiration
Cristae - Mikochondrium – Wikipedia - http://de.wikipedia/Mitochondrium
Orginell - http://de.wikipedia.org/wiki/Organell
p.
260: Lichtintensität und Lichtkompensationspunkt
R.6.2.4
R.6.2.5
a)
b)
c)
d)
R.6.2.6
Zellbiologie – Lichtenergie – Photosynthese-Faktoren
http://www.u-helmich.de/bio/stw/reihe4/faktoren/licht01.htm
Lichtkompensationspunkt - http://wikipedia.org/wiki/Lichtkompemsationspunkt
Schattenpflanze - http://de.wikipedia,org/wiki/Schattenpflanze
Compensation point - http://en.wikipedia.org/wiki/Compensation_point
p.
261: Blattabwurf und Ueberwinterung von Laubbäumen
a)
b)
Laub (Botanik) - http://de.wikipedia.org/wiki/Laub_(Botanik)
Blattabwurf und Laubfärbung
http://www.uni-duesseldorf.de/MathNat/Biologie/Didaktik/Winterprojekt/se2/botanik2/blattabw.htm
How Deciduous Trees Adapt to Winter
http://www,blogster.com/lhale3/how-deciduous-trees-adapt-to-winter
c)
R-6-3
6 – 19
3. Wasserpflanzen
R.6.3.1
Wasserpflanzen - http://de.wikipedia.org/wiki/Wasserpflanze
R.6.3.2
Aquatic plants –Wikipedia, the free encyclopedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Aquatic_plant
R:6.3.3
p. 263: Lake Ecology - Light (see - Oekologie – Licht)
Lichtabschwächung in Seen mit zunehmender Tiefe - http://www.lakeaccess.orgecology/lakeecologyprim3.html
R.6.3.4
p. 264 : Gewässerbiologie: Wasserpflanzen - Dr . Patrick Steinmann, Stein am Rhein
(Eine ausgezeichnete Einführung in das Gebiet der Wasserpflanzen)
Pflanzen mit zunehmender Wassertiefe : p. 1 in der Arbeit von Steinmann
http://www.psteinmann.net/bio_wasserpfl.html
R.6.3.5
p. 265: Allgemeine Eigenschaften und Arten von Wasserpflanzen - Ref. R.6.3.4:
R.6.3.6
p. 266: Kommentierte Literaturrecherche zum Thema Röhricht
bearbeitet von Kathleen Giersch; Projektleiter: Michael Schirmer
Universität Bremen (Januar 2002)
www.kuestendaten.de/.../Literaturrecherchen_Röhricht-Materialien.pdf
R.6.3.7
p. 267: Schwimmblattpflanzen – Seerosen
- oberes Bild der weissen Seerose: Aquatic plant . Ref. R.6.3.2
- unteres Bild des Querschnitts des Stiels einer Seerose: Ref. R.6.3.1
http://de.wikipedia.org/wiki/Lotusblumen
Text: Weisse Seerose
http://de.wikipedia.org/wiki(Wei%C3%9Fe_Seerose
R.6.3.8
p. 268: Schwimmblattpflanzen – Lotusblume mit Blätter
Lotus leaf breathing – YouTube
p. 1
a) linke Seite: Lotusblume und Lotusblätter im Regen - http://de.wikipedia.org/wiki/Lotusblumen
b) rechte Seite: Wassertropfen mit Luftblase auf Blatt
Lotus leaf breathing / transpiring through a drop of rainwater - www.youtube.com/watch?v=1-S1R1VLGE
R-6-4
R.6.3.9
p. 269: Laichkräuter
a)
b)
R.6.3.10
Referenzen R.6.3.1 bis R.6.3.3
Bild und Text zu Bild: Patrick Steinmann: Ref. R.6.3.4
p. 270: Ganz untergetauchte Pflanzen
a)
b)
Armleuchteralgen - http://de.wikipedua.rg/wiki/Armleuchteralgen
Algen – Informationen zu Algen in Aquarien, Teichen und Natur - http://www.heimbiotop.de/algen.htm
Referenzen zu Anhang – Kapitel 6
R.A.1.1
p. 6-A-1-1: Photosynthese – Tracer Experimente
a)
b)
R.A.2.1
p. 6-A-2-1: ATP und ADP - Moleküle
a)
b)
c)
d)
R.A.2.2
Photosynthese: Tracer- Experimente mit 18O (s.. Ref. R.6.1.5 and p. 251)
[PDF] Historische Experimente zur Ernährung der Pflan…
www.tired-joe-com/.../Slript%20Bio%20Teil%20VI.p--Photolyse - http://de.wikipedia.org/wiki/Photolyse
http://ATP)de.wikipedia.org/wiki/Adenosintriphosphat
Adenosine triphosphate - https://en.wikipedia/urg/wiki/Adenosine_triphosphate
Adenosindiphosphat - http://de,wikipepedia.org/wiki/Adenosindiphosphat
Adenosine diphosphate - http://en,wikipedia.org/wiki/Adenosine_diphosphate
p. 6.A-2-2: Der ATP-ADP – Zyklus
Bernie’s Basics - Renewable energy: you’re soaking in it - (Der ATP – ADP – Zyklus)
http://www.abc.net.au/science/articles/2011/05/25/3226741.htm
(Figur und Figuren-Text – von P. Brüesch auf Deutsch übersetzt)
R-6-5
6 – 20
R.A.2.3
p. 6-A-2-3: Fleischfressende Pflanzen – Karnivoren
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
R-A-3-1
Fleischfressende Pflanzen - http://de.wikipedia.org/wiki/Fleischfressende_Pflanzen
Fleischfressende Pflanzen - http://www.tk.te/tk/a-z-navigation/fleischfressende-pflanzen10000403/535830
Fettkräuter - http://de.wikipedia.org/wiki/Fettkr%C3%A4uter
Karnivore Gewächse - http://www.bg.uzh.ch/fundgrubeschafhaaeuser2010/eingang/karnivor.html
Cornivorous plant - http://en.wikipedia.org/wiki/Carnivorous_plant
Carnivorous ülants can photosynthesise, so why eat flies ?
http://www.thenakedscientists.com/HTML/questions/question/2797/
How do carnivourous plant respire ?
https://answers.yahoo.com/question/index?qid=20110214052023AAwFCWa
Nitrat,de Pflanzen - http://www..nitrat.de/Pflanzen(pflanten.html
p. 6-A-3-1: Sättigungskonzentrationen von O2 und CO2 in Wasser als Funktion der Temperatur
Daten aus verschiedenen Quellen; Figuren vom P. Brüesch erstellt
Die Absolutwerte der Konzentrationen können je nach Literatur erheblich streuen.
O2 - Konzentrationen aus: Oxygen Solubility in Fresh and Sea Water
http://www,engineeringtoolbox.com/oxygen-solubility-water-d_841.html
Dissolved Oxygen and Carbon Dioxide - butane.chem.uiuc.edu/pshapley/.../web-L23.pdf
CO2 Solubility in Water - gefunden unter Bilder zu CO2 solubility in water vs temperature
Meine Figur enthält nur die extrahierten Daten zwischen 0 oC und 35 oC, wobei die Zahlenwerte
von g CO2/100g H2O auf mg CO2 / kg H2O umgerechnet wurden.
R.A.3.2
p. 6-A-3-2: Sauerstoff-Konzentration in natürlichem Gewässer und Wassertemperatur - Jahreszeit
a)
Water properties: Dissolved oxygen - Figur und Text von «Dissolved Oxygen, from USGS Water Science
for Scools: All about water - http://ga.water.usgs.gov/edu/dissolvedoxygen.htm
b) Rules for practically important CO2 – concentrations in Waters and Lakes
- Carbon Dioxide in Water – About ScienceFairWater.com
sciencefairwater.com/…/water…/dissolved…/carbon-d…
- Werner H. Baur . Jörg Rapp: Gesunde Fische
2., neubearbeitete Auflage - Parce< Buchverlag
https://books.google.ch/books?isbn=3826334027
R-6-6
6 – 21
7. Die Atmung
von Menschen
und Tieren
271
69
7-0
7.0 Tierklassen
Insekten
Säugetiere
Amphibien
Klassifikation
der Tiere
Vögel
Reptilien
Fische
Die Säugetiere, Reptilien, Fische, Vögel und Amphibien gehören zu den
Wirbeltieren (etwa 3% aller Tiere). Die restlichen 97% sind Wirbellose, zu denen
z.B. die Insekten (Glederfüssler) gehören.
271
69
272
7.0.1 Aerobe und anaerobe Atmung
Als aerobe Atmung (Zellatmung, innere Atmung) werden Stoffwechselprozesse in Zellen
von Lebewesen bezeichnet, bei denen die durch verschiedene oxidative Stoffwechselvorgänge anfallenden und an spezielle Überträger gebundenen Wasserstoffatome (H) oxidiert werden. Dabei dient molekularer, elementarer Sauerstoff (O2) als
Oxidationsmittel, welches dabei zu Wasser reduziert wird. Der Zweck der aeroben
Atmung ist die Bereitstellung von Energie in Form von ATP (s. pp 259; 6-A-2-2). Die Bezeichnung aerobe Atmung wird insbesondere für die biochemischen Vorgänge der
Atmungskette in der inneren Membran der Mitochondrien (p. 259) verwendet, an deren
Ende ATP synthetisiert wird.
Die Zellatmung ist also ein Prozess, bei dem energiereiche Stoffe umgesetzt werden. Im
Fall der Zellatmung wird meistens das Glucose-Molekül C6H12O6 in einer längeren Reihe
von Schritten zu sog. C1-Körpern (Einkohlenstoffeinheiten wie CH3-, CH2OH-, CHO-…),
sowie CO2 und H2O, oxidiert. Für die Gesamtbilanz der Zellatmung s. p. 258.
Im Gegensatz zu aeroben Atmer sind anaerobe Atmer Lebewesen, die für ihren Stoffwechsel keinen Sauerstoff verwenden oder sogar durch ihn gehemmt werden. Für die
Oxidation im Stoffwechsel werden anstelle von O2 alternative Elektronenakzeptoren
verwendet, z.B. Nitrat, dreiwertige Eisen-Ionen (Fe3+), vierwertige Mangan-Ionen (Mn4+),
Sulfate, Schwefel und CO2.
Unter O2 – freien Bedingungen, wie z.B. in Sedimenten von Seen, etc., findet man häufig
Prokaryoten (Organismen ohne Zellkern (z.B. Bakterien, Blaualgen)), die ihre
Stoffwechselenergie aus anaerober Atmung beziehen. Diese Atmungsvorgänge werden
entsprechend als Nitratatmung, Sulfatatmung, etc. bezeichnet. Anaerobe Atmung ist
eine sehr alte Form der Energiegewinnung, die noch aus einer Zeit stammt, als O2 in der
Atmosphäre nur in Spuren vorhanden war. 271
69
273
7–1
7.0.2 Wirbeltiere: Übersicht - 1
Als Wirbeltiere (Vertebrata) werden alle Tiere bezeichnet, die eine Wirbelsäule
besitzen. Dazu gehören vor allem die Fische, die Reptilien, die Vögel, die Säugetiere,
und die Amphibien, sowie die Kieferlosen (Urwirbeltiere). Die untenstehende Tabelle
zeigt die Wirbeltierklassen mit den Prozentangaben für jede Klasse. Die Fische mit 55
% bilden die weitaus grösste Klasse.
Gegliedert ist der Körper in Kopf, Rumpf und Schwanz. Das Skelett besteht aus der
Wirbelsäule, den Rippen, die davon abgehen, dem Schädel, der sich auf der
Vorderseite der Wirbelsäule befindet, dem Schulter- und Beckengürtel, sowie aus
den Gliedmassen (Extremitäten).
Bei den Fischen besteht das Atmungsorgan aus Kiemen, bei den vier andern
Wirbeltierklassen aus den Lungen.
Wirbeltiere sind weltweit verbreitet.
Sie leben auf allen Kontinenten
einschliesslich der Antarktis, im
Meer bis in die Tiefsee, in Süssgewässern und am Land in allen Bio55 %
8%
topen einschliesslich der Hochgebirge. Vögel und Fledermäuse
12 %
5%
verfügen über die Fähigkeit zum aktiven Flug.
16 %
4%
Die Wirbeltiere haben in der biologischen Systematik den Rang eines
Unterstamms.
Artenvielfalt in %
271
69 274
Wirbeltiere – Übersicht - 2
Rundmäuler Fische
Amphibien
Reptilien
Vögel
Säugetiere
Nur etwa 3% der Tiere sind Wirbeltiere; die restlichen 97% sind wirbellose Tiere
(s. pp 276 und 321)
271
69
275
7–2
7.0.3 Wirbellose Tiere: Übersicht
Wirbellose Tiere
Als Wirbellose oder Invertebrata
bezeichnet man alle Tiere ohne
eine Wirbelsäule. Zu dieser
Gruppe von Lebewesen gehört
die Mehrzahl aller bekannten
Tierarten (ca. 97 %).
Sie werden als
Verwandtschaftsgruppe der
Wirbeltiere (Vertebrata)
gegenübergestellt.
Insekten
Bekannte Beispiele von
Wirbellosen sind Insekten,
Würmer, Muscheln, Krebse
(Krabben), Octopus,
Schnecken,
und Seesterne.
271
69
276
7–3
Krustentiere
Weichtiere
und
andere
7.1 Atmung der Säugetiere
69
277
Säugetiere: Lungen – Herz – Blutzirkulation – Blutgefässe
Kopf und Arme
Herz – Kreislauf - System
Halsvene
(auch SchlüsselbeinVene zu Armen
Halzschlagader
(auch SchlüsselbeinArterie zu Armen)
Lungenarterie
Lungenvene
obere
Hohlvene
Aorta
untere
Hohlvene
Herz
EingeweideArterie
Lebervene
Leber
Verdaungstrakt
Pfortader
Nierenarterie
Nierenvene
Zusätzliche
Informationen
sind im Anhang
p. 7-A-1-1
enthalten
Beckenarterie
Hüftvene
Rumpf und Beine
Venen: Blutgefässe, welche Blut zum Herzen transportieren. Venöses Blut ist sauerstoffarmes Blut (
CO2), welches von den peripheren Gefässen durch
das venöse System in den rechten Vorhof des
Herzens fliesst. Venöses Blut ist dunkelrot.
(Die Lungenvene transportiert dagegen sauerstoffreiches Blut (s. Figur und Referenz R.7.1.1).
Arterien: Blutgefässe, welche Blut vom Herzen
wegtransportieren. Arterielles Blut ist sauerstoffreiches Blut ( O2) im Blutkreislaufs: in den
Lungen, in der linken Herzkammer und in den
Arterien. Arterielles Blut ist rot gefärbt.
(Die Lungenarterie transportiert dagegen sauerstoffarmes Blut (s. Figur und Referenz R.7.1.1).
271
69
278
7–4
Lungenatmung des Menschen - 1
Mit Atmung bezeichnet man den Gasaustausch im Körper: Sauerstoff (O2) wird
aufgenommen und Kohlendioxid (CO2) abgegeben. Die Atmung gehört zu den Vitalfunktionen des Körpers [als Vitalfunktion werden die drei lebensnotwenigen Körperunktionen, nämlich die Gehirnaktivität, die Atmung und der Blutkreislauf verstanden]. Der weitaus grösste Teil der äusseren Atmung erfolgt über die Lunge. Der
Anteil der Haut am Gasaustausch beträgt ca. 1 % der Lungenatmung.
Beim Einatmen wird die Luft durch Mund und Nase eingesogen und strömt durch den
Rachenraum zum Kehlkopf, vorbei an den Stimmbändern durch die Luftröhre in die
Bronchien. Dies bezeichnet man auch als Atemwege. Am Ende der Bronchien befinden
sich die Lungenbläschen, in denen Sauerstoff in die Kapillargefässe des Blutkreislaufs
übertritt und CO2 abgegeben wird.
Über die roten Blutkörperchen wird
der Sauerstoff im Körper verteilt.
Das menschliche Atmungssystem
Bei der normalen, oberflächlichen
Brustatmung dehnt sich der Brustkorb
durch das Zusammenziehen der
Brustmuskulatur und es entsteht ein
Unterdruck in der Lunge.
Bei der tiefen Atmung, auch Bauchatmung genannt, zieht sich das Zwerchfell zusammen, der Bauch dehnt sich
nach vorne, das Volumen im Brustkorb
Vergrössert sich nach unten hin.
[Die Atmung durch die Haut beträgt beim Menschen
271
69
weniger als 1%]
279
Lungenatmung des Menschen - 2
Durch die Pleura (eine gleitende Verschiebungsschicht für die Lungenbewegung) ist die
Lunge mit den Rippen, dem Brustbein und dem Zwerchfell verbunden, sodass sie nicht
zusammenfallen kann.
Die Atmung wird gesteuert durch das Atemzentrum im verlängerten Rückenmark. Dort
wird der CO2-Gehalt des Bluts gemessen. Übersteigt er einen bestimmten Grenzwert,
setzt ein Atemreiz ein, durch den die Einatmung ausgelöst wird. Nach einer kurzen
Atempause entspannen sich Brustmuskulatur und Zwerchfell wieder, die Lunge zieht
sich durch die eigene Elastizität zusammen und die Luft wird ausgestossen.
Die normale Atemfrequenz in Ruhe beträgt beim Erwachsenen 12, bei jugendlichen 20,
bei Kleinkindern 30 und bei Säuglingen 40 Atemzüge pro Minute. Ein erwachsener Mann
nimmt in Ruhe etwa 500 mL Luft pro Atemvolumen auf. Bei einer Frequenz von 12
Atemzügen pro Minute ergibt das ein Volumen von 6 L.
An den Lungenbläschen geht der
Knorpelring
linker
Sauerstoff ins Blut über, was als
Luftröhre
Hauptbronchus
äussere Atmung bezeichnet wird.
Bronchien
Gleichzeitig verlässt das CO2 das
Rippenfell
Blut und wandert in die LungenPleuraspalt
bläschen (s. pp 281, 282).
Lungenfell
Neben der äusseren Atmung gibt
rechter
Lungenbläschen
es auch die innere Atmung: Jede
Lungenflügel
mit Kapillarnetz
(dreilappig)
menschliche Zelle braucht O2 zum
linker
Leben. In der Zelle wird O2
schräge
Lungenflügel
Furche
während des Stoffwechsels ver(zweilappig)
braucht, wodurch CO2 entsteht (s.
horizontale
Furche
271
69
pp 281, 282).
Zwerchfell
280
7–5
Äussere und innere Atmung
äussere Atmung
innere Atmung
rotes Blutkörperchen
rotes Blutkörperchen
MikroGefäss
Zelle
Wand des Lungenbläschens
Lungenbläschen
Mikrogefäss
O2
CO2
-
-
-
-
O2
CO2
Die Lungenbläschen sind mit den Bronchien
verbunden. Hier diffundiert O2 ins Blut und
CO2 diffundiert aus dem Blut.
Die Wand eines Lungenbläschens ist eine
dünne Zellschicht mit einer Dicke von ca.
0.7 mm. Durch diese sehr dünne Zellschicht
können O2 und CO2 leicht durchtreten.
Das Mikrogefäss ist das kleinste Blutgefäss
(Kapillare) in der Lunge.
Die roten Blutkörperchen enthalten Hämoglobin; sie wandern langsam durch die Mikrogefässe, geben CO2 ab und absorbieren O2.
-
-
Menschliche Zelle: ca- 10 – 20 mm gross,
Zellkern von Säugern: 5 - 10 mm
Blutdruck (blauer Pfeil): Druck, der vom
Blut gegen die Wand der Mikrogefässe und
des Gewebes drückt.
Osmotischer Druck (grüner Pfeil): Druck,
der vom Gewebe gegen die Wand der Mikrogefässe und das Gewebe drückt.
271
69
281
Lungenbläschen und Haargefässe
Die Lungenbläschen (Alveolen) sind die
strukturellen Elemente der Lunge, in denen
bei der Atmung der Gasaustausch
zwischen Blut und Alveolarluft erfolgt.
Die Alveolen haben die Form kleiner
Bläschen. Sie sind weintraubenartig um ein
Alveolargang herum zu Alveolarsäcken
zusammengefasst, die an den Enden der
Bronchien ansetzen. Eine einzelne Alveole
hat eine rundliche bis polygonale
Grundform. Der Durchmesser der Lungenbläschen ist abhängig vom Entfaltungszustand und schwankt in Einatmung und Ausatmung zwischen 50 und
250 mm.
Lungenbläschen
Haarnadeln sind mikroskopisch kleine
Blutgefässe (Kapillaren). Sie bilden im
Blutkreislauf die Verbindung zwischen den
Arterien und Venen.
In den Kapillaren (Haargefässen) erfolgt
der Energieaustausch mit den Körperzellen. In der Lunge sind die Lungenbläschen (Alveolen) von Haargefässen
umspannt.
Haargefässe
271
69
7–6
282
Gähnen und Schnarchen
Gähnen: Das Gähnen ist ein bei Tieren und
Menschen auftretendes reflexartiges Verhalten, das meistens bei Müdigkeit (und Entspannung) auftritt. Der Vorgang beginnt mit
einem tiefen Atemzug, in dessen Verlauf der
Mund weit geöffnet wird und endet mit
Schliessen des Mundes bei gleichzeitiger
Ausatmung. Ursache und Zweck des
Gähnens sind nicht eindeutig geklärt. Als
wahrscheinlich gilt, dass die meisten
Säugetiere, aber wahrscheinlich sogar
Wirbeltiere gähnen. Das Gähnen bewirkt
einen Druckausgleich zwischen Mittelohr
und Umgebung durch die Eustachische
Röhre. Im Jahre 2007 hat man herausgefunden, dass das Gähnen eine Kühlung
des Gehirns erzeugt.
Schnarchen: Am Tag sind die Muskeln
gespannt. Die oberen Atemwege werden
dadurch gestrafft und frei gehalten: die
Atemluft kann frei durch Nase und Mund
Richtung Lunge strömen (Abb. Links).
In der Nacht hingegen entspannt sich der
Körper und der Unterkiefer sackt nach
unten sowie nach hinten. Die Folge: ein
halboffener Mund, aber verlegte Atemwege. Die Atemluft muss mit einem erheblichen zusätzlichen Kraftaufwand eingesaugt werden. Durch den Atemengpass
entstehen hohe «Windgeschwindigkeiten»,
welche die entspannten (Zäpfchen oder das
Gaumensegel) in Schwingung versetzen.
Es resultieren Schnarchgeräusche.
271
69
283
Schlafapnoe und Apnoe - Taucher
Schafapnoe: Das Schlafapnoe-Syndrom
(SAS) ist ein Beschwerdebild, das durch
Atemstillstände (Apnoen) während des
Schlafs verursacht wird. Die Apnoen
führen zu einer verringerten Sauerstoffversorgung und zu wiederholten Aufwachreaktionen. Die weitaus häufigste
Form ist das obstruktive SchlafapnoeSyndrom (OSAS). Die direkte Ursache der
OSAS ist eine starke Entspannung der
ringförmigen Muskulatur um die oberen
Atemwege im Schlaf. Der obere Teil der
Atemwege fällt zusammen und es kommt
zu einer Behinderung (Obstruktion) dieses Atemweges (s. auch p. 283, rechts).
 Schlafen mit einer Maske (Bild rechts).
Überdruck: 5 – 20 mbar
Apnoe–Tauchen: Beim Apnoetauchen oder
Freitauchen atmet der Taucher vor dem Abtauchen ein und benutzt im Gegensatz zum
Gerätetauchen nur diesen einen Atemzug.
Den Zeitraum des Luftanhaltens bezeichnet
man als Apnoe (Nicht-Atmung). Der
Druckanstieg beträgt 1 bar pro 10 m. 
Schmerzen im Ohr  Trommelfell würde
nach wenigen Metern reissen  Taucher
muss Luftdruck in Körperteilen häufig gegen
Aussendruck angleichen  er presst Luft
aus Lunge in die empfindlichen Höhlungen.
Funktioniert aber wegen der Lunge nur bis
25 - 35 m  Taucher muss seinen Körper
durch komplizierte Ausgleichstechniken
anpassen, z.B. durch Erhöhung der Elastizität von Brustkorb, Zwerchfell, etc.
271
69
7–7
Mit all diesen Anpassungen wurden Tauchtiefen bis weit über 200 m
erreicht  Druck der
Wassersäule über Tau cher weit über 20 bar !
Tauchzeit ca. zu 10 Min!
284
Die wichtigsten Atemwegerkrankungen
Asthma: Bronchien ziehen sich zusammen. Auslöser: Allergien, extremer Ausdauersport, Stress.
Symptome: Plötzliche Atemnot und chronischer Husten.
Obstruktive Lungenerkrankungen oder Chronic obstructive pulmonary disease (COPD): Es handelt
sich um eine Einengung der Atemwege, die den Luftstrom behindert. Wichtigster Risikofaktor ist das
Rauchen, aber auch Umweltverschmutzung und andere Faktoren werden dafür verantwortlich
gemacht. Zu den COPD gehören die chronische Bronchitis und das Lungenemphysem (irreversible
Überblähung der Lungenbläschen).
Restriktive Lungenerkrankung: Hier ist die Flexibilität der Lunge eingeschränkt. Dadurch verringert
sich das Lungenvolumen und die Dehnbarkeit relativ zum Druck. Hierzu gehören Sarkoidose
(Erkrankung des Bindegewebes mit Granulombildung), Pneumokoniose (Staublunge) und andere
Erkrankungen, die eine Fibrose des Lungengewebes zur Folge haben.
Lungenödem: Ansammlung von Flüssigkeit im Lungengewebe. Dabei wird zwischen Permeabilitätsödemen, bei denen die Durchlässigkeit der Kapillaren erhöht ist und hydrostatischen Lungenödemen
(kardiales Oedem, Höhenödem), bei denen der Druck in den Kapillaren den Druck in den Lungenbläschen (Alveoli) so sehr übersteigt, dass die Flüssigkeit aus den Kapillaren «herausgepresst» wird,
unterschieden.
Atelektase: Hier ist ein Lungenabschnitt kollabiert, und die Alveoli enthalten keine oder nur noch
sehr wenig Luft.
Entzündungen: Entzündungen in der Lunge. Hierzu gehören Pneunomien (Lungenentzündungen), bei
denen das Lungengewebe betroffen ist und Bronchitis als Entzündung der Bronchien und
Bronchiolitis, die Entzündung der kleinen Bronchien.
Neubildungen: Krebserkrankungen der Lunge werden als Bronchialkarzinom bezeichnet, da sie als
bösartige Neubildungen entarteter Zellen der Bronchien oder der Bronchiolen entstehen. Es handelt
sich um eine der häufigsten bösartigen Erkrankungen des Menschen. Subtypen: Plattenepithelkarzinome, Adenokarzinome, klein- und grosszellige Karzinome. Ausserdem bilden sich in der
Lunge durch ihre Filterfunktion häufig Metastasen anderer
Tumore.
69
285
Die Lunge des Hundes
Die Lunge des Hundes nimmt den grössten Teil des Brustkorbs ein. Sie wird von
den Rippen geschützt und besteht aus 7 Lungenlappen, drei auf der linken Seite
und 4 auf der rechten Seite. Die 4. Nebenlappe ist klein und auf der Figur rechts
nicht sichtbar. [Man beachte, dass der Mensch in der rechten Lunge 3
Lungenlappen und in der linken Lunge 2 Lungenlappen besitzt]. Die Lunge gehört
nebst den Bronchien zu den unteren Atemwegen.
Bei vielen Tieren fungiert die Atmung auch als Temperaturregulator, z.B. bei der
Hechelatmung des Hundes. Die eingeatmete Luft pro Atemzug bei ruhiger Ein- und
Ausatmung wird als Respirationsluft bezeichnet und beträgt beim Hund 0.1 - 0.4 L.
Kehlkopf
Luftröhre
Lunge
Luftröhre
Lungenlappen
271
69
286
7–8
Leber
Herz
Luftröhrenast
Zwerchfell
7.2 Atmung der Amphibien (Lurche)
271
69
287
Amphibien - Übersicht
Die Amphibien oder Lurche (Kröten, Frösche, Salamander) sind die stammesgeschichtlich älteste Klasse der Landwirbeltiere. Viele Arten verbringen zunächst ein
Larvenstadium mit Kiemenatmung und gehen nach einer Metamorphose zum Leben an
Land über. Amphibien sind wechselwarme Tiere, d.h. ihre Körpertemperatur wird durch
die Aussentemperatur ihrer Umwelt bestimmt. Aufgrund dieser Eigenschaft haben sie
den wissenschaftlichen Namen «Amphibia» erhalten (vom altgriechischen Adjektiv
«amphibios» (doppellebig). Die erwachsenen Tiere bewohnen im Jahresverlauf oft
sowohl aquatische als auch terrestrische Habitate. Viele Lurche sind nachtaktiv um
Wasserverluste über die Haut gering zu halten. Im Folgenden einige Amphibienarten:
Erdkröte
Feuersalamander
Laubfrosch
271
69
288
7–9
Kammmolch
Atmungsarten der Amphibien
Ausgewachsene Amphibien verwenden je nach Umgebung und Jahreszeit drei verschiedene
Atmungsarten: Hautatmung, Mundhöhlenatmung und Lungenatmung.
Die folgende leicht veränderte Tabelle aus BLAUSCHECK (1985, p. 24 (bei uns Ref. R.7.2.0),
zeigt den Anteil der Atmungssysteme an der Gesamtatmung der auf p. 288 abgebildeten
ausgewachsenen Amphibien.
Atemorgan
Haut
Mundhöhle
Lungen
Erdkröte
Laubfrosch
Feuersalamander
Kammmolch
27.6 %
24.2 %
41.4 %
73.7 %
0.9 %
1.1 %
1.3 %
3.0 %
71.5 %
74.7 %
57.3 %
23.3 %
1. Eine besonders wichtige Art der Atmung ist die Hautatmung. Durch die dünne, feuchte Haut
kann ein grosser Teil des benötigten Sauerstoffs direkt durch die Haut aufgenommen werden.
Während der Winterstarre atmen Arten, die am Boden von Gewässern die kalte Jahreszeit verbringen, sogar ausschliesslich über die Haut.
2. Bei der Mundhöhlenatmung wird die durch die Nasenlöcher eingesogene Luft nicht in die
Lunge gepresst, sondern über die stark durchbluteten Schleimhäute, den Mundhöhlenboden,
aufgenommen und gelangt so in das Blut.
3. Der Mundboden der Lurche ist sehr beweglich und wird als «Pumpe» benutzt. Durch das Absenken der Kehlhaut wird die Luft durch die Nasenlöcher eingesogen und anschliessend durch
Anhebung der Kehlhaut bei gleichzeitigem Verschliessen der Nasenlöcher aus der Mundhöhle in
die Lungen gepresst: Lungenatmung. Diese sauerstoffreiche Luft kann dann in den Lungenbläschen gegen die sauerstoffarme, aber CO2-reiche Luft in die Mundhöhle zurück, und von dort aus
wird sie durch die Nasenlöcher ausgeatmet.
69
289
Hautatmung der Amphibien: Querschnitt durch Haut
Die dünne feuchte Haut der Amphibien eignet sich hervorragend als Atmungsorgan. Unter der Haut
befindet sich ein dichtes Kapillarnetz, wodurch ein Stoffaustausch durch Diffusion möglich ist. Das
heisst, dass O2 über die Haut aufgenommen und CO2 abgegeben wird. Die Aufnahme von O2 durch
die Haut ist ein passiver Vorgang.
Viele Amphibien, vor allem Frösche, befeuchten ihre Haut mit einer glitschigen Schleimschicht, die
von den Schleimdrüsen produziert wird; dies stellt ein wirksames Mittel zur Flucht vor Feinden dar
und ermöglicht die Hautatmung. Die Giftdrüsen sondern Hautgifte ab, die gegenüber zahlreichen
Tieren einen wirksamen Frassschutz bewirken.
Die Hautatmung ist speziell bei sehr kleinen Tieren von grosser Bedeutung, da dann das Verhältnis
von Oberfläche F zu Volumen V gross ist (Für Kugel mit Radius r: F/V = 3/r; Für Zylinder mit Radius r
und Höhe h >>r ist F/V ≈ 2/r; je kleiner r, umso grösser ist F/V).
nucous gland: Schleimdrüse
poison gland: Giftdrüse
connective tissue: Bindegewebe
blood capillary: Blut- Kapillare
oxydentated blood: sauerstoffreiches Blut
deoxydentated blood: sauerstoffarmes Blut
epidermis: Oberhaut (Epidermis)
dermis:
Lederhaut
oxygen O2: Sauerstoff- Zufuhr aus Luft
CO2:
271
69
290
7 – 10
CO2- Abgabe an Luft
7.3 Atmung der Reptilien
271
69 291
7.3.1 Reptilien – Beispiele und Allgemeines
Die Reptilien oder Kriechtiere bilden eine Klasse der Wirbeltiere am Übergang
zwischen den niedrigen (Annamnia) und höheren Wirbeltieren (Amnioten). Dazu
gehören die Echsen, z.B. die Eidechsen, Warane und das Chamäleon. Weitere Beispiele
von Reptilien sind Krokodile, Schildkröten und Schlangen.
Eidechse
Krokodil
(die grösste und gefährlichste Echse !)
Riesenwaran: bis 3m Länge
und 70 kg Gewicht
Schildkröte
271
69
292
7 – 11
Chamäleon
Schlange: Kapkobra
Reptilien – Allgemeine Eigenschaften
Wie die Amphibien sind Reptilien wechselwarme Tiere, die ihre Körpertemperatur soweit wie möglich
durch ihr Verhalten regulieren. Zu den Reptilien gehören u.a. Eidechsen, Chamäleons, Krokodile,
Schildkröten und Schlangen (s. p. 292).
Allen Reptilien gemeinsam ist die Beschuppung der Haut. In der äusseren Gestalt haben sie dagegen
wenig Gemeinsames. Von den wurmförmigen Blindschleichen und Schlangen führen die
mannigfachsten Formen zu den vierfüssigen Echsen (zu denen auch die Krokodile gehören) und zu
den Schildkröten. Mit Ausnahme der letzteren ist bei allen Reptilien der Leib langgestreckt, entweder
ganz fusslos (Schlangen) oder mit zwei oder vier Gliedmassen versehen, die häufig nur als Stützen
oder Nachschieber des mit der Bauchfläche auf dem Boden dahingleitenden Körpers wirken. Es gibt
daneben aber auch zahlreiche laufende, kletternde und grabende Reptilien; viele schwimmen und
tauchen geschickt und in der Vorwelt gab es fliegende Reptilien.
Das Skelett ist fast gänzlich knöchern, steht also auf einer höheren Stufe als das der Amphibien, bei
denen es viele knorpelige Teile aufweist. Rippen finden sich fast und oft über die ganze Länge des
Rumpfes verbreitet.
Skelett einer Schlange mit
beweglichen Wirbeln
Beschuppung der Inland Taipan Schlange
Die Atmung besorgen auch im jugendlichen Alter Lungen, die in der Regel als lange, geräumige
Säcke weit in den Hinterteil der Tiere reichen (s. pp271
302, 303).
69
293
Merkmale von Reptilien
Die mit starken Krallen besetzten Gliedmasse sind ein
typisches Merkmal der Echsen
und anderer Reptilien.
Giftschlangen besitzen ein
raffiniertes System von
Riechorganen zum Aufspüren
ihrer Beute
Die mit Hornschuppen überzogene Haut ist ein wirksamer
Verdunstungsschutz. Reptilien
häuten sich.
Die Ausbildung von Gebissen
ist ein weiteres typisches Merkmal der Reptilien.  Jagen von
Beutetieren.
Reptilien haben Lungen mit
grossen Einbuchtungen, die
jeweils noch einmal gefaltet
sind, sodass sich die Oberfläche der Lunge beträchtlich
erhöht.
271
69
294
7 – 12
Säugetiere haben einen
wesentlich grösseren Bedarf
an Sauerstoff und die
Lungen verzweigen sich
stark  immens grosse
Anzahl von Lungenbläschen.
Zur Atmung der Reptilien - Allgemeines
Der Austausch der Atemgase (Sauerstoff und CO2) erfolgt bei den Reptilien durch die
Lungen. Dieses Organ ist von sackartiger Gestalt und normalerweise stark gekammert. Die Verbindung zur Aussenwelt ist nur durch eine schmale Öffnung
gegeben, den Kehlkopf, auf den die Luftröhre folgt. Damit wird das Austrocknen der
Atemoberfläche (respiratorisches Epithel) verhindert.
Bei Wasserschildkröten können die Lungen aber auch andere Aufgaben übernehmen: so können z.B. Schmuckschildkröten durch unterschiedliche Füllung der
Lungen eine bestimmte Lage im Wasser einnehmen.
Wasserlebende Reptilien können durch Hautatmung oder mittels der Maulschleimhaut Sauerstoff aus dem Wasser aufnehmen. Zahlreiche Wasserschildröten haben
blasige Aussstülpungen der Kloakenwand, die gut durchblutet sind. Mit diesen
Analblasen ist ebenfalls eine Atmung möglich!
Das Bild zeigt eine schematische Darstellung
Blutkreislaufs der Reptilien: rot: sauerstoffreiches Blut;
blau: sauerstoffarmes Blut; rosa: Mischblut.
des
Die Reptilien besitzen ein Herz, das aus zwei Vorhöfen und
einer Kammer besteht. Aus dem Körper strömt
sauerstoffarmes Blut in den rechten Vorhof, aus den Lungen
mit Sauerstoff angereichertes Blut strömt in den linken
Vorhof. Beide Vorhöfe pumpen das Blut in die Herzkammer,
aus der drei Schlagadern abgehen. In der rechten fliesst
sauerstoffarmes
Blut
zur
Lunge,
in
der
linken
sauerstoffreiches Blut zum Kopf und in den Körper. Da die
Trennung der Herzkammer nicht vollständig ist, kommt es zur
Bildung von Mischblut, das durch die mittlere Schlagader in
den Körper fliesst.
271
69
295
7.3.2 Atmung der Echsen
Wie alle Kriechtiere atmen auch Echsen durch einfach gebaute Lungen. Allerdings ist
ihre Lunge schon entwickelter als bei den Amphibien. Sie ist in wenige Kammern
eingeteilt und ihre innere Oberfläche ist durch Falten vergrössert. Muskelbewegung: 
«»Zwerchfell»
Lungen von Krokodilen
Leber
BeckenKnochen
-
Ausatmen
Einatmen
Muskelbewegung: 
Wenn Krokodile atmen, dann hilft ihnen ein Rückziehmuskel an der Leber, der mit unserem Zwerchfell vergleichbar ist. Beim Einatmen zieht der Muskel das
Organ zurück, die Luft wird in die Lunge gesaugt.
Beim Ausatmen bewegt sich die Leber dagegen wie
ein Pumpenkolben nach vorn und drückt die Luft
wieder hinaus. Wenn Krokodile laufen, unterstützt das
schaukelnde Becken die Pump-Funktion. So können
Tiere in Eile ihre Atmung sogar noch unterstützen.
Ihre Atemfrequenz steigt und die Luft wird tiefer
eingezogen.
Krokodil: der Sonnenanbeter
271
69
296
7 – 13
7.3.3 Schildkröten
Schildkröten bevölkern die Erde seit mehr als 220
Millionen Jahren. Eine der ersten bekannten
Vertreter war «Achelon», eine ca. 4 cm grosse
Wasserschildkröte. Seit 150 Millionen Jahren
existieren die Schildkröten in der uns bekannten
Form.
Schildkröten gehören zur Klasse der Reptilien,
haben eine hornplattenförmige Haut (Schuppen),
sind (mit Ausnahmen) Lungenatmer und
abhängig von der Umgebungstemperatur. Sie
vermehren sich durch innere Befruchtung, nach
der die Weibchen Spermien einlagern und nach
Jahren befruchtete Eier ablegen können.
Schildkröte
Im Laufe der Evolution entwickelten sich leichte
lederne Panzer sowie grosse kräftige Beine mit
Schwimmhäuten für das Leben im Wasser oder
hohe kuppelförmige knöcherne Panzer mit
säulenförmigen Beinen für die Landschildkröten.
Schildkröten unterscheiden sich in Halsberger,
welche die grösste Gruppe darstellen und den
Halswendern. Die Halsberger können den Kopf
senkrecht in den Panzer ziehen, die Unterordnung der Halswender schiebt den Kopf
waagrecht unter den Panzer. Der Hals ist somit
sehr flexibel, was auf seinen acht Halswirbeln
beruht
Querschnitt eines Schildkrötenskelettes
271
69
297
Landschildkröten
Echte Landschildkröten sind die am stärksten an eine terrestrische Lebensweise angepasste Familie der Schildkröten. Bereits die Urschildkröte lebte terrestrisch, wie Funde
aus dem späten Trias zeigen. Heute gibt es 16 Gattungen mit 48 Arten, die vorwiegend
in den Tropen und Subtropen leben. Zu den kleinsten Schildkröten gehört die Aegyptische Landschildkröte (Bild links). Am grössten werden heute SeychellenRiesenschildkröten (Bild rechts); diese können bis 250 kg schwer werden. Die grösste
Schildkröte aller Zeiten war die ausgestorbene Testudo atlas mit bis zu 2.5 Meter
Panzerlänge.
Aegyptische Landschildkröten
(Männchen: 9-10 cm, Weibchen: bis 13 cm)
Seychellen Riesenschildkröte
Grösse: 70-90 cm
Landschildkröten haben meist einen hochgewölbten Panzer und sind Pflanzen-und
Aasfresser. Daher reicht es, wenn sie gemütlich von einer Pflanze zur nächsten laufen
können. Schnell sein müssen sie als Vegetarier nicht. Die Beine der Landschildkröten
sind breit, die Hinterbeine säulenförmig.
271
69
298
7 – 14
Zur Atmung der Landschildkröten
Die Atmung der Schildkröten ist mit der menschlichen Atmung nicht vergleichbar, da sie
einerseits einen starren Brustkorb (= Panzer) aufweisen und andererseits das Zwerchfell als
wichtigster Atemmuskel fehlt. Zur Ausatmung ist es notwendig, dass spezielle Muskeln seitlich
und vorderseits der Lunge, mit Unterstützung der Vordergliedmassen, die Lungen im Volumen
verkleinern. Bei Landschildkröten vollzieht sich die Einatmung passiv und die Ausatmung aktiv.
Bei Wasserschildkröten (s. p. 302) sind diese Vorgänge, bedingt durch den herrschenden Druck
unter Wasser, genau umgekehrt.
Vordere Atemwege
Hintere Atemwege
Luftröhre und Bronchien: Bereits am Ende
Die Nase besteht aus den paarig angelegten Nades ersten Halsdrittels teilt sich die Luftröhre
senlöchern. Sie liegt zentral oberhalb der Maulin die Hauptbronchien auf. Die Lunge der
öffnung. Bei den Weich- und SchlangenschildSchildkröten befindet sich hinter dem Bauchkröten befinden sich die Nasenlöcher am Ende des
fell. So wird ein Zusammendrücken (Komausgebildeten Rüssels. Dadurch sind sie in der
pression) durch das Gewicht der übrigen
Lage, ihren ausgebildeten Rüssel wie eine
Organe verhindert. Die Lunge der Schildkröte
Schnorchel aus dem Wasser ragen zu lassen, ohne
ist wie ein grosses Kammersystem (Komparauftauchen zu müssen. Maul und Rachen: Ein
timente) aufgebaut. Die Lungenbläschen
ringförmiger Muskel verschliesst am Zungengrund
(Alveolen) dienen dem Austausch von O2 und
den Eingang zur Luftröhre, sodass keine Nahrung
271
69 CO2 aus der Blutbahn.
hineingelangen kann.
299
Wasserschildkröten
Unter den Wasserschildkröten gibt es Süsswasser-Schildkröten und MeerwasserSchildkröten. Wasserschildkröten sind Jäger unter den Schildkröten, denn in ihrem
Element können sie beachtliche Geschwindigkeiten erreichen. Ihr Panzer ist flacher
und stromlinienförmiger als der der Landschildkröten, ihre Füsse sind flossenartig,
beziehungsweise haben Schwimmhäute zwischen den Krallen.
Die Augen sind an das Lebenselement Wasser angepasst: Die Augenlinse gleicht den
Brechungswinkel des Wassers aus, sodass Schildkröten auch unter Wasser scharf
sehen können.
Auch Meeresschildkröten legen ihre Eier an Land ab, meistens immer wieder am Ort
ihrer Geburt. Dazu schwimmen sie oft viele Tausend Kilometer weit. Zu den bekantesten Meeresschildkröten gehören die «Echte Karrettschildkröte» sowie die
Suppenschildkröte (s. p. 301). Bemerkenswert ist auch die Lederschildkröte. Sie ist
die grösste noch lebende Schildkröte mit einer Masse bis zu 750 kg!
Süsswasserschildkröte:
(Geocclemys hamiltonii)
300
271
69 Meeresschildkröte: Echte Karattschildkröte
7 – 15
Zur Atmung der Wasserschildkröten
Die Moschusschildkröten (Süsswasser-Schildkröten) können sogar bis zu einem halben
Jahr ohne Atmung im Wasser bleiben. Sie sind mit 7.5 - 10 cm eine der kleinsten
Schildkrötenarten. Sie besitzen eine besonders lappenförmige Oberfläche (Papillen) im
Mund- und Rachenraum, welche von Blutgefässen durchzogen ist. Diese Papillen
werden perfekt durchspült, da die Schildkröten ihren Rachenraum regelmässig mit
frischem Wasser versorgen. Durch die grosse Oberfläche dieser Papillen ist ein
Austausch von O2 und CO2 möglich, d.h. die Tiere haben etwas Ähnliches wie
Kiemenatmung entwickelt.
Manche Meeresschildkröten können mehrere hundert Meter tief tauchen und
stundenlang ohne Sauerstoff auskommen, die Grüne Meeresschildkröte bis zu 5
Stunden. Möglich wird dies durch die Verlangsamung ihres Herzschlages. Während
solchen Extremtauchgängen wird der Puls extrem gesenkt (9 Herzschläge pro Minute).
Beim Atemholen entleert sich die Lunge in einem einzigen Zug und füllt sich auch gleich
wieder.
Moschusschildkröte (Süsswasser)
301
271
69
Meeres- Schildkröte: Suppenschildkröte
7.3.4 Schlangen
Schlangen sind eine Unterordnung der Schuppenkriechtiere. Sie stammen von
echsenartigen Vorfahren ab. Gegenüber diesen ist der Körper stark verlängert und die
Extremitäten wurden fast völlig zurückgebildet. Heute sind etwa 3’000 Arten
beschrieben. Die Grösse ausgewachsener Schlangen schwankt artabhängig sehr stark
zwischen 10 cm bei der Schlankblindschlange und fast 7 m beim Netzphython.
Die meisten inneren Organe sind der Körperform entsprechend langgestreckt. Der linke
Lungenflügel ist verkümmert (rudimentär). Zur Atmung wird im Wesentlichen nur der
rechte Lungenflügel benützt, der sich bis zu zwei Drittel der Körperlänge erstreckt.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Anatomie einer Schlange
12
13
14
15
Speiseröhre
Luftröhre
tracheale Lungen
rudimentäre
linke Lunge
rechte Lunge
Herz
Leber
Magen
Luftsack
Gallenblase
Bauchspeicheldrüsse
Milz
Darm
Hoden
Nieren
271
69
302
7 – 16
Im hinteren Teil geht die Luftröhre in einen Luftsack über, aus
der die Schlange in Sonderfällen
ihren Sauerstoffbedarf decken
kann (beispielsweise während des
Verschlingens
eines
grossen
Beutetieres, wodurch manchmal
die Luftröhre zusammengedrückt
wird oder bei Seeschlangen
während längeren Tauchgängen).
Bei der Seeschlange dient er
zusätzlich als hydrostatisches
Organ.
Wie die meisten Reptilien sind
auch die Schlangen wechselwarme Tiere.
Atmung der Schlangen
Wie bei den andern Reptilien besteht auch bei den Schlangen eine grundsätzliche
Trennung von oberen (Nase und obere Luftröhre) und unteren (untere Luftröhre,
Bronchien und Lunge) Atemwegen. Der Sitz der Luftröhrenöffnung (Epiglottis) befindet
sich bei allen Reptilien hinter der Zungenbasis. Da aber bei den Schlangen die Zunge
sehr weit vorne in der Maulhöhle liegt, befindet sich auch die Luftröhrenöffnung sehr
weit vorne. Dies ermöglicht es den Schlangen, auch während des Verschlingens der
Beute zu atmen. Eine weitere Besonderheit bei Schlangen ist die sog. Tracheallunge.
Hierbei handelt es sich um respiratorisches, zum Gasaustausch befähigtes Gewebe im
unteren Teil der Luftröhre. Dies bringt für die Schlange den Vorteil, auch dann
Sauerstoff aufzunehmen, wenn sie die Beute umschlungen hält und die normalen
Atembewegungen nicht vollziehen kann.
Mit Ausnahme der Riesenschlangen (Pythons und Boas) ist
der linke Lungenflügel nicht ausgebildet. Nur ein sehr geringer Teil der Lunge ist mit respiratorischen, zum Gasaustausch fähigem Gewebe ausgestattet. Der Rest dieses
Lungenflügels dient, ähnlich wie beim Vogel, als Luftsack.
Schlangen bilden im Gegensatz zu Säugern keine
Lungenalveolen (Lungenbläschen), die zu Gasaustausch
befähigen.
Die Lunge von Wasserschlangen ist stark vergrössert und
reicht bis in die Schwanzspitze. Sie müssen nur alle 30
Minuten bis 2 Stunden an die Wasseroberfläche um zu
atmen. Teile der Lunge dienen als hydrostatisches Organ
und ermöglichen Tauchtiefen bis 180 Metern.
Luft holende
271
69
Wasserschlange
303
Giftschlangen
Von den etwa 3’200 bekannten Schlangenarten weltweit sind
Giftschlangen kommen in den folgenden Familien vor:
etwa 1300 Arten Giftschlangen.
Giftnattern mit zwei Untergruppen:
a) Giftnattern (z.B. Die Mambas, Kobras, Korallennattern)
b) Seeschlangen (z,B. Ruderschlangen, Plattschwänze, Taipane, Braunschlangen, Tiegerottern)
Vipern mit drei Untergruppen:
a) Echte Vipern (z.B. Kreuzotter, Aspisviper, Wiesenotter, Puffottern, Sandrasselotter)
b) Grubenottern (z.B. Klapperschlangen, Dreiekskopfottern, Lanzenottern, Bambusottern)
c) urtümliche Vipern: (Fea Viper; als einzige Art)
Erdvipern (z.B. Muellers Erdviper)
Die giftigsten Schlangen sind in Australien und im Meer (Seeschlangen) zu finden. Die giftigste
Schlange der Welt ist der in Australien beheimatete Inlandtaipan. Die bei einem Biss durchschnittlich
abgesonderte Giftmenge reicht theoretisch aus, um über 230 (bei voller Giftdrüse bis zu 250)
Menschen, 250’000 Mäuse oder 150’000 Ratten zu töten!
NNasenloch
Auge
Giftkanal
NHaken
Kopf
NZahn
Giftdrüse
Hals
NGlottis
NSprache
Inlandtaipan
Schuppen
Kopf einer
Giftschlange
271
69
304
7 – 17
Giftige Wasserschlange
Schlangen in der Mythologie und Schlangengift in der Medizin
Adam und Eva (Michelangelo)
Adam und Eva leben zunächst im Garten Eden.
Dort überredet sie die Schlange entgegen dem
Verbot Gottes vom Baum der Erkanntnis zu
essen. Als Strafe vertreibt Gott Adam und Eva
aus dem Paradies.
Haupt der Medusa (Rubens)
In der spätklassischen griechischen Mythologie
war Medusa ursprünglich eine betörende
Schönheit. Als aber Pallas Athene Poseidon bei
der Vergewaltigung Medusas überraschte, war sie
darüber so erzürnt, dass sie Medusa in ein
Ungeheuer mit Schlangenhaaren verwandelte.
Bild links: Aeskulap mit Aeskulapstab. In der griechischen Mythologie war Aeskulap der Gott der Heilkunde.
Dargestellt wurde Aeskulap meist als bärtiger Mann, der
sich auf einen Stab stützt, der von einer Schlange
(ungiftigen Natter) umwunden war.
Bild rechts: Aeskulapschlange mit Trinkschale als Symbol
der Apotheker. Der bedeutende Arzt Paracelsus (14931541) prägte den Satz: «Alle Ding sind Gift und nichts ohn’
Gift – allein die Dosis macht, dass ein Gift kein Gift ist».
Ambivalenz: Das Gift der Schlangen ist ein weiteres
Beispiel der Doppelwertigkeit: In geringen Dosen kann
Schlangengift als Medizin271
verwendet
werden.
69
305
7 - 18
7.4 Atmung der Vögel
271
69
306
Atmung der Vögel - Allgemeines
Im Gegensatz zu den Säugetieren sind die Lungen der Vögel unbeweglich in den
Brustraum eingebaut. Das Brustfell wird zwar embryonal angelegt, bildet sich aber
wieder zurück. Die Vogellunge ist nicht gelappt und vollzieht während der Atmung
keine Volumenänderung.
An der Gabelung der Luftröhre teilt sich das luftleitende System in die beiden
Stammbronchien. Hier liegt auch das Stimmorgan der Vögel. Von den Stammbronchien
gehen vier Gruppen von Sekundärbronchien aus. Von den Sekundärbronchien gehen
Parabronchien (Lungenpfeifen) aus; diese sind 0.5 – 2 mm dick.
In der Wand der Parabronchien gibt es
kleine trichterförmige Öffnungen, die in
die Luftkapillaren führen. Die Luftkapillaren bilden ein Netzwerk meist
untereinander kommunizierender Röhren
und sind das eigentliche Austauschgewebe, um das dichte Blutkapillarnetze
ausgebildet sind.
Atmungssystem eines Vogels
Luftröhre
vordere Luftsäcke
Lunge
hintere Luftsäcke
Im Gegensatz zu den Säugetieren handelt
es sich nicht um ein blind endendes
System,
sondern
um
ein
offenes
Röhrensystem. Nach der Durchströmung
der Lunge gelangt die Luft in die
(vorderen) Luftsäcke, die wie Blasbälge
für die Ventilation (den Luftstrom) sorgen.
271
69
307
7 – 19
Atmung der Vögel:
Lunge und Luftsäcke
Die Luftsäcke der Vögel sind dünnwandige
Anhänge der Lungen, die wie Blasbälge die Luft
durch die Lunge führen. In ihnen findet jedoch
kein Gasaustausch statt. Es handelt sich um
hauchdünne Säcke mit einer durchsichtigen
Wand. Neben ihrer Funktion als «Motor der
Atmung» sind sie auch an der Stimmbildung
beteiligt. Hochfrequente Expirationen (Ausatmungen) werden im Stimmkopf zum Vogelgesang moduliert. Die dritte wichtige Funktion
der Luftsäcke ist die Beteiligung an der
Thermoregulation durch die Wärmeabgabe über
Verdunstung (Verdunstungskälte).
Die vorderen Brustluftsäcke liegen zwischen
zwei Bindegewebsmembranen innerhalb des
Brustkorbs und umfassen das Herz und den
Drüsenmagen. Bei Singvögeln verschmelzen sie
mit dem einheitlichen Schlüsselbeinluftsack.
Die hinteren Brustluftsäcke liegen direkt der
Körperwand an und befinden sich hinter den
vorderen Brustluftsäcken.
Atmungssystem der Papageien
Die Bauchluftsäcke liegen als dünne Ballons
zwischen den Darmschlingen und pneumatisieren auch den Beckengürtel.
271
69
308
Atmungszyklen der Vögel
Erste Einatmung: Luft strömt in
die hinteren Luftsäcke. Dabei
dehnen sich die Luftsäcke aus.
Lunge
Erste Ausatmung: Luft wird in die
Lungenkapillaren gedrängt;
 Versorgung des Blutes mit O2
Luftsäcke ziehen sich zusammen.
Zweite Einatmung: Luft strömt in
die vorderen Luftsäcke, die sich
dabei wieder ausdehnen. Gleichzeitig strömt neue Luft (roter Pfeil)
in die hinteren Luftsäcke ein.
Zweite Ausatmung: Luft wird von
den vorderen Luftsäcken nach
aussen gepresst; diese ziehen
sich dabei wieder zusammen.
Für eine ausführlichere Beschreibung s. p. 310
271
69
309
7 – 20
Weg und Synchronisierung der Luftströme im Atmungssystem
Die Luft, die ein Vogel mit einem Atemzug aufnimmt (Vorgang A im Schema auf p.
309, blau), wandert unidirektional (in einer Richtung) durch das LungenLuftsacksystem. Von der Luftröhre strömt es in die hinteren Luftsäcke, die sich
dadurch, zusammen mit den vorderen Luftsäcken, ausdehnen. Dies entspricht der
ersten Einatmung. Von dort gelangt es im Vorgang B auf p. 309 in die Lunge (erste
Ausatmung), wobei sich die Luftsäcke zusammenziehen. Im Vorgang C strömt die
Luft in die vorderen Luftsäcke, die sich, zusammen mit den hinteren Luftsäcken
wieder ausdehnen. Gleichzeitig strömt in einem zweiten Atemzug durch die
Luftröhre wieder frische Luft ein (roter Pfeil). Die erste und die zweite Einatmung
sind also synchronisiert. Schliesslich strömt die Luft aus den vorderen
Luftsäcken in die Luftröhre zurück und entweicht ins Freie (Vorgang D).
Diese Vorgänge wurden durch Experimente bestätigt: An verschiedenen Stellen
im Atemsystem eines Vogels wurden Sauerstoffsensoren angebracht. Dabei
atmete der Vogel in diesem Experiment einen Atemzug lang reinen Sauerstoff ein,
gefolgt von einem Atemzug normaler Luft. Die verschieden platzierten Sensoren
registrierten, wann der reine Sauerstoff bei ihnen eintrat.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Luft in einer Richtung von
den hinteren zu den vorderen Luftsäcken durch die starre Lunge strömt. Die Luft
benötigt zwei Zyklen, jeweils bestehend aus Ein- und Ausatmen, um durch das
Atemsystem des Vogels zu wandern.
271
69
310
7 - 21
7.5 Atmung der Fische
271
69
311
Systematik der Fische
Fische sind aquatisch lebende Wirbeltiere, die mit Kiemen atmen. Bei den
Lungenfischen kommt zur primären Kiemenatmung im Wasser noch die
Luftatmung beim Auftauchen an die Wasseroberfläche dazu. Man
unterscheidet zwischen Knorpelfischen und Knochenfischen (s. p. 315).
Fische
Knorpelfische
Fast ausschliesslich im
Meer lebende Fische:
•
•
•
Knochenfische
Fleischflosser
• Marine
Quastenflosser
Haie
Rochen
Seekatzen
•
Lungenfische
271
69
312
7 – 22
Strahlenflosser
•
Alle übrigen Fischgruppen, darunter
alle europäischen
Süsswasserfische
Physiologie der Fische
Rückenflossen
Schwanzflossen
Nasen
öffnungen
äussere Erscheinung
Brustflosse
Vorkiemendeckel
Analflossen
Bauchflossen
Nieren
Schuppen
Gehirn und Rückenmark
Geruchsorgan
innere Organe
Magen
Herz
Leber
Darm
Schwimmblase
Harnblase
Skelett
Rippen
Wirbelsäule
271
69
313
Sauerstoffkonzentration in Süsswasser und Meerwasser
Der Sauerstoffgehalt in der Luft beträgt ca. 21%. Ist Luft im Kontakt mit reinem Wasser, dann
diffundiert Sauerstoff (O2) von der Luft ins Wasser: Wasser hat eine O2- Löslichkeit, die von der
Temperatur q (in oC), vom Atmosphärendruck P in Torr (760 Torr = 1 atm = 1013 hPa), und dem
Dampfdruck p des Wassers (in Torr) abhängt. Es existieren empirische Näherungsformeln für
den gelösten Sauerstoff (Dissolved Oxygen DO in mg/L):
Für
Für
0oC < q < 30 oC gilt:
30oC < q < 50 oC gilt:
DO = [0.678 * (P – p) / (35 + q)]
DO = [0.827 * (P – p) / (49 + q)]
(s. Graphiken)
In den Weltmeeren ist die Sauerstoffkonzentration kleiner als im Süsswasser (s. Graphik rechts).
Dabei nimmt die O2- Konzentration mit zunehmender Tiefe ab und erreicht bei ca. 1000 m unter
dem Meeresspiegel ein Minimum; mit zunehmender Tiefe steigt die O2- Konzentration wieder an
(s. Anhang 7.A.5.1).
Sauerstff - Konzentration (mg/L)
16
Süsswasser
14
Meerwasser
12
10
8
6
4
2
0
0
Temperatur
ɵ
(0C)
271
69
314
7 – 23
5 10 15
20 25 30 35 40 45 50
Temperatur
Temperatur
ɵ ((o0C)
C)
Unterschiede zwischen Knorpel- und Knochenfischen
Die meisten Knochenfische besitzen mit wenigen Ausnahmen im Gegensatz zu den
Knorpelfischen eine Schwimmblase, Kiemendeckel, Schuppen und bewegliche
Brustflossen.
Durch die gasgefüllte Schwimmblase wird für die meisten Knochenfische das
Schwimmen in unterschiedlichen Wassertiefen problemlos möglich. Sie hat bei den
meisten Knochenfische die Funktion, die Dichte so zu regulieren, dass sie mühelos im
Wasser schweben können bzw. nur sehr langsam zu Boden sinken. Aber nicht alle
Knochenfische verfügen über eine Schwimmblase: Am Boden lebende oder besonders
gut schwimmende Fischarten können darauf verzichten; sie sinken einfach zu Boden,
wenn sie sich nicht bewegen.
Bei den Knorpelfischen ist es noch einfacher: Sie benötigen überhaupt keine
Schwimmblase, da sie ein leichteres Skelett aus Knorpeln haben. Zudem sorgt bei
ihnen die vergleichbar grosse und fetthaltige Leber für stärkeren Auftrieb. Dazu tragen
als äussere Merkmale zusätzlich die unbeweglichen und oft «tragflächenartigen»
Brustflossen und die asymmetrischen Schwanzflossen bei. Zu den Knorpelfischen
gehören die Haie.
Den Nachteil, den die unbeweglichen Brustflossen mit sich bringen: Viele Knorpelfische
können nicht rückwärts schwimmen. Dafür sind sie zumeist sehr wendig und schnell.
Knochenfische haben einen Kiemendeckel, der die Kiemenbögen verdeckt – bei den
Knorpelfischen sind zwischen den Kiemenbögen Schlitze, die Kiemenspalten genannt
werden. Auch die Haut ist verschieden: Knochenfische haben Schuppen, Knorpelfische
haben dagegen eine sehr ledrige Haut, die aus sog. Hautzähnen besteht.
271
69
315
Kiemenatmung der Fische – A
Unter Kiemenatmung versteht man den Austausch der Gase O2 und CO2 vieler wasserlebenden Tiere zwischen dem Blut und dem
umgebenden Wasser, der in den Kiemen vor
sich geht. Beim Einfliessen in die Kieme trifft
O2- reiches Wasser auf O2- armes Blut. Dieser
Partialdruckunterschied bewirkt eine Diffusion
von O2 aus dem Wasser ins Blut. Aufgrund des
Gegenstroms hat das die Kieme verlassende
Blut mehr O2 als das ausströmende Wasser.
Wie die Figur zeigt, besitzen Fische auf jeder
Seite 4 knöcherne Kiemenbögen, die sich hinter
dem Kiemendeckel befinden. An den Kiemenbögen befinden sich die Kiemenreusen (s. Abb.
p. 317). Diese flltern das vorbeiströmende
Wasser wie die Zinken eines Kammes. Durch
diese Filterung werden die empfindlichen
Kiemenblättchen (Figur p. 317) vor Schmutzpartikel im Wasser geschützt.
Beim Öffnen des Maules strömt Wasser in die
Mundhöhle. Beim Schliessen des Maules wird
das Wasser durch die Kiemenhöhle an den
Kiemen vorbei nach draussen gepresst. Dabei
heben sich die Kiemendeckel ein wenig und ein
Hautlappen klappt zurück. Während des Atemvorganges bleibt der Schlund geschlossen.
Weg des Wassers beim Atmen des Fisches
69 316
316 271
7 – 24
Kiemenatmung der Fische – B
Die O2 - Aufnahme und die CO2 - Abgabe erfolgt während das Wasser die Kiemenblättchen umspült. In den Kiemenblättchen
befinden sich viele kleine Blutgefässe, die in
der nebenstehenden Abbildung rot und blau
dargestellt sind. Umspült das Wasser bei dem
Atemvorgang des Fisches die Kiemenblättchen, so gelangt der Sauerstoff aus dem
Wasser in die Blutgefässe (rot dargestellt).
Gleichzeitig findet eine Abgabe des CO2, das
als Abfallprodukt beim Stoffwechsel entstanden ist, aus den (blau dargestellten)
Blutgefässen in das Wasser statt.
Die Kiemenblättchen sind die Lungen des
Fisches. Sie können nur im Wasser arbeiten.
An Land würden sie schon nach kurzer Zeit
verkleben und der Fisch würde zwangsläufig
ersticken. Ist die O2 - Konzentration im Wasser
zu gering (< 4 mg/L, s. Graphik, p. 314),
können sie auch dort ersticken, zumal der
Energieaufwand im Wasser zur Atmung
wesentlich grösser ist als in der Luft.
Manche Fische sind durch besondere Vorkehrungen (welche z.B. das Atemwasser in den
Kiemenhöhlen von neuem mit O2 versorgen)
zu längeren Aufenthalten ausserhalb des
271 69Wassers befähigt.
Kiemenbogen
317
Haifische und Wale
Atmung der Haie: Man unterscheidet grob zwischen
Hochseehaien und Tiefseehaien.
Hochseehaie müssen ständig in Bewegung sein damit
sie nicht ersticken; deshalb schlafen sie auch im
Schwimmen. Sie schwimmen mit geöffnetem Maul. So
kann das Wasser durch die Rachenhöhle in die
Kiemen. Dabei wird dem Wasser O2 entzogen und ins
Blut abgegeben.
Tiefseehaie dagegen schliessen und öffnen ihr Maul
abwechselnd. Dadurch entsteht ein Sog. Sie sorgen
also selbst für den Wassereinstrom. Bei diesem
Vorgang entnehmen sie dem Wasser den Sauerstoff.
Haie sind Knorpelfische (s. p. 312).
Weisser Haifisch
Wale sind keine Fische sondern Säugetiere, die ausschliesslich im Wasser leben. Wie alle Säugetiere
sind Wale Luftatmer und besitzen Lungen. Wale gehören zu den gleichwarmen Tieren. Zu den Walen gehören die grössten Tiere der Erde (Körperlänge des
Blauwals bis zu 33 m, Gewicht bis zu 200 Tonnen!).
Killer Wal
318
Zur Atmung müssen die Wale mit dem Kopf an die
Wasseroberfläche und atmen zuerst aus, wobei sie
eine grosse Wasserwolke in die Luft blasen. Wenn
Wale Luft holen, so tauschen sie 80 bis 90 % der in
ihren Lungen enthaltenen Luft aus (beim Menschen
nur 10 bis 15 %). Pottwale können bis zu 90 Minuten
und bis zu 3’000 m tief tauchen ! Entenwale können
sogar
271
69mit einem Atemzug bis zu 2 h tauchen !
7 – 25
Lungenfische
Die Lungenfische sind eine Untergattung der Knochenfische. Es sind «Doppelatmer», weil die
Lungenfische sowohl Kiemen zur Atmung im Wasser haben als auch Lungen, um Luft von der
Wasseroberfläche zu atmen. Die Lunge der Lungenfische ist ein Organ im Darm das homolog zur
Schwimmblase ist. Der Australische Lungenfisch hat einen einzelnen Lungenflügel. Die übrigen
Arten (z.B. die Afrikanischen Lungenfische) haben paarige Lungen, die bauchwärts liegen. In der
Regel steigen Lungenfische alle 30 bis 60 Minuten zur Wasseroberfläche auf, um Luft zu atmen.
Einige Arten sind auf Lungenatmung angewiesen. Werden sie zu lange unter Wasser gehalten,
ertrinken sie – eine für Fische recht ungewöhnliche Eigenschaft !
Die zwei Lungen der Afrikanischen Lungenfische liegen vertikal am Vorderdarm. Sie besitzen
innere Kiemen, die jedoch stark zurückgebildet sind und deshalb nur partiell für den
Gasaustausch zur Verfügung stehen. Wichtig ist auch die Atmung durch die Haut, mit der sie im
Wasser den Sauerstoff entnehmen. Die Lungen werden hauptsächlich beim schnellen Jagen, wenn
sie aufgescheucht werden und während der Trockenzeit (Sommerschlaf) genutzt.
- Gills: Kiemen
- Gill bypass:
Kiemen- bypas
- Ventricle: Kammer
- Atria: Vorhöfe
Rechte und linke Lunge eines
Afrikanischen Lungenfisches
271
69
319
7 - 26
Atmungssystem von «Doppelatmer»,
bestehend aus Kiemen und Lungen
7.6 Atmung von Wirbellosen
271
69
320
7.6.1 Wirbellose - Allgemeines und Beispiele
Der ganz klar überwiegende Teil aller Tierarten ist wirbellos. Heute gehören über 95%
aller bekannten Tierarten zu den Wirbellosen. Ausser dem Fehlen einer Wirbelsäule
haben diese Tiere in der Regel wenig gemeinsam. Der Riesenkalmar, der grösste
Wirbellose, kann mehr als 16 Meter lang werden, was allerdings eine grosse Ausnahme
ist. Die meisten Wirbellosen sind dagegen sehr klein. Zu den kleinsten Wirbellosen
gehören die Zwergwespen-Insekten mit einer Länge von nur 0.14 mm.
Riesenkalmar
271
69
321
7 - 27
Zwergwespe
(s. auch Kapitel 4, p. 127)
Wirbellose: Beispiele
Beispiele:
•
•
•
•
•
Weichtiere (z.B. Muscheln, Schnecken)
Gliederfüssler
- Insekten (z.B. Ameisen, Schmetterlinge)
Ringelwürmer (z.B. Egel)
Nesseltiere (z.B. Quallen)
Urtiere (z.B. Amöben)
Schnecke (Weichtier)
Ameise (Insekt)
271
69
322
Atmung von zwei Weichtieren: Riesenkalmare und Schnecken
Der Abschnitt 4.2 war dem Fliegen und Gleiten von Wirbellosen gewidmet. In
diesem Abschnitt beschäftigen wir uns mit der Atmung einiger ausgewählten
Wirbelloser, zuerst mit zwei Weichtieren, dann mit einigen Insekten.
Zur Atmung des Riesenkalmars
Zur Atmung der Weinbergschnecke
Der Riesenkalmar ist ein Kopffüssler. Bei
ihnen sind die Kiemen die primären
Atmungsorgane. Eine grosse Kiemenoberfläche und ein sehr dünnes Gewebe
der Kiemen sorgen für einen effektiven
Gasaustausch von sowohl O2 als auch
CO2. Da die Kiemen in der Mantelhöhle
liegen, ist diese Art der Atmung an
Bewegung gekoppelt, d.h. die Ventilation
ist nicht ohne Bewegung möglich. Sie
müssen deshalb dauernd schwimmen.
Um einzuatmen, senkt die Schnecke bei geöffnetem Atemloch den Boden ihrer Mantelhöhle und schafft dort so einen Unterdruck
wodurch O2- reiche Luft einströmt (s. Abb.).
Der Gasaustausch findet am Dach der Mantelhöhle statt, wo O2 aus der Atemluft ins
Blut diffundiert. In Der Gegenrichtung diffundiert CO2 aus dem Blut in die Luft. Das
Atemorgan wird als innere Lunge bezeichnet obwohl es eher einem einzelnen
Lungenbläschen ähnelt.
Atemloch
Schale
Mantel
Boden
der
Mantelhöhle
Schalenmündung einer Weinbergschnecke:
Riesenkalmar: Fänge mit Saugnäpfen
271
69 Man erkennt den Mantel und das Atemloch
323
7 - 28
7.6.2 Insekten
Im Kapitel 4, Abschnitt 4.2.2 (pp 124 – 139) haben wir das Fliegen der Insekten
ausführlich diskutiert und illustriert. Im Folgenden steht das Atmen der Insekten im
Zentrum. Dabei müssen zwischen den in der Luft und den im Wasser lebenden
Insekten unterschieden werden. Wir diskutieren zuerst die Anatomie von
luftatmenden Insekten. Die folgende Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau eines
Insektes. Er besteht aus drei Teilen, dem Kopf, der Brust und dem Hinterleib. Die
Abbildung zeigt den Körperbau einer Grille.
271
69
324
7.6.2.1 Insekten: Tracheen mit Stigmen
Insekten atmen, indem sie den lebensnotwendigen Sauerstoff durch eine Reihe kleiner
Öffnungen (Stigmen) in ihrem Chitinpanzer aufnehmen. Die Atemöffnungen befinden sich an
den beiden Seiten des Körpers und können geöffnet und geschlossen werden, um den
Gasaustausch zu kontrollieren. An die Stigmen schliesst sich ein System von Röhren, die sog.
Tracheen an, das sich immer feiner verzweigt und den Sauerstoff direkt zu den einzelnen
Geweben transportiert. Das meiste CO2 atmen die Insekten ebenfalls durch Tracheen und
Stigmen aus, ein Teil jedoch verlässt den Insektenkörper durch den Chitinpanzer (s. p. 7-A-6-1).
Die Adern in den Flügeln sind
Hohlräume und enthalten
Tracheen und Nerven
Tracheen zum Kopf versorgen
Gehirn und und Sinnesorgane mit Sauerstoff
Bruststigmen dienen oft zum
Einatmen. Die Stigmen im
Hinterleib zum Ausatmen
271
69
325
7 - 29
Die Tracheen ziehen sich
bis in die Beine, um die
Muskeln mit Sauerstoff
zu versorgen
Insekten: Tracheen und Luftsäcke
Bei vielen Insekten sind die Tracheen durch Luftsäcke miteinander verbunden, die
den Luftaustausch unterstützen und zur Sauerstoffspeicherung dienen. Zudem
reduzieren diese Luftsäcke das Gewicht, was zur guten Flugfähigkeit mancher
Insekten beiträgt (s. p. 7-A-6-1).
271
69
326
Insekten: Tracheen, Tracheolen und Stigmen
Tracheen
Bild a): Das Tracheensystem verzweigt sich immer
feiner. Die zartesten Ästchen (Tracheolen) reichen bis
in die Gewebe, z.B. in einen Muskel, wo Sauerstoff
benötigt wird. Die Tracheenwände sind in ihrer
Beschaffenheit durch Spiralen verstärkt, sodass sie bei
der Atmung nicht zusammengedrückt werden können,
aber dennoch elastisch sind – ähnlich einem Staubsaugerschlauch. Die Tracheen bestehen aus der
gleichen Substanz wie der Insektenpanzer, nämlich aus
Chitin.
Bild b): Die Atemöffnungen (Stigmen) sind verschliessbar. Dadurch kann der Gastransport reguliert werden
(s. auch p. 7-A-6-1).
Tracheolen
a) Feinverzeigung der Tracheen
in Tracheolen
271
69
327
7 - 30
b) Atemöffnung oder Stigma
7.6.2.2
Schmetterlinge
Die Schmetterlinge oder Falter bilden mit mehr als 180’000 beschriebenen Arten in
127 Familien und 46 Überfamilien nach den Käfern die an Arten zweitreichste
Insektenordnung.
Das röhrenförmige Herz pumpt in einem einfachen Kreislauf das Blut (Hämolymphe),
das um die Organe herumfliesst, durch den Körper. Das Blut transportiert Nährstoffe
im Körper aber keinen Sauerstoff bzw. CO2. Der Gasaustausch erfolgt über Tracheen
(pp 325 – 327), die mit ihrem verzweigten Rohrsystem alle Organe mit Sauerstoff
versorgen, der durch seitliche Öffnungen (Stigmen) in den Körper gepumpt wird. Der
maximale Transportweg ist bei diesem Atmungssystem begrenzt, was auch der Grund
ist, warum Schmetterlinge und Insekten allgemein in ihrem Grössenwachstum beschränkt sind.
Aurorafalter
Tagpfauenauge
271
69
328
Schmetterlinge in der Kunst
Der Schmetterling
Sie war ein Blümlein hübsch und fein,
Hell aufgeblüht im Sonnenschein.
Er war ein junger Schmetterling,
Der selig an der Blume hing.
Oft kam ein Bienlein mit Gebrumm
Und nascht und säuselt da herum.
Oft kroch ein Käfer kribbelkrab
Am hübschen Blümlein auf und ab.
Ach Gott, wie das dem Schmetterling
So schmerzlich durch die Seele ging.
Doch was am meisten ihn entsetzt,
Das Allerschlimmste kam zuletzt.
Ein alter Esel frass die ganze
Von ihm so heiss geliebte Pflanze.
Wilhelm Busch (1832 – 1908)
(Gedicht und Zeichnung von 1895)
271
69
329
7 - 31
Der Schmetterlingsjäger
Carl Spitzweg (1808 – 1885)
(Bild von 1840)
7.6.2.3
Atmung - Ameisenhügel – Hochzeitsflug der Ameisen
a) Rossameise / Riesenameise
b) Ameisenhügel
Ameisen sind eine Familie innerhalb
der
Ordnung
der
HautflüglerInsekten. Die Anzahl der Ameisenarten beträgt etwa 12`000, davon
etwa 200 in Europa. In der Figur
erkennt man die drei Teile des
Insektes: den Kopf, die Brust und
den Hinterleib (s. p. 324).
Alle bekannten Ameisen sind in
Staaten organisiert. Ameisenstaaten
bestehen aus bis zu vielen Millionen
Individuen. Ein Ameisenhügel besitzt
immer drei sog. Kasten: Arbeiter,
Weibchen (Königin) und Männchen,
Die Arbeiter sind flügellos. Nur die
reifen Weibchen und Männchen
besitzen Flügel und können fliegen.
Strömt Wind über ein Nest, dann wird
durch Konvektion über den «Kaminen» verbrauchte (CO2-reiche) Ausatmungsluft der Millionen von Ameisen weggeblasen, wobei gleichzeitig
O2-reiche Luft durch Ventillation
O2
hineinströmt. Auf diese Weise überCO2
leben die Ameisen in ihrem Hügel.
271
69
c) Ventilation eines Ameisenhügels
330
Wind
7.6.2.4
d) Ameisen: Start zum
Hochzeitsflug
Zu einem bestimmten Zeitpunkt
schwärmen alle Geschlechtstiere einer Art aus den Kolonien
zum Hochzeitsflug aus. Damit
kann Inzucht vermieden werden.
Das jeweils andere Geschlecht
wird durch Ausstossen von Sexualduftstoffen angelockt.
Die Jungkönigin wird von 2 bis
40 Männchen begattet, wobei sie
bis zu mehreren 100 Millionen
Spermien aufnimmt mit denen
sie die Eier befruchtet.
Einige Stunden nach dem Hochzeitsflug sterben die Männchen
und werden von den Arbeiterinnen als Nahrung in den Bau
gebracht.
Termiten
Oberirdischer Termitenhügel in Namibia
Termiten vermischen Sandkörner, Erde und Holzstücke mit einem Sekret und formen daraus
Klumpen, aus denen sie riesige Hügel bauen, die
mehr als 8 m Höhe erreichen können!
Unterirdische Termiten von Formosa
Termiten sind eine staatenbildende, in warmen
Erdregionen vorkommende Ordnung der
Insekten. Sie gehören zu den Fluginsekten. Mit
den Ameisen, welche zu den Hautflüglern
gehören (p. 330), sind sie nicht verwandt.
Viele Arten haben eine weisse oder weissgelbliche Körperfarbe. In der Regel werden
Termiten zwischen 2 und 20 mm lang. Königinnen von gewissen Arten erreichen mit ihrem
prall mit Eiern gefüllten Hinterleib eine maximale Körperlänge von bis 140 mm.
331
Das Millionenvolk, das in seiner gewaltigen
Festung lebt, muss auch atmen können. Pro Tag
braucht es ca. 250 Liter O2, also weit über 1’000
Liter frische Luft. Die Aussenwand des Turms hat
eine rippenartige Struktur. In den Rippen verlaufen vom «Estrich» in den «Keller» zahlreiche Lüftungsröhren. Die im Bau aufsteigende warme Luft
fliesst im Estrich in die Rippen weg und sinkt in
den Röhren langsam nach unten. Dabei nimmt
die Nestluft von aussen O2 auf und gibt gleichzeitig das CO2 ab. Im Keller sammelt sich die
regenerierte Luft für eine neue Reise durch das
Nest (Zirkulation durch «äussere Lungen»).
271
69
.
7 – 32
7.6.2.5 Atmung aquatischer Insekten - 1
Auch aquatische Insekten müssen atmen! Dazu sind sie mit verschiedenen Anpassungen
ausgerüstet, welche es ihnen ermöglichen, Sauerstoff mitzuführen (z.B. durch Hautatmung) oder ihn
direkt aus der Umgebung aufzunehmen. Im Folgenden diskutieren wir einige dieser Anpassungen
und illustrieren wie Insekten dadurch Sauerstoff aufnehmen um im Wasser leben zu können.
Biologische Kiemen
Eine biologische Kieme ist ein
Organ, welches im Wasser gelösten Sauerstoff in den Organismus aufnehmen kann. Bei
Eintagsfliegen haben die Kiemen eine blattähnliche Form.
Der Kontakt mit frischem Wasser wird durch eine fächelnde
Bewegung der Kiemen erzeugt.
Gelöster Sauerstoff
Atemschläuche
Obwohl viele aquatische Insekten unter Wasser leben,
beziehen sie die Luft von
der Wasseroberfläche durch
hohle Atemschläuche. Im
Falle der
Moskito-Larven
ist dieses «Siphon»-ähnliche Röhrchen eine Erweiterung der Atemlöcher.
Wasser enthält normalerweise eine
erhebliche Menge von gelöstem Sauerstoff: Eiswasser bei 00C kann maximal 14.6 mg/kg O2 auflösen (s. p. 6-A3-1). Mit zunehmender Temperatur
nimmt die Sauerstoff-Konzentration
ab. In Frischwasser können Insekten
oft mit Kiemen atmen. In warmem
Wasser
brauchen
sie
dagegen
Luftblasen oder Atemröhrchen.
Temperatur
(0 Celsius)
Eintagsfliegen mit
biologischen Kiemen
Moskito-Larve mit
271
69
Atemröhrchen
332
Sauerstoff- Konzentration (mg/kg)
0
14.60
10
11.27
20
9.07
30
7.54
Gelöster Sauerstoff in Wasser bei
verschiedenen Temperaturen
Atmung aquatischer Insekten - 2
Luftblasen
Larven von Mücken (rote Mückenlarven)
Einige aquatische Insekten (z.B. tauchende
Käfer), tragen eine Luftblase mit sich wenn
immer sie tiefer ins Wasser eintauchen. Die
Luftblasen sind mit einer oder mehreren
Atemlöcher versehen, sodass der Käfer im
tieferen Wasser daraus Luft einatmen kann.
Hämoglobin ist ein Atmungspigment, welches das
Auffangen von Sauerstoffmolekülen ermöglicht.
Hämoglobin ist für alle roten Blutkörperchen des
Menschen von grosser Bedeutung. In Insekten sind
sie aber nur selten vorhanden – am häufigsten bei
den Larven von gewissen Mücken, den sog. roten
Mückenlarven. Diese roten «Würmer» leben oft in
schlammigen Gebieten von Tümpeln oder Bächen,
wo die Konzentration des gelösten Sauerstoffs
gering ist. Bei normalen Bedingungen binden die
Hämoglobin-Moleküle einen Vorrat von Sauerstoffmolekülen. Aber im Fall von sauerstoff- freien
Bedingungen wird der Sauerstoff des Hämoglobins
langsam für die Atmung abgegeben.
Die Abbildung zeigt zwei abgetauchte
Raubkäfer im Wasser. Die blauen Teile an den
Hinterleibern sind die Luftblasen der Käfer,
welche die Käfer dem Wasser exponieren.
Die Luftblasen dienen den Käfern damit als
physikalische Lungen.
Luftblase
Tauchende Käfer mit Luftblasen
zur Atmung im Wasser
271
69
333
7 – 33
Mückenlarven (rote «Würmer») mit
dem Atmungspigment Hämoglobin
Anhang – Kapitel 7
7-A-0
Der Blutkreislauf
1. Definition: Der Blutkreislauf ist der physiologische Vorgang des Transports von
arteriellem bzw. venösem Blut durch das kardiovaskulare System, das aus dem
Gefässsystem und dem Herzen besteht. Er wird von der Pumpfunktion des
Herzens getrieben, der wiederum die Herzfunktionen zugrunde liegen.
2. Einteilung: Man unterscheidet den grossen Blutkreislauf und den kleinen Blutkreislauf. Beide Kreisläufe sind hintereinander geschaltet (Serienschaltung), so
dass das Blut auf seinem Weg die Lungen passieren muss.
3. Grosser Blutkreislauf (Körperkreislauf): Der grosse Blutkreislauf hat seinen
Ausgangspunkt im linken Ventrikel (linke Herzkammer, rot in Figur auf p. 278). Von
dort wird das sauerstoffreiche Blut durch Kontraktionen in die Aorta
(Hauptschlagader), danach in nachgeordnete Arterien (Blutgefässe, welche das Blut
vom Herzen wegführen) bzw. Arteriolen (kleine Arterien, die im Blutkreislauf hinter
den Arterien und vor den arteriellen Kapillaren liegen) und schliesslich in die
Kapillaren des Körpers gepumpt. Aus dem Kapillarbett fliesst dann sauerstoffarmes
Blut über Venen (blau) in den rechten Vorhof des Herzens zurück (p. 278).
4. Kleiner Blutkreislauf (Lungenkreislauf): Der kleine Blutkreislauf hat seinen Ausgangspunkt im rechten Ventrikel (rechte Herzkammer, blau auf p. 278). Von dort
wird das sauerstoffarme Blut durch die Lungenarterien in die Lungenkapillaren
gepumpt. Aus dem Kapillarbett der Lunge gelangt dann an Sauerstoff angereichertes Blut über die Lungenvenen (rot in Figur auf p. 278) zum linken Vorhof
des Herzens und kann danach seine Reise im grossen Blutkreislauf wieder von
neuem beginnen.
7-A-1-1
7 – 34
Kreislaufsysteme vor und nach der Geburt
Zwei Ereignisse sind während der Geburt für die funktionelle Anpassung an das
postnatale Leben verantwortlich:
•
•
Unterbrechung des plazentaren Kreislaufes
Entfaltung der Lungen mit dem ersten Atemzug
Aortenbogen
linke
Lunge
rechte
Lunge
rechte Herzkammer
linke Herzkammer
voll mit O2 beladenes Blut
Mischblut:
(O2 + CO2)
Leber
Niere
O2 – armes Blut,
CO2-reiches Blut
Plazenta
vergleiche
mit p. 278
vor der Geburt
7-A-1-2
nach der Geburt
Vom fetalen Kreislauf bis zum ersten Atemzug
Zur Lungenatmung von Säugetieren und Mensch s. pp 278 - 280).
Die Zufuhr von Blut aus der Plazenta über den «ductus venosus» (fetale
Kurzschlussverbindung zwischen der linken Leberpfortader und der unteren
Hohlvene) in den Körper wird mit der Durchtrennung der Nabelschnur unterbrochen.
Dadurch vermindert sich auch die Blutzufuhr in den rechten Vorhof massiv und der
Druck im rechten Vorhof wird reduziert. Gleichzeitig verringert sich durch die ersten
paar Atemzüge des Neugeborenen der Druck im kleinen Kreislauf stark. Die
Konsequenz dieser Druckveränderungen im Körper ist eine Reduktion des Blutflusses
über den «ductus arteriosus» (im fetalen Blutkreislauf eine Verbindung zwischen
Aorta und der Lungenarterie) und eine Zunahme des Blutflusses durch die Lungen in
den linken Vorhof und nicht mehr durch das geschlossene «Foramen ovale» (türartige
Verbindung zwischen den Herzvorhöfen, die im fetalen Kreislauf den Blutübertritt von
rechts (Lungenkreislauf) nach links (Körperkreislauf) zulässt). Unterstützt wird dies
durch den reflektorischen Verschluss des «Ductus arteriosus» nach den ersten
Atemzügen des Neugeborenen und die Erhöhung des Druckes im grossen Kreislauf,
weil mit der Abnabelung das plazentare Niederdruckgebiet wegfällt.
Unmittelbar nach der Geburt muss das Neugeborene anfangen, regelmässig zu atmen.
Die ersten Atemzüge sind schwierig, weil die Lunge noch mit Flüssigkeit (ca. 50 ml)
gefüllt ist und die Alveolen (Lungenbläschen, s. pp 280 - 282) bei Geburt kollabiert
sind. Die Hälfte (ca. 50%) dieser Flüssigkeit wird über die Lymphgefässe resorbiert,
ein Viertel durch die Geburt herausgepresst und der Rest gelangt über die Kapillaren
in den Blutkreislauf. Die Alveolen der Lunge entfalten sich mit den ersten Atemzügen.
7-A-1-3
7 – 35
Einatmung und Ausatmung des Menschen
Einatmung
Ausdehnung
des Brustkorbs
Rippen
Ausatmung
Kontraktion
des Brustkorbs
Lunge
Zwerchfell
Kontraktion
des Zwerchfells
Entspannung
des Zwerchfells
Der Mechanismus des Atmens: Als Reaktion der Druckunterschiede strömt die Luft in
oder aus der Lunge. Wenn der Luftdruck in den Lungenbläschen (pp 280, 281) unter
den Atmosphärendruck sinkt und wenn der Kehlkopf offen ist, dann strömt Luft in die
Lungen (Einatmung). Ist der Luftdruck in den Lungenbläschen grösser als der Atmosphärendruck, dann strömt die Luft aus der Lunge (Ausatmung). Je nach der Grösse der
Druckdifferenz ist der Luftstrom schnell oder langsam. Da der Atmosphärendruck relativ konstant ist, hängt der Fluss davon ab um wieviel der innere Druck in der Lunge
grösser oder kleiner als der Atmosphärendruck ist.
7-A-1-4
Atmung in einem luftdichten Raum
Die Atmung der Menschen wurde auf den Seiten 279 und 280 sowie im Anhang 7-A-1-4 diskutiert
(Einatmung von O2 und Ausatmung von CO2). Im Folgenden betrachten wir die potentiellen Probleme
und Gefahren, welche durch den Aufenthalt in luftdicht geschlossenen Räumen entstehen, wie z.B. beim
Schlaf in nicht oder schlecht belüfteten Schlafzimmern.
Erwachsene schlafen pro Tag mindestens 8 Stunden, Kinder halten sich in der Regel wesentlich länger
im Schlafzimmer auf. Durch die Atmung in einem luftdichten Raum nimmt die Konzentration von
Sauerstoff ab, jene von CO2 dagegen zu. Deshalb ist es wichtig, dass solche «luftdichten» Räume und
Schlafzimmer durch Belüftung genügend mit frischer Luft versorgt werden. Basierend auf dem
Europäischen CEN Standard 13779 (CEN: Comité Européen de Normalisation), muss die Belüftung für
eine mittlere Luftqualität mindestens 10 L/s und Bewohner betragen (15 L/s für hohe Raumluftqualität).
Dies entspricht einem Gleichgewichtszustand der CO2- Konzentration von höchstens 800 ppm (s. p. 7-A1-6). Es ist heute bekannt, dass eine schlechte Belüftung von Räumen zu schädlichen Symptomen führt.
Nächte in ungenügend belüfteten Schlafzimmern erzeugen in der Regel eine schlechte gesundheitliche
Befindlichkeit während des Tages und zum Teil sogar langfristige gesundheitliche Schäden.
Messungen von aktuellen Belüftungsraten basierend auf CO2- Konzentrationen haben regelmässig
ergeben, dass die Belüftungsraten in Schlafzimmern in gefährlichem Masse ungenügend sind. Das
Diagramm auf p. 7-A-1-6 zeigt, dass eine CO2- Konzentration von 1’000 ppm bedenklich ist, eine CO2Konzentration von 2’000 ppm ist dagegen schon relativ gravierend. Es ist aber keineswegs
ungewöhnlich, dass die CO2- Konzentration durch die Ausatmung zu Gleichgewichtswerten von 5’000
ppm führt [s. Diagramm von p. 7-A-1-6 a)]. Dies entspricht einer Belüftungsrate des Bewohners von nur
ca. 1 L/s.
Bei sehr hohen Konzentrationen ist CO2 ein gefährliches Giftgas! Konzentrationen von 7 bis 10
Volumenprozent (70’000 ppm bis 100’000 ppm) kann zur Erstickung in wenigen Minuten bis zu einer
Stunde führen, sogar im Falle einer genügend hohen O2- Konzentration (s. Kapitel 5, p. 197).
7-A-1-5
7 – 36
Schlafen im Schlafzimmer mit verschiedenen Belüftungen
ppm CO2
Experiment (ohne Ventilation)
Schlafzimmer
5’000
4’000
CO2 Konzentrationen können in Schlafzimmern stationäre Werte bis 5’000 ppm
erreichen. Dies entspricht einer Insassenbelüftungsrate von nur etwa 1 L/s (äusserst
ungenügend!). Dieser Wert ist aber
trotzdem typisch für ein Schlafzimmer mit
geschlossenen Fenstern und Türen. Eine
derart kleine Ventilationsrate ist sehr
ungesund, ist aber wahrscheinlich für
moderne luftdichte Wohnungen sehr häufig
der Fall.
Maximum CO2 für Ventilations800
raten von 10 L/s und Person
hoch
a)
3’000
mittel
2’000
tief
1’000
0
CO2 Konzentrationen in ppm
21.00
21.00
00.00
03.00
06.00
09.00
Theoretische Modelle basierend auf
einfachen Differentialgleichung.
b)
Schlafdauer in Stunden
7-A-1-6
Anfangskonzentration zur Zeit t = 0: ≈ 21%
Sauerstoff (O2); ≈ 79% Stickstoff (N2); ≈ 0.04%
CO2 = 400 ppm.
Die Berechnungen basieren auf einer
einfachen Differentialgleichung [Referenz 7-A1-6 b)] mit einem Raumvolumen V von 21 m3
während einer Zeit von 8 Stunden. Die CO2Konzentrationskurven wurden für verschiedene Aussenluft-Ventilationen Q berechnet
(Q = 10, 5, 1, 0.5 und 0 L/s). Ein allgemeineres
Modell für CO2, O2 und H20-Dampf in der
Atemluft des Schlafzimmers wird in der
Referenz zu Anhang 7-A-1-7) beschrieben.
Schlafen in einem absolut luftdichten Schlafzimmer
Die Publikation von Markov (Referenz 7-A-1-7) beschäftigt sich mit dem Schlafen in luftdicht oder
beinahe luftdicht abgeschlossenen Schlafzimmern. Die nachfolgende Zusammenfassung wurde von P.
Brüesch von Englisch auf Deutsch übersetzt. Dabei wird nur der Fall des vollständig abgeschlossenen
Schlafzimmers diskutiert.
In seiner Arbeit studiert Markov die Änderung der Luftzusammensetzung in einem abgeschlossenen
Schlafzimmer mit Abmessungen von 3.5 x 4.8 x 2.5 m3 = 42 m3, in welcher 4 Personen (die beiden Eltern
mit ihren 2 Kindern) während 9 Stunden schlafen.
Anfangsbedingungen: Atmosphärendruck = 94’000 Pa
(bei 625 m Höhe), konstante Raumtemperatur = 20 0C,
relative Luftfeuchtigkeit = 30 %.
Schlafzimmer mit luftdicht abgeschlossenen
Fenstern und Türen.
Auf der Basis der Massenerhaltungs-Gleichungen werden die durch die Atmung erzeugte Verbrauchsrate von
Sauerstoff (O2) sowie die Erzeugungsraten von Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O) berechnet
und analytische Lösungen angegeben. Für den Fall
eines vollständig luftdichten Raumes sind die anfängli-
chen Volumenbruchteile Xa(O2) = 20’7884, Xa(CO2) = 400, und Xa(H2O) = 7’458 ppm (1 ppp = 1 part per
million). Die Rechnungen ergeben, dass nach 9 Stunden Schlaf der 4 genannten Personen in diesem
Schlafzimmer folgende Volumenbruchteile erreicht werden: Xa(O2) = 19’461, Xa(CO2) = 9’922, und Xa(H2O)
= 16’927 ppm. Man beachte, dass die CO2- Konzentration im Schlafzimmer drastisch erhöht ist, nämlich
um etwa einen Faktor 25.
Aus medizinischer Sicht sind diese (und noch zwei weitere im Artikel diskutierte Szenarien) für die
Gesundheit der Bewohner während ihrer Schlafzeit und der kälteren Zeit von fast einem halben Jahr
bedenklich bis gefährlich. Während dieser Zeit sind sie einer schlechten Luftqualität (CO2- reichen
Atmosphäre) ausgesetzt. Die hier diskutierten Resultate sind der Grund von Erschöpfungs- und
Schwächeerscheinungen am Morgen.
7-A-1-7
7 - 37
Alfred Hitchcock: Angriff der Vögel aus der Luft
Die übergeordnete Frage ist: Weshalb
greifen die Vögel an? Der Grund dafür
liegt in der langen Geschichte der
Menschheit während welcher Vögel und
andere Tiere getötet wurden. Deshalb
werden nun die Menschen plötzlich die
Opfer der Angriffe der Vögel.
«Die Vögel» bedeutet, dass der Angriff
der Vögel die Rache der Natur an der
willfährigen und eigenmächtigen ignoranten Menschheit ist .
4-A-4-1
O2- Tiefenprofile in Meeren
O2 (mM)
0
50
100
150
200
250
300
0
Mit zunehmender Wassertiefe und der
damit
verbundenen
Abnahme des
Sonnenlichtes nimmt die O2-Sättigung
des Meerwassers ab. Neben dem
Veratmen des O2 durch das Zooplankton
und einen Teil des Bakterioplanktons
trägt auch der zunehmende biologische
Abbau von Biomasse zur Verringerung
des O2- Gehaltes bei.
1000
2000
NordAtlantik
3000
DEPTH
(m)
Tiefe (m)
Der O2- Gehakt des Meerwassers nahe
der Meeresoberfläche ist bestimmt durch
den Übergang von O2 aus der Luft ins
Wasser (Diffusion) und der biologischen
Produktion von O2 aus CO2 durch das
marine Phytoplankton.
Die O2- Verteilung in der Tiefsee ist nicht
4000
gleichmässig; es existieren sog. O2NordMinimum-Zonen, wo es z.B. zur anPazifik
aeroben Ammoniak-Oxidation und zur
5000
Denitrifikation kommt (durch aneorobe
Vertikales
Sauerstoffprofil
in
Weltmeeren
Atmung von Bakterien entsteht molekularer Stickstoff (N2), der aus dem
Anmerkung: 1 mM = 10-6 mol/L
Wasser in die Luft entweicht). Diese
Gebiete finden sich häufig in den Tropen;
1 Mol O2 = 32 g
so gibt es im Arabischen Meer eine

250
mM
O2 = 250 * 10-6 * 32 g/L O2
bedeutende O2- Minimum Zone in Tiefen
zwischen 200 m bis 1150 m. Die Figur
= 8 mg/L O2
zeigt Minima bei ca. 1000 m Tiefe.
7-A-5-1
7 - 38
Zum Fischsterben in Gewässern
Fische brauchen Sauerstoff zum Leben. In einem
unbelasteten Gewässer ist ausreichend O2 im Wasser
gelöst (p. 7-A-5-1), sodass Fische genug O2 zur
Kiemenatmung vorfinden.
Durch einen zu hohen Nährstoffeintrag kann es
jedoch dazu kommen, dass die O2- Konzentration so
stark verringert wird (< 4 mg/L, s. p. 314, Figur links),
dass die Fische ersticken; umgangssprachlich spricht
man von einem «(Um-)kippen» des Gewässers.
In einem stehenden Gewässer oder in einem sehr
langsam fliessenden Gewässer werden kontinuierlich
Nährstoffe eingebracht, z.B. Phosphate, Silikate.
Wenn dann die Wachstumsperiode einsetzt, können
mehr Algen wachsen als vorher. Sie nutzen zur
Energiegewinnung bei Licht die Photosynthese und
erzeugen dabei O2. In der Nacht jedoch zehren sie O2
auf. Es kann dazu kommen, dass soviel O2 aufgezehrt
wird, dass die Algen selbst absterben, weil das
Gewässer völlig O2- frei wird.
Tote Fische säumen die Küste vom
Saltonsee, Kalifornien.
Fische können im O2- armem Wasser versuchen,
dicht unter die Oberfläche zu schwimmen und so
davon profitieren, dass sich dort noch Luftsauerstoff
löst. Wenn die O2- Konzentration aber zu stark
absinkt, hilft auch das nicht. Die Fische ersticken und
treiben tot auf der Wasseroberfläche.
7-A-5-2
Zur Atmung der Insekten
Trachealsystem
Stigmen
(Spiracles)
Tracheal - System
Insekten atmen unabhängig von
ihrem Zirkulationssystem. Deshalb
spielt das Blut keine direkte Rolle
für den Sauerstofftransport. Insekten haben ein hochspezialisiertes
Atmungssystem, das sog. TrachealSystem, welches aus einem Netzwerk von engen Röhren besteht,
welches Sauerstoff durch den
ganzen Körper transportiert. Das
Tracheal- System ist das direkteste
und effizienteste Atmungssystem
von aktiven Tieren. Die Röhren des
Tracheal - Systems bestehen aus
einem polymeren Material, dem
Chitin.
Insektenkörper besitzen Öffnungen, welche Stigmen (spiracles) genannt werden, die
sich vom Thorax bis zum Abdomen überziehen. Diese Öffnungen sind mit dem
röhrenartigen Netzwerk verbunden und ermöglichen den Transport von Sauerstoff in den
Körper (s. Figur) und regulieren dabei die Diffusion von CO2 und Wasserdampf. Luft tritt
durch die Stigmen in das Tracheal - System hinein und verlässt es wieder durch diese (s.
pp 325 – 327).
Erreicht Luft die Tracheolen, dann löst sich der Sauerstoff in der Flüssigkeit der
Tracheolen auf. Durch einfache Diffusion gelangt Sauerstoff in die lebenden Zellen und
CO2 tritt in die Trachealröhren. CO2 ist ein metabolisches Abfallprodukt und verlässt den
Körper wieder durch die Stigmen.
7-A-6-1
7 - 39
Wasserinsekten – Glatter Kugelschwimm - Käfer
Bei gewissen Wasserinsekten haben sich Anpassungen entwickelt, die eine Atmung
unter Wasser ermöglichen (s. pp. 332, 333). So findet man bei vielen Wasserkäfern und
anderen Wasserinsekten einen Bereich, der es durch eine besondere Oberfläche
ermöglicht, eine Luftblase zu halten (physikalische Kieme).
Der unten abgebildete Kugelschwimm-Käfer ist nicht ganz 5mm lang.; er kommt
relativ häufig in stehenden und manchmal auch in fliessenden Gewässern vor.
Der Käfer bewegt sich ziemlich schnell
schwimmend im offenen Wasser oder er
sitzt auf Wasserpflanzen.
Luftblase
Wie etliche Schwimmkäfer tankt er an
der Oberfläche Luft, wobei meistens
eine kleine Luftblase am Abdomenhinterende hängen bleibt. Die Luft gibt
ihm jedoch so viel Auftrieb, dass er
ohne Schwimmbewegung sofort nach
oben treibt. Deshalb hält er sich gern an
Wasserpflanzen oder an Algen fest.
Glatter Kugelschwimm-Käfer
mit Luftblase
Wenn er kopfüber an der Wasseroberfläche Luft tankt, legt er seine Beine
dicht an den Körper an. Von oben auf
die Wasseroberfläche gesehen, wirkt er
dann tatsächlich wie eine Kugel.
271
69
7-A-6-2
Rückenschwimmer
Die Rückenschwimmer sind eine Familie aquatischer Insekten in der Unterordnung der Wanzen.
Ihren Namen verdanken diese Insekten weil sie fast ausschliesslich mit dem Rücken nach unten,
gegen das Wasser, schwimmen. Das rührt daher, dass sie unter ihren Bauchhaaren einen
Luftvorrat gespeichert haben, sodass der Schwerpunkt zum Rücken hin verlagern wird. Rückenschwimmer sind nicht nur gute Schwimmer, sondern auch ausgezeichnete Flieger.
Rückenschwimmer erreichen eine Körperlänge von etwa 13.5 bis 18 mm. Die Körperoberseite ist
bootsförmig gewölbt. Die Bauchseite ist stets abgeflacht. Die kurzen Fühler (Antennen) liegen an
der Unterseite des Kopfes und ruhen auf einer Luftblase, welche sich in einer Grube zwischen
Kopf und Vorderbrust befindet.
Zum Atmen durchstösst das Wasserinsekt mit der Hinterleibspitze in Rückenlage die Wasseroberfläche. Die Mittel- und Vorderbeine stützen das Tier, welches durch den Luftvorrat leichter als
Wasser ist, gegen die Oberflächenspannung des Wassers ab. Beim Herausstrecken der Hinterbeine klappen an der Bauchseite zwei tunnelbildende Borstenreihen auf und nehmen Luft in sich
auf. Diese schliessen sich wieder beim Abtauchen. Diese Zuführungskanäle stehen mit Hohlräumen an der Brust und unter den Flügeln in Verbindung. Rückenschwimmer sind so förmlich mit
Lufträumen umgeben.
Rüclenschwimmer beim Luftholen
271
69
7-A-6-3
7 - 40
Referenzen: Kapitel 7
R-7-0
7.0 Einführung
R.7.0.1
a) p. 272 : Die Tierklassen
Classification of Animals / scitechblog
http://scitechblog.wordpress.com/2013/01/21/classification-of-animals
(Beschriftung der Tierklassen von P. Brüesch von Englisch auf Deutsch übersetzt)
b) Wirbetliere - http://www.tierschutz.org/tierwelu/tiergruppen/index.php
R.7.0.2
p. 273: Aeorobe und anaerone Atmung
a)
b)
c)
d)
e)
Atmung - http://de.wikipedia.org/wiki/Atmung
Aerobe Atmung - http://de.wikipedia.org/wiki/Aerobe_Atmung
Cellular respiration - http://en.wikipedia.org/wiki/Cellular_respiration
Anaerobie - http://de/wikipedia.org/wiki/Anaerobic
Anaerobe Atmung - (Gärung und anareobe Atmung)
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/&/bc/vlu/stoffwechsel/energiegewinnung.vlu/Page/...
f)
Anaerobic respiration - http://en.wikipedia.org/wiki/Anaerobic_respiration
g) Anaerobic Respiration - Simple Definition of Aerobic and Anaerobic Respiration
http://www.anaerobicrespiration.net/general/simple-definition-of-aerobic-and-anaerobic-respirations/
h) Prokayoten - http://wikipedia.org/wiki/Prokaryoten
R.7.0.3
p. 274 : Wirbeltiere - 1: Uebersicht
a)
b)
c)
d)
Wirbeltiere - http://de.wikipedia.org/wiki/Wirbeltiere
p. 274: Wirbeltiere - http://www.tierlexikon.net/wirbektiere.htm
p. 274: Wirbeltierklassen - Tabelle aus Google: Bilder - (bearbeitet von P. Brüesch)
p. 274: Vertebtate - https://en.wikipedia.org/wiki/Vertebrate
R.7.0.4
p. 275: Wirbeltiere - http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/13/bis/13-32.htm - Bild: Google.ch
R.7.0.5
p. 276: Wirbellose Tiere: Uebersicht
a) Wirbellose - http://de.wikipedia.org/wiki/Wirbellose
b) Invertebrate animals - http://en.wikipedia.org/wiki/Invertebrate
c) Liste der Wirbellosen: gefunden unter «Wirbellose Tiere – Liste»
R-7-1
7 – 41
7.1 Atmung (allgemein)
R.7.1.1
Atmung und Kreislauf
p. 278: Darstellung von Lunge und Kreislauf
a) http://www.bio.vobs.at/physiologie/a-atmung-kreislauf.htm
Erklärungen betreffend Definition von Arterien und Venen, insbesonders der Lungenarterie und
Lungenvene wurden von P. Brüesch beigefügt; Figurenbeschriftungen retouchiert.
b) Welche Arterie führt venöses Blut und welche Vene arterielles Blut?
http://www.gutefrage.net/frage/welche-arterie-fuehrt-venoeses-blut-welche-vene-arterielles-blut
Definition von Arterie und Vene
c) Arterie: http://de.wikipedia.wiki/Arterie
d) Vene: http://de.wikipedia.9rg/wiki/Vene
R.7.1.2
Lungenatmung des Menschen: pp 279, 280
a)
b)
Atmung - http://www.sign-lang.uni-hamburg.de/glex/konzepte717408.htm
Grundlagen der Atmung . DKRG - Deutsche Lebens-Rettungsgesellschaft – Ortsgruppe Burscheid
www.ogburscheid.de(infoboerse/download/Atmung.pdf
c) Pleura: p. 279 - http://de.wikipedia.org/wiki/Pleura
d) Atmung - s. u.a. Atemfrequenz, Atemminutenvolumen und Totraumvolumen
http://de.wikipedia/org/wiki/Atmung
e) Lungenbläschen: p. 280 - http://de.wikipedia.org/wiki/Lungenbl%C3%A4schen
f) Anmerkung zu: Haut – Atmung beim Menschen:
http://www.hilfreich.de/stirbt-man-wenn-die_haut-nicht-atmen-kann_2585
R.7.1.3
p. 281 Innere und äussere Atmung
(Internal respiration & external respiration)
http://biology12–lum.wikispaces.com/internal+respiration+%26+external+respiration
(vom P. Brüesch von Englisch auf Deutsch übersetzt)
R.7.1.4
p. 282: Lungenbläschen (s. auch Ref. R-7-1-2, e) von p. 280
R-7-2
R.7.1.5
p. 283: Gähnen und Schnarchen
a)
www.de.wikipedia.org/wiki//Lungenbläschen
Bild: unter «Lungenbläschen» - Bilder - Haargefässe oder Kapillaren
Text: www.wissen.de/lexikon/haargefässe // Bild: unter «Haargefässe»: Bilder
‘b) Das Gähnen
links: Gähnen - http://de.wikipedia.org/wiki/G%C3%A4hnen
c) links: Element Luft
Atmung: Einatmen, Ausatmen, gähnen
http://www.kindernetz.de/infonetz/thema/luft/atemluft/-/id=128294/nid=12894/did=12860/hekg5g/
left: Yawn (= Gähnen) - http://en,wikipedia.org/wiki/Yawn
Bilder unter; www.google.ch/search - «Gähnen»
R.7.1.6
p. 283: Das Schnarchen
a)
b)
c)
R.7.1.7
p. 283 rechts: Schnarchen - http://de.wilipedia.org/wiki/Scharchen
p. 283 rechts: Was ist Schnarchen? - http://www.smilestudio.de/schnarchen.html
p. 283 rechts: Snoring - http://en.wikipedia.org/wiki/Snoring - Bild: in Referenz R.7.1.6..b)
p. 284: Die Schlafapnoe und Apnoe - Tauchen
a) p. 284 links: Schlafapnoe - Schlafapnoe-Syndrom
http://de.wikipedia.org/wiki//Schlafapnoe-Syndrom - Bild aus Google unter «Schlafapnoe
b) Schlafapnoe-Syndrom (SAS)
http://www.lungenliga.ch/de/wallis/dienstleistungen/schlafapnoe-syndrom.html
c) Sleep apnoea) - http://en.wikipedia.org/wiki/Sleep_apnea
d) Obstruktives Schlafapnoe Syndrom (OSAS)
http://flexikon.doccheck.com/de/Obstruktives_Schlafapnoesyndrom
R.7.1.8
p. 284: Apnoe – Tauchen
a) Apnoetauchen - http://de.wikipedia.org/wiki/Apnoetauchen
b) Dekompression - (beim Aufstieg von Tauchern aus grosser Tiefe)
http://de.wikipedia.org/wiki/Dekompression
c) Free-diving - http://en.wikipedia.org/wiki/Free.diving
d) apneadiving.org - http://www.apneadiving.org/apnea-diving-records
R-7-3
7 – 42
R.7.1.9
p. 285: Die wichtigsten Atemwegerkrankungen
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
R.7.1.10
Lunge - http://de.wikipedia.org/wiki/Lunge - Erkrankungen: s. pp 3 und 4
Lungenfibrose - http://de.wikipedia.otg/wiki/Lungenfibrose
Asthma bronchiale - http://de.wikipedia.org/wiki/Asthma_bronchiale
Bronchialkarzinom - http://de.wikipedia,org/wiki/Bronchialkarzinom
Lungenemphysem - http://de.wikipedia.org/wiki/Lungenemphysem
Lungenödem - http://de.wikipedia.org/wiki/Lungen%C3%B6dem
Respiratory disease - http://wikipedia.org/wiki/Tespiratory_disease
p. 286: Die Lunge eines Hundes
a): http://www.kleintierphysio.at/35.html
Bild links: Hund mit Luftröhre und Lunge
b) http://hundinfo,jimdo.com/k%C3%B6rperbau/organe/linge/
Bild rechts: Lunge mit Kehlkopf, Lungenlappen und Herz
(Beschriftungen von a) und b) retouchiert von P. Brüesch)
7.2 Atmung der Amphibien
R.7.2.1
Atmung der Amphibien (pp 287 – 289)
p. 288: Amphibien – Übersicht - http://de.wikipedia.org/wiki/Amphibien
Text zu p. 288 - Bilder zu p. 288 aus Google unter Bilder
R.7.2.2
p. 289: Ralph Blauschevk - Amphibien und Reptilien in Deutschland - ISBN 3 7842 0317 5.
Mit 59 Abb., 158 S. - Landbuchverlag – Verlag 1985
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/irho.19860710640/abstract
(aus diesem Buch ist die Tabelle auf unserer Seite 289 entnommen)
R.7.2.3
p. 289: Atmung der Amphibien - http://www.erdkroete.de/id290:m.htm - Tabelle und Text zu p. 289
R.7.2.4
pp 288, 289: Zur Atmung der Amphibien
http://129.70.40.49/nawi/lernprogramme/Amphibien/index.php?schapter=B
R-7-4
R.7.2.5
pp 288, 289: Amphibian - http://en.wikipedia.org/wiki/Ampjibian
R.7.2.6
pp 288, 289: Forms of Amphibian Respiration
http://www.ehow.com/info_8513457_forms-amphibian-respiration.html
R.7.2.7
pp 288, 289: Breathing in amphibians
http://www.boundless.com/biology/respiratory-system-and-gas-exchange/
R.7.2.8
p. 290: aus Ref. R.7.2.4: Hautatmung
R.7.2.9
p. 290: Text aus Haut: Merkmale und Eigenschaften der Amphibien - http://www.erdkroete.de/id292_m.htm
Figur: Querschnitt durch Amphibien: Haut - gefunden in Google unter «Skin of Amphibians»  Bilder
 Diagram of amphibians skin, illustrated gas exchange - Contributers: Michigan Science Art
R.7.3.1
p. 292: Reptilien
7.3 Reptilien
a) Reptilien: Beispiele - http://de,wikipedia.org/wiki/Reptilien
Bilder aus Google unter Google: Schildkröten, Eidechsen, Schlangen, Krokodile und Chameleons
b) Reptile: http://en.wikipedia.org/wiki/Reptile
R.7.3.2
p. 293: Reptilien - Allgemeine Eigenschaften
a) Reptilien - http://www.tierplanet.de/reptilien.hrml
b) Biology of Reptiles - http://borbl426-526.blogsüot.ch/2012/01/chalaza-cloacal-plates-and-ecdysis-oh.html
c) Most Venomous Snakes - Giftigste Schlangen der Welt)
http://www.encyclopedia.com/most-venomous-snakes.html - (mit Photo der Inland Taipan Schlange)
R.7.3.3
p. 294: Merkmale der Reptilien
a) http://www.digitalefolien.de/bilologie/tiere/reptil/reptmerk.html
b) Bild der Lungen von Reptilen und Mensch
http://www.wasseragamen.net/pages/terraristik/reptilien-allgemein.php?searchresult=1&sstring=lurche
R-7-5
7 – 43
R.7.3.4
p.
295: Zur Atmung der Reptilien . - Allgemeines
a)
Reptilien – Ein Leitfaden für Zoofachhändler - Reptilien - Bundesministerium für Reptilien-pdf
bmg.gv.at/cms/home/attachements/4/2/1/CH1125/…/reptilien.pdf
Blutkreislauf - Schema des Blutkreislaufes (Lunge und Herz) von Reptilien mit Text
http://www.mathematikundschule.de/projekte/fermi/Wiki/Blutkreislauf.htm
b)
R.7.3.5
p.
296: Atmung der Echsen - Text oben aus: Lungen von Eidechsen (p. 7: c); Herz und Atmung
a) [PDF] Biologie gk 12/1-Hoffmann.it
www.hoffmeister.it/biologie/02.04reptilien.pdf
b) Bild oben link: Ref. R.7.3.4 b);: p. 7 (Bild einer Echse)
c) Atmung: Vom Krokodil zum Dino
http://www.dinosaurier.org/2001/11/19/atmung-vom-krokodil-zum-dino/
Bild oben rechts: Figur von Krokodil (Einatmen und Ausatmen)
d) Bild unten links: Krokodile sind Echsen
Eidechsen / Blindschleichen.net - http://blindchleiche.net/eidechsen/
e) Lizard Respiratory System - http://en.wikipedia.net/Lizard_Respiratory_System
R.7.3.6
a)
b)
R.7.3.7
p. 297: Schildkröten – Allgemeines - Natur-Lexikon.com – Schildkröten - (mit Bild der Schildkröte)
http://www.ausgabe-natur-lexikon.com/Schildkröten.php
Mediterrane Landschildkröten
http://www..mediterrane-landschildkröten.de/anatomie:und_physiologie_atmungssystem.php
Bild: Querschnitt eines Schildkrötenskeletts – Darstellung der Atmungsorgane
p. 298: Landschildkröten
a) Text: http://de.wikipedia.org/wiki/Landschildkr%C3%B6ten
b) Bild links: Aegyptische Landschildkröte; Google – Bilder
c) Bild rechts: Dahms Tierleben – Reptilien
http://www.dahmstierleben.de/unterwegs/national/Osnabruck/Reptilien
R.7.3.8
p. 299: Atmung der Landschildkröten
s. Referenz von R.7.3.7 b) – p. 297: Mediterrane Landschildkröten
R-7-6
R.7.3.9
p. 299: Tortoise: Landschildkröten - Basic Tortoise Anatomy & Biology
http://www.thetortoisesshop.com/basic-tortoise-anatomy-biology
R.7.3.10
p. 300: Wasserschildkröten
a) Planet Wissen Startseite.aspx
http://www,lkanet.wissen,de/natur:technik/reptilien_und amphibien/schildkroeten/
b) Red crowned Roofed Turtle (Rot gekrönte Dachschildkröte)
Eine Süsswasser-Schildkröte
http://www.conservation.org/learn/biodiversity/species/ptofiles/Pages/freshwater_turtles
c) Freshwater Turtles (Süsswaserschildkröten)
http://www.wwfpak-org/species/Freshwater_Turtles.php
(Geoclemys hamiltonii - Landschildkröte: Bild links)
d) Zwischen Wasser und Land
http://www.wwf.de/themen-projekt/bedrohte-tier-undpflanzenarten/meeresschildkröten/bedrohte-paddler/
(Echte Karettschildkröte - Meereschschildkröte: Bild rechts))
R.7.3.11
p. 301: Meerwasserschildkröten
a)
b)
c)
d)
e)
Meerwasserschildkröten - http://www.starfish.ch/Korallenriff/Schildkroete.hrml
Schildkröten-Atmung aufgeklärt
http://www.scienceticker.info/2010/06/01/schildkroeten-atmung-aufgeklaert/
Kein Land in Sicht: Schildkröte atmet unter Wasser (Moschusschildkrröte) - http://www.dieuniversitaetonline.at/dossier/beitrag/news/kein-land-in-sicht-schildkroete-atmet-unter- wasser/655.html
Turtle - http://en.wikipedia.org/wiki/Turtle
Multi-celled animals (Metazoa)
CHORDATA (VERTEBRATES) – Marine turtles - http://www.starfish.ch/reef/marine-turtles.html
R.7.3.12
p. 302: Schlangen – Allgemein - http://de.wikipedia.org/wiki/Schlangen
R.7.3.13
p. 303: Zur Atmung der Schlangen
a) http://www.ms-reptilien.de/showpage.php?pagenr=61
b) Seeschlangen - http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Seeschlangen.html
c) How do snakes breath? - http://wiki.answers.com/Q/How_do_snakes_breath
R-7-7
7 – 44
R.7.3.14
p. 304: Giftschlangen
a)
b)
c)
d)
R.7.3.15
Giftschlangen - http://www.wkipedia.org/wiki/Giftschlange
Schlangen aus dem Lexikon – wissen.de / - http://de.wikipedia.org(wiki(Fiftschlangen
Inlandtaipan - http://de.wikipedia.org/wiki/Inlandtaipan
Schlangengift - http://de.wikipedia.org/wiki/Schlangengift
Bilder von p. 304 aus Google und aus Ref. R.7.3.15 b) - (Unter «Glottis» versteht man die Stimmritze)
p. 305: Adam und Eva
a) Bild oben links: Verführung durch die Schlange - http://de.wikipedia.org/wiki/Adam_und_Eva
Gemälde von Michelangelo aus Google unter «Bilder»
b) Adam and Eve - http://en.wikipedia.org/wiki/Adamü-_anf_Eve
R.7.3.16
p. 305: Medusa
a) Bild der Medusa von Rubens aus Google unter «Bilder» - http://de.wikipedia.org/wiki/Medusa
b) Medusa - http://en.wikipedia.org/wiki/Medusa
R.7.3.17
p. 305: Aeskulap mit Aeskulapstab
a) Askulapstab - http://de.wikipedia.org/wiki%C3%84skulapstab
Bild von Aeskulap und Aeskulapstab aus Google unter «Bilder»
b) Rod of Asclepius - http://en.wikipedia.org/wiki/Rod_of_Ascepios
R.7.3.18
p. 305: Aeskuapnatter
a) http://de.wikipedia.org/wiki/%C3%84skulapnatter
b) Aescuapian Snake - http://en.wikipedia.org/wiki/Aescuöapian_Snake
R.7.3.19
p. 305: Schlangengift
a) http://de.wikipedia.org/wiki/Schlangengift
b) Snake venom - http://en.wikipedia.org/wiki/Snake_venom
R.7.3.20
p. 305: Paracelsus
a) Paracelsus - http://de.wikipedia.org/wiki/Paracelsus
b) Paracelsus - http://en.wikipedia.org/wiki/Paracelsus
c) Die medizinischen Lehren des Paracelsus - http://www.pro-natura.info/gesundheit/Paracelsus.html
R-7-8
7.4 Atmung der Vögel
R.7.4.1
p. 307: Atmung der Vögel : Allgemeines
Die Vogellunge - http://de.wikipedia.org/wiki/Lunge
R.7.4.2
p. 308: Atmung der Vögel – Lunge und Luftsack
a)
b)
Luftsack (Vogel) - http://de.wikipedia.org/wiki/Luftsack_(Vogel)
Anatomie eines Wellensittichs - http://www.wellishomepage.de/anatomie.php - Bild eines Papgeien
R.7.4.3
p. 309: Atmungszyklen der Vögel - http://www.storchennest.de/forum/viewtopic.php?p=47905
Figuren-Texte von P. Brüesch
R.7.4.4
p. 310: Weg und Synchronisierung der Luft im Atmungssystem
a)
b)
c)
Felix Liechti: Biologie der Vögel . Morphologie und Physiologie
www.camarque.unibas..ch/Morphologie_Physiologie.pdf
Birth Breathing - www.mytoss.com/airsacs.html
Mechanics of Respiration in Birds
http://www.vedmed.vt.edu/education/curriculums/vm8054/Labs/Lab26/NOTES/BIRDRESP.HTM
7.5 Systematik, Physiologie und Atmung der Fische
R.7.5.1
p. 312: Zur Systematik der Fische
a)
b)
c)
d)
e)
f)
R.7.5.2
Fische - http://de.wikipedia.org/wiki/Fische
Knorpelfische - http://de.wikipedia.org/wiki/Knorpelfische
Knochenfische - http://de,wikipedia.org/wiki/Knochenfische
Fleischflosser - http://de.wikipedia.org/wiki/Fleischflosser
Strahlenflosser - http://de.wikipedia.org/wiki/Sreahlenflosser
Fish - http://en.wikipedia.org/wiki/Fish
p. 313: Physiologie der Fische
http://www.starfish.ch/Korallenriff/Physiologie.html - (Beschriftung der Organe retouchiert)
R-7-9
7 – 45
R.7.5.3
p. 314: Gelöster Sauerstoff in Wasser – empirische Gleichungen
Dissolved Oxygen (DO) - How can I predict oxygen solubility in water?
Text: http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/solutions/faq/predicting-DO.shtm
Figur links: gefunden unter Google.ch «Sauerstofflöslichkeit in reinem Wasser» – Bilder
Figur rechts: gefunden unter Google.ch «Solubility of oxygen in seawater and freshwater» - Bilder
(Achsenbeschriftung auf Deutsch übersetzt)
R.7.5.4
p. 314: Notes_Oxygen solubility in seawater: Better fitting equations
Limnol. Oceonagr., 37 (6), 1992, 1307 – 1312 - aslo.org/lo/vol_37/issue_6/1307.pdf
R.7.5.5
p. 315: Unterschiede zwischen Knorpel- und Knochenfischen
Pädagogische Hochschule Thurgau
Unterer Schulweg 3 – CH-8280 Kreuzlingen 2
[PDF] www.phtg.ch/.../koennen-fische-rueckwärts-schwimmen?
R.7.5.6
pp. 316, 317: Kiemenatmung der Fische
a) Kiemenatmung: http://de.wikipedia.org/wiki/Kiemenatmung
b) Das Aquarium im Biologieunterricht - Atmung – Bau und Funktion der Kiemen
http://129.70.40.49/navi/lernprogramme/aquarium/atmung/bau_funktion.htm - (Text zu Figuren s. pp 316, 317)
c) Kieme - http://de.wikipedia.org/wiki/Kieme
d) Atmung der Fische - S. Kastaun and L. Dettmann - http://www.ibdoerre.com/aqua/lars/fischatmung.htm
e) Fish gill - Breathing with gills: Kiemenatmung - http://en.wikipedia.org/wiki/Fish_gill
R.7.5.7
p. 318: Haifische und Wale : Haifische
a) Haie: http://de.wikipedia.org/wiki/Haie
b) Natur und Tiere / Eure Fragen /Haie
http://www.wasistwas.de/natur-tiere/eure-fragen/haie/link//336361060d/article/stimmt-es-dass-haie-nurc) Weisser Hai taucht 1200 Meter tief
http://www.news.ch/Weosser+Hai+taucht+1200+Meter+tief/434408/detail.htm
d) Shark - http://en.wikipedia.org/wiki/Shark
R.7.5.8
p. 318: Haifische und Wale: Wale
a) Wale: http://de./wikipedia.org/wiki/Wale
b) Die Atmung von Walen und Delfinen: http://www.kinder-hd-uni.de/lufz/luft24.html
R-7-10
R.7.5.8
c) Atmung der Wale - http://www.medienwerkstatt.online.de/lws_wissen/vorlagen/showcard.php?id-1429
d) Wale: http://en.wilipedia/wiki/Whale
e) Killer whale: http://en.wikipedia.org/wiki/Koller_whale
R.7.5.9
p. 319: Lungenfische
(Bilder aus Google.ch)
a)
b)
c)
d)
Lungenfische: http://de.(wikipedia.org/wiki/Lungenfische
Afrikanische Lungenfische - http://de.wikipedia.org/wiki/Afrikanische_Lungenfische
Australischer Lungenfisch - http://de.wikipedia.org/wiki/Australischer:Kubgenfisch
Lungfish: http://en.wikipedia.otg/wiki/Lungfish
7.6 Wirbellose Tiere
7.6.1 Wirbellose: Allgemeines
R.7.6.1
p. 321: Wirbellose Tiere
a) Wirbeltiere - http://de.wikipedia.org/wiki/Wirbellose
b) Wirbellose - http://www.tierschutz.9rg/tierwelt/tiergruppen/wirbellose/index.php
c) Die systematische Einteilung der Tierwelt: Wirbellose
www.israng.ch/downloads/presentationen.../systematik_wirbellose.pdf
d) Wirbellose Tiere - http://www.nationalgeographie.de/thema/wirbellose_tiere
e) Weichtiere - http://de.wikipedia.org/wiki/Weichtiere
f) Riesenkalmare - Text: http://de.wikipedia.org/wiki/Riesenkalmare
Bild: http://de.godzilla.wikia.com/wiki/Riesenkalmare
g) Zwergwespen (s. auch Kapitel 4, p. 127)
a) http://de.wikipedia.org/wiki/Zwergwespen
b) Bild von Zwergwespe (fairy fly)
oberes Bild rechts: http://www.metroactive.com/papers/sonoma/09.07.05/sharshooter-0536-html
unteres Bild rechts: Spektrum der Wissenschaften – Bildgalerie
gefunden unter: www.google.ch
http://www.spektrum.de/artikel/972679&template-d_sdww:bildergalerie&_z=798888&:aus=974090
R-7-11
7 – 46
R.7.6.2
p. 322: Wirbeltiere und wirbellose Tiere
Beispiele von 2 wirbellosen Tieren:: Die Schnecke und die Ameise
http://www.frustfrei-lernen.de/biologie/wirbeltiere-wirbellose-tiere-biologie.html
Bild links: aus Bilder von Schnecken - www.google.ch
Bild rechts: aus Bilder von Ameisen – www.google.ch
R.7.6.3
p. 323: Atmung der Wirbellosen: Riesenkalmar und Weinbergschnecke
a) Kopffüssler
http://de.wikipedia.org/wiki/Kopff%C3%%BC%C3%9Fer
Bild links: In den Fängen des Riesenkalmars
Bild aus: Riesenkalmar - www.google.ch/search
Der Riesenkalmar ist eines der Tiere, die in Legenden und Meeresungeheuern häufig besprochen
werden. Der Forscher Steve O’Shea begibt sich auf die Spur dieser Tiere, um ihre Geheimnisse zu lüften.
s. auch Arte, 10.02 – 2013
b) Weinbergschnecken; Atmung und Blutkreislauf - Text und Bild rechts
http://weichtiere.at/Schnecken/land/weinbergschnecken/seiten/atmung_kreislauf.html
[Die Beschriftung der Figur mit den Pfeilen (in rot) wurde von P. Brüesch eingefügt]
7.6.2 Insekten
R.7.6.4
Insekten - http://de.wikipedia.org/wiki(Insekten
R.7.6.6
p. 324: Insekten – Körperbau - Figur aus www.google.ch unter Anatomie eines Insektes
R.7.6.7
p. 325: Die Atmung - Text und Bild aus:
http://www.aktion-wespenschutz-de/Wespenkoerper/Atmung/Atmung.htm
(zur besseren Lesbarkeit des Bildtextes wurde dieser von P. Brüesch neu geschrieben)
R.7.6.8
p. 326: Tracheen und Luftsäcke - Referenz zu p. 325
R-7-12
R.7.6.9
p. 327: Verzweigung der Tracheen - Stigmen
a) Bild links: Tracheen: Referenz zu p. 325
b) Die Atemöffnungen (Stigmen)
Bild rechts: http://www.faunistik.net/DETINVERT/PHYSIOLOGY/ATMUNG/atmung.html
c) Atmungswege - http://www,insektenbox.de/fibel(bau/atemhtm
R.7.6.10
p, 328: Atmung von Schmetterlingen (Betr. Fliegen s. Kapitel 4, pp 131 – 134)
a) Schmetterlinge - http://de.wikipedia.org/wiki/Schmetterlinge
b) Wie atmen Schmetterlinge?
http://www.cosmiq,de/qa/show/895629/Wie-atmet-ein-Schmetterling/
c) Der innere Aufbau der Falter
http://www.weöt-der-schmetterlinge.de/schmetterlinge-der_innere_Koerperbau_der_faöter.html
d) Butterfly - http://en.wikipedia.org/wiki/Butterfl
e) The Respiratory System of a Butterfly
http://www.ehow.com/info_8547723:respiratory-system-butterfly.html
f) Butterfly Anatomy – Enchanted Learning Software
http://www,enchantedkearning.comsubjects/butterfly/anatpmy/
g) Bild links – Aurorafalter (aus: Alarm für seltene Schmetterlinge in Europa)
http://naturschutz.ch/news/alarm-für-seltene-schmetterlinge-in-europa/41526
6. Oktober 2011 / Biodiversität / Von Stefanie Pfefferli
p. 328: Bild rechts – Tagpfauenauge - aus: www.de.wikipedia.org/Schmetterlinge
R.7.6.11
p. 329: Schmetterlinge in der Kunst
a) Gedicht und Bild links
Wilhelm Busch: Der Schmetterlingsfänger
Der Schmetterling (Gedicht)
http://www.medienwerkstatt-online.de/lws_wissen/vorlagen/showcard.php?/id=12129
Der Schmetterlingsfänger (Bild)
gefunden unter: Bild: Zeichnungen – Schmetterlingfsänger –Wilhelm Busch
b) Bild rechts - Carl Spitzweg: Der Schmetterlingsfänger - Bild gefunden unter Referenz R.7.6.10 a)
R-7-13
7 – 47
R.7.6.12
p. 330: Ameisen: Atmung – Ameisenhügel und Hochzeitsflug
(betreffend Fliegen: s. Kapitel 4: p. 130)
a)
b)
c)
d)
e)
f)
R.7.6.13
Ameisen - http://de.wikipedia.org/wiki/Ameisen - Bild: Rossameisen und Text
Ameisenhügel - aus: www.google.ch
Ventilation eines Ameisenhügels mit Figur - AntBlog – Results tagged «ant hill»
http://www.antweb.org/cgi-bin/mt/mt-search.cgi?nlog_id=1&tag=ant%20hill&limit=20
Ameisen: Start zum Hochzeitsflug - Bild und Text unter a) Ameisen
Ant - http://wikipedia.org/wiki/Ant
Ant colony - http://en.wilipedia.org/wiki/Ant_colony
p. 331: Termiten -
(betreffend Termitenflug s. Kapitel 4, p. 130)
a)
b)
c)
d)
http://de.wikipedia.org/wiki/Termiten
Termiten : http://wikipedia.org/wiki/Termite
Formosan subterranean termite - http://en.wikipedia.org(wiki/Formosan_subterranean_termite
Termiten - Heft: Begabte Baumeister – Ceruttis Wunderwelt: Begabte Baumeister
http://www.konradin.de/sixcms/detail.php?id=90563
e) Das Wunder der Termiten : Harun Yahya / Adnan Oktar
http://harunyahya.de/de/Bucher/4614/das-wunder-der-termiten/chapter/8763
R.7.6.12
pp 332, 333: Atmung aquatischer Insekten - 1 – 2
a) Atmung von aquatischen Insekten
http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/biologie/project/bach/atmung_hintergtund.html
b) Respiration in Aquatic Insects - http://www.cals.ncsu.educourse/ent425//tutorial/aquatic.html
(contains Text and pictures of pp 332 and 333)
c) Common aquatic insects The Encyclopedia of Earth - http://www.eoearth.org/view/article/151318
d) Better Breathing Underwater in Aquatuc Insects
http://thedr.agonflywoman.com/2010/02/24/aqrespefficiency /
e) Aquatic insects - http://en.wikipedia.org/wiki/Aquatic_insects
f) Atmung von aquatischen Insekten
http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/biologie/project/bach/atmung_hintergtund.html
R-7-14
Referenzen zu Anhang - Kapitel 7
7-A-1-1
Blutkreislauf - DocCheck Flexikin
Definitionen: Grosser und kleiner Blutkreislauf - http://flexikon.doccheck.com/de/Blutkreislauf
7-A-1-2
Kreislaufsysteme vor und nach der Geburt
a) Embryo-fetaler Kreislauf – Umstellung bei Geburt
Einführung – Der fetale Kreislauf (Text und Bild der geschlossenen Nabelschnur)
http://www.embrology.ch/allemand/pcardio/umstellung01.htmk - (Beschriftung des Bildes von P. Brüesch)
b) Umstellung bei Geburt – Kreislaufsituation - http://www.embryology.ch/allemand/respiratory/geburt01.html
c) Wissen.de - Welche Bedeutung hat der erste Atemzug des Kindes?
http://www.wissen.de/bildweb/geburt-welche-bedeutung-hat-der-erste-atemzug-des-kindes
7-A-1-3
Vom fetalen Kreislauf bis zum ersten Atemzug
Text aus Referenz 7-A-1-2 a) und b); Übersetzung der Fremdwörter wie «ductus», «ductus venosus»,
«ductus arteriosus», «Foremen ovale», etc. aus: www.google.ch
7-A-1-4
p. 7-A-1-4: Das menschliche Atmungssystem – Figuren - Encyclopedia Britannica
Physioogy - Written by Arthur A. Siebens, M.D.
http://www.britannica.com/EBchecked/topic/499530/human-respiratory-system/66147/The-mechanism-of-breathing
7-A-1-5
p. 7-A-1-5: Belüftungsenergie und Belüftungstechnologie
Physiological Responses to Oxygen and Carbon Dioxide in the Breathing Environment
W. Jon Williams, Ph.D National Institute for Occupational Safety and Health, USA (2009)
http://www.cdc.gov/niosh/...//9cO202PresentWJW-pdf
7-A-1-6
p. 7-A-1 6: Zum Schlafen in schlecht belüfteten Schlafzimmern
a) Ventilation Energy and Environmental Technology - Bedroom Ventilation
http://www.veetech.org.uk/Bedroom%20Ventilation.htm - [Text von Englisch auf Deutsch übersetzt von P. Brüesch]
b) Dynamics of Changes of Carbon Dioxide Concentrations in Bedrooms - Piotre Batog and Marek Badura
Department of Heating and Air Conditionning, Faculty of Environmental Engineeringm Wroclaw University of
Technology, Wybrzeze . Wyspianskiego St., 50 – 370 Wroclaw, Poland - ELSEVIER – SciVerse ScienceDirect
Procedia Engineering 56 (2013) 157 1 82 - www.elsevier.com/locate/procedure
R-7-15
7 – 48
7-A-1-7:
p. 7-A-1-7: Evaluation of indoor air composition time variation in air-tight occupied spaces during night periods
Detelin Markov in: AIP Conf. Proc. 1497, 61 (2012) - https://www.researchgate.net/publication/258573843_
Evaluation_Of_Indoor_Air_Composition_Time_Variation_in_Air-tight_Occupied_Spaces_During_Night_Period
7-A-4-1
Respiratory Sysrem - Figur showing Inspiration and Expiration of Birds
Birds: Adaptations for Flight - http://sunny.moorparkcollege.edu/~econnolly/Bird.htm
7-A-5-1
Ozean: Sauerstoffverteilung
a) Text: http://de.wikipedia-org/wiki/Ozean
b) Figur: [PDF] GASES IN SEAWATER - www.vub.ac.be/.../Chapter%205%20Gases%in%2
7-A-5-2
a) Dem Meer fehlt der Sauerstoff - Peter Ruegg: Veröffentlicht am 12.1.2012
http://www.ethlife.ethz.ch/archive_articles/120112_sauerstoffarme_meere_per
b) Fischsterben - http://de,wikipedia.org/wiki/FISCHSTERBEN
a) Biology -http://enx.org/contents/185chf87-c72e-48f5-b51e-f14f1275eabd@9.45:204 – Bild und Text zum Ins
b) How do Insects Breathe ? - http://insects.about,com/od/morphplogy/f/breathing.htp
7-A-6-1
Zur Atmung der Insekten
a) Biology - http://enx.org/contents/185chf87-c72e-48f5-b51e-f14f1275eabd@9.45:204 (Bild und Text zum Ins
b) How do Insects Breathe ? - http://insects.about,com/od/morphplogy/f/breathing.ht
4-A-6-2
Aquatische Insekten – Glatter Kugelschwimm – Käfer
a)
b)
c)
d)
e)
f)
7-A-6-3
Insekten - http://de.wikipedia.org/wiki/Insekten
Glatter Kugelschwimmer - http://de.wikipedia.org/wiki/Glatter_Kugelschwimmer
Glatter Kugelschwimmer, Käfer von Hyphydrus sp. - http://www.hydro-kosmos.de/winsekt/hyphkaef.htm
Gefleckter Schnellschwimmer - http://www.submers/index.php?-Gefleckter_Schnellschwimmer
Wasserkäfer und Wasserkäferlarven - http://www.hydro-kosmos.de/klforsch/wkaefer.htm
Aquatic insects - http://en.wikipedia.org/wiki/Aquatic_insects
Rückenschwimmer
a) Rückenschwimmer - http://de.wikipedia.ofg/wiki/R%C3%BCckenschwimmer
b) Rückenschwimmer - http://www.hydro-kosmos.de/winsekt/waskaef2.htm
(Enthält Bild eines Rückenschwimmers beim Luftholen)
c) Backswimmers - http://www.flycraftangling.com/index.asp?p=118
d) Notonectidae - http://en.wikipedia.org/wiki/Notonectidae - contains picture of «Backswimmer»
R-7-16
7 – 49
8. Ausgewählte
Atmosphärische
Phänomene
334
69
8-0
8.1 Gewitterwolken,
Blitz und Donner
335
8.1.1 Entstehung und Struktur von Gewitterzellen
Ein Gewitter ist eine mit luftelektrischen Entladungen (Blitz und Donner) verbundene
komplexe meteorologische Erscheinung. Im Durchschnitt treten auf der Erde etwa 1600
Gewitter gleichzeitig auf, die auf über 0.3% der Erdoberfläche stattfinden (s. Ref. 8.1.1.1).
Für eine einführende Übersicht über Gewitter, Hagel; Blitze, Tornados und Hurrikane s.
Kapitel 3, pp 71, 77, 78; und pp 93- 99.
Gewitter können entstehen, wenn eine hinreichend grosse vertikale Temperaturabnahme in
der Atmosphäre vorhanden ist, d.h. wenn die
Temperatur mit zunehmender Höhe so stark
abnimmt, dass ein Luftpaket durch Kondensation (Entstehung von kleinen Wassertröpfchen aus Wasserdampf) instabil wird und
aufsteigt. Dafür muss die Temperatur pro 100
Höhenmeter um mehr als 0.65 0C abnehmen.
Ein aufsteigendes auskondensiertes Luftpaket
kühlt sich beim Aufstieg um mehr als 0.65
0C/100 m ab (feuchtadiabatischer Aufstieg).
 Starker Hagelsturm am Bodensee
Durch die freiwerdende Kondensationswärme kühlt sich das Luftpaket jedoch weniger
schnell als die umgebende Luft ab. Dadurch wird es wärmer und damit aufgrund der
Dichteabnahme leichter als die Umgebungsluft: ein Auftrieb wird erzeugt. Aus diesem
Grund ist für die Entstehung eines Gewitters eine feuchte Luftschicht in Bodennähe
notwendig, welche über die latente Wärme den Energielieferanten für die
Feuchtekonvektion darstellt und somit die Gewitterbildung überhaupt erst ermöglicht. Die
latente Wärme ist die im Wasserdampf verborgene Energie, die bei der Kondensation in
384
69
Form von Wärme freigesetzt wird.
336
8–1
EEntstehungsprozess einer Gewitterwolke
Durch Hebung kühlt ein feuchtes Luftpaket zunächst ab (1.0 0C/100 m), bis seine Tautemperatur erreicht ist. Ab dieser Temperatut beginnt der im Luftpaket enthaltene
Wasserdampf zu kondensieren und es bildet sich eine Quellwolke, die schliesslich bei
geeigneten Bedingungen zu einer Gewitterwolke, einem sog. Cumulonimbus, anwachsen kann. Beim Kondensationspunkt wird die im Wasserdampf gespeicherte Energie in
Form von Wärmeenergie freigesetzt, wodurch die Temperatur steigt. Dadurch sinkt die
Dichte des Luftpaketes relativ zur Umgebung und erhält dadurch zusätzlichen Auftrieb.
Liegt eine sog. bedingt labile Schichtung der Atmosphäre vor, so steigt das Luftpaket
bis in eine Höhe auf, wo die Temperaturdifferenz pro Höheneinheit (Temperaturgradient)
wieder abnimmt. Dadurch verringert sich der Temperatur- und Dichteunterschied im
Vergleich zur Umgebungstemperatur wieder. Ist die Dichte des Luftpakets schliesslich
gleich der Dichte der Umgebungsluft, verschwindet die Auftriebskraft und die
aufsteigende Luft wird gebremst. Dieses Niveau wird Gleichgewichtsniveau genannt.
Meistens befindet sich das GleichgewichtsNiveau in der Nähe der Tropopause (Kapitel 1,
pp 7 und 9). Diese liegt in Mitteleuropa
zwischen 8 km Höhe im Winter und 12 km im
Sommer. In den Tropen liegt die Tropopause
auf ca. 16 km Höhe.
Cumulonimbus - Wolke
Aufgrund ihrer Trägheit können die Luftpakete
über
das
Gleichgewichtsniveau
hinausschiessen. Solche «overshooting tops»
können Höhen von über 20 km erreichen.
384
69
337
Luftströmungen in Wärmegewittern und Kaltfrontgewittern
Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Gewittern: Das Luftmassengewitter, zu dem das
Wärmegewitter gehört, und das Frontgewitter, zu dem das Kaltluftgewitter gehört. Die
Charakteristika des Wärmegewitters und des Kaltluftgewitters sind untenstehend dargestellt.
Wärmegewitter entstehen in Mitteleuropa fast ausschliesslich im
Sommerhalbjahr. Die starke Sonneneinstrahlung erwärmt die
Luft vor allem in Bodennähe (untere rote Pfeile) und lässt zudem
viel Wasser aus dem Boden durch Gesamtverdunstung (Evapotranspiration) entweichen. Die Temperatur steigt vor allem am
Boden stark an, während sie in der Höhe nahezu konstant bleibt.
Ab einer bestimmten Temperatur (Auslösetemperatur) beginnen
Wärmeluftblasen in die Höhe zu steigen, da sie wärmer und
somit leichter sind als die Luft in ihrer Umgebung. Mit zunehmender Höhe kühlen sie sich ab und erreichen schliesslich das
Kondensationsniveau. Ist die Atmosphäre darüber feuchtlabil
geschichtet, so werden auf diese Weise thermische Gewitter
ausgelöst. Wärmegewitter treten meistens in den Nachmittagsund Abendstunden auf.
Das Kaltfrontgewitter wird ausgelöst durch das Zusammentreffen feuchter Wärmeluft mit einer Kaltluftfront. Der Effekt ist
ähnlich wie bei einem Wärmegewitter (s. nebenstehende Figur).
Wenn eine Kaltfront aufzieht, schiebt sich die kalte Luft wie ein
Keil unter die feuchtwarme Luft., sodass diese in die Höhe gehoben wird. In einer bestimmten Höhe kondensiert der
gasförmige Wasserdampf zu Tröpfchen und es bilden sich
Quellwolken, die schliesslich bei geeigneten Bedingungen zu
Gewitterwolken anwachsen können.
384
69
338
8–2
8.1.2 Entstehung elektrischer Ladung in einer Gewitterwolke
In der Natur ist ein Blitz eine Funkenentladung zwischen einer Wolke und der Erde (Bodenblitz),
innerhalb einer Wolke oder zwischen zwei Wolken (Wolkenblitz) oder von der Erde zu einer Wolke
(Aufwärtsblitz) (s. p. 340). In der Regel tritt ein Blitz während eines Gewitters infolge
elektrostatischer Aufladung der wolkenbildenden Wassertröpfchen oder der Regentropfen auf. Er
wird dabei von Donner begleitet und gehört zu den sog. Elektrometeoren. Dabei werden elektrische
Ladungen (Elektronen oder Gas-Ionen) getrennt und ausgetauscht, d.h. es fliessen elektrische
Ströme. Am häufigsten beobachtet man Blitze bei Cumulonimbus- Wolken (s. p. 337 und
untentstehende Figur; man beachte auch die Figur von p. 77, Kapitel 3).
Der Mechanismus der Ladungstrennung innerhalb der Wolke ist noch nicht vollständig geklärt.
Eine Theorie geht davon aus, dass die Reibung zwischen Eiskristallen zu einer Ladungstrennung
führt. In einer anderen Theorie wird angenommen, dass sich fallende Regentropfen elektrisch aufladen. Eine weitere Theorie vermutet, dass grössere Regentropfen als Folge von Deformationen im
Fallen zerrissen werden und sich das grössere Fragment
positiv, das kleinere Fragment negativ auflädt (Wasserfallelektrizität). Dies könnte vor allem für den eng begrenzten
Bereich im unteren Teil der Gewitterwolke verantwortlich
sein. Eine weitere Theorie hängt mit dem Gefriervorgang
zusammen: Hier wird vermutet, dass während des Gefrierens von Wassertröpfchen positiv geladene Wasserstoffionen H+ (Protonen) zusammen mit der Eiskruste abgesprengt werden. Alle Theorien haben gemeinsam, dass
Ladungen getrennt werden und dann durch die Auf- und
Abwinde innerhalb der Wolke verfrachtet werden, was zum
Aufbau eines grossen elektrischen Feldes führt.
Bodenblitz zwischen einer
Cumulonimbus- Wolke und der Erde
Die Entladung eines Blitzes erfolgt, wenn die Ladungstrennung gross genug ist und das Durschlagspotential erreicht
hat, welches in der Praxis deutlich kleiner als 1 MV/m ist.
339
Anatomie oder Typen von Gewittern
a) Wolke-zu-Boden Blitz: WB
b) Wolke-zu-Wolke Blitz: WW
c) Intra-Wolken Blitz: IW
d) Boden-zu-Wolke Blitz: BW
340
8–3
Leitblitz, Fangentladungen und Hauptblitz
Der Blitzentladung geht eine Serie von Vorentladungen voraus, die gegen die Erdoberfläche gerichtet
sind. Dabei wird ein Blitzkanal, der sog. Leitblitz, erzeugt (A), d.h. ein elektrisch leitender Kanal wird
durch Stossionisation der Luftmoleküle durch «Runaway–Elektronen» gebildet. Der ionisierte Blitzkanal baut sich stufenweise auf (daher engl. «stepped leader»), bis er zwischen Erdoberfläche und
Wolke hergestellt ist. Die Vorentladungen sind zwar zum Erdboden hin gerichtet, variieren aber
innerhalb einiger Meter leicht ihre Richtung und können sich stellenweise aufspalten. Dadurch
kommen die Zick-Zack Form und die Verästelung des Blitzes zustande.
Kurz bevor die Vorentladungen den Erdboden erreichen, gehen vom Boden ein oder mehrere lichtschwache Fangentladungen aus (B). Eine Fangentladung tritt meistens bei spitzen Gegenständen
(Bäume, Masten, Kirchtürme) auf. Meistens trifft eine der Fangentladungen mit einer Vorentladung
zusammen und bildet einen geschlossenen Blitzkanal, den sog. Hauptblitz (C), zwischen Wolke und
Erdboden. Der Hauptblitz weist maximal 12 mm im Durchmesser auf. Durch diesen Kanal erfolgt dann
die Hauptentladung, welche sehr hell ist und als eigentlicher Blitz wahrgenommen wird. Das Leuchten
des Blitzes wird durch die Bildung von Plasma verursacht.
vL ≈
300 km/s
vH ≈
100’000 km/s
A) Leitblitz mit
B) Fangentladungen
C) Hauptblitz
Geschwindigkeit vL
Geschwindigkeit vH
341
Leitblitz von Wolke gegen Boden mit
Fangentladung vom Boden aus
Eigenschaften von Blitzen
Temperaturen: Die höchste bisher gemessene Temperatur eines Blitzes liegt bei ca. 30’000 0C (!) und
wurde für die Dauer einer Millionstel Sekunde (10-6 s) in einem Blitzkanal gemessen. Diese Temperatur
übertrifft die Oberflächentemperatur der Sonne um mehr als das Vierfache!
Durchmesser: Der sichtbare Durchmesser eines Blitzes beträgt einige cm bis 10 cm, doch ist eine
exakte Bestimmung mit Hilfe einer Fotographie sehr schwierig.
Längen von Blitzen: Vertikal verlaufende Blitze (Bodenblitze, s. p. 340) haben eine Länge zwischen 5
und 7 km; bei horizontalen Blitzen (Wolkenblitzen, p. 340) beträgt die Durchschnittslänge etwa 8 km.
Mit Hilfe von Radargeräten wurden aber auch schon horizontale Blitze mit einer Länge von 140 km
festgestellt.
Geschwindikeit: Die Geschwindigkeiten v von Blitzen liegen zwischen einem Zehntel und einem Drittel
der Lichtgeschwindigkeit c (c ≈ 300’000 km/s). Es sei v1 = 30’000 km/s und v2 = 100’000 km/s. Der
Umfang der Erde ist U ≈ 40’000 km. Daraus folgt, dass in einer Zeit von t = 1 s der Blitz sich 0.75 mal,
respektive 2.5 mal um die Erde bewegen würde.
Hauptentladung: Die Hauptentladung eines Blitzes besteht aus mehreren Stössen. Ein durchschnittlicher Blitz besteht aus 4 Entladungen, die je etwa t = 40 ms bestehen. Bei einer Spannung von U = 30
MV ist der Strom I ≈ 20 kA. Die elektrische Energie E pro Entladung ist gegeben durch E = U*I*t;
Einsetzung der obigen Werte ergibt für die 4 Entladungen E ≈ 26 kWh. Das ist eine Energie, die ein 4 –
Personen – Haushalt in etwa 2 – 3 Tagen verbraucht. Da 1 L Heizöl eine Wärmeenergie von ca. 10 kWh
enthält, entspricht die Blitzenergie von 26 kWh der Wärmeenergie von 2.6 L Heizöl. Ein sehr starker
Blitz kann etwa 10 Mal mehr Energie entladen (≈ 260 kWh  ≈ 26 L Heizöl) [s. auch p. 96, Kapitel 3].
Licht Emission: Durch die extrem hohen Temperaturen und elektrischen Felder in einem Blitzkanal
wird die Luft (O2 und N2) ionisiert, d.h. Elektronen werden weggerissen und mobilisiert. Zusätzlich
werden die Atome hoch angeregt und bilden ein Plasma. Wenn die Energe des Plasmas abnimmt,
rekombinieren die freien Elektonen und die gebundenen hochangeregten Elektronen relaxieren in ihre
Grundzustände oder in weniger hoch angeregte Zustände. Dabei werden Photonen, d.h. Strahlung
emittiert – UV – VIS und IR- Licht. Dies erklärt die gelb-weisse Farbe der Blitzkanäle.
342
8–4
8.1.3 Entstehung und Eigenschaften des Donners
Der Donner entsteht durch die plötzliche Ausdehnung der Luft, verursacht durch den extremem
Temperaturanstieg beim Durchgang eines Blitzes (25’000 bis 30’000 0C, s. p. 342). Dieser Vorgang
startet nur bei ausreichender Luftfeuchtigkeit. Die Luft dehnt sich mit einer Geschwindigkeit u
oberhalb der Schallgeschwindigkeit v aus und durbricht die Schallmauer: u > v = 340 m/s. So wird
eine Druckwelle aus verdichteten Luftmolekülen erzeugt. Das um den Blitzkanal stark aufgeheizte
Luftplasma bewirkt durch die von ihm (wenige Meter) ausgehende Stosswelle den Donnerknall.
Die Intensität bzw. Lautstärke dieses Knalls nimmt mit der Entfernung ab, da sich die Energie der
Druckwelle auf eine grössere Fläche verteilt. Während nur in unmittelbarer Nähe (bis ca. 5 km) ein
«Knall» wahrnehmbar ist, vernimmt man in weiterer Entfernung vom Blitz ein andauerndes
Raunen oder Rollen ohne Lautstärkenspitzen. Dieses «Strecken» der Druckwelle entsteht durch
Dispersion, d.h. durch unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten der einzelnen Frequenzen des
Knalls. Ausserdem spielen Reflexion und Brechung der Schallwellen sowie Winde in der durchquerten Luft eine Rolle. Aus all diesen Gründen trifft die Druckwelle zu verschiedenen Zeiten
beim Beobachter ein. Ist die Entfernung des Beobachters zum Blitz zu gross, dann wird der
Donner nicht mehr wahrgenommen und man beobachtet nur noch ein Wetterleuchten.
Im einfachsten Fall kann die Entfernung des Blitzes vom
Beobachter sehr einfach bestimmt werden: Es sei t die Zeit
in Sekunden, welche zwischen der Beobachtung des
Blitzes und der akustischen Wahrnehmung des Donnerknalls verstreicht. Dann ist die Entfernung des Blitzes
vom Beobachter gegeben durch d = v*t . Ist z.B. t = 10 s,
dann ist d = 340 m/s * 10 s = 3’400 m = 3.4 km. Diese Abschätzung gilt aber nur, wenn alle oben erwähnten
Komplikationen vernachlässigt werden können.
Zeus, der griechische Gott des
Himmels und des Donners
343
Akustische Emissionen von Blitzen
Bei einem Bodenblitz schlägt der Blitz von
der Wolke senkrecht zum Boden ein , (p.
340, Figur a)). In diesem Fall ist die
Blitzerichtung im wesentlichen senkrecht
zum Beobachter, der dann einen lauten
Knall hört.
Ist die Blitzrichtung annähernd parallel zur
Sichtlinie des Beobachters (p. 340, Figur
b)), dann hört dieser das bekannte
Donnergrollen. Diese Situation liegt dann
vor, wenn es sich um einen Wolke-zuWolke Blitz handelt.
Bei einer Kombination von Bodenblitz und
Wolke-zu-Wolke Blitz hört der Beobachter
sowohl einen scharfen Knall als auch das
Donnergrollen.
344
8–5
8.1.4
Gefahren von Blitzen und Blitzschutz
Opfer eines Blitzschlages
Tote Kühe nach Blitzeinschlag
Brennendes Haus
nach Blitzeinschlag
345
Ölraffinerie in Venezuela: Speichertank steht
nach Blitzeinschlag in Flammen
Blitzschutz durch Blitzableiter und Erdung
Benjamin Franklin (1706 – 1790) gilt al der Erfinder des Blitzableiters. Er fand heraus, dass elektrische
Ladungen von Metallspitzen angezogen werden. Im April 1749 beschreibt er seine Beobachtungen:
«Wenn elektrische Wolken über ein Land, hohe Berge, grosse Bäume, hochaufragende Türme
…ziehen, dann ziehen diese das elektrische Feuer auf sich und die gesamte Wolke entlädt sich dort».
Er montierte auf hohen Türmen Eisenstangen als Blitzableiter.
Ein Blitzableiter ist ein bis an eine exponierte Stelle geführter, geerdeter elektrischer Leiter (Aluminium
oder Kupfer- Leiter mit Durchmesser zwischen 8 und 10 mm). Ein Blitzableiter vermeidet in erster
Linie, dass ein Blitz in das geschützte Gebäude einschlägt. Der Einschlag findet stattdessen in der
Blitzschutzanlage statt. Im Falle eines Einschlages bietet die Blitzschutzanlage einen definierten,
niederohmigen Strompfad, womit Beschädigungen am geschützten Objekt vermieden werden sollen.
Damit die hohen Blitzströme sicher in die Erde abgeleitet werden können, muss die FundamentErdung eine niedrige Impedanz haben. Die Wahrscheinlichkeit, dass Blitzableiter zusätzlich Blitze
anziehen, ist so gering, dass sie sich statistisch nicht nachweisen lässt.
a) Benjamin Franklin
b) Blitzableitersystem eines Hauses
346
8–6
c) Blitzableiter an einer Statue
auf dem Bayrischen Landtag
Blitzschutz durch Faraday - Käfig
Michael Faraday (1791 - 1867) war ein englischer Naturforscher, der als
einer der bedeutendsten Experimentalphysiker gilt. Er ist u.a. der
Entdecker des Influenz- bzw. Ladungsverschiebungsgesetzes, auf welchem
der «Faradaysche Käfig» beruht (s. Figur unten links). Durch das äussere
elektrische Feld E12 der Kondensatorplatten 1 und 2 werden am
metallischen Rand 3 und 4 des Käfigs Ladungen verschoben (Influenz).
Das Gegenfeld im Innern, E34, hebt das Feld E12 auf: E12 + E34 = E = 0.
So wäre im idealen Faradayschen Käfig, der allseits geschlossen und aus
elektrisch leitendem Material besteht, zum Beispiel kein Mobilfunk oder
Radioempfang möglich. Auf diesen Grundlagen ist man bei einem Blitzschlag im Innern eines Autos am sichersten, da der Innenraum relativ
feldfrei bleibt. (s. Bild rechts unten). Aus dem gleichen Grund ist auch der
Innenraum von Flugzeugen gegen Blitzschlag gut geschützt.
Michael Faraday
Entgegengesetes
Elektrisches Feld Feld E im Faraday34
E12 im PlattenKäfig eines Plattenkondensator
kondensators
E12
2
Resultierendes
Elektrisches Feld
E12 + E23 = E = 0
im Faraday-Käfig
E = 0:
feldfreier
Raum
E34
1
3
4
2
3
4 1
347
Blitzeinschlag auf ein
geschlossenes Auto
8.1.5 Fraktale Eigenschaften von Blitzen
Das Wort fraktal stammt aus dem lateinischen «fractus» und bedeutet dort «gebrochen»
(in der Medizin gibt es ein ähnliches Wort: Fraktur). Fraktale Strukturen zeichnen sich
durch einen hohen Grad von Selbstähnlichkeit aus. Das ist z.B. der Fall, wenn ein Objekt
aus mehreren kleinen Kopien seiner selbst besteht. Dabei muss diese Selbstähnlichkeit
nicht perfekt sein, d.h. es können erhebliche Abweichungen auftreten, indem die kleinen
Strukturen nur Ähnlichhkeiten mit den grösseren Strukturen aufweisen.
In den untenstehenden Bildern sind die fraktalen Strukturen von Blitzen ersichtlich. Die
linke Figur zeigt sehr eindrücklich die fraktale Verästelung eines Bodenblitzes. In der
rechten Figur ist eine künstlich erzeugte elektrische Entladungen abgebildet.
Fraktale Struktur eines Blitzes
Elelktrische Entladungen (Lichtenberg-Figuren),
welche die natürliche Schönheit der
fraktalen Struktur zeigen.
348
8–7
8.1.6
Kugelblitze - Beobachtungen
Diese extrem seltene Blitzform sieht aus wie eine sich langsam fortbewegende Kugel. Ihr
Durchmesser ist normalerweise im Bereich zwischen 20 bis 40 cm. Photographische Belege gibt es
bis jetzt nicht.
Nicht nur Berühmtheiten wie der römische Philosoph Seneca, Plinius der Ältere, Karl der Grosse oder
Heinrich II von England und in neuerer Zeit die Physik- Nobelpreisträger Niels Bohr und Piotr Kapitza
wollen sie beobachtet haben. Auch weniger namhafte Personen berichten von unerwarteten
Begegnungen mit Kugelblitzen; im Internet sind hierzu mehr als eine Million Einträge zu finden (z.B.
Kugelblitz von Neuruppin). Andererseits scheint die Erscheinung doch so selten, dass bis jetzt keine
zuverlässigen Daten ermittelt werden konnten.
Augenzeugen berichteten, dass die Kugelblitze verschiedene Farben annehmen können, inklusive
blau, gelb und rosa bis orange. Diese Blitzkugeln kommen normalerweise während oder unmittelbar
nach einem heftigen Gewitter vor.
Kugelblitze können für mehrere Sekunden bis zu ca. einer Minute anhalten, aber sie richten
normalerweise keine Schäden an. Charakteristisch ist die Beweglichkeit dieser Erscheinungen:
Innerhalb von 2 bis 8, maximal 30 Sekunden ändern sie oft ihre Richtung, offenbar nicht vom Wind getragen, sondern sie orientieren sich an sichtbaren
Objekten. Dabei durchdringen sie auch feste
Hindernisse unverändert und oft ohne Spuren zu
hinterlassen, und der Regen fällt unbeeinflusst
hindurch. Manche Zeugen berichten von Funkenschlag
oder von einem Ende mit einem lauten Knall, der
teilweise auch Verletzungen und Beschädigungen
verursacht haben soll.
Die Existenz von Kugelblitzen wird von Wissenschaftern kontrovers beurteilt. Trotz vieler Bemühungen
wurde
kein
Mechanismus
gefunden,
der
die
Beobachtungen zu vereinen weiss. Trotzdem wird die
Existenz von Kugelblitzen zunehmend akzeptiert.
Besobachtung eines Kugelblitzes aus dem 19. Jahrhundert
349
Kugelblitze - Experimente
Kugelblitze im Labor – genauer gesagt kugelblitz-ähnliche
Plasmawolken – haben Wissenschaftler der Arbeitsgruppe
des Max-Planck Instituts für Plasma-Physik (IPP) und der
Berliner Humboldt-Universität (HUB) erzeugt. Mit einer
Unterwasserentladung wurden über einer
Wasseroberfläche leuchtende Plasmabälle erzeugt, deren Lebensdauer
knapp eine halbe Sekunde und deren Durchmesser 10 bis 20
cm beträgt.
Im Labor erzeugte kugelblitzähnliche Plasmawolke
HVSchalter
- Schalter
HVHV - Netzteil
Kondensatorbank
Der Versuchsaufbau
Parallel zu diesen Experimenten konnte von einer
Arbeitsgruppe in St. Petersburg mit elektrischen Entladungen über Wasseroberflächen kugelförmige Leuchtgebilde produziert werden, die dem Naturphänomen deutlich
näher kommen. Es gilt als wahrscheinlich, dass Gewitterblitze und Wasser bei der Geburt eines Kugelblitzes zusammen wirken müssen.
Abgesehen von der Energieversorgung durch eine Kondensatorbatterie (U = 5 kV, C = 0.5 mF) ist der Versuchsaufbau
ziemlich einfach: in ein mit Salzwasser gefülltes Becherglas
ragen zwei Elektroden, wobei eine durch ein Tonröhrchen
vom umgebenden Wasser isoliert ist. Wird Hochspannung
angelegt, so fliesst für 0.15 s ein bis zu 60 A starker Strom
durch das Wasser. Durch einen Überschlag vom Wasser aus
gelangt der Strom in das Tonröhrchen, wobei das dort
enthaltene Wasser verdampft. Nach dem Stromimpuls zeigt
sich ein leuchtendes Plasmoid aus ionisierten Wassermolekülen (s. Bild oben).
350
8–8
8.2 Erdmagnetfeld, Sonnenwind,
Magnetosphäre und Polarlichter
Ohne Abschirmung des Sonnenwindes
durch das Erdmagnetfeld wäre kein
Leben auf der Erde möglich !!
351
8.2.1 Innerer Aufbau der Erde und Erdmagnetfeld
Der innerer Erdkern erstreckt sich zwischen 5’100 km
und 6’378 km unter der Erdoberfläche. Er besteht
vermutlich aus einer festen Eisen-Nickel Legierung.
Der äussere Erdkern liegt in einer Tiefe zwischen 2’900
km und etwa 5’100 km unter der Erdoberfläche. Bei einer
Temperatur zwischen 3’000 0C und etwa 5’000 0C ist
dieser Teil des Kerns flüssig. Er besteht aus einer
Nickel-Eisen Schmelze. Im Zusammenhang mit der
Erdrotation ist die bewegliche Eisenschmelze aufgrund
ihrer elektrischen Leitfähigkeit für das Erdmagnetfeld
verantwortlich.
Innerer Aufbau der Erde
Ungestörtes Magnetfeld der Erde
(für Details s. Anhang: p. 8-A-2-1)
Das Erdmagnetfeld ist sehr schwach (0.2 bis 0.7 Gauss).
Ausserdem ist es sowohl kurz- als auch langzeitigen
Schwankungen unterworfen. Der Begriff Erdmagnetismus bezeichnet das magnetische Feld, das im
unmittelbaren Bereich der Erde und in Abwesenheit
äusserer Störungen durch den Sonnenwind beobachtet
werden kann (ungestörtes Magnetfeld). Dieses ist in
erster Näherung das Feld eines magnetischen Dipols.
Das Feld erstreckt sich aber weit in den Raum hinaus.
Dieser Raumbereich wird auch Magnetosphäre genannt
und ist stark durch den Sonnenwind gestört. (pp 353356). Zur Entstehung des Magnetfeldes (Geodynamo)
und zu seiner möglichen Umpolung s. Anhang 8-A-2-1
und 8-4-2-2.
[Zum Vergleich: Das Magnetfeld eines kleinen Stabmagneten in einem Abstand von 20 cm ist ca. 0.1 Gauss]
352
8–9
8.2.2 Sonnenwind und Magnetosphäre - 1
Der Sonnenwind ist ein Strom geladener Teilchen, der ständig von der Oberfläche der
Sonne in alle Richtungen abstrahlt.
Der Sonnenwind besteht aus geladenen Teilchen sehr hoher Energie, nämlich aus
Protonen und Elektronen sowie aus Heliumkernen (Alphateilchen); andere Atome und
nichtionisierte (elektrisch neutrale) Atome sind kaum enthalten, weshalb der
Sonnenwind ein sog. Plasma darstellt.
In Erdnähe hat der Sonnenwind eine Dichte von ≈ 5*106 Teilchen pro Kubikmeter und
eine sehr grossen Geschwindigkeit zwischen 300 bis 700 km/s! Die Sonne verliert
durch den Sonnenwind pro Sekunde etwa eine Million Tonne ihrer Masse (die
Sonnenmasse beträgt etwa 1.99»1027 Tonnen). Ohne Abschirmung des Sonnenwindes
durch das Erdmagnetfeld wäre kein Leben auf der Erde möglich!! (s. Ref. R.8.2.4, e)).
Sonnenwind: Abschirmung durch
Magnetfeld der Erde (Figur nicht massstäblich)
353
Sonnenwind und Magnetosphäre - 2
Da der Sonnenwind ein Plasma darstellt, verformt er sowohl das Magnetfeld der
Sonne als auch das der Erde (s. untenstehende Figur). Das irdische Magnetfeld hält
den Teilchenschauer zum grössten Teil von der Erde ab. Nur bei einem starken
Sonnenwind können die Teilchen in die hohen Schichten der Erdatmosphäre
eindringen und dort durch eingedrungene Sonnenwindteilchen in die Plasmaschicht
die sog. Polarlichter hervorrufen (pp 358-361). Starke Sonnenwinde können auch den
Kurzwellenfunk stören (s. Abschnitt 8.3).
Verformung des irdischen Magnetfeldes durch Sonnenwind
354
8 – 10
Sonnenwind und Magnetosphäre - 3
Wie auf pp 353 und 354 erwähnt, trifft der Sonnenwind auf seiner Reise durch das Sonnensystem
auf ein Hindernis, und zwar auf das riesige, dipolare Magnetfeld der Erde. Dieser heranströmende,
aufgeladene Partikelstrom presst das Erdmagnetfeld auf der sonnenzugewandten Seite zusammen
und dehnt es auf der sonnenabgewandten Seite zu einem langen Schweif (pp 353-356 und Bild
unten). Auf diese Weise entsteht die Magnetosphäre der Erde.
Die Berandung bzw. die äussere Begrenzung des länglichen, kometenartigen Körpers gegen den
interplanetaren Raum, ein ca. 100 km dicker Mantel, wird Magnetopause genannt. Durch seinen
hohen kinetischen Druck komprimiert der Sonnenwind die Magnetosphäre auf der Morgenseite (M)
auf eine Distanz von ca. 6*104 km von der Erde, während die Magnetosphäre auf der Abendseite (A)
zu einem Schweif mit einer Länge bis ca. 6*106 km ausgedehnt wird (p. 354, 356 und Bild unten).
Auf der sonnenzugewandten Seite entsteht im Sonnenwind durch den Übergang von einer
Überschall- in eine Unterschallströmung eine sog. stehende Schockfront bzw. Bugstosswelle. Diese
Bugstosswelle ist ca. 18’000 km von der Magnetopause entfernt. Durch die starke Abbremsung des
Sonnenwindes in der Bugstosswelle erfährt der Sonnenwind eine sog. Thermalisierung, d.h. es
kommt zu einer Umwandlung eines Grossteils seiner kinetischen Energie in thermische Energie d.h.
er erwärmt sich.
Beim Auftreffen der Sonnenwindpartikel auf
die Magnetopause kommt es aufgrund der
sog. Lorentzkraft zu einer Trennung der
Elektronen und der Protonen: Von der Erde
aus betrachtet werden die Protonen p nach
rechts, die Elektronen e nach links abgelenkt.
Sie bilden somit einen positiven Pol auf der
Morgenseite (M) und einen negativen Pol auf
der Abendseite (A). Im leitfähigen Plasma der
Magnetosphäre kann zwischen diesen Polen
ein elektrischer Strom fliessen.
p
e
M
A
Drei-dimensionale Darstellung der Magnetosphäre
355
Sonnenwind und Spiralbahnen der Ladungen an den Polen
Dieses zu p. 354 ergänzende Bild zeigt zusätzlich zur Verformung des Magnetfeldes durch den
Sonnenwind die in der Umgebung des Nordpols eindringenden Elektronen (blau unterlegter
Ausschnitt oben rechts). Dieser Ausschnitt zeigt schematisch, wie dort die Elektronen auf
Spiralbahnen um die Magnetfeldlinien in die Erdatmosphäre eindringen und durch chemische
Reaktionen mit dem Sauerstoff und Stickstoff der Luft das Polarlicht auslösen.
In dieser Figur wird gemäss den älteren Vorstellungen angenommen, dass die geladenen Teilchen
überwiegend vom Sonnenwind und der kosmischen Strahlung stammen. Die neuen Untersuchungen haben indessen ergeben, dass die Teilchen hauptsächlich in den sog, Van-Allen-Gürtel
entstehen (s. p. 357).
Bugstosswelle
magn. Pol
Sonnenwind
Sonnenwind
Sonnenwind
Spiralbahnen der Ladungen um Magnetfelder
356
8 – 11
Der Van - Allen - Strahlungsgürtel
Der Van-Allen-Strahlungsgürtel (benannt nach James Van Allen) ist ein Ring (Torus) energiereicher geladener Teilchen, die durch das magnetische Feld der Erde eingefangen werden.
Bisher wurde angenommen, dass diese Teilchen überwiegend vom Sonnenwind und der kosmischen Strahlung stammen (s. p. 356). Neueste Untersuchungen der Sonden «Van-Allen A»
und «Van-Allen B» haben jedoch gezeigt, dass der überwiegende Anteil der Teilchen im Gürtel
selbst entstehen, indem dort Atome durch elektromagnetische Felder quasi zerrissen und so
Elektronen herausgelöst werden.
Der Gürtel besteht im Wesentlichen aus zwei Strahlungszonen: Die innere von ihnen erstreckt
sich in niedrigen geographischen Breiten in einem Bereich von etwa 700 bis 6’000 km über der
Erdoberfläche und besteht hauptsächlich aus hochenergetischen Protonen. Die zweite befindet
sich 15’000 bis 25’000 km Höhe und enthält vorwiegend Elektronen.
Bedeutung für die Raumfahrt: Die Intensität der Strahlung innerhalb des Van-Allen-Gürtels kann
räumlich und zeitlich begrenzt gesundheitsgefährdende Werte annehmen. Daher darf der
Aspekt des Strahlungsschutzes bei bemanntem Raumfahrtmissionen im Erdorbit nicht vernachlässigt werden.
357
8.2.3 Das Polarlicht - Entstehung
Da die elektromagnetischen Prozesse, die für die Entstehung der Polarlichter kompliziert sind,
begnügen wir uns hier mit einer qualitativen Beschreibung.
Das Polarlicht (als Nordlicht am Nordpol, wissenschaftlich «Aurora borealis», als Südlicht am
Südpol «Aurora australis») genannt, ist eine Leuchterscheinung (genauer ein Elektrometeor), die
beim Auftreffen geladener Teilchen des Sonnenwindes (pp 353 – 355) auf die Erdatmosphäre in
den Polargebieten der Erde hervorgerufen wird. Die untenstehende Photographie zeigt ein
Polarlicht in Nordnorwegen (Referenz R.8.2.7 c)).
Die Sonnenwindpartikel (Elektronen und Protonen) besitzen eine durchschnittliche Geschwindigkeit von 500 bis 830 km/s (bis ca. 3 Millionen km/h) und ihre Dichte beträgt ca. 5 MillionenTeilchen
pro m3. Die Sonnenwindteilchen werden vom Magnetfeld der Erde gegen die magnetischen Pole
der Erde gelenkt (pp 354, 356). In der Nähe der magnetischen Pole verläuft das Magnetfeld
praktisch senkrecht zur Erdoberfläche, sodass die Teichen in die Erdatmosphäre eintreten
können (gelbe Pfeile in der Plasmaschicht der Figur auf p. 354). In der Erdatmosphäre stossen die
Sonnenwindpartikel auf die Gasmoleküle der Erde (O2 und N2) und regen diese (teilweise über
komplizierte Reaktionsketten) zum Leuchten an. Diese Reaktionen finden in einer Höhe von 100 300 km über dem Erdboden statt; dort erscheint dann das Polarlicht. Zur Entstehung der
verschiedenen Farben der Polarlichter s. Anhang 8-A-2-3.
358
8 – 12
Polarlichter - Formen und Farben - 1
1) Corona in voller Pracht
Als Corona (nicht zu verwechseln mit
der Sonnen-Corona) bezeichnet man eine
Polarlichtform, die der Beobachter genau
im Zenith sieht.
Die einzelnen Strahlen scheinen hier
in einem Zentrum zusammenzulaufen.
2) Ruhiger Polarlichtbogen
Bei ruhigen Bedingungen, d.h. in Abwesenheit grosser «Böen» des Sonnenwindes, beobachtet man innerhalb des
Polarlichtovals den sogenannten
«ruhigen» Bogen».
Nördlichesr Polarlichtbogen über
Kattfjordeidet bei Tromsø - Norway
Er erstreckt sich in ost - westlicher
Richtung über den Himmel und kann
über 10 Minuten lang ruhig stehen.
359
Polarlichter - Formen und Farben - 2
3) «Bänder» - Polarlichter
Treten Störungen im Sonnenwind auf,
dann verformt sich der «ruhige» Bogen
und es können Beulen oder Falten
entstehen.
Man spricht dann von «Bändern», weil
diese Erscheinungen wie Leuchtbänder
über den Himmel fliessen. Sie wechseln
schnell ihre Farbe, Form und Helligkeit.
4) «Vorhang» - Polarlichter
«Vorhänge» nennt man schliesslich
dünne, schleierförmige Polarlichter, die
bis zu mehreren 100 km Höhe
hinaufreichen.
Oft scheinen helle Sterne durch sie
hindurch (in der vorliegenden
Fotographie nicht vorhanden).
360
8 – 13
Polarlichter – Formen und Farben - 3
b) Nordlicht von Kanada
(Northern light of Canada)
a) Aurora über dem Otertind (Norwegen)
c) Polarlicht in Island
d) Polarlicht in der Nähe von München
361
8 – 14
8.3 Heaviside – Schicht
und Kurzwellenrundfunk
362
8.3.1 Die Ionosphäre mit Kennelly - Heaviside - Schicht
Die Ionosphäre ist ein Teil der Thermosphäre. Sie enthält eine grosse Menge von
Ionen und freien Elektronen (s. Figur). Sie
beginnt oberhalb der Mesosphäre in einer
Höhe von ca. 100 km und geht letztlich in
den interplanetaren Raum über (s. Kapitel 1,
pp 7, 9; Kapitel 2, pp 35, 44).
Die Ionosphäre entsteht durch Absorption
ionisierender solarer Strahlung, vor allem
durch
energiereiche
elektromagnetische
Wellen (UV- und Röntgenstrahlung) aber auch
durch Teilchenstrahlung, hauptsächlich Elektronen und Protonen (p. 354).
F
E
Die Ionosphäre der Erde erlangte ihre
praktische Bedeutung für den weltweiten
Funkverkehr, weil sie Kurzwellen reflektiert
und damit weltweite Verbindungen ermöglicht
und weil ihre freien Elektronen und Ionen die
Ausbreitung von Radiowellen mit wachsender Wellenlänge zunehmend dämpfen.
Temperatur der Atmosphärenschichten mit Elektronendichte (E- und F-Schichten) der Ionosphäre
363
8 – 15
Die Figur zeigt auch die E-Schicht, die sog.
Kennelly-Heaviside-Schicht der Ionosphäre.
Sie befindet sich in einer Höhe zwischen 110 130 km. Diese ist für den weltweiten Funkverkehr von grosser praktischer Bedeutung,
weil sie Kurzwellen reflektiert (s. p. 364).
8.3.2 Die Kennelly - Heaviside – Schicht und Kurzwellenrundfunk
Arthur Edwin Kennelly (1861 – 1939) und
Oliver Heaviside (1850 – 1925) entdeckten
in der Ionosphäre die sog. KennellyHeaviside-Schicht, die auch als E-Schicht
bezeichnet wird. Die E_Schicht wurde
1902 von den beiden Forschern unabhängig entdeckt. Daneben gibt es auch die
prominente F-Schicht (s. pp 363 und 365).
Auf dieser Seite betrachten wir nur die
Reflexion an der E- Schicht.
Oliver Heaviside
Arthur Edwin Kennelly
An der E-Schicht werden Radiowellen im
Kurzwellenbereich mit Frequenzen zwischen 3 MHz bis 30 MHz, d.h. im Wellenlängenbereich von 100 m bis 10 m
reflektiert und können nach MehrfachReflexionen am Boden sehr weite
Strecken rund um die Erde zurücklegen.
[Ist f die Frequenz in Hz = 1/s und λ die
Wellenlänge in m, dann gilt λ = c/f, wobei c
= 3*108 m/s die Lichtgeschwindigkeit ist].
Reflexion von Kurzwellen an
der E-Schicht der Ionosphäre
364
Reflexion von Kurzwellen an den E- und F- Schichten
Die Figur auf p. 363 zeigt, dass das Maximum der E- Schicht bei ca. 120 km liegt und dass die
maximale Elektronendichte etwa 6*104 Elektronen pro cm3 beträgt. Die F- Schicht hat ihr Maximum bei
ca. 300 km mit einer Elektronendichte von ca. 106 Elektronen pro cm3. Die Brechungsindizes in den
Tropo-, Strato- und Mesosphären (p. 363) sind praktisch gleich 1, n ≈ 1. Wegen den verhältnismässig
guten elektrischen Leitfähigkeiten in den E- und F- Schichten (bedingt durch die quasi-freien
Elektronen und Ionen) sind die Brechungsindizes nE und nF in diesen Schichten kleiner als 1.
Ist der Einfallswinkel a der Kurzwellen grösser als ein kritische Winkel aC, dann wird wegen nE < 1
und nF < 1 die Welle an den leitenden Schichten reflektiert, und die Kurzwelle trifft nach einer
bestimmten Strecke wieder auf die Erdoberfläche (s. Figur und Ref. R.8.3.3 (e)). Ein grosser Teil des
Erdbodens absorbiert sehr wenig Strahlung, d.h. er ist verlustarm, insbesondere bei Reflexion an den
leitfähigen Meeren, aber auch bei Reflexion am feuchten Boden (Grundwasser). Aus diesen Gründen
besitzen Kurzwellensignale durch Mehrfachreflexionen oft weltweite Reichweiten. Dies wurde schon
im 1. und 2. Weltkrieg zwecks Propaganda und Informationsaustausch intensiv eingesetzt. Im 2.
Weltkrieg sowohl von den Deutschen (Nazi- Propaganda-Minister Dr. Joseph Goebbels) als auch von
den Alliierten.
F
E
a
a
365
8 – 16
8.4 Weitere Atmosphärische Phänomene
366
8.4.1 Der Regenbogen
Ein Regenbogen ist ein Phänomen der atmosphärischen Optik , das als kreis bogenfarbiges Lichtband mit vielen Spektralfarben in einer charakteristischen
Farbreihenfolge wahrgenommen wird .
Ein Regenbogen entsteht durch das Wechselspiel annähernd kugelförmiger
Wassertropfen mit dem Sonnenlicht , welches bei Ein - und Austritt aus dem
Tropfen wellenlängenabhängig gebrochen und an der rückwärtigen inneren
Oberfläche des Tropfens richtungsabhängig reflektiert wird .
Regenbogen: ausführliche Darstellung in «WASSER» von P. Brüesch; Ref. R.0.B, Abschnitt 7.2
367
8 – 17
8.4.2 Halos: Entstehung und Form
Ein Halo ist ein Sammelbegriff für Lichteffekte der atmosphärischen Optik, die durch Brechung und
Reflexion von Licht an kleinen Eiskristallen in der Atmosphäre entstehen. Damit Halos entstehen
können, müssen die hexagonalen Eiskristalle
möglichst regelmässig gewachsen und durchsichtig sein. Meist bilden sie sich in einer Höhe
von 8 bis 10 km, können aber auch bei der
untergehenden Sonne entstehen.
Kleine Eiskristalle von wenigen Zehntel Millimeter Durchmesser können lange in der Luft schweben und
nehmen dabei keine bevorzugte Orientierung ein.
Das Sonnenlicht wird beim Eindringen in solche Kristallite gebrochen und tritt in Abhängigkeit von der Orientierung der Kristalle und dem
Einfallswinkel des Lichtes nach (mehrfacher
Reflexion im Innern der Kristalle) wieder aus.
Phantastischer Sonnen-Halo der unter
Beim Austritt wird es ein weiteres Mal gebrochen.
gehenden Sonne über Stockholm
Die in der Abbildung links gezeigten zwei
Ein Halo kann auch
Brechungen mit Lichteintritt auf Fläche 1 und
durch das Mondlicht
Lichtaustritt auf übernächster Fläche 3 erzeugen
entstehen: s. p. 8-A-4-3
eine minimale Lichtbrechung von 22o bezüglich
des einfallen-den Sonnen- oder Mondlichtes.
(s. Anhang 8-A-4).
Eeintredendes
1
Sonnenlicht
2
Eiskristall
3
220 Winkel
Eaustretendes
Sonnenlicht
Lichtbrechung an einem Eiskristall
368
22 Grad Halo durch Lichtbrechung an Eiskristallen
8.4.3 Das Elmsfeuer: Allgemeines und Geschichte
Ein Elmsfeuer (Sankt-Elms-Feuer) ist eine seltene, durch elektrische Ladungen hervorgerufene
Lichterscheinung. Erasmus Elmo ist nach dem heiliggesprochenen Bischof und Märtyrer Erasmus
von Antiochia (ca. 240-303 n. Chr., italienisch Elmo) benannt, den die Seeleute anrufen, wenn sie
durch einen Sturm in Not geraten.
Bei einem Elmsfeuer handelt es sich um eine kontinuierliche Korona-Entladung in der Atmosphäre,
die bei gewittrigen Wetterlagen mit elektrischen Feldstärken von mehr als 100 kV/m auftritt. Das
Elmsfeuer kann unter diesen Bedingungen an hohen, spitzen Gegenständen, wie z.B.
Schiffsmasten, Kirchtürmen, Bergspitzen und Stacheldrahtzäunen beobachtet werden. Es tritt auch
an Frontscheiben von Flugzeugen auf. Es handelt sich in der Regel um eine sog. Spitzenentladung.
Sant Elmo oder
Hl. Erasmus
369
8 – 18
St. Elmo’s Feuer an
Schiffsmasten
Das Elmsfeuer: Physikalische Aspekte
Physikalisch gesehen könnte man das Elmsfeuer als eine Art kontinuierlichen
schwachen Blitz bezeichnen. Während oder kurz vor einem Gewitter ist die Luft
stark elektrisch aufgeladen und diese Spannung erzeugt in der Nähe von
exponierten Gegenständen hohe elektrische Feldstärken.
Wenn die Spannung genügend hoch ist, fliesst Strom zwischen der geladenen
Luft und z.B. der Mastspitze eines Schiffes, der Nase eines Flugzeuges oder einer
Bergspitze. Die Luft wird ionisiert und ein flammenähnlicher, blassblau
flackernder Lichtschein entsteht. Die büschelförmige Lichtererscheinung kann
eine Länge von 30 bis 50 cm erreichen und länger als eine Minute anhalten.
St. Elms-Feuer von einem
Flugzeug aus beobachtet
370
8.4.4 Das Purpurlicht
Das Purpurlicht ist eine Dämmerungserscheinung, die am Himmel purpurfarben leuchtet. Es
beginnt etwa 15 Minuten nach Sonnenuntergang über dem Westhorizont, wenn die Sonne etwa 2o
unter dem Horizont steht. Es entsteht durch Streuung und Reflexion an kleinen Staubpartikeln und
Dunst in der Atmosphäre. In der Dämmerungsphase ist der Leuchteinfallswinkel sehr günstig, weil
in die unteren Schichten kein direktes Sonnenlicht einfällt und Streulicht produziert. Das Streulicht
der Staubteilchen wird dadurch weniger überstrahlt und dann sichtbar.
Das Auftreten, die Sichtbarkeit und die Stärke des Purpurlichtes sind stark von den Wetter- und
Beobachtungsbedingungen abhängig; sie hängen vom Luftdruck und den Windverhältnissen in der
Stratosphäre ab. Ursache für starke Purpurlichter können grosse Waldbrände, Vulkanausbrüche
und Luftverschmutzung über Großstädten sein.
Das Purpurlicht ergibt sich durch die überlagerte Wahrnehmung des roten Streulichtes aus den
unteren dunstigen Schichten und dem blauen Streulicht aus den hohen Schichten der Atmosphäre.
Durch Rayleigh-Streuung [s. Ref. R.8.4.5 c)] an den Luftmolekülen des weissen Sonnenlichtes
gelangen die blauen Anteile zum Beobachter. Die Dunstanteile in den unteren Schichten
verursachen eine Mie-Streuung [s. Ref. R.8.4.5 e)].
Das Purpurlicht ist eine
Dämmerungserscheinung
Purpur und violett sind ähnlich, obwohl
Purpur näher bei rot ist. In der Optik
besteht aber ein wichtiger Unterschied:
Purpur ist eine zusammengesetzte
Farbe aus rot und blau. Violett ist
dagegen eine spektrale Farbe mit einem
Wellenlängenbereich l im sichtbaren
Spektrum: 400 nm < l < 450 nm.
371
8 – 19
8.4.5 Nachthimmelsleuchten - Airglow
Airglow bzw. Nachthimmelsleuchten bezeichnet ein schwaches Leuchten höherer AtmosphärenSchichten. Es wurde 1868 vom Astronom und Physiker Anders Ångström entdeckt.
Die Resthelligkeit eines mondlosen Nachthimmels resultiert nicht allein aus künstlichen Lichtquellen am Boden, der indirekten Streuung von Sonnenlicht und dem Licht der Sterne, sondern
auch aus Prozessen in der Ionosphäre (pp 363, 364). Die Gasatome und Gasmoleküle (vor allem
Sauerstoff und Stickstoff) werden durch die solare UV-Strahlung ionisiert und dissoziiert. Bei der
Rekombination der Teilchen wird Strahlung im sichtbaren Bereich ausgesandt, die noch bis lange
nach Sonnenuntergang anhält.
Das bei Tag durch diesen Prozess entstehende Licht ist wesentlich intensiver als das nächtliche,
wird jedoch durch das Licht der Sonne überstrahlt. Von ausserhalb der Erdatmosphäre erscheint
das Airglow als leuchtende Ringe in einer Höhe von ca. 90 bis 500 km über der Erdoberfläche
wobei vor allem ein grünes Band in 90 bis 100 km Höhe dominiert.
Durch Untersuchungen mit Raumsonden soll festgestellt werden, ob in Zukunft Satelliten nach
dem «Airglow» ausgerichtet werden können statt wie bisher nach der Sternenkarte.
Satelliten-Beobachtung des «Airglow»
«Airglow»: Science and Analysis Laboratory / NASA
372
8.4.6 «Rote Kobolde» - «Elfen» und «Blaue Strahlen»
Rote Kobolde (Red Sprites), Blaue Strahlen (Blue Jets) und Elfen (Elves) sind Himmelserscheinungen, die alle mit starken Gewittern verbunden sind.
Rote Kobolde erscheinen als rötliche oder leuchtend rote Entladungen, die stramm aufwärts verlaufen, und deren Blitzkanäle meist kurz nach Austritt aus der Wolkendecke zerfallen. Rote Kobolde
treten in Höhen von bis zu 75 km auf und erreichen Längen von bis zu 20 km. Das sich zerteilende
Kopfende dehnt sich bis auf 50 km aus. Ab 1991 werden Red Sprites gezielt während verschiedener
Space-Shuttle-Missionen aufgezeichnet. Die Beobachtungen durch Radarstationen am Boden ergaben, dass Red Sprites stets nur über der Wolkendecke von besonders heftigen Tropengewittern im
Bereich der Mesosphäre (55 – 85 km Höhe) erscheinen. Ihre Lebensdauer liegt im Bereich von einigen
Millisekunden. Zur Entstehung von Red Sprites gibt es unterschiedliche Theorien (s. Ref. 3.8.4.7).
Thermosphäre
Blaue Strahlen: In rund 40 km Höhe entstehen
auf ähnliche Weise auch weiss-bläuliche, stichflammenähnliche Entladungen, sog. Blue Jets,
die einige Zehntelsekunden dauern und im Berreich der Stratosphäre aus der Wolkenoberdecke
regelrecht herausspringen. Sie ragen bis zu 25
km in die Höhe, bevor sie sich auflösen. Sie
scheinen von Wolken-Boden Entladungen unabhängig zu sein.
100
Elfe
Mesosphäre
Roter
Kobold
50
Blaue
Strahlen
Troposphäre
Elfen: Ein weiteres Ereignis sind sog. Elven, die
in einer Höhe von 60 bis 105 km (Mesosphäre
und Thermosphäre) erscheinen und oft mit Roten
Kobolden auftreten. Sie sind ringförmig und
breiten sich in einem Radius von bis zu 500 km in
Bruchteilen einer Sekunde flächendeckend aus.
Erste Beobachtungen von Elfen konnten 1992
dokumentiert werden.
Höhe (km)
Stratosphäre
10
Blitz
Roter Kobold – Elfe – Blaue Strahlen
373
8 – 20
Anhang : Kapitel 8
8-A-0
Magnetfeld der Erde: Geographische Erdpole und Magnetpole
a) Querschnitt durch die Erde
b) Erde mit Magnetfeld (Nahfeld)
Magnetfeld in Erdnähe
(ungestörtes Magnetfeld)
- Flüssiger äusserer Kern (2900 - 5150 km):
Temperatur: 3700 – 4600 0C; Dichte ca. 12.1 g/cm3;
- Druck: 1500 – 3400 kbar;
- Fester innerer Kern (5150 - 6371 km):
Temperatur: 4600 – 6000 0C; Dichte ca. 12.5 g/cm3,
Druck: 3400 – 3600 kbar
(3600 kbar = 3.6 Millionen bar !)
8-A-2-1
8 – 21
Abnahme des Erdmagnetfeldes - Pol – Umkehr - 1
Magnetisches Dipolmoment m (1022 Am2)
Aufgrund der Rekonstruktion des Paläomagnetfeldes anhand erstarrten Magmas der ozeanischen
Kruste weiss man, dass sich das Erdmagnetfeld im Mittel etwa alle 250’000 Jahre umkehrt. Zuletzt hat
sich dies allerdings vor etwa 780’000 Jahren ereignet. Der Polsprung, also die magnetische
Feldumkehr, dauerte etwa 4’000 bis 10’000 Jahre (Computersimulationen ergeben etwa 9’000 Jahre).
Da das Magnetfeld abnimmt, könnte in nicht allzu ferner Zukunft eine Umpolung bevorstehen
(Schätzung: Jahr 3’000 bis 4’000); diese Vermutung ist wissenschaftlich jedoch noch nicht gesichert.)
Allgemein ist zu beobachten, dass die Häufigkeit solcher Polumkehrungen in den letzten 120
Millionen Jahren zugenommen hat.
Es gibt einige Anzeichen für eine
bevorstehende Polumkehr. So gibt
8.4
es Stellen in der Kern-Mantel-Zone,
in denen die Richtung des Magnet8.3
flusses umgekehrt ist als für die
jeweilige Hemisphäre üblich. Diese
8.2
Bereiche vergrössern sich messbar
und bewegen sich immer weiter
8.1
polwärts. Mit diesem Phänomen
lässt sich die Schwächung und anschliessende Umkehrung des Di8.0
polfeldes erklären. Die nebenstehende Figur zeigt, dass das
7.9
magnetische Dipolmoment m zwischen 1’900 und 2’000 um 6.4%
7.8
abgenommen hat. Im Jahr 2014 war
m ≈ 7.72*1022 Am2. Geologische
7.7
Untersuchungen
von
Keramik1900
1920
1940
1960
1980
2000
Proben haben ergeben, dass sich
Jahr
m in den letzten 4’000 Jahren um
Abnahme des magnetischen Dipolmomentes
ca. 50% abgeschwächt hat.
im Zeitbereich zwischen 1900 und 2000
8-A-2-2
Abnahme des Erdmagnetfeldes - Pol – Umkehr - 2
Während der Phase der Umpolung wäre die Erde dem Sonnenwind stärker ausgesetzt (pp 353355; p. 8-A-1-1). Das korrespondiert mit der Beobachtung, dass in den entsprechenden
Sedimentschichten ein Artenwechsel von Kleinorganismen festgestellt werden konnte.
Möglicherweise war daher die Oszillation des Erdmagnetfeldes und die damit einhergehenden
DNA-Mutationen durch hochenergetische Strahlung ein Schrittmacher und zugleich bedeutender
Antrieb der Evolution. Allerdungs entstehen wohl durch die Wechselwirkung der Ionen des
Sonnenwindes in der Ionosphäre magnetische «Schläuche», die von der sonnenzugewandten
Seite zur Schattenseite der Erde führen. Diese Selbstmagnetisierung
führt zu einer
magnetischen Abschirmung von ähnlicher Wirkung wie das heutige Magnetfeld.
Simulation des Magnetfeldes der Erde.
Die vereinfachte Dipolnäherung ist nur im
näheren Aussenbereich der Erde gültig.
Chaotische Störung des Erdmagnetfeldes.
Das Aussenfeld lässt sich nicht mehr als
Dipolfeld beschreiben.
Das Magnetfeld der Sonne kehrt sich viel häufiger um, etwa alle 11 Jahre. Es verschwindet aber
während der Umpolung nie ganz, sondern wird chaotisch.
8-A-2-3
8 – 22
ZDie Farben der Polarlichter
Die Entstehung der verschiedenen Farben der Polarlichter ist relativ komplex. Als
Ergänzung zu p. 358 begnügen wir uns hier mit einer qualitativen Diskussion.
Die aus der Magnetosphäre in die Atmosphäre eindringenden Sonnenwindteilchen
stossen mit den Sauerstoff- und Stickstoffatomen und Molekülen der Luft zusammen.
Dadurch werden diese angeregt, d.h. durch den Zusammenstoss wird ein äusseres
Elektron eines Luftteilchens auf eine höhere Bahn (Quantenzustand) angehoben. Beim
Zurückfallen des Elektrons in den Grundzustand wird die aufgenommene Energie in
Form von Licht abgestrahlt.
Polarlichter entstehen also, wenn elektrisch geladene Teilchen des Sonnenwindes auf Sauerstoff- und Stickstoffatome oder Moleküle in den oberen Schichten der Erdatmosphäre treffen und diese ionisieren. Von der Art des
angeregten Atoms oder Moleküls der Luft hangt die Farbe
des abgestrahlten Lichtes ab. Sauerstoff sendet grünes und
rotes Licht aus, Stickstoff dagegen überwiegend blaues
Licht. Da das vom Sauerstoff abgestrahlte Licht besonders
intensiv ist, herrscht bei Polarlichtern häufig ein grüner
Farbton vor. Dabei ist das grüne Licht auf einer Höhe von
120 km bis 140 km am intensivsten, das rote Licht dagegen
meist erst oberhalb von 200 km.
Polarlicht in Island
Je nach den gerade vorliegenden Gegebenheiten beobachtet man eine oder mehrere
Grundfarben oder Mischfarben des sichtbaren Spektralbereichs. Die auf den Seiten 358 –
361 abgebildeten Fotographien zeigen die Vielfalt und Schönheit der entstehenden
Farben von Polarlichtern.
8-A-2-4
Gewisse Vögel können das Erdmagnetfeld wahrnehmen
Gewisse Vögel können das Erdmagnetfeld wahrnehmen und sich mit der
Leichtigkeit einer Kompassnadel orientieren. Es handelt sich hier um eine
ausserordentliche Fähigkeit der Zugvögel, sich auf dem rechten Weg zu halten.
Dieser unglaubliche Sinn ist eng mit einem alltäglicher Sinn verbunden – nämlich
der Sicht. Dank eines speziellen Moleküls in der Netzhaut, können Vögel wie z.B.
das europäische Rotkehlchen (s. Bild) im wahrsten Sinne des Wortes das
Erdmagnetfeld sehen. Das Magnetfeld erscheint als Lichtmuster und Schatten,
oder sogar als Farben, welche der normalen Sicht überlagert sind. Katrin Stapput
von der Goethe Universität in Frankfurt hat gezeigt, dass diese Fähigkeit zur
«Magnetorezeption» durch ein klares Bild des rechten Auges erzeugt wird.
[Für weitere Informationen: s. Referenz R.A.2.5 / Referenzen b) und c)].
8-A-2-5
8 - 23
Zum Halo: Lichtbrechung am hexagonalen Eiskristall - 1
Die untenstehende Figur zeigt die Brechung eines Lichtstrahls der Sonne an einem in
der Atmosphäre schwebenden kleinen Eiskristall (s. p. 368) (das zusätzliche Dreieck
ABC wurde aus didaktischen Gründen beigefügt). Der Winkel g beträgt 60o. In der Figur
wurde angenommen, dass der (rote) Lichtstrahl horizontal (parallel zur Seite AB) auf
den Kristall fällt und im Punkt P1 zum ersten Mal gebrochen wird. Nach seinem Weg
durch den Kristall wird er im Punkt P2 zum zweiten Mal gebrochen.
C
a : Einfallswinkel auf Kristall
1
b 1: Brechungswinkel nach Eintritt
g
n1 = 1
(Luft)
A
b 2: Einfallswinkel vor Austritt
a2: Brechungswinkel aus Kristall
d: Ablenkungswinkel:
B
a1
Brechungsindizes:
P1
b1
b2
a2
n1 = 1 (Luft); n2 = n = 1.310 (Eis)
d
P2
d = (a1 + a2) – (b 1 + b 2)
g

b1 + b2 = g
(1)
d = a1 + a2 – g
(2)
Brechungsgesetze:
n2 = n
Eiskristall
Brechung des Lichtes am Eiskristall
sin(a1) = n sin(b 1)
(3)
n sin(b 2) = sin(a2)
(4)
8-A-4-1
Zum Halo: Lichtbrechung am hexagonalen Eiskristall - 2
Im Folgenden berechnen wir mit Hilfe der Gleichungen (1) bis (4) von p. 8-A-4-1 den
Ablenkungswinkel d als Funktion von a1, g und n: Mit den trigonometrischen Formeln
sin(g-b 1) = sing cosb 1 – cosg sinb 1 sowie mit cosb 1 = (1 – sin2b 1)½ folgt zunächst nach
einfachen Umformungen:
a2 = arc sin(n sinb 2) = arc sin[sing (n2 – sin2a1)1/2 – cosg sina1]
(5)
Setzt man Gleichung (5) in Gleichung (2) ein, dann erhält man die gesuchte Beziehung:
d(a1,g,n)) = a1 – g + arc sin[sing (n2 – sin2a1)1/2 – cosg sina1]
d
n = 1.31, g = 600
a
dmin
(6)
Man kann beweisen, dass der Ablenkungswinkel d minimal ist wenn a1 = a2 =
a und b 1 = b 2 = b, d.h. bei symmetrischem Durchgang, bei dem der Lichtweg in der Figur von p. 8-A-4-1 von P1
nach P2 parallel zu AB ist. Der minimale
Ablenkungswinkel ist dann
dmin = 2 arc sin[n sin(g/2)] – g .
Für hexagonale Eiskristalle d.h. für g =
600 und n = 1.310 (gelbe Na-D Linie)
folgt: dmin = 21.80 und a = 40.90. Der Halo
hat dann bei dmin seine maximale Intensität (s. nebenstehende Figur und Halo
a1
auf p. 368).
8-A-4-2
8-A-4-2
8 – 24
Ein Mond Halo in Mandan, Nord Dakota – Februrary 2015
von Marshall Lipp
8-A-4-3
Leuchtende Nachtwolken
«Leuchtende Nachtwolken» (engl. «Noctilusent clouds» – NLC) sind silberigweisse dünne Wolken, die
in manchen Sommernächten in Nordrichtung am Horizont gesehen werden können. Im Gegensatz zu
anderen Wolkenarten, die in mittleren Breiten maximal eine Höhe von 13 km erreichen, treten die
Leuchtenden Nachtwolken in einer Höhe von ca. 83 km auf (s. Kapitel 2, p. 44). Sie können nur
gesehen werden, wenn die Sonne zwischen 60 und 160 unter dem Horizont steht. Dann werden die
«Leuchtenden Nachtwolken» noch von der Sonne beschienen, während der Himmel sonst bereits
dunkel ist. Für die Entstehung der «Leuchtenden Nachtwolken» muss die Temperatur der Mesopause
(p. 44) sehr niedrig sein. Diese tiefe Temperatur stellt sich zwischen Mitte Mai und Mitte August ein.
Bei uns erreichen die «Leuchtenden Nachtwolken» eine Höhe von ca. 200 über dem nordwestlichen
bis nordöstlichen Horizont.
«Leuchtende Nachtwolken» bestehen aus Wassereis. Um in den Höhen von 83 km bei den sehr geringen Wasserdampfkonzentration überhaupt Eis zu bilden, bedarf es sehr niedriger Temperaturen
(unter 140 K). Ferner sind entweder Staubpartikel als Kondensationskerne erforderlich oder es bilden
sich aufgrund des Dipolcharakters der Wassermoleküle sog. Wassercluster - Ionen.
«Leuchtende Nachtwolke» vom 04.07.2014
über Deutschland
8-A-4-4
8 - 25
«Noctilucent clouds» photographed by
the crew of ISS
Referenzen: Kapitel 8
R-8-0
8.1 Entstehung und Eigenschaften von Gewittern und Blitzen
R.8.1.0
p. 335: Gewitterwolken - Blitz und Donner
R.8.1.1
p. 336: (*) Anmerkung: Gewitter-aktive Fläche auf der Erdoberfläche
a) Die ca. 1600 Gewitter, welche auf der Erdoberfläche gleichzeitig auftreten, beanspruchen eine Fläche
von ca. 0.3% der Erdoberfläche. Die Erdoberfläche beträgt ca. 510 Millionen km2. Daraus ergibt sich eine Gewitter-aktive Fläche von ca. 1.53 Millionen km2 . Das entspricht etwa der Fläche des Golfs von
Mexiko mit einer Fläche von ca. 1.54 Millionen km2 b) Gewitter: http://de.wikipedia.org/wiki/Gewitter
[Enthält Bild von «Gewitterwolke eines kräftigen Hagelgewitters am Bodensee»]
R.8.1.2
p. 337: Gewitter
a) http://de.wikipedia.org/wiki/Gewitter
pp 336, 337: Thunderstorm
b) http://en.wikipedia.org/wiki/Thunderstorm
R.8.1.3
p. 338: Wärmegewitter_und_Kaltfrontgewitter
a) Informationen über die Entstehung von Gewittern, Hagel und Tornados
http://www.sturmwetter.de/texte.gewitterinfos.htm
b) Referenz R.8.1.2 a)
c) Wetter- Wärmegewitter
Front- und Luftmassengewitter: Das Wärmegewitter gehört zu der letzteren Gruppe
http://www.xn-froschkoenig-keb.info/Wetter/hotzescheiss.htm
R.8.1.4
p. 339: Entstehung elektrischer Ladung in einer Gewitterwolke
a) Blitz - http://de.wikipedia/org/wiki/Blitz
b) Lightning - http://en.wikipedia.org/wiki/Lightning
c) Wissen + Schulungsforum >> Blitz und Donner – Wie entsteht er eigentlich ?
http://www.stormhunters-germany.de/t67f37-Blitz-und-Donner-Woe-entsteht-er-eigentlich.html
d) Die Entstehung von Gewittern
10.06.2008/ Autor: Alexandra Doll – on June 16 2008 - Letzte Aktualisierung Jul. 09 2013
suite 101.de/article/die-entstehung-von-gewittern-146220
R-8-1
8 – 26
R.8.1.5
p. 340: Anatomie oder Typen von Blitzen
a)
b)
c)
d)
e)
R.8.1.6
Wolke-zu_Boden Blitz: WB
Wolke-zu-Wolke Blitz: WW
Intra-Wolken Blitz: IW
Boden-zu-Wolke Blitz: BW
Wie entlädt sich ein Blitz bei einem Gewitter?
http://www.asklubo.com/de/garten-natur/wie-entlädt-sich-ein-blitz-bei-einem-gewitter - [Bilder aus Internet]
p. 341: Leitblitz – Fangentladungen und Hauptblitz
a) Referenz R.8.1.4
b) Fangentladung - http://de.wikipedia.org/wiki/Rangentladung
c) Bild: Die drei wesentlichen Phasen einer Blitzentladung - http: kurios.at/wetter/entl.html
d) Lithtning flashes and strokes - [enthält Informationen über «Return strokes», d,h, Fangentladungen}
http://en.wikipedia.org/wiki/Lightning
R.8.1.7
p. 342: Eigenschaften von Blitzen
a) Blitz und Gewitter - http://www.ping.de/schule/pg-herne/p-wetter/bkutze/internet.htm
b) Zur Hauptentladung - Referenz R.8.1.4
c) Wärmeenergie von Heizöl.
Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr und Kommunikation (UVEK)
[PDF] Umrechnungsfaktoren / Facteur de conversation
www.erdgas.ch/fileadmin/customer/…/Data/…/umrechnungsfaktoren.pdf
d) Lightning Part 3: The Lightning Bolt
http://scexplorer.blogspot.ch/2013/01/lightning-part-3-lightning-bolt.html
R.8.1.8
p. 343: Entstehung und Eigenschaften des Donners
a) Donner - http://de.wikipedia.org/wiki/Donner
b) Thunder - http://en.wikipedia/org/wiki/Thunder
R.8.1.9
p. 344: Environment Canada – Weather and Meteorology
The Sound of Thunder: Drei Bilder von Donner mit entsprechendem Knall und Geräuschen
http://ec.gc.ca/foudre-lihghtning/default.asp?lanng-En&n=4EFD3A52-1
R-8-2
R.8.1.10
p. 345: Opfer und Brände durch Blitzeinschläge - aus: Bilder: www. Google.ch
Oelraffinerie in Venezuela: Speichertank steht nach Blitzeinschlag in Flammen
http://www.spiegel.de/panorama/venezuela-raffinerie-brennt-nach-blitzeinschlag-a-915996,htm
R.8.1.11
p. 346: Benjamin Franklin (1706 – 1790)
a) Erfindung des Blitzableiters : Benjamin Franklin - http://de.wikipedia.org/wiki/Benjamin:Franklin
b) Der Blitzableiter / Benymin Franklin - http://www.gymmuenchen.ch/stalder/klassen/sa/rev_d/blitz.html
c) Blitzableiter mit Bild von blitzableitender Statue - http://de.wikiprdia.otg/wiki/Blitzableiter
d) Blitzschutzerdung - http://de.wikipedia.org/wiki/Blitzschutzerdung
e) Lightning rod - http://en.wikipedia.org/wiki/Lightning_rod
R.8.1.12
p. 347: Blitzschutz durch Faraday – Käfig
a)
b)
c)
d)
Michael Faraday: http://de.wikipedia.org/wiki/Michael:Faraday
Elektrische Ladung / Feld: http://fehertamas.com/2009/elektrische-ladung
Faradayscher Käfig - R.8.1.8 - http://www.abi-physik.de/buch/das-elektrische-feld/faradayscher-Käfig
Elektrisches Feld und elektrische Spannung
http://www-med-physik.vu-wien.ac.at/physik/ws95/w95e0dir/w95e2000.htm
e) Faraday- Käfig: Figur aus: www.google.ch.search under «Faraday – Käfig im Feld des Plattenkondensators
(Die Figur wurde von P. Brüesch durch die Angabe der elektrischen Felder E12 und des entgegengesetzten
inneren Feldes E34 ergänzt: E12 + E23 = E = 0, wobei E das im Käfig verschwindende Feld ist)
f) Figur von Blitzschlag auf Auto: gefunden unter Bilder: «Blitschlag auf Auto-Käfig»
R.8.1.13
p. 348: Fraktale Eigenschaften von Blitzen
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Fractal Dimension of Dielectric Breakdown - L. Niemeyer, L. Pietronero, and H,J, Wiesmann
Physical Review Letters, Vol. 52, 19 March 1984, pp 1033 – 1036
Fraktal: http://de.wikipedia.org.wiki/Fraktal
Fractal: http://en.wikipedia.org/wiki/Lichtenberg/Fractal
Fractal dimension of lightning discharches - Nonlinear Processes in Geophysics (1995) 2: 101 – 106
Jacket Interview - Ben Lerner - (right-hand Figure) - http://jacketmagazine,com/26/john-lern.html
Bild links auf p. 348: Fraktale Struktur eines Blitzes - Fraktale in der Natur:
http://www.natur-struktur.ch/fraktale/fraktalnatur,html
R-8-3
8 – 27
R.8.1.14
p. 349: Kugelblitze: Beobachtungen
a)
b)
c)
d)
R.8.1.15
Kugelblitz - http://de.wikipedia.org/wiki/Kugelblitz
Ball Lightning - http://en.wikipedia.org/wiki/Ball_lightning
Arten von Blitzen – Library - library.thinkquest/org.03oct/01352/gr_ForkedLightning.htm
Kugelblitz über Neuruppin - http://www.met.fu-berlin.de/~manfred/Kugelblitz.htmk
p. 350: Kugelblitze: Experimente
a). Im Labor erzeugte kugelblitz-ähnliche Plasmawolke
gefunden unter «Kugelblitz im Labor»: www.google.ch - Bild
b) Kugelblitze im Labor IPP: Max-Plank Institut für Plasmaphysik
http://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/presse/archiv/05_06:pi.html
8.2 Erdmagnetfeld – Sonnenwind – Magnetosphäre und Polarlichter
R.8.2.0
p. 351: Erdmagnetfeld, Sonnenwind, Magnetosphäre und Polarlichter (Titel)
R.8.2.1
p. 352: Innerer Aufbau der Erde und Erdmagnetfeld
a) Bild oben: Innerer Aufbau der Erde
http://www.goruma,de/Wissen&Naturwissenschaft/Geologie/Aufvau_der_Erde.html
b) Text zu Bild oben: Innerer Aufbau der Erde
http://de.wikipedia.org/wiki/Innerer_Aufbau:der_Erde
c) Bild und Text unten - Einfluss des Erdmagnetfeldes auf Lebewesen - Magnetfeld der Erde
http://www.vitatec.com/grundlagen/einfluss-erdmagnetfeld
d) Erdmagnetfeld - http://de.wikipedia.org/wiki/Erdmagneteld
e) Earth’s magnetic field - http://en.wikipedia.org/wiki/Earth’s_magnetic:field
R.8.2.2
p. 353: Sonnenwind und Magnetosphäre – 1
a) Sonnenwind
http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenwind
b) Solar wind - http://en.wikipedia/wiki/Solar:wind
c) Sonnenwind und Weltraumwetter - www.mps.mpg.de/dolumente/.../pa/pa_0107_Weltraumwetter.pdf
R-8-4
R.8.2.3
p. 354: Sonnenwind und Erdraumwetter – 2
a) Magnetsturm – Kosmos- GEO.de - Eine Beule im Magnetfeld der Erde
http://www.geo.de/GEO/natur/kosmos/neue-explosionen-auf-der-sonne-1686.html?p=2
b) Magnetosphere - http://en.wikipedia.org/wiki/Nagnetosphere
c) Die Magnetosphäre der Erde - Max.Planck-Institut für Sonnensystemforschung
[PDF] www.mps.mpg.de/dolumente/.../pa/pa_0110_Weltraumwette
R.8.2.4
p.
355: Sonnenwind und Erdatmosphäre – 3
a)
b)
Die Magnetosphäre - www.pluslucis.univie,ac.at/FBA/FBA99/Biemat/4.pdf
Earth’s magnetic field - Bild: more realistic model of Earth’s Magnetosphere
[Die Bezeichnungen: p (Proton), e (Elektron); M (Morgenseite), A (Abendseite) wurde von P. Brüesch beigefügt]
http://www,ucalgary.ca/above/science/mag:fiekd
Lorentzfeld - http://de.wikipedia.org/wiki/Lorentzkraft
The Earth’s Magnetosphere
http://www.enchantedlearning.com/subjects/astronomy/planets/eart/Magnetosphere.shtml
Das Magnetfeld der Erde - Bodensee-Sternwarte
http://www.bodensee-sternwarte.de/grundlagen/das-magnetfeld-der-erde.htm
Ohne das vor dem Sonnenwind schützende Magnetfeld der Erde, wäre kein Leben auf der Erde möglich!
c)
d)
e)
R.8.2.5
p. 356: Sonnenwind und Spiralbahnen der Ladungen an den Polen
a) Text und : Referenz R.8.2.7 d)
(Zur besseren Lesbarkeit wurde der Figurentext von P. Brüesch retouchiert)
b) Bewegte Ladungen im Magnetfeld
3.5 Bewegte Ladungen im Magnetfeld - [PDF]
e3.physik.uni-dortmund.de/~suter/.../3.5_Ladungen_im_B-Feld.pdf
Text und Figur rechts; mit Erklärungen zur Lorentzkraft
(Zur besseren Lesbarkeit wurde der Figurentext von P. Brüesch retouchiert)
c) Umwelt im All: Weltraumwetter
http://www.erkenntnishorizont.de/raumfahrt/weltraumwetter.c.php?screen=800
d) Entstehung der Polarlichter - http://home.arcor.de/klaus.lampen/endstehung.html
R-8-5
8 – 28
R.8.2.6
p. 357: Van Allen Strahungsgürtel
a) Van-Allen-Strahlungsgürtel - www.de.wikipedia.org/wiki/Van-Allen_Gürtel/
b) Van-Allen-Gürtel: Forscher lösen Geheimnis der irdischen Strahlungsringe
SPIEGEL ONLINE – WISSENSCHAFT (26. 06. 2013)
http://www.spiegel.de/wissenschaft/weltall/van-allen-guertel-lokale-teilchensind-quelle-fuer-strahlung-um-erde-a-91325…
Laut der neuen Theorie sind es elektrische Felder innerhalb des Gürtels, die umherwandernde Atome
zerreisen und ihre Elektronen abtrennen. Diese werden dann bis zu 99% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.
c) Van Allen radiation belt - www.en.wikipedia.org/wiki/Van-Allen-radiation-belt
d) Mystery of Earth’s radiation belts solved
«Van Allen belts accelerate their own particles rather than trapping them» - Ron Cowen - 25 July 2013
http://ww.nature.com/news/mystery-of-erth-s-radiation-belts-solved-1.13452
e) Forces on a Moving Charge in a Magnetic Field: Examples and Applications
on pages 67 of this contribution; Short discussion with two Figures of magnetic field of the Earth
including the «Inner and Outer Van Allen belt - cnx.org>Content>College Physics
R.8.2.7
p. 358: Das Polarlicht - Entstehung
a) Polarlicht - http://de.wilipedia.org/wiki/Polarlicht
b) Aurora (Astronomy) - http://en.wikipedia.org/wiki/Aurora(astronomy)
c) Polarlichtseite: Foto auf p. 358)
von Katja Gottschweski (2002) - http://home.online.no/~/khgott(Polarlichseite.html
d) Deutsche Physikalische Gesellschaft – Fachverband Didaktik der Physik
Beitrag aus der Reihe; Karl-Heinz Lotze, Werner B. Schneider (Hrsg)
Wege in der Physikdidaktik - Band 5 - Naturphänomene und Astronomie
[PDF] Schlegel Kristian - Polarlicht - Solstice
www.sokstice-de/cms/upload/wege/band5/wege5-p2-70-81.pdf
R-8-6
R.8.2.8
pp 359 – 361: Fotos von Polarlichtern - Formen und Farben
a) Polarlicht: Referenz R.8.2.7 a)
b) pp 359, 360: Fotos aus Internet unter: Polarlichter - Formen und Farben
p. 360: Foto 4): - «Vorhang» - Nordlicht: Nordlicht aus den Lofoten: Erleben sie das Nordlicht
aus den Lofoten - www.rundstykke.com/nordlicht-auf-den-lofoten
c) p. 361: Foto a): Aurora über dem Otertind (Norwegen) aus: www.gogle.ch – Polarlichter
Foto b): Northern light of Canada – aus: www,google.ch – Northern light
d) p. 361: Foto c): Polarlicht in Island (aus BLOG!)
www.davidkoester.de/.../bild-des-monats-polarlichter-ueber-joekulsarien...
e) p. 361: Foto d): Polarlicht in der Nähe von München – Sonnenwinde wenden sich von Erde ab
http://www.swissinfo.ch/spa/index/Sonnenstürme_wenden_sich_von_Erde_ab.html?cid=3602258
R.8.2.9
pp 358 – 361: Polarlichter (Text) - von Dr. Otto Braumandle; Verein Antaras. NÖ Amateurastronomen
[PDF] Polarlichter – Verein Antras
www.noe-sternwarte.at/best/lib/exe/fetch.php?media...polarlichter
[Diese Arbeit enthält eine sehr gute Zusammenfassung der wichtigsten Inhalte über das Thema der Nordlichter]
8.3 Heaviside-Schicht, Kurzwellensender und Verschiedenes
R:8.3.0
p. 362: Heaviside-Schicht, Kurzwellensender und Verschiedenes
R.8.3.1
p. 363: Ionosphäre mit Kennelly – Heaviside – Schicht
a) Ionosphäre - http://de.wikipedia/wiki/Ionosph%C3%A4re
b) Ionosphere - http://en.wikipedia/org/wiki/Ionosphere
c) Die Ionosphäre und Plasmosphäre der Erde [PDF]
webdoc.sub.gwdg.de/ebook/diss/2003/fu-berlin/2002/273/kap2.pdf
R.8.3.2
p. 364: Heaviside-Schicht und Kurzwellensender
a) Kennelly – Heaviside – Schicht - http://de.wikipedia.org/wiki/Kennelly-Heaviside-Schicht
b) Fotos von Heaviside und Kennelly aus www.google.ch
Bild: «Reflexion von Kurzwellen an der E-Schicht der Ionpsphäre»
aus www.google.ch unter Bilder von «Reflexion von Kurzwellen»
c) Text: aus Referenzen von R.8.3.1
R-8-7
8 – 29
R.8.3.3
p. 365: Reflexion von Kurzwellen an den E- und F - Schichten
a) Kurzwelle - http://de.wikipedia.org/wiki/Kurzwelle
b) Kurzwellenrundfunk - http://de.wikipedia.org/wiki/Kurzwellenrundfink
c) L. Bergmann und C. Schaefer:: Lehrbuch der Experimentalphysik
Editor: De Gruyter - Band 2: Elektrizitätslehre - s. auch unter:: books.google.ch/books?isbn_3111442881; p. 382
d) Bild: Reflexion von Kurzwellen an E- und F- Schichten
Introduction to HF - Radio Propagation - http://www.ipx.gov.au/Educational/5/2/2
e) Ionospheric Wave Propagation (by David Jenn) - www.dejenn.com/EC3630/Ionosphe(v1.5).pdf
8.4 Weitere Atmosphärische Phänomene
R.8.4.1
p . 367 : Der Regenbogen - http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter12/rainbowmeadow.jpg
(Eine ausführliche Darstellung des Regenbogens findet man im Buch über «WASSER» von P. Brüesch,
Kapitel 7, Abschnitt 7.2, pp 327 – 339).
R.8.4.2
p. 368: Halos: Entstehung und Form
a) Halo (Lichteffekt) - http://de.wikipedia.org/wiki/Halo_(Lichteffekte)
b) Halo (optical phenomena) - http://en.wikipedia.org/wiki/Halo_(optical:Phenomenon)
[enthält physikalische Grundlage für minimalen Winkel von 220]
c) 22 Degree Halo: A ring of light 22 degrees from the sun or moon
http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/mtr/opt/ice/halo/22.rxml
[Bilder von Eiskristall und 22 Grad Halo; Bild unten links (Brechung an Einkristall)
von P. Brüesch retouchiert; Englische Beschriftung  Deutsche Beschriftung, etc]
d) Beautiful sun halo over Stockholm today
Bild des Sonnen-Halos über Stockholm; Photo von Tomas Oneborg
http://www.ufoeyes.com/2010/08/beautiful-sun-halo-over-stockholm-foday
Bild des Sonnen-Halos der untergehenden Sonne über Stockholm
R.8.4.3
p. 369: Das Elmsfeuer: Allgemeines und Geschichte
a) Erasmus von Antiochia - http://de.wikipedia.org/wiki/Erasmus_von_Antiochia - Bild von St. Elmo
b) Elmsfeuer - http://de.wikipedia.org /wiki/Elmsfeuer:
Bild von Schiff in Not mit Elm’s Feuer an den Mastenspitzeh
c) St. Elmo’s fire - http://en.wikipedia.org/wiki/St._Elmo’s_fire
R-8-8
R.8.4.4
p. 370: Das Elmsfeuer . Physikalische Aspekte
a) Am Rhein - Elmsfeuer: http://www,marnach,info/masurenrein/rhein/elmsfeuer,html
b) Was ist das Elmsfeuer ? http://www,pm-magazin.de/r/gute.frage/was-ist-das-elmsfeuer
c) What causes the strange glow knowm as St. Elmo’s Fire? Is this phenomenon related to ball lightning?
http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=quotwhat-causes –the-stran
R.8.4.5
p. 371: Das Purpurlicht
a) Purpurlicht - http://de.wikipedia.org/wiki/Purpurlicht
b) Purple light - http://glossary.ametsoc.org/wiki/Purüle_light
c) Rayleigh-Streuung - http://de.wikipedia.org/wiki/Rayleigh.Streuung
[Als Rayleigh Streuung bezeichnet man die elastische Streuung des Lichtes an Teilchen, deren Durchmesser d
klein im Vergleich zur Wellenlänge l des Lichtes ist, also z.B. die Streuung des Sonnenlichtes an Sauerstoffund Stickstoffmolekülen der Luft. Für Purpurblau ist l ≈400nm und d(O2) = 0,121 nm, d(N2) = 0,11 nm].
d) Rayleigh scattering - http://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering
e) Mie-Streuung - http://de.wikipedia.org/wiki/Mie-Streuung
[Als Mie-Streuung bezeichnet man die elastische Streuung des Lichtes an Objekten, deren Durchmesser d
im Wellenlängenbereich 0.2 l < d < 2 l liegen. Für eine Wellenlänge l = 400 nm (Purpurblau) ergeben sich
Durchmesser der kleinen Staub- oder Dunstpartikel im Bereich 80 nm < d < 800 nm].
f) Mie-scattering - http://en.wikipedia.otg/wiki/Mie_scattering
R.8.4.6
p. 372: Nachthimmelsleuchten – Airglow
a) Airglow - http://de.wikipedia.org/wiki/Airglow
b) Airglow - http://en.wikipedia.org.wiki/Airglow
c) Fotographie links: Astro Bob - Is there true darkness ?
http://astrobob.areavoices.com/2009/02/25/is-there-true-darkness/
d) Fotographie rechts aus: Science and Analysis Laboratory / NASA
in: Frankfurter Allgemeine: «Globale Erkältung (in der Mesosphäre»
R.8.4.7
p. 373: Kobolde, Elfen und Blue Jets
a) Sprite (Wetterphänomene) - Text und Bild aus: http://de.wikipedia/org/wiki/Nlue:Jet
b) Capital Weather Gang - Red Sprites, blue Jets and Elves: What are these mysterious, elusive phenomena ?
http://www.washingonpost.com/blogs/capital-weather-gang/post/red-sprites-blie-jets-and elveswhat-are-these-mysterio…
R-8-9
8 – 30
Referenzen zu Anhang – Kapitel 8
R-A-1-1
p. 8-A-1-1: Querschnitt und Magnetfeld der Erde: Geographische Erdpole und Magnetpole
a) Bild links: Querschnitt durch die Erde - aus: www.google.ch
b) Bild rechts: Das Magnetfeld der Erde (Nahfeld) - http://www.zum.de/dwu/pma101vs.htm
c) Innerer Aufbau der Erde - http://de.wikipedia.org/wiki/Innerer_Aufbau_der_Etde
R-A-2-1
p. 8.A-2-1: Abnahme des Erdmagnetfeldes – Pol- Umkehr – 1
a) «Bilder»: unter: Decraesing magnetic field of the Earth
b) Reversals: Magnetic Flip - http://www.geomag.bgs.ac.uk/edication/reversals.html
Nach Ansicht von P. Brüesch ist diese kurze Zusammenfassung sehr klar, instruktiv,
differenziert und sachlich geschrieben. Ausserdem enthält sie auch die Figur von p. 8-A.2-1,
R.A.2-2
p. 8.A-2-2: Abnahme des Erdmagnetfeldes – Pol- Umkehr . 2
a) s. Referenz R.8.2.1 d) von p. 352: Erdmagnetfeld
b) Earth’s Magnetic Poles May Be About To Switch - http://www.rense.com/general26/poles.htm
Bilder von p. R-A-2-2: gefunden unter: www.Googel.ch – «Magnetfeld der Erde – Umpolung – Bilder»
c) Zum Polsprung des Erdmagnetfeldes: Polsprung – Erdachse verschiebt sich nach Osten
http://pravdatvcom.wordpress.com/2012/07/09/polsürung-erdachse-verschiebt-sich-nach-osten/
R.A.2.3
p.
8-A-2-3: Erdmagnetfeld - http://de.wikipedia.org/wiki/Erdmagnetfeld
R.A.2.4
p. 8-A-2-4
Die Farben der Polarlichter (engl: Aurora)
a) Polarlichter - http://www.schreiben10.com/referate/?hysik/7/Polarlichter---Aurora.reon.php
b) Colors of the Aurora - http://www.webehibits.org/causesofcolor/4D.html
R.4.2.5
p. 8-A-2-5: Zur Orientierung von Zugvögel durch das Magnetfeld der Erde
a) «Robins can literally see magnetic fields, but only if their vision is sharp»
«Gewisse Vögel, z.B. das Rotkehlchen, können das Magnetfeld der Erde wahrnehmen»
http://blogs.discovermagazine.com/notrocketscience/2010/07/08/robins-can-literally-see-magnetic-fieldsbut-only-if-their-vision-is-sharp/#.VX1_erY983g
b
Mechanisms of Magnetic Orientation in Birds - http://icb/oxforfjournal.org/content/45/3/565.full
c) Warum verlieren Zugvögel nicht die Orientierung ?
http://www.simplyscience.ch/teens-liesnach-archiv/articles/warum-verlieren-zugvögel-nicht-die orientierung.html
R-8-10
R.A.4.1
pp 8-A-4-1 und 8-A-4-2:
a) Lichtbrechung in der Atmosphäre
Universität Regensburg - von Florian Albrecht zum Seminar «Phänomene der klassischen Optik»
(Sommersemester 2008) - www.physik.uni-regensburg.de/forschung/schwarz/1-Atmosphäre.pdf
b) Die Brechung des Lichtes - Chemgapedia
http:/www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ph/14/ep/einfuehrung/geooptik/
brechung.vlu/Page/vsc/de/ph/14/ep/einfuehrung/geooptik/brechung4.vscml.h…
Die Arbeit enthält die grundlegenden Gleichungen zur Berechnung der Brechung am hexagonalen Eis-Einkristall
Figur des hexagonalen Eiskristalls mit Dispersionsprisma von p. 8-A-4-1 von P. Brüesch
c) Halo - [PDF] Lie. «Ein Halo ist ein heller Ring um die Sonne, die …
[PDF] Lie. «Ein Halo ist ein heller Ring um die Sonne, die … - physik.li/beispiele/Halo/Halo.pdf
Enthält Figur des Ablenkungswinkels als Funktion des Einfallswinkels von p. 8-A.4.2
R-A-4-2
p. 8-A-4-3: What makes a halo around the Sun or Moon ?
Ein Mondhalo in Mandan, Nord Dakota (von Marshall Lipp, Februar, 2015)
«A moon halo in Mandan, North Dakota (by Marshall Lipp, February, 2015)
http://earthsky.org/space/what-makes-a-halo-around-the-moon
R.A.4.3
p. 8-A-4-4: Leuchtende Nachtwolken
a) Leuchtende Nachtwolken
http://www.deutscher-wetterdienst.de/lexikon/index,htm?ID=L&DAT_Leuctende_Nachtwolken ( Text und Bild links)
b) Noctilucent cloud - http://en.wikipedia-otg/wiki/Noctilucent_cloud
(Bild rechts: Photograph by the crew of the ISS)
c) Leuchtende Nachtwolken - http://www.meteoros.de/themen/nlc
d) Leuchtende Nachtwolke - http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtende_Nachtwolke
R-8-11
8 – 31
9. Atmung in der
Psychologie, in der
Philosophie und in den
Weltreligionen
37469
9–0
9.1 Atmung
in der Psychologie
384
69
375
Physilogische und psychologische Aspekte der Atmung
Der Begriff «Psychologie» setzt sich aus den Wörtern «Psycho» und der Endung
«logie» zusammen. Die Endung stammt vom griechischen Wort «Logos», das soviel
wie Wissenschaft, Wort oder Lehre bedeutet. Auch der Begriff «Psyche» stammt aus
dem Griechischen und bedeutet «Leben», «Seele», «Hauch» oder «Atem.
Der Atem- und der Herzrhythmus sind miteinander gekoppelt. Das Verhältnis von
Atmung zu Herzschlag beträgt in Ruhe und im Schlaf 1 : 4. Bei 15 – 20 Atemzügen pro
Minute erfolgen 60 – 80 Herzschläge. Bei Belastung erhöht sich die Zahl der Atemzüge
und bei Entspannung verringert sie sich. Schnelleres Atmen beschleunigt den Herzschlag, weil das grössere Sauerstoffangebot zu den Organen gebracht werden muss.
Umgekehrt verlangsamt sich der Herzschlag bei langsamerer Atmung. Ein hoher Ruhepuls gekoppelt mit Ängsten kann zu einer sog. Panikattacke führen. Je flacher die
Atmung, desto schneller ist sie und desto höher ist in der Regel die Herzfrequenz.
Geist und Atem werden oft in einem Atemzug genannt.
Doch während Geist und Bewusstsein abstrakte Begriffe
sind, ist der Atem (wie auch der Herzschlag) physiologische Realität, das physische Gegenstück von
Geist und Bewusstsein.
Bild: «Quadratische Atmung»:
Die Atmung wird in vier gleichlange Phasen eingeteilt:
1. Einatmen
2. mit gefüllten Lungen die Luft anhalten
3. Ausatmen
4. mit leeren Lungen die Luft anhalten
384
69
376
9–1
Animus , Anima und Atem
Animus und Anima sind Begriffe aus der Analytischen Psychologie von Carl Gustav
Jung (1875 - 1961). Es handelt sich hier um zwei der wichtigsten Archetypen, also im
kollektiven Unbewussten angelegte, von individuellen Erfahrungen unabhängige
Urbilder der Seele. Die Bezeichnungen sind aus dem Lateinischen abgeleitet. Hier hat
«Animus» eine Vielfalt von Bedeutungen, so u.a. Seele, Geist, Gedächtnis, Mut,
Übermut, Stimmung, Leidenschaft, etc. «Anima» dagegen wird übersetzt mit Luft als
Element, bzw. Lufthauch, Wind, Seele, Atem, etc. Beide Begriffe fasst Jung unter dem
Überbegriff Seele zusammen, die er als die archetypische innere, unbewusste
Persönlichkeit verstand.
Gemäss Jung gehört der Atem nicht zum persönlichen Unbewussten sondern zum
kollektiven Unbewussten. Das kollektive Unbewusste postuliert Jung als Lagerstätte
des psychischen Erbes der Menschheitsgeschichte, welches sich, ähnlich wie der biologische Körper, durch die Evolution hindurch entwickelt habe und von verschiedenen
Erfahrungen geprägt worden sei.
C.G. Jung
384
69
377
Die Atmung gehört zur Anima
Die Atemseele
Atemseele oder Hauchseele ist eine Bezeichnung für die in vielen Kulturen verbreitete
Vorstellung, dass der Atem der Sitz der Lebenskraft sei. Daher auch der Ausdruck
Lebensatem (vgl. Psyche), der das Seelische anzeigt oder gar mit ihm identisch ist.
Der Begriff Hauchseele entspricht eher dem ethnologischen und religionswissenschaftlichen Begriffsgebrauch. Der Begriff Atemseele bezeichnet in manchen Kulturen
und Religionen nur einen Teilaspekt der Seele neben der Freiseele, die als «zweites
Ich» dem Schatten entspricht.
Es besteht auch die Auffassung, dass der letzte Hauch, der letztmalige Atemzug beim
Tode als Entweichen der Lebenskraft oder einer Seele verstanden wird und als dieser
das Ende des Lebens anzeigt, das mit dem ersten Atemzug, dem Eintreten des Atems
oder der Seele in den Körper beginnt.
Der Vorstellung von der Hauchseele liegt auch der Begriff Odem und Lebenshauch
zugrunde. Im Lateinischen hat Anima die Doppelbedeutung «Seele» und «Atem».
Das altgriechische Wort für Falter oder
Schmetterling war «Psyche», gleichbedeutend mit «Hauch», «Atem» oder
«Seele»
384
69
378
9–2
9.2 Atmung
in der Philosophie
384
69
379
Zur Atmung in der Philosophie - Yoga
In der Philosophie steht das Streben der menschlichen Vernunft nach Wahrheit, nach
«letzten Gründen», insbesondere auch die Frage nach der Stellung des Menschen in
der Welt im Vordergrund.
In der Indischen Philosophie spielt insbesondere die Atmung eine zentrale Rolle und
zwar in der Yoga-Philosophie, einer der 6 orthodoxen indischen Philosophie-Systeme.
Nach der Yoga-Philosophie gilt: Leben ist Atem und Atem ist Leben. Die richtige
Atmung hat eine überragende Rolle für jeden in allen Lebensbereichen, denn Atem,
Körper und Geist stehen in gegenseitiger Beziehung. Ein Yogi zählt die Lebensdauer
nach der Anzahl seiner Atemzüge. Die Weisen Yogis Indiens konnten viele Krankheiten
verhindern; sie haben ihren Geist entwickelt und einen hohen spirituellen Bewusstheitsgrad erreicht.
Sri T. Krishnamacharya (1888-1989):
Gründer des Yoga-Unterrichts für Europäer
384
69
380
9–3
Dirgha Pranayama:
volle Yogische Atmung
9.3 Weltbevölkerung
und Weltreligionen
384
69
381
9.3.1 Die Weltbevölkerung
Schätzungen ergeben, dass sich die Weltbevölkerung im Jahr 2015 um 82 611 766
Menschen vergrössert ‘und am Jahresende
7 345 951 495 Menschen beträgt. Es wird
ü
erwartet, dass der natürliche Zuwachs
positiv ist, da die Zahl der Geburten die Zahl
der Todesfälle um 83 020 532 übersteigt.
Tägliche Änderungsrate in 2015:
Geburten: 381 588: Totesfälle: 154 134
 Zunahme pro Tag im Jahr 2015: 227 454
1 bln = 1 billion = 109
384
69
382
9–4
9.3.2 Die Weltreligionen - 1
Die beigefügten Prozent-Zahlen beziehen sich auf die Weltbevölkerung
(Am 1. 1. 2014 lebten 7.202951 Milliarden Menschen auf der Erde !).
384
69
383
Die fünf Weltreligionen - 2
Die folgenden fünf existierenden Religionen werden im Allgemeinen als Weltreligionen bezeichnet.
(Die Zahl der Anhänger beziehen sich auf die Encyclopedia Britanica 2005).
•
Christentum (etwa 2.26 Mia. Anhänger)
•
Islam (etwa 1.57 Mia. Anhänger)
•
Hinduismus (etwa 900 Mio. Anhänger)
•
Buddhismus (etwa 377 Mio. Anhänger)
•
Judentum (etwa 15 Mio. Anhänger)
Symbole für die Religionen
Trotz seines universellen Selbstverständnisses fällt das Judentum zahlenmässig stark von den
andern hier genannten Weltreligionen ab (s. p. 382). Während Christentum und Islam aktive
Missionierung betreiben, findet dies im Judentum aus verschiedenen religions- und
kulturgeschichtlichen Gründen nicht statt. Zugleich hat der jüdische Glaube aber eine grosse
kulturprägende Bedeutung, da auch das Christentum und der Islam auf dem abrahamitischen
Monotheismus aufbauen. Eine Konversion zur jüdischen Religion ist jedoch prinzipiell möglich.
Auch im Buddhismus und Hinduismus gibt es keine aktive Missionierung. Im Hinduismus ist die
Religion an eine enge Sozialstruktur (Kaste) gebunden. Daher ist der Hinduismus trotz der hohen
Anzahl der Gläubigen regional stark gebunden.
Eine ganz enge Auffassung des Begriffes Weltreligion würde nur den Buddhismus, das
Christentum und den Islam umfassen. Der universelle Geltungsanspruch war bereits bei
Gründung der Religionen präsent, eine weltweite Verbreitung liegt vor, die Anzahl der Anhänger
ist sehr hoch und die Religionen sind bereits sehr alt.
384
69
384
9–5
384
69
385
9.4 Der Atem in den
fünf Weltreligionen
384
69
386
9–6
9.4.1 Das Christentum
384
69
387
Das Christentum - Allgemeines
Begründer des Christentums ist Jesus von Nazareth, der vor ungefähr 2000 Jahren
in Galiläa, einem Teil Palästinas, geboren wurde. Jesus war Jude.
Mit ungefähr 30 Jahren zog er als Wanderprediger durchs Land. Dabei schenkte er vor
allem Kranken, Armen und Gesetzesbrechern grosse Aufmerksamkeit. Die Anhänger
Jesu hielten ihn für den von den Propheten angekündigten Messias. Von den
damaligen Machthabern wurde er allerdings als Aufrührer angesehen und schliesslich
sogar zum Kreuzestod verurteilt. Seine Anhänger glauben, dass Jesus drei Tage nach
seinem Tod auferstanden ist.
Das Christentum basiert auf dem sog. Alten Testament (s.
Abschnitt 9.4.5), das ist das Heilige Buch des Judentums)
sowie auf dem Neuen Testament. Dieses enthält unter
anderem die vier Evangelien, die von den Evangelisten
Matthäus, Markus, Lukas und Johannes zwischen 70 und
120 Jahren n. Chr. aufgeschrieben wurden.
Das Christentum ist eine monotheistische Religion, die
einen einzigen Gott anerkennt, der allerdings in drei
Wesensformen erscheint: in Gottvater, in Gottes Sohn
(Jesus von Nazareth) und im Heiligen Geist.
Das Christentum stützt sich – ebenso wie das Judentum
und der Islam – auf die zehn Gebote. In erster Linie gilt für
die Christen allerdings das Gebot der Liebe: «Liebe
deinen Nächsten wie dich selbst».
Die drei wichtigsten Glaubensgemeinschaften sind heute:
1. Die katholische Kirche - 2. Die orthodoxen Kirchen und
Caspar David Friedrich:
3. Die evangelische Kirche.
384
69
Kreuz an der Ostsee
388
9–7
Der Atem und der Heilige Geist
Im Christentum ist der Heilige Geist «der Herr». Das bedeutet: Er ist Gott. Es gibt drei
Bilder des Heiligen Geistes: Oft wird der Heilige Geist mit dem Feuer verglichen. Ein
weiteres Bild ist das lebendige Wasser. Ein drittes Symbol des Heiligen Geistes ist der
Atem Gottes. Hier betrachten wir das dritte Symbol, den Heiligen Geist als Gottes Atem.
Als der auferstandene Jesus seinen Jüngern erschien, «hauchte er sie an und sprach zu
ihnen: Empfanget den Heiligen Geist! Wem ihr die Sünden vergibt, dem sind sie
vergeben; wem ihr die Sünden nicht vergebt, sind sie (ihm) nicht vergeben » (Joh. 20,
22f).
Was die Luft für unser physisches Leben bedeutet, das ist der Heilige Geist für das
geistliche Leben. Nur wo er geatmet wird, kann der Mensch als Christ leben.
Der Atem Gottes
389
Der mich atmen lässt:
Der
Mensch
empfängt den Atem Gottes
384
69
Der Heilige Geist
Was ist der Heilige Geist? Für Geist und Atem nennt die Bibel nur ein Wort. Um die den
Menschen belebende Gegenwart des göttlichen Geistes auszudrücken, verwenden fast
alle klassischen Sprachen das Wort Atem, Hauch oder Luft: «ruach» auf Hebräisch,
«pneuma» auf griechisch, «spiritus» auf Latein, «atman» auf Sanskrit und «chi» auf Chinesisch. In der Ursprache der Bibel hat der Heilige Geist die Bedeutung von Wind,
Hauch und Atem.
Die christliche Kirche feiert Pfingsten als Fest der Ankunft des Geistes Gottes und sie
redet von Gottes Geist (Atem) wie von Gott selbst. Die Ausgiessung des Heiligen
Geistes wird an Pfingsten gelegentlich durch das Herablassen einer Taube dargestellt.
«Wie eine Taube» heisst es im Evangelium, sah Jesus bei seiner Taufe den Geist auf
sich herabschweben.
Durch Gott eingehauchter Lebensodem
384
69
390
9–8
Die Taube als Symbol des
Heiligen Geistes
Zitate zu Atem und Geist aus dem Neuen Testament
Joh. 3,5: Jesus antwortete und sprach: «Wahrlich, wahrlich, ich sage dir: Wenn jemand
nicht aus Wasser und Geist geboren wird, kann er nicht in das Reich Gottes kommen.
Joh. 3,8: Der Wind weht wo er will, und du hörst seine Stimme, aber du weisst nicht,
woher er kommt und wohin er geht. So ist jeder, der aus dem Geist geboren ist.
Joh. 20, 19-22: Der Auferstandene erscheint den Jüngern: 19: Als es nun an jenem Tage,
dem ersten der Woche, Abend war und dort, wo die Jünger sich aufhielten, die Türen aus
Furcht vor den Juden verschlossen waren, kam Jesus und trat in die Mitte; und er sagte
zu ihnen: Friede sei mit euch! 20: Und als er dies gesagt hatte, zeigte er ihnen die Hände
wie auch die Seite. Da wurden die Jünger froh, als sie den Herrn sahen. 21: Jesus sprach
nun wiederum zu ihnen: Friede sei mit euch! Wie mich der Vater gesandt hat, sende auch
ich euch. 22: Und nachdem er dies gesagt hatte, hauchte er sie an und sagte zu ihnen:
Empfanget den heiligen Geist!
Ein Engel holt die Seele
eines Sterbenden
384
69
9–9
391
9.4.2 Der Islam
384
69
392
Der Islam - Allgemeines
Der Islam ist, wie das Christentum und das Judentum, eine monotheistische Religion.
Im Islam ist Allah der persönliche Name des Einen wahren Gottes. Der Islam meint mit
dem Begriff Gott den Einen einzigen und wahrhaftigen Gott. Für die gläubigen Muslime
ist Gott der Allmächtige, Schöpfer und Erhalter des Universums, dem nichts gleich ist
und mit dem nichts vergleichbar ist.
Der Ursprung des Islams (arabisch: Ergebung) geht auf den Propheten Mohammed
(570 – 632 n.Chr.) zurück. Mohammed hatte mit 40 Jahren in einer Höhle bei Mekka ein
visionäres Erlebnis, das eine tiefgreifende Wandlung bei ihm auslöste. Während er
schlief, erschien ihm der Engel Gabriel und forderte ihn auf, Verse zu zitieren (die
heute die ersten fünf Verse der 96. Sure des Koran darstellen). In den folgenden Jahren
erhielt der Prophet weitere Offenbarungen und Eingebungen, die er auf Gott
zurückführte. All diese Offenbarungen sind im Koran zusammen gefasst. Der Koran ist
in seiner heutigen Form in 114 Suren (Abschnitte) gegliedert.
Symbol des Islam:
Der Halbmond mit Stern
Allah-Kalligraphie
384
69
393
9 – 10
Der Prophet
Mohmmed
Geist, Atem und Wind im Koran
Der im Islamischen Glaube erwähnte «Heilige Geist» wird im Koran relativ wenig
erwähnt und wird von den Muslimen als der gleiche Heilige Geist interpretiert, der im
Alten und Neuen Testament der Bibel sehr wichtig ist (pp 389 – 391). Im Folgenden
zitieren wir aus zwei Suren, in welchen Geist, Atem und Wind erwähnt werden:
«Wenn ich (Allah) ihn dann geformt und ihm Geist von mir eingeblasen habe,
dann fallt (voller Ehrfurcht) vor ihm nieder».
Sure 38, 72
«Und Allah ist es, Der die Winde sendet, und da wühlen sie die Wolken auf. Dann
treiben Wir sie zu einem toten Land und machen damit dann die Erde nach ihrem
Tod wieder lebendig. Ebenso wird es auch mit der Auferstehung sein»
Sure 35, 9)
«Nafas al Rachman», der Atem des gütigen
Gotttes, wird täglich von den Gläubigen in AlQiyamah empfangen. (Foto des Nafas al
Rachman, entstanden am 1. August 2008 in
Russland). Das Nafas al Rachman, das für das
menschliche Auge unsichtbar ist, weht als
kühle Brise oder als Wind der Auferstehung und
wird von den Händen, dem Kopf und den
andern Körperteilen der Gläubigen empfunden.
[frei übersetzt von P. Brüesch aus dem
Englischen, s. Ref. 9.4.2.2 b)].
384
69
394
9 – 11
9.4.3 Der Hinduismus
384
69
395
Der Hinduismus - Allgemein
Der Hinduismus ist eine sehr alte Religion. Es lässt sich kein Gründungsdatum dafür
festlegen, aber die Religion reicht in die sog. «Induskultur» zurück, die vor rund 6’000
Jahren in Indien entstand. Es handelt sich um ein Bündel von Religionen, denn der
Hinduismus ist geprägt von einer Vielzahl unterschiedlicher Strömungen. Eine dieser
Strömungen führte zur Gründung des Buddhismus (s. 9.4.4).
Der Hinduismus kennt monotheistische, dualistische und polytheistische Richtungen.
Hindus glauben an die ewige Seele. Diese Seele kehrt nach dem Tod in einem
anderen Lebewesen wieder auf die Erde zurück (Reinkarnation). So entsteht der
ewige Kreislauf: Samsara. Über die Taten im letzten Leben eines Menschen wird vor
dem «Dharma» gerichtet. Diese Beurteilung bestimmt seine «Karma». Das Karma ist
die Summe der guten und schlechten Taten im Leben eines Hindus. Er bestimmt die
Wiedergeburt in einer bestimmten Kaste. Ein gutes Karma bewirkt, dass die Seele in
einem besseren Leben wiedergeboren oder sogar erlöst wird. Ein bekannter Vertreter
des Hinduismus war Mahatma Gandhi (1869 - 1948).
Das Symbol Om verkörpert die Grundidee, dass
der Schöpfer der Welt allgegenwärtig, unendlich,
384
69
allwissend und unfehlbar ist.
396
9 – 12
Für die Hindus ist die Kuh heilig und
kommt in bildhafter Sprache als Göttin vor.
Atmung oder Prana in den Upanishaden
Im Hinduismus ist Atem gleichbedeutend mit Prana. Neben dem «Selbst» und dem «Höchsten
Selbst» (Self and Supreme-Self) ist Prana der wichtigste Begriff, der in den Upanishaden häufig
verwendet wird. (Die Upanishaden sind eine Sammlung von Texten, welche den zentralen
religiösen Kontext des Hinduismus enthalten).
Prana, der in den Upanishaden gepriesen wird, ist nicht nur die Luft, welche wir einatmen. Prana
bedeutet auch die Lebensenergie, welche in einem Lebewesen von seiner Empfängnis bis zu
seinem Tode zirkuliert. Während der Körper sterblich ist, ist Prana unsterblich. Es ist Prana,
welchen den Körper während seiner Existenz am Leben erhält.
Prana ernährt, schützt die Organe des Körpers und beim Tod nimmt Prana ihre subtilen
Eigenschaften in sich auf und gibt sie nachher im Himmel frei, von wo sie wieder in ihre Quelle
zurückkehrt.
Prana ist aus drei Gründen allen Organen des Körpers überlegen: 1. Prana unterliegt nicht der
Kontrolle der körperlichen Sinne. 2. Prana kann nicht durch böse Wünsche verdorben werden . 3.
Prana erhält den Körper am Leben und schützt ihn vor dem Bösen. Ohne Prana stirbt der Mensch.
Hinduistische
Atmungs-Meditation
397
Atmungs-Meditation
von indischen Jainas
384
69
9 – 13
9.4.4 Der Buddhismus
384
69
398
Der Buddhismus - Allgemein
Buddha, wörtlich «Erwachter» bezeichnet im Buddhismus einen Menschen, der
Bodhi (wörtlich das «Erwachen» erfahren hat und den Ehrennahmen des indischen
Religionsstifters Siddhartha Guatama, auch «Buddha» genannt trägt, dessen Lehren
die Weltreligion des Buddhismus begründet.
Im Buddhismus versteht man unter einem Buddha ein Wesen, welches aus eigener
Kraft die Reinheit und Vollkommenheit seiner und somit eine grenzenlose Entfaltung
aller in ihm vorhandenen Potentiale erlangt hat: vollkommene Weisheit und unendliches, gleichwohl distanziertes Mitgefühl. Er hat bereits zu Lebzeiten Nirvana verwirklicht und ist damit nach buddhistischer Überzeugung nicht mehr an den Kreislauf
der Reinkarnation gebunden. Das Erwachen ist von transzendenter Natur, das mit
dem Verstand nicht zu erfassen ist, «tief und unergründlich wie der Ozean», weshalb
sich diese Erfahrung einer Beschreibung und sprachlichen Begriffen entzieht.
Der Buddhismus kennt keinen eigentlichen Gott; Buddha selbst bezeichnet sich als
Religionsstifter. In der Praxis wird Buddha jedoch ähnlich wie ein Gott verehrt.
Siddhartha Guatama,
der spätere Buddha,
wurde etwa 560 v. Chr.
in Nordindien geboren
und starb im Alter von
80 Jahren,
Buddha Siddhartha Gautama
384
69
399
9 – 14
Grosse Buddha-Statue in Bodhgaya, India
Die acht Bedeutungen der Buddhistischen Symbole
1. «Die «rechte Erkenntnis»: Verstehen der buddhistischen Lehre – Ein Mensch kann
den Wiedergeburtsverlauf nur verlassen, wenn er alle folgenden Tugenden befolgt.
Dann kommt er ins Nirvana. Als Nirvana wird im Buddhismus der Endzustand bezeichnet, das absolute Einssein mit sich selbst und mit Buddha.
2. «Die rechte Gesinnung / das rechte Denken»: Diese Tugend meint, dass man andern
keinen Schaden zuführen darf und grosszügig zu andern sein soll.
3. «Das rechte Reden»: Diese Tugend bedeutet, dass Buddhisten nicht lügen, andere
beleidigen oder Gerüchte verbreiten sollen.
4. «Das «rechte Handeln»: Diese Tugend verbietet zu töten und zu stehlen. Man darf
andern durch sein Verhalten keinen Schaden zuführen.
5. «Der «rechte Lebenswandel»: Hier betont Buddha, dass kein Handel mit Waffen, mit
Menschen oder Tieren, Drogen oder Giften geführt werden darf.
6. «Das rechte Streben»: Menschen sollen ihre negativen Gefühle wie Hass, Zorn, Wut
und Ablehnung kontrollieren und nicht an andern auslassen.
7. «Die rechte Achtsamkeit»: Hier geht es um das Bewusstwerden des eigenen Körpers, also bewusstes Atmen, Gehen, Stehen, etc. Achtsamkeit bedeutet ein Leben in
der Gegenwart ohne in die Vergangenheit oder in die Zukunft abzuschweifen.
8. «Die «rechte Sammlung»: «sich selbst sammeln»: durch Konzentration zu sich selbst
kommen. Diese Tugend gelingt im Buddhismus vor allem durch Meditation, also
Übungen, bei denen Geist und Gedanken frei sind.
384
69
400
Der Atem im Buddhismus
Der historische Buddha gab in seinen
Lehrreden (Sutras) Erläuterungen und
Erklärungen über Wege zu einem guten
Leben.
Unter den vielen Sutras, die dem Menschen Auswege aus Verwirrung und Leid
aufzeigen, sind besonders das Anapanasati-Sutra und das Sanpatthana-Sutra zu
nennen. Bei beiden steht das Atmen als
Sammlungsobjekt im Mittelpunkt. Sie
sind diejenigen Sutras, in denen die
Grundlagen der
Meditation erklärt
werden. Sie leiten Meditierende an, sich
mit Achtsamkeit dem Atem zuzuwenden.
Die Buddhistische Meditation der
Atem- Meditation
Bei wem die Atem-Achtsamkeit
vollendet, gutentfaltet ist,
mit jedem Schritt und Tritt durchübt
wie sie von Buddha aufgezeigt:
der strahlt in diese ganze Welt,
gleichwie der wolkenfreie Mond.
(Theragatha 548 vor Chr.)
Buddha: Atem - Meditation
384
69
401
9 – 15
Atem - Meditationen im Buddhismus
9.4.5 Der Judentum
Der Davidstern aus zwei
ineinander geschobenen Dreiecken;
Benannt nach dem König David
von Israel
Die Menora ist ein siebenarmiger
Leuchter, eines der wichtigsten
religiösen Symbole des Judentums
384
69
402
Das Judentum - Allgemein
Das Judentum ist eine Religion der Schrift, die kein geistliches Oberhaupt kennt (wie
den Papst in der katholischen Kirche). Vielmehr haben die Rabbiner, die Gemeindevorsteher, die Aufgabe, die jüdische Gemeinde zu beraten. Der Rabbiner ist ein sehr
gelehrter Mensch, der sich auf die Thora, das zentrale Element des jüdischen
Glaubens und Lebens, beruft. Die Thora ist der Teil der Hebräischen Bibel, den die
Christen «Altes Testament» nennen. Eine weitere wichtige Schrift ist für die Juden
der Talmud, der mit Erklärungen und Geschichten hilft, die Bibel zu verstehen.
• Die jüdische Religion gilt als eine sehr alte und ursprüngliche Religion, da aus ihr vor 2000
Jahren das Christentum und vor 1400 Jahren der Islam hervorgegangen sind.
• Juden erwarten das Kommen des Messias, den die Propheten in der Hebräischen Bibel angekündigt haben. Sie erkennen diesen Messias nicht – wie die Christen – in Jesus von Nazareth.
• Der jüdische Glaube definiert, dass
Jude ist, wessen Mutter Jüdin ist.
Demnach kann man streng genommen
nicht zum Judentum übertreten, wie es
bei andern Religionen möglich ist.
• Bereits seit dem Mittelalter hatten
Juden unter Antisemitismus zu leiden.
Der Höhepunkt erreichte dieser unter
dem Nationalsozialismus, wo knapp
sechs Millionen Juden ums Leben
kamen.
Klagemauer am Tempelberg in Jerusalem.
Viele Besucher lassen Zettel mit Gebeten in den
69
Zwischenspalten der Mauer  «Klagemauer». 384
403
9 – 16
• Heute leben weltweit rund 14 Millionen
Juden, davon etwa 5 Millionen in Israel.
Der Atem im Judentum
In der hebräischen Bibel, dem Tanach, stellen «Seele» und Körper Aspekte des als
Einheit aufgefassten Menschen dar. Die den Körper belebende Kraft heisst im
biblischen Hebräisch «nefesch», «neschama» oder auch «ruach» (p. 390). Diese
Begriffe bezeichne ursprünglich Wind, Odem oder Atem.
Neschama ist der Lebensatem, dem laut dem Buch Genesis Gott seinem aus Erde
geformten Geschöpf Adam in die Nase einblies, womit er ihn zu einem lebendigen
Wesen (nefesch) machte. Die konkrete Grundbedeutung von nefesch ist «Atem» und
«Atemweg». Nefesch ist als der belebende Atem die Lebenskraft, die den Menschen
beim Tode verlässt. Der Tanach, die jüdische Bibel, schreibt nefesch weder eine
Existenz vor der Entstehung des Körpers noch Unsterblichkeit zu, und nefesch tritt
nirgends losgelöst vom Körper auf. Ausserdem ist weder nefesch noch neschama
noch ruach etwas spezifisch Menschliches; alle drei Ausdrücke werden auch für Tiere
verwendet. Bei ruach verbinden sich die Bedeutungen «Atem», «Wind» und «Geist».
Teile des späten Judentums kannten
dagegen eine Fortexistenz des Menschen
nach seinem irdischen Tode, die für einen
Teil der Autoren mit einer leiblichen Seele
verbunden sein musste, während andere
an eine vom Körper losgelöste Seele
dachten.
384
69
404
9 – 17
Einhauchung des Lebensatems
Anhang: Kapitel 9
384
69
9-A-0
Gebetsfahnen im Buddhismus
Bedeutung der Gebetsfahnen in den vier Himmelsrichtungen:
blau: Himmel
weiss: Wolken
rot: Feuerelement
grün: Wasserelement
gelb: Erdelement
384
69
9-A-4-1
9 - 18
Referenzen: Kapitel 9
384
69
R-9-0
9.1 Die Atmung in der Psychologie
R.9.1.0
p. 375: Atmung in der Psychologie (Titel)
R.9.1.1
p. 376: Psychologie und psychologische Aspekte der Atmung
a) Definition der Psychologie – Atem - Was ist Psychologie ?
Dipl.-Psych. Sabine Eva McGregor – Psychologin FSP
http://www.diplompsychologin.ch/Was-ist.Psychologie.html
b) Atem. und Herzrythmus - http://www.atemmassage.de/allgemeines-zum-atmen-und-herzrythmus/
c) Es atmet uns … - http://www.duenengras.de/?p=1738
d) Quadratische Atmung - Aus Yogawiki (enthält Bild der atmenden Frau)
http://wiki(yoga-vidya.de/Quadratische_Atmung
R.9.1.2
p. 377: Animus, Anima und Atem
a)
b)
c)
d)
e)
R.9.1.3
Carl Gustav Jung - http://de.wiipedia.org/wiki/Carö_Gistav_Jung
Carl Jung - Wikipedia, the free encyclopedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Carl_Jung
Animus und Anima - http://de.wikipedia.org/wiki/Animus_und_Anima
Kollektives Unbewusstes - http://de.wikipedia-org/wiki/Kollektives:Unbewusstes
Collective unconscious - http://en.wikipedia.org/wiki/Collective_unconscious
p. 378: Die Atemseele
a) http://de.wikipedia.org/wiki/Atemseele
b) Schmetterlinge – Ref. R.4.2.13, p. 133 b)
Mythologische Bedeutung des Schmetterlings: Seele und Tod
c) Bild von Schmetterling: http://www.fotocommunity.de/pc/display/12266530
384
69
R-9-1
9 – 19
9.2 Atmung in der Philosophie
R.9.2.0
p. 379: Atmung in der Philosophie (Titel)
R.9.2.1
p. 380: Zur Atmung in der Philosophie – Yoga
a)
b)
c)
d)
e)
Philosophie . Definition - Philosophie - http://www.wissen.de/lexikon/philosophie
Philosophy - http://en.wikipedia.org/wiki/Philosophy
Yoga - http://de.wikipedia.org/wiki/Yoga
Yoga Atemübungen - http://www.yoga-vidya.de/yoga-anfaenger/yoga-atemuebungen.html
Yoga: eine der 6 indischen Philosophien - praktischer Erlösungsweg
Pranayama (Zurückhalten der kosmischen Energie)
http://www.yoga-zeit,de./news486_1__101_Pranayama-(Zurückhalten-der-kosmischen-Energie).html
f) Ashtanga (Vinyasa) Yoga
(In der Tradition von Sri T. Krishnamacharya) - http://de.wlkipedia.org/wiki/Ashtanga_(Vinyasa)_Yoga
g) Yogakshemam - Schule für traditionellen Unterricht in indischer Philosophie
Text und Bild (links) von Sri T. Krishnamacharya (1888 – 1989)
http://www.yogakshemam.net/German/SriT.Krishnamacharya.html
h) Dirgha Pranayama – Volle yogische Atmung
Bild rechts - http://www.jaisiyaram.de/yoga-uebungen/dirgha-pranayama.html
9.3 Weltbevölkerung und Weltreligionen
R.9.3.0
p. 381: Weltbevölkerung und Weltreligionen
R.9.3.1
p. 382: Weltbevölkerung
a) Heroes Not Zombies becoming not being …..
The times they are a’changin’ Part 1
http://heroesnotzombies.com/2014/02/19th-times-they-are-achangin-part-t/
(Contains the Graph for the Population of the Earth from the years 1700 to 2050)
b) World population clock 2015 - http://countrymeters.info/en/World
(Contains the World population clock, i.e. the actual populations in increments of seconds:
«Current total population» – «Current mail population» - «Current female popilation» - «Births this year» –
«Deaths this year» – «Births today» – «Deaths today»)
384
69
R-9-2
R.9.3.2
p. 383: Die Weltreligionen - 1
a) Magazin für Internationale Politik, Kultur und Entwicklung; Februar 2013
Islam – Menschen und Politik
Figur der Weltreligionen (in Prozent) im Jahr 2010
http://www.suedwind-magazin.at/start.asp?ID=238394&rubrik=31&ausg=201002
b) Weltbevölkerung zum Jahreswechsel 2012 / 2013
Stiftung Weltbevölkerung: Weltbevölkerung zum Jahreswechsel 2012 / 2013
http://www.Weltbevoelkerung.de/index.php?id=71&tx_ttnews%5Btt_news%5D=789&cHash
d2939dd01a12921902e8…
R.9.3.3
p. 384: Weltreligion – 2 - http://de.wikipedia.org/wiki/Weltreligion
R.9.3.4
p. 385: Tabelle zu den fünf Weltreligionen
Tabelle gefunden unter: «Die fünf Weltreligionen_Tabelle»  Bilder; s. auch _
http://www.docdatabase.net/more_tabelle_weltreligionen_loesungsvorschlag_1075716.htm
9.4 Der Atem in den fünf Weltreligionen (p. 386)
R.9.4.0
Weltreligionen – Code – Knacker - Der Atem in den fünf Weltreligionen
www.code-knacker.de/weltreligionen.htm
R.9.4.1.0
p. 387: Das Christentum (Titel mit Kreuz-Symbol aus: www,google.ch/search)
R.9.4.1.1
p. 388: Das Christentum – Allgemein
a) Das Christentum /Faszination Glaube / de – ARTE
http://www.arte.tv/de/das-christentum/1172966,CmC=1172976.html
b) Das Kreuz: Bild an der Ostsee von Caspar David Friedrich
http://de.wikipedia.org/wiki/Caspar_David_Friedrich
http://commens.wikipedua.org/wiki/File:Caspar_David_Friedrich_024.jpg
9.4.1 Der Atem im Christentum
384
69
R-9-3
9 – 20
R.9.4.1.2
p. 389: Der Atem im Christentum – 1
a) Text: http://www.daswerk-fso.org/deutsch/?p=63
b) Bild links: Der Atem Gottes (Bild von Melchior Broederlam)
http://de.wikipedia.org/wiki/Melchior_Broederlam (1350? – 1409?)
c) Bild rechts: «Hilfe zur täglichen Besinnung & Gebetstexte
Der mich atmen lässt – Gebetstexte / Canisiuswerk
http://www.canisius.at/spiritualitaet/gebetstexte.php?show=494
R.9.4.1.3
p. 390: Der Atem im Christentum – 2
a) Pfingsten – «Ankunft des Geistes»
http://www.ekd.de/glauben/feste/pfingsten/religion_des_geistes.hrml
b) Geist und Verstand
http://www.sonntagsblatt-bayern.de/news/aktuell/2013_21_01_01.htm
c) Das Glaubensportal Lebendiger Christen
http://jesusliebtdich.blog.de/2012/01/10/bedeutet-eigentlich-taube-12424566/
d) Ruach - Im Alten Testament (AT) wird das Wort «ruach» oder «rûah» mit Geist übersetzt.
Die Grundbedeutung von «rûha* ist «Wind» und «Atmung» - http://www.de.wikipedia.org/wiki/Ruach
e) Eugen Drewermann
- Atem des Lebens – Band 1: Das Gehirn
Die moderne Neurologie und die Frage nach Gott - Patmos Verlag, Düsseldorf - ISBN 3-491-21000- Atem des Lebens . Band 2: Die Seele - Patmos Verlag, Düsseldorf – ISBN 3-491-21001-1
http://www.patmos.de/atem-des-lebens-band-2-die-seele-p-692.html
f) The Breath of Life - God’s Gift to All Creatures - by David Demik - December 1, 2004
http://answersingenesis.org/human-body/the-breath-of-life
R.9.4.1.4
p. 391: Zitate zu Seele und Atem aus dem Neuen Testament
a)
DIE HEILIGE SCHRIFT des Altems und des Neuen Testaments
- Joh. 3,5: Johannes Evangelium: 3,5; 3.8; 20: 19-22
b) Bild: Ein Engel holt die Seele eines Sterbenden ab
Holzschnitt aus dem 15. Jahrhundert - Autor unbekannt
Seele aus einer Hand ; aus: http://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/1268981
384
69
R-9-4
9.4.2
Der Atem im Islam
R.9.4.2.0
p. 392: Der Atem im Islam (Titel mit Symbol aus: www.google.ch/dearch)
R.9.4.2.1
p. 393: Der Islam – Allgemein
a) Der Gottesbegriff im Islam
http://www.way-to-allah,com/islam_zum_kennenlernen/gottesbegriff,html
b) Allah - http://de:wikipedia.org/wiki/Allah
c) Islam - From Wikipedia, the free encyclopedia - http://en/wikipedia,org/wiki/Islam
d) Siehe auch Referenz R.9.4.0
e) Symbol des Islams: unter: www.google.ch. – Bilder
f) Allah – Kalligraphie: unter: www.google.ch. - Bilder
g) The face of Mohammed: www.gppgle.ch. - Bilder
This realistic depiction of Mohammed can be found in a Spanish language educational web site
h) Mohammed - sein Leben und sein Wirken (570 – 632 n.Chr,)
http://www.efg-hohenstaufenstr.de/downloads/texte/is02:moh:leben.html
R.9.4.2.2
p. 394: Geist und Atem im Islam
a) Wer ist der Geist von Allah im Islam ?
Eine kritische Analyse einschlägiger Qur’an-Verse im Vergleich mit dem Evangelium
Abd al – Masih: Licht des Lebens – Villach . Oesterreich
http://www.light-of-lofe.com-email;info@light-of-life.com
bitflow,dyndns.org/…/Wer-ist-Der-Geist_Von_Allah-Im-Islam-1998.d…
b) Bild aus: Al-Qiyamah (The Resurrection)
(Text zu Bild von P. Brüesch aus dem Englischen ins Deutsche übersetzt)
http://www.al-qiyamah.org/
c) Der Atem Allahs: Die islamische Welt und der Westen – Kampf der Kulturen ?
Bernard Levis (Auror) - Taschenbuch
http://www,amazon,de/Der-Atem-Allahs-islamische-Kulturen/dp/3423306408
d) Sure 38 - Koransuren.de - Sure 38 72 http://www.koransure38.html
e) Sure 35: Fatir (Der Erschaffer) - Sure 35 9
Sure 35 – islam.de/Quaran Übersetzung – Suren/ - islam.de/13827.php?sura=35
384
69
R-9-5
9 – 21
9.4.3 Der Hinduismus
R.9.4.3.0
p. 395: Der Hinduismus (Titel mit Symbol aus: www.google.ch/search)
R.9.4.3.1
Hinduismus: http://de.wikipedia.org/wiki/Hinduismus
R.9.4.3.2
Hinduism - http://en.wikipedia.org/wiki/Hinduism
R.9.4.3.3
p. 396: Der Hinduismus – Allgemein
a) Der Hinduismus
http://www.arte.tv/de/der-hinduismus/1172966,CmC=1172972.html
- Bild des Symbols: Unter «Hinduismus»: www.google.ch: Bilder des Hinduismus»
b) Die heilige Kuh: http://de.wikipedia.org/wiki/Heilige_Kuh
c) Heilige Kuh und ewiger Kreislauf des Hinduismus
http://www.demokratiewebstatt.at/thema/thema-religion-und-glaube/die-fuenf-weltreligionen/heilige-kuehe…Kühe sind heilige Tiere. Ihre Verehrung verdankt die Kuh vor allem der Legende, dass der Gott Krishna ein besonders wichtiger Gott – als Hirtenjunge mit einer Kuh -Herde heranwuchs. Die Kühe dürfen nicht geschlachtet werden, sie können sich überall frei bewegen und haben sogar im Strassenverkehr Vorrang..
Wer eine Kuh tötet, wird mit schlechtem Karma bestraft.
d) Symbol des Hinduismus - gefunden unter www.google.ch: Bilder des Hinduismus
e) Göttliche Helden im Hiduismus . http://www.asien-feste.de/Hinduismus/hinduismus.html
R.9.4.3.4
p. 397: Der Atem und Prana in den Upanishaden
a) Upanishaden - https://de.wikipedia.org/wiki/Upanishaden
b) Prana - https://de.wikipedia.org/wiki/Prana
c) Die Kuiturgeschichte des Atems - Annina Elisabeth Züllig
www.adfontes.ch/uplpads/Kulturgeschichte%des%20Atems.pdf
d) The Hindu Tradition of Breath Meditation
by Abbot George Burke (Swami Nirmalananda Giri) (http://www.ocoy,org/author/abbot-george)
http://www.ocoy.org/original-yoga/how-to-meditate/zhe-breath-of-life-the-practice-of-breath-medutation/the-hindu.
(Bild links: Atmungsmeditation)
e) Atman: http://de.wikipedia.org/wiki/Atman
f) Axel Michaels: Der Hinduismus – Geschichte und Gegenwart
books.google.ch//books?isbn=3406549748
g) Bild rechts gefunden unter: Atmungsmeditation von indischen Jainas ; Google.ch – Bilder
384
69
R-9-6
9.4.4 Der Buddhismus
R.9.4.4.0
p. 398: Der Buddhismus (Titei Symbol aus: www.google.ch/search)
R.9.4.4.1
Die Geschichte Buddhas - http://www.buddhas.ch/die-geschichte-buddhas
R.9.4.4.2
a)
b)
R.9.4.4.3
p. 399: Der Buddhismus - Allgemein
a) Buddha
http://de.wikipedia.org/wiki/Buddha
enthält Text und Bild links von Buddha Siddhartha Gauatama
b) Bild rechts: http://www.great-buddha-statue.com/
R.9.4.4.4
p. 400: Welche Bedeutung hat das Symbol vom Buddhismus? / Frieden-fragen.de
a) http://www.frieden-fragen.de/antworten/antworten-religion-und-frieden/
welche-bedeutung.hat-das-symbol-vom-buddhi…
b) Noble Eightfold Path
http://en.wikipedia.org/wiki/Noble_Eightfold_Path
R.9.4.4.5
p. 401: Der Atem im Buddhismus
a)
b)
c)
d)
e)
Der Buddhismus - www.arte.tv > Home > Faszination Glaube > Die Weltreligionen
Der Buddhismus - http://www.diedalailamas.ch/buddhismus.php
http://www.diedalailamas.ch/buddhismus.php
Text links: Die Buddhistische Tradition der Atem – Meditation - (Thragata 548 vor Chr.)
verfasst von Ekkehard Sass (2000) - gefunden unter: www.palikanon.com/main2.html
Bild links: Buddha: Atem – Meditation aus: The Buddhist Tradition of Breath Meditation
http://breathmeditation.org/the-buddhist-tradition-of-breath-meditation
Atem ist Leben – Geist zeigt sich im Lebendem Ate,
http://www.atempraxis-eitel.de/text-atem-ist-leben-ist-geist.html - (Text zur Atmung im Buddhismus)
Bild rechts: «The Kǒan of Breathing»
http://www,beliefnet.com/Faiths/Buddhism/Articles/The-Koan-of-Breathing.aspx
Zur Bedeutung des «Kõan» siehe nachfolgende Literatur:
Kõan: http://de.wikipedia.org/wiki/K%C5%8Dan
384
69
R-9-7
9 - 22
9.4.5 Das Judentum
R.9.4.5.0
p. 402: Das Judentum (Titel mit Symbolen)
Symbol links (Davidstern) aus www.google.ch(search)
Davidstern: http://de.wikipedia.org/wiki/Davidstern
Symbol rechts aus: Referenz R:9.4.5.1
R.9.4.5.1
p.
a)
b)
c)
d)
R.9.4.5.2
p. 404: Der Atem im Judentum
403: Das Judentum - Allgemein
Juden - http://de.wikipedia.org/wiki/Iuden
Judentum - http://de.wikipedia.org/wiki/Judentum
Das Judentum - http://www,arte.tv/de/das-judentum/1172966.CmC=1172968.html
Judentum - Klagemauer am Tempelberg in Jerusalem
http://www.spirii,de/de/Wissen/Spiritualitaet/Weltreligionen/Judentum.html
e) Die Klagemauer in Jerusalem - http://www.missions-palestine.org/die-klagemauer-in-jerusalem.html
a) Seele - http://de.wikipedia.org/wiki/Seele
b) Der Heilige Geist Gottes - http://www,dawnbible.com/de/2008/08031s,htm
c) «Alles, was Odem hat, lobe den Herrn»
Menschen und Tiere unter der gleichen Verheissung Jahwes
www.uni-due-de/~gev020/courses-stuff/lit-Gerlitz, Peter 1998.pdf
d) Bild unter: Ruach & Being Prayed By The Whole Breath of Life: Judaism
http://livinginthemonasterywithoutwallsdotcom.wordpress.com/2013/09/06/ruach-being-prayed-by-the-wholebreath-of-…
Anhang: Kapitel 9
9-A-4-1
p. 9-A-4-1: Gebetsfahne im Buddhismus
https://de.wikipedia.org/wiki/Gebetsfahne
[Diese Seite wurde aus Literaturangaben von P. Brüesch zusammengestellt]
384
69
R-9-8
9 – 23
10. Atmosphären der
Planeten unseres
Sonnensystems
und von Exoplaneten
69
405
10 – 0
10.1 Atmosphären der Planeten
unseres Sonnensystems:
Allgemeine Betrachtungen
69
405
406
Atmosphäre: Definition und Schichten
Die Atmosphäre ist die gasförmige Hülle um grössere Himmelskörper, insbesondere
um Sterne und Planeten. Sie besteht meistens aus einem Gemisch verschiedener
Gase, die vom Schwerefeld des Himmelkörpers festgehalten werden. Die
Atmosphäre ist an der Oberfläche am dichtesten (s. pp 25, 30) und geht in grosser
Höhe fliessend in den interplanetaren Raum über. Man unterscheidet zwischen den
Atmosphären:
• von erdähnlichen (inneren) Planeten
• von Gasriesen (äussere Planeten)
• von extrasolaren Planeten (Exoplaneten)
• von Monden
• von Sternen.
Im wesentlichen kann man mit zunehmender Höhe zwischen folgenden Schichten
der Atmosphären unterscheiden (s. Kapitel 2):
a) Troposphäre (innerste Schicht)
b) Stratosphäre
c) Mesosphäre
d) Thermosphäre
e) Exosphäre (äusserste Schicht)
Diese Gliederung gibt nur eine grobe Einteilung wieder, und nicht jede Schicht ist bei
allen Atmosphären nachweisbar.
69
405
407
10 – 1
Atmosphären von erdähnlichen Planeten
• Der Merkur hat keine Atmosphäre im herkömmlichen Sinn, sondern nur eine Exosphäre,
die mit der Exosphäre der Erde vergleichbar ist. Die hohen Anteile von Wasserstoff und
Helium stammen wahrscheinlich vom Sonnenwind.
• Die Atmosphäre der Venus besteht hauptsächlich aus CO2, ist aber ansonsten der
Atmosphäre der Erde am ähnlichsten.
• Die Erdatmosphäre besteht aus einem Stickstoff / Sauerstoff- Gemisch (s. Kapitel 2).
Sie ist in der Lage, schwere Elemente wie Argon (Ar) in der Atmosphäre zu halten;
leichte Elemente wie Wasserstoff (H2) und Helium (He) verlor sie jedoch im Laufe
ihrer Entwicklung.
• Der Mars hat ebenso wie die Venus eine CO2- Atmosphäre. Der grösste Teil der Atmosphäre des Mars wurde wahrscheinlich im Laufe der Zeit vom Sonnenwind (pp 353 – 356)
regelrecht abgetragen und in den Weltraum mitgerissen.
Das Innere
Sonnensystem
Merkur
Venus
Erde
69
405
408
Mars
Atmosphären der Monde
•
Der Erdmond hat keine Atmosphäre im eigentlichen Sinn, sondern nur eine
Exosphäre. Diese besteht zu etwa gleichen Teilen aus Helium, Neon,
Wasserstoff und Argon. Diese Exosphäre hat ihren Ursprung in
eingefangenen Teilchen des Sonnenwindes.
•
Der Saturnmond Titan hat eine dichte Atmosphäre, die zum grössten Teil
aus Stickstoff besteht.
•
Die Jupitermonde Europa und Ganymed besitzen eine dünne Sauerstoff-Atmosphäre, die sie durch ihre Gravitation halten können, jedoch
nicht biologischer Herkunft sind.
•
Der Jupitermond Kallisto hat eine dünne Kohlenstoffdioxid-Atmosphäre.
•
Der Jupitermond Io besitzt eine dünne Schwefeldioxid-Atmosphäre.
•
Der Neptonmond Triton besitzt eine dünne Stickstoff-Methan-Atmosphäre.
•
Der Saturnmond Rhea besitzt eine dünne Atmosphäre aus Kohlenstoff.
•
Die andern Satelliten des Sonnensystems sowie der Erdmond haben wie
der Planet Merkur nur eine Exosphäre.
69
405
409
10 – 2
Atmosphären des Äusseren Sonnensystems: Gasriesen
•
Die Atmosphärenzusammensetzung der Gasriesen (äussere Planeten) wie
Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun basieren ähnlich der Sterne im
Wesentlich aus Wasserstoff und Helium.
Ihr Kern ist jedoch kalt und wie bei den Sternen fehlt der Strahlungsdruck.
•
Jupiter und Saturn bestehen dabei im Inneren aus flüssigem Wasserstoff
mit einem Kern aus metallischem Wasserstoff.
•
Uranus und Neptun hingegen haben einen eisigen Mantel und Kern aus
Wasser bzw. Eis, Ammoniak, Methan und Gestein.
Saturn
Jupiter
Uranus
Neptun
Das Aeusseres Sonnensystem
69
405
410
Die Sonne: Struktur und Atmosphäre
In der «Atmosphäre» der äusseren Hülle der Sonne unterscheidet man drei
unterschiedliche Schichten, nämlich die «Photosphäre», die «Chromosphäre» und die
«Korona». Die Atmosphäre wird nach aussen hin immer dünner, bis sie fliessend in den
interplanetaren Raum übergeht.
•
Die Photosphäre, auch «Lichtsphäre» genannt – ist die für unser blosses Auge sichtbare
Sonnenoberfläche. Sie besteht aus ca. 70% H2 und 28% He. Dicke: ca. 200 km;
Temperatur ca. 6’000 0C.
•
Über der Photosphäre liegt die Chromosphäre; Dicke ≈ 10’000 km; Temperatur bis
10’000 0C.
•
Äusserste Schicht: «Korona»; Temperaturen bis 2 Millionen Grad !! (s. Ref. R.10.1.3 e).
Die Korona geht nach mehreren Millionen Kilometern in den interplanetaren Raum über.
Tornados an der Sonnenoberfläche
69
405
411
10 – 3
Aufbau der Sonne
Das Sonnensystem: Entfernungen, Massen
und Umlaufzeiten der Planeten
69
405
412
Eigenschaften der Planeten
Durch- mittlere Aggre- Dichte TagesPlanet messer Geschw. gatzu- (g/cm3) Dauer
(Tage)
(km)
(km/h) stand
Min.
Max.
Neigung
Magnet
Temp. Temp. der Rotafeld
(0C)
(0C) tionsachse (x Erdfeld)
(Aequator)
(deg)
Merkur
4’879 172’332
Venus 12’103
126’072
f
5.427
58.65
- 173
427
f
5.243
243.02
+ 437
497
~
0
177.36
~ 0.01
~0
Erde
12’734
107’208
f
5.515
1.00
- 89
58
23.45
1.0
Mars
6’772
86’868
f
3.933
1.026
- 133
27
25.19
~ 0.03
Jupiter 138’346
47’052
g / fl/ f
1.326
0.413
- 108
- 108
3.13
~ 20
Saturn 114’632
34’884
g / fl/ f
0.687
0.449
- 139
- 139
26.73
~ 0.7
Uranus
50’532
24’516
g / fl/ f
1.270
0.718
- 197
- 197
97.77
~ 0.8
Neptun
49’105
19’548
g / fl/ f
1.638
0.665
- 201
- 201
28.32
~ 0.46
g: gasförmig / fl: flüssig / f: fest
Erdmagnetfeld: ca. 60 mT an Polen,
ca. 30 mT am Aequator (1T = 1 Tesla = 104 Gauss)
(Die angegebenen relativen Felder der
384
69 Planeten sind sehr approximativ)
413
10 – 4
Geschwindigkeiten und Abstände der Planeten von der Sonne
Die Graphik zeigt die Geschwindigkeiten der um die Sonne kreisenden Planeten. Die Werte sind
138’000
Durchschnittswerte, denn die Planeten bewegen sich nicht mit kon103’500
stanten Geschwindigkeiten, sondern
werden auf ihren elliptischen Bahnen
69’000
in Sonnennähe etwas schneller und
in Sonnenferne etwas langsamer. Die
34’500
fundamentalen Gesetzmässigkeiten
für die Umlaufbahnen der Planeten
0
Merkur Venus Erde Mars Jupiter Saturn Uranus Neptun um die Sonne stammen von J. Kepler
(s. Referenz R.10.1.2 b)).
Abstand der Planeten zur Sonne in Mio km
Geschwindigkeit (km/h)
Geschwindigkeit der Planeten auf ihrer Umlaufbahn
172’500
Abstand der Planeten zur Sonne in Millionen km
5
Zusammen mit der untenstehenden
Figur ersieht man, dass die Planeten
desto langsamer unterwegs sind, je
weiter weg von der Sonne sich ihre
Bahn befindet, Merkur als innerster
Planet ist mit der gigantische Geschwindigkeit von 172’000 km/h der
schnellste, Neptun als äusserster
Planet ist mit knapp 20’000 km/h viel
langsamer. [Der Planet Neptun ist
aber immer noch 100 mal schneller
als ein Auto, das mit 200 km/h fährt !].
4498
4
2871
3
2
1427
1
778
58
0
108
150
228
69
Merkur Venus Erde Mars Jupiter Saturn Uranus
405
414 Neptun
414
Gase der Atmosphären unserer Planeten
Anteil
Bestandteil
1
42.00 %
Sauerstoff
Anteil
Bestandteil
2
29.00 %
Natrium
Anteil
Bestandteil 3
Venus
96.50 %
Kohlendioxid
3.50 %
Stickstoff
0.02 %
Schwefeldioxid
Erde
78.08 %
Stickstoff
20.95 %
Sauerstoff
0.93 %
Argon
0.04 %
Kohlendioxid
Mars
95.32 %
Kohlendioxid
2.70 %
Stickstoff
1.60 %
Argon
0.13 %
Sauerstoff
Jupiter
89.80 %
Wasserstoff
10.20 %
Helium
0.30 %
Methan
0.03 %
Ammoniak
Saturn
96.30 %
Wasserstoff
3.25 %
Helium
0.45 %
Methan
0.03 %
Ammoniak
Uranus
82.50 %
Wasserstoff
15.20 %
Helium
2.30 %
Methan
Neptun
80.00 %
Wasserstoff
18.00 %
Helium
1.00 %
Methan
Merkur
69
405
415
10 – 5
22.00 %
Wasserstoff
Anteil
Bestandteil 4
6.00 %
Helium
Numerische Exzentrizität der Planetenbahnen um unsere Sonne
Die numerische Exzentrizität e der Bahnellipse eines Planeten mit den Halbachsen a
und b ist definiert durch e = (1/a) * (a2 - b2)½ ; wenn a = b  Kreis  e = 0
e
0.21
0.20
0.19
0.18
0.17
0.16
0.15
0.14
0.13
0.12
0.11
0.10
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0.00
0.206
Mars
0.093
Merkur
Jupiter
Saturn
Uranus
0.056
0.048
Venus
0.046
Neptun
Erde
0.017
0.009
0.007
69
405
416
10 – 6
10.2 Spezifische Eigenschaften
und Atmosphären der Planeten
unseres Sonnensystems
69
405
417
10.2.1 Der Planet Merkur
Götterbote - deshalb auch Gott der
Händler, Reisenden und Dichter,
Sohn des Zeus
69
405
418
10 – 7
Allgemeine Eigenschaften
Der Merkur ist mit einem Durchmesser von knapp 4880 km der kleinste und mit einer
durchschnittlichen Sonnentfernung von 58 Millionen km der sonnennächste und somit auch der
schnellste Planet in unserem Sonnensystem. Er hat mit einer maximalen Tagestemperatur von rund
+ 430 0C und einer Nachttemperatur von - 170 0C die grössten Temperaturschwankungen aller
Planeten (s. p 413 und Bild unten). Aufgrund seiner Grösse und chemischen Zusammensetzung
zählt er zu den erdähnlichen (terrestrischen) Planeten. Wegen seiner Sonnennähe ist er von der Erde
aus schwer zu beobachten. Aequatoial-Durchmesser: 4’878 km; Masse: 3.3 x1023 kg; mittlere Dichte:
5.420 g/cm3; Fallbeschleunigung: 3.70 m/s2; Rotationsperiode: 87.96 d (0.241 y); Atmosphärendruck
an Oberfläche: ~ 0 bar: Exzentrizität: 0.206.
bis
430 oC
bis
- 170 oC
Merkur in natürlichen Farben
419
Wegen der
schwierigen Erreichbarkeit auf der
sonnennahen Umlaufbahn und der damit verbundenen Gefahr durch den intensiven Sonnenwind
haben bislang erst zwei Raumsonden, Mariner 10
(1970) und Messenger (2008), den Planeten besucht
und studiert.
Die mondähnliche, von Kratern durchsetzte Oberfläche aus rauem, porösem, dunklem Gestein reflektiert das Sonnenlicht nur schwach. Die mittlere
sphärische Albedo beträgt 0.06, d.h. die Oberfläche
streut im Durchschnitt 6% des von der Sonne
praktisch parallel eintreffenden Lichtes zurück.
Die Dichte des Merkur ist nur wenig geringer als die
der Erde. Es wird vermutet, dass etwa 70% in einem
Eisenkern stecken müssen, der etwa 75% des
Radius einnimmt; aussen: etwa 30% Silikate.
Wegen der hohen Temperatur in Sonnenrichtung
und der geringen Masse kann der Merkur keine
Atmosphäre halten (s.p. 421).
Elliptische Bahn (massstabsgetreu) des Merkurs um die Sonne
Der Merkur beschreibt eine
elliptische Bahn um die
Sonne, die in einem der
Brennpunkte der Ellipse mit
den Halbachsen a und b und
der Exzentrizität e ist. e ist die
numerische Exzentrizität.
b
a
a = 57.908 x 106 km
b = 56.671 x 106 km
e = (a2 – b2)1/2 = 11.9 x 106 km
e = e/a = 0.205624
a
a
e <
kleinste Entfernung von der
Sonne = a – e = 46.00 x 106 km
Sonne
grösste Entfernung von der
Sonne= a + e = 69.81 x 106 km
Umlaufzeit um Sonne
(siderische Periode):
0.241 Erd-Jahre = 87.969 Tage
Merkur
mittlere Geschwindigkeit:
172’332 km/h
69
405
420
10 – 8
Die Merkur-Atmosphäre - 1
Bisher war es ein Rätsel: Wie kann dieser massenarme, innerste und dadurch
sehr heisse Planet dauerhaft eine Atmosphäre, wenn auch eine extrem dünne,
halten? Merkurs Oberflächentemperatur beträgt auf der Tagesseite über 400oC
(s. p. 419). Durch die starke Sonnenlichteinstrahlung würden die Bestandteile der
Merkuratmosphäre in relativ kurzer Zeit durch Photoevaporation, d.h. durch
Ionisierung und Beschleunigung der Teilchen auf Fluchtgeschwindigkeit ins All
entweichen. Da Merkur seine rudimentäre Atmosphäre aber offenbar über lange
Zeiträume aufrechterhalten kann, muss es einen konstanten Nachschub an
Teilchen geben: mehr dazu auf p. 422.
Es muss allerdings festgehalten werden, dass es im Fall von Merkur stark
übertrieben ist, von einer eigentlichen Atmosphäre zu sprechen. Der
atmosphärische Druck an der Oberfläche beträgt nur ein Billiardstel des Drucks
von 1 bar an der Erdoberfläche (pMerkur = 10-15 bar = 10-10 Pa). Unter irdischen
Bedingungen würde man von einem Hochvakuum sprechen.
Die Abwesenheit einer Atmosphäre trägt auch zu den extremen Temperaturschwankungen dieses Planeten bei. Auf andern Planeten wirkt die Atmosphäre
als Schutzmantel, der dazu beiträgt, die Wärme zu verteilen. Auf dem Merkur
dagegen trägt die extrem dünne Atmosphäre nicht dazu bei, die eintreffenden
Sonnenstrahlen und damit die Temperatur zu stabilisieren. Da die Distanz vom
Merkur zur Sonne so klein ist, ist die Tagesseite des Planeten der Sonne
schutzlos ausgeliefert, während die von der Sonne abgeschirmte Nachtseite der
Kälte voll exponiert ist. Die Abwesenheit einer Atmosphäre des Merkurs bedeutet
aber nicht, dass er der heisseste Planet ist. Diese Ehre kommt vielmehr dem
Planeten Venus wegen seiner galoppierenden
69 globalen Erwärmung zu.
405
421
Die Merkur - Atmosphäre 2
Der kleine Atmosphären-Druck des Merkurs hängt u.a. damit zusammen, dass das
Magnetfeld lückenhaft ist. Durch diese Lücken können Partikel des Sonnenwindes
durchtreten und die Oberfläche des Merkur erreichen und so die Atmosphäre
auffrischen. Zudem entsteht durch Ausgasen aus der Oberfläche des Planeten ein
weiterer Beitrag zur Atmosphäre.
Trotzdem besitzt der Planet Merkur keine Atmosphäre im herkömmlichen Sinn, denn
der Gasdruck ist kleiner als ein labortechnisches erreichbares Vakuum, ähnlich wie
die Atmosphäre des Mondes. Die «atmosphärischen» Bestandteile Wasserstoff H2
(22% Volumenanteil) und Helium (6%) stammen sehr wahrscheinlich aus dem
Sonnenwind, wohingegen Sauerstoff O2 (42%), Natrium (29%) und Kalium (0.5%)
vermutlich aus dem Material der Oberfläche freigesetzt wurden.
Hauptbestandteile der Merkuratmosphäre
Natrium: 29 %
Sauerstoff:
42 %
Kalium und andere: 1 %
Wasserstoff:
22 %
Helium: 6 %
69
405
422
10 – 9
Mit Kratern bedeckte Oberfläche
10.2.2
Der Planet Venus
Göttin der Liebe und der Schönheit
69
405
423
Der Planet Venus: Allgemeines und Orbit
Die Venus ist mit einer durchschnittlichen Sonnentfernung von 108 Millionen km der zweitinnerste und mit einem Durchmesser von ca. 12’100 km der drittkleinste Planet des
Sonnensystems. Sie zählt zu den vier erdähnlichen Planeten, die auch terrestrische oder
Gesteinsplaneten genannt werden.
Venus ist der Planet, der auf seiner Umlaufbahn der Erde mit einem minimalen Abstand von 38
Millionen km am nächsten kommt. Sie hat fast die gleiche Grösse wie die Erde (Bild rechts),
unterscheidet sich aber in Bezug auf die Geologie und vor allem hinsichtlich ihrer Atmosphäre.
Nach dem Mond ist sie das hellste natürliche Objekt am Dämmerungs- oder natürlichen
Sternhimmel. Sie wird deshalb auch Morgenstern oder Abendstern genannt.
Eigenschaften des Orbits:
Grosse Halbachse a = 108.209 x 106 km; numerische Exzentrizität: e = e/a = 0.00679;
 Exzentrizität e = e a = 0.7347 x 106 km; kleine Halbachse: b = 108.206 x 106 km;
 Die Umlaufbahn um die Sonne ist in sehr guter Näherung ein Kreis.
Umlaufzeit um Sonne = 224.701 Tage; mittlere Bahngeschwindigkeit = 35.02 km/s.
Venus in natürlichen Farben
69
424 405
Vergleich von Venus (links) mit Erde
10 – 10
Venus: Weitere Daten und Eigenschaften – Vergleich mit Erde
Daten der Planeten:
•
mittlerer Radius: RVenus = 6051.8 km = 0,949 Erdradien;
•
mittlerer Erdradius RErde = 6371 km;
•
•
mittlere Masse: MVenus = 4.869 x 1024 kg;
mittlere Masse der Erde: MErde = 5.973 x 1024 kg
•
mittlere Dichte der Erde: rErde = 5.515 g/cm3;
•
• Oberfläche: Fvenus = 4.60 x 108 km2;
•
•
mittlere Dichte: rVenus = 5.243 g/cm3;
Oberfläche der Erde: FErde = 5.1995 x 108 km2;
•
•
Fallbeschleunigung: 8.87 m/s2 ;
Fallbeschleunigung der Erde: 9.81 m/s2;
69
405
425
Die Schichten der Venus - Atmosphäre
Die Atmosphäre der Venus ist viel dichter und heisser als jene der Erde. Die Temperatur an der
Oberfläche ist 467 0C, während dort der Druck 93 bar beträgt ! Die Venus-Atmosphäre enthält
undurchsichtige Wolken aus Schwefelsäure (H2SO4), welche Beobachtungen der Oberfläche von
der Erde aus als auch mit Raumschiffen unmöglich machen. Informationen über die Topographie
konnten ausschliesslich mit Radarbildtechnik gewonnen werden. Die blaue Kurve im Bild unten
stellt die Temperatur T als Funktion der Höhe h (Altitude) dar.
Temperatur und Druck als Funktion der Höhe
426
Die wichtigsten atmosphärischen Gase sind
Kohlenstoffdioxid (CO2) und Stickstoff (N2).
Für weitere Spurengase siehe p. 427.
Die Atmosphäre befindet sich in einem Zustand
von heftigen Zirkulationen und Super-Rotationen.
Wie die Erdatmosphäre (s. pp 7 und 9, Kapitel 1)
kann auch die Venus-Atmosphäre in mehrere
Schichten unterteilt werden. Die Troposphäre
beginnt auf der Oberfläche des Planeten und
erstreckt sich je nach Definition wischen 65 km und
100 km Höhe. In der Nahe der Oberfläche sind die
Winde schwach, aber am oberen Ende der
Troposphäre erreichen die Temperaturen und
Drucke Werte wie auf der Erde und die Wolken
erreichen Geschwindigkeiten bis 100 m/s! Der
Druck des CO2 an der Oberfläche ist so hoch, dass
es sich nicht mehr um ein Gas sondern vielmehr
um eine superkritische Flüssigkeit handelt.
Die Troposphäre der Venus enthält 99% der Masse
der Atmosphäre; 90% der Atmosphäre befindet
sich in einer Schicht von 28 km über der
Oberfläche.
69
405
10 – 11
Die Zusammensetzung der Venus - Atmosphäre
Die Atmosphäre der Venus besteht hauptsächlich aus Kohlenstoffdioxid, CO2 (96.5%) und zudem
einer wesentlich geringeren Menge von Stickstoff, N2 (3.5%) (s. Figur links). Daneben gibt es eine
Reihe von Spurengasen, nämlich Schwefeldioxid (H2SO4: 150 ppm), Argon (Ar: 70 ppm), Wasser (H2O:
20 pp), Kohlenstoffmonoxid (CO: 17 ppm); Helium (He: 12 ppm), und Neon (Ne: 7 ppm) (s. Figur
rechts).
Wegen der grossen Gesamtmasse der Atmosphäre befindet sich in ihr etwa fünfmal so viel Stickstoff
wie in der Erdatmosphäre. Die Venusatmosphäre hat rund 90-mal so viel Masse wie die Lufthülle der
Erde und bewirkt am mittleren Bodenniveau einen Druck von 93 bar. Dies entspricht dem Druck in gut
910 m Meerestiefe auf der Erde. Die Dichte der Atmosphäre ist an der Oberfläche etwa 50-mal so
gross wie auf der Erde.
Die Atmosphäre der Venus ist von aussen völlig undurchsichtig. Dies liegt an einer stets geschlossenen Wolkendecke. Diese findet sich mit ihrer Unterseite in einer Höhe von etwa 50 km und ist rund
20 km dick. Ihr Hauptbestandteil besteht zu etwa 75 Massenprozent Tröpfchen aus Schwefelsäure.
Daneben gibt es auch chlor- und phosphorhaltige Aerosole.
Zusammensetzung der Venus-Atmosphäre
69
405
427
10 - 12
10.2.3 Der Planet Erde
Göttin der Erde - personifizierte Erde
in der griechischen Mythologie
69
405
428
Eigenschaften des Orbits
Die Erde - Allgemeines
Die Erde ist der dichteste, fünft-grösste
und der Sonne drittnächste Planet des
Sonnensystems. Ihr Alter ist etwa 4.6
Milliarden Jahre. Sie ist die Heimat aller
bekannten Lebewesen. Nach der vorherrschenden chemischen Beschaffenheit
der Erde wird der Begriff der erdartigen
(terrestrischen) oder auch erdähnlichen
Planeten definiert, nämlich des Merkur, der
Venus und des Mars.
•
•
•
Grosse Halbachse:
149.6 Mio. km
Numerische Exzentrizität e :
0.0167
Orbitalgeschwindigkeit:
29.78 km/s
Physikalische Eigenschaften
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Aequatordurchmesser:
12’756 km
Polarduchmesser:
12’713 km
Masse:
5.972 x 1024 kg
Mittlere Dichte:
5.515 g/cm3
Fallbeschleunigung:
9.80665 m/s2
Fluchtgeschwindigkeit
11.186 km/s
Rotationsperiode
23 h 56 min 4.1 s
Neigung der Erdrotationsachse: 23.440
Geometrischer Albedo
0.367
Eigenschaften der Atmosphäre
•
•
•
•
Druck (bezogen auf Nullniveau) 1.014 bar
Temperaturminimum:
- 89 0C
Temperaturmittelwert:
15 0C
Temperaturmaximum:
58 0C
Zusammensetzung der Luft
Die Erde, aufgenommen von Apollo 17
am 7. Dezember 1972
• Stickstoff N2: 28.08%; Sauerstoff O2: 20.95%;
• Argon Ar: 0.93%; CO2: 0.038%;
• Neon Ne: 0.002%
69
429 405
10 – 13
10.2.4 Der Planet Mars
Gott des Krieges
69
405
430
Mars: Allgemeine Daten und Eigenschaften
Der Mars ist, von der Sonne aus
gesehen, der vierte Planet in
unserem Sonnensystem und der
äussere Nachbar der Erde (s. p.
408). Er zählt zu den erdähnlichen
(terrestrischen Planeten).
Eigenschaften des Orbits
•
•
•
Grosse Halbachse:
Exzentrizität:
mittlere Orbitalgeschw.
228 Mio. km
0.0935
24.13 km/s
Physikalische Eigenschaften:
•
•
•
•
mittlerer Durchmesser:
Masse:
mittlere Dichte:
Fallbeschleunigung:
6’772 km
6.419 x 1023 kg
3.933 g/cm3
3.69 m/s2
Eigenschaften der Atmosphäre:
•
•
•
•
Druck:
minimale Temperatur:
mittlere Temperatur:
maximale Temperatur:
6 x 10-3 bar
- 133 0C
- 550C
+ 27 0C
Gase der Atmosphäre:
Mars in natürlichen Farben; die Daten
für das Bild wurden 1999 mit dem Mars
Global Surveyer aufgenommen.
•
•
•
•
•
•
Kohlenstoffdioxid (CO2):
Stickstoff (N2):
Argon (Ar)
Sauerstoff (O2):
Kohlenstoffmonoxid (CO):
Wasser (H2O):
69
405
431
10 – 14
93.32 %
2.7 %
1.6 %
0.13 %
0.08 %
0.02 %
Vergleich: Erde – Mars
Eigenschaft
Durchmesser (km)
Masse (kg)
Atmosphären-Druck
an Oberfläche (bar)
Erde
12’742
5.972 x 1024
1.013
Mars
6’772
0.639 x 1024
0.006
Oberflächen der Süd- und Nordhalbkugel des Mars
Die rote Färbung verdankt der Planet dem Eisenoxid-Staub,
der sich auf der Oberfläche und in der Atmosphäre verteilt hat.
Die beiden Hemisphären des Mars sind stark verschieden:
•
•
Die Südhalbkugel stellt ein riesiges Hochland dar, das
durchschnittlich 2 – 3 km über dem globalen Nullniveau
steht und ausgedehnte Schildvulkane aufweist. Die vielen
Einschlagkrater belegen sein hohes Alter von ca. 4 Milliarden Jahren.
Dem steht die Nordhalbkugel mit der Tiefebene gegenüber.
Diese liegt 3 – 5 km unter dem Nullniveau und hat ihre ursprüngliche Struktur durch noch ungeklärte geologische
Prozesse verloren (ev. durch eine Kollision?)
69
405
432
Temperatur und Druck der Atmosphäre in Abhängigkeit der Höhe
Die Atmosphäre des Mars besteht – wie jene
der Venus – hauptsächlich aus CO2 (pp 426,
427, 434).
Die Mars-Atmosphäre ist sehr dünn, etwa 100
mal weniger dicht als jene der Erde. Man
beobachtet keine Wolken aus Wasserdampf
sondern nur wenige aus Wasser-Eis.
Wolken, welche in ca. 50 km Höhe beobachtet
werden, bestehen hauptsächlich aus CO2- Eisund Staub.
Sowohl die Temperatur als auch der Druck an
der Mars-Oberfläche sind tief. An der unmittelbaren Oberfläche ist die Temperatur ca.
250 K (– 23 0C) und in Höhen zwischen ca. 80
und 120 km beträgt sie ca. 123 K (- 150 0C).
T(h)
Temperatur und Druck der Mars-Atmosphäre
in Abhängigkeit der Höhe. Die Einheit für den
Druck ist in atm.
Der atmosphärische Druck auf der Oberfläche
des Mars ist im Schnitt nur 6.36 hPa = 6.36
mbar. Im Vergleich zu durchschnittlich 1013
hPa = 1.013 bar = 1 atm sind dies nur 0.63%
des mittleren Druckes auf Meereshöhe und
entspricht dem Luftdruck der Erdatmosphäre
in 35 km Höhe. Die Atmosphäre des Mars
wurde wahrscheinlich im Laufe der Zeit vom
Sonnenwind abgetragen und in den Weltraum
mitgerissen.
69
405
433
10 – 15
Chemische Zusammensetzung der Mars-Atmosphäre
Chemische Zusammensetzung der Mars-Atmosphäre
69
405
434
10 – 16
10.2.5 Der Planet Jupiter
König der Götter, Herrscher über den Olymp
69
405
435
Jupiter: Allgemeine Daten und Eigenschaften
Eigenschaften des Orbits
Jupiter ist mit einem Aequatordurchmesser von
rund 143’000 km der grösste Planet des
Sonnensystems. Er ist mit einer durchschnittlichen Entfernung von 778 Millionen km
von der Sonne aus gesehen der fünfte Planet.
Aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung
zählt er zu den Gasplaneten («Gasriesen») und
hat keine sichtbare feste Oberfläche.
•
•
•
•
Grosse Halbachse
Exzentrizität:
mittlere Orbitalgeschw.
Orbital-Periode
778.5 Mio km
0.0484
13.07 km/s
11.86 Jahre
Physikalische Eigenschaften
•
•
•
•
Die Gasriesen werden nach ihm auch als jupiterähnliche (jovianische = Jupiterähnliche) Planeten bezeichnet, die im Sonnensystem die Gruppe
der vier äusseren Planeten bilden.
Aequatordurchmesser:
Poldurchmesser:
Masse:
Mittlere Dichte:
142’984 km
133’708 km
1.899 x 1027 kg
1.326 g/cm3
Hauptbestandteile:
(Substanzen der oberen Schichten)
Erde
•
•
•
•
Wasserstoff:
Helium:
Methan (CH4):
Ammomiak (NH3)
•
•
•
•
Fallbeschleunigung:
Rotationsperiode:
Albedo:
Temperatur:
89.8 %
10.2 %
0.3 %
0.026 %
Weitere Eigenschaften:
Jupiter
24.79 m/s2
9 h 55 Min 30 s
0.52
105 K (- 108 0C)
Ringe des Jupiters:
Vergleich von Jupiter mit der Erde
69
405
436
10 – 17
s. Ref. R.10.1.5.1
Die Atmosphäre des Jupiters - 1
Der Jupiter hat die grösste planetarische Atmosphäre im Sonnensystem; ihre
Höhe ist ca. 5’000 km. Da der Jupiter keine feste Oberfläche besitzt, wird die Basis
der Atmosphäre an jenem Punkt festgelegt, wo der Atmosphärendruck 10 bar
beträgt, also das zehnfache des Atmosphärendrucks an der Erdoberfläche.
dunkle
Streifen
helle
Sreifen
Grosser Roter
Fleck
Schatten des
Mondes Europa
Ein zusammengesetztes Bild des Jupiters
mit Hilfe der Raumsonde Cassini
Der dunkle Punkt links ist der Schatten des Mondes Europa. Der Grosse Rote
Fleck etwas unten rechts ist ein permanent andauernder Sturm. Jupiter besitzt
riesige Wolkenstrukturen, die in breiten hellen und dunklen Bänder parallel zum
Aequator verlaufen. Die hellen Regionen sind Gebiete, in denen Gas aus dem
Inneren des Planeten aufsteigt; die dunklen Streifen markieren absinkende
Materie.
69
405
437
Die Atmosphäre des Jupiters - 2
50
Stratosphäre
0.01
0
Dunst-Schicht
0.1
Troposphäre
NH3 - Eis
1
- 50
Wolken
(NH3)SH - Eis
2
H2O - Eis
- 100
10
Gasförmiges H2,
He, NH3, H2O
- 150
0
100
200
300
400
Temperatur (K)
Chemische Zusammensetzung des Jupiters
69
405
438
10 – 18
Die Schichten der JupiterAtmosphäre
500
Druck (bar)
Die Atmosphäre von Jupiter besteht aus 89.8%
molekularem Wasserstoff (H2) und aus 10.2%
Helium (He). Daneben existieren noch einige
andere Verbindungen: Kristallite (crystals) und
Wolken (clouds) aus Ammoniak (NH3), Tröpfchen
(droplets), Kristallite und Wolken aus Wasser
(H2O), sowie Kristallite und Wolken aus
Ammonium Hydrosulfid (NH4SH) (s. Figur rechts).
100
Höhe (km)
Die Atmosphäre von Jupiter ist so dicht und kalt,
dass sie nicht gasförmig sondern flüssig ist. Im
Bereich, in welchem wir atmosphärisches Verhalten beobachten, ist der Druck 5 bis 10 mal
grösser als der Druck der Atmosphäre an der
Erdoberfläche (1 bar).
10.2.6 Der Planet Saturn
Einer der Titanen - Gott des Ackerbaus
69
405
439
Der Planet Saturn - Allgemeines
Der Saturn ist der sechste Planet des Sonnensystems (s. p. 412) und mit einem Aequatordurchmesser von 120’500 km (9.5-facher Erddurchmesser) nach Jupiter zugleich der zweitgrösste.
Mit 95 Erdmassen hat er jedoch nur 30% der
Masse des Jupiters.
Die untersuchten oberen Schichten bestehen zu
etwa 96% aus Wasserstoff. Von allen Planeten
des Sonnensystems besitzt er die kleinste mittlere Dichte von etwa 0.69 g/cm3.
Von den anderen Planeten hebt sich der Saturn
durch seine ausgeprägten Ringe ab, die zu
grossen Teilen aus Wassereis und Gesteinsbrocken bestehen.
Eigenschaften des Orbit
•
•
•
Grosse Halbachse:
Exzentrizirät:
Mittlere Orbitalgeschw.
•
•
•
•
Aequatordurchnesser:
Poldurchmesser:
Masse:
mittlere Dichte:
1’433.5 Mio. km
0.05648
9.69 km/s
Physikalische Eigenschaften
120’536 km
108’728 km
5.685 x 1026 kg
0.687 g/cm3
Hauptbestandteile
(Stoffanteil der oberen Schichten)
•
•
•
•
Wasserstoff (H2):
Helium (He):
Methan (CH4):
Ammoniak (NH3):
96.30 %
3.25 %
0.45 %
0.026 %
Weitere Eigenschaften
•
•
•
•
•
Farbverstärktes Bild des Saturn
Fallbeschleunigung:
10.44 m/s2
Neigung der Rotationsachse: 26.730
Rotationsperiode:
10 h 47 min
Geometrischer Albedo:
0.47
Oberflächen- Temperatur:
- 139 0C
69
405
440
10 – 19
Aufbau und chemischen Zusammensetzung des Saturns
Aufbau:
Der Saturn ist ein Gasplanet mit einem
felsigen Kern aus Silikaten, gefolgt von
einer flüssigen metallischen Wasserstoffschicht und einer anschliessenden Schicht
aus molekularem Wasserstoff.
Die «Atmosphäre» hat eine Schichtstruktur
aus Schichten von Wasserstoff, Helium,
Methan (CH4) und Ammoniak (NH3).
Der Aufbau des Saturns im Inneren
Chemische Zusammensetzung:
Nach der gegenwärtigen Kenntnis besteht
der Saturn im Wesentlichen aus einer einzigen grossen «Atmosphäre». Diese hat
folgende Zusammensetzung:
Chemische Zusammensetzung des Saturn
(Elementary Composition of Saturn)
Die Atmosphäre von Saturn
69
405
441
•
•
•
•
•
•
Wasserstoff (H2):
96.3 %
Helium (He):
3.25 %
Methan (CH4):
0.45 %
Ammoniak (NH3):
0.0125 %
Wasserstoff - Deuterid (HD)
0.011 %
Ethan (C2H6):
0.0007 %
Die Atmosphäre von Saturn ist ähnlich
zusammengesetzt wie jene von Jupiter (s. p.
438) nur ist seine durchschnittliche atmosphärische Temperatur wegen des grösseren
Abstandes von der Sonne etwas tiefer und
seine totale Dicke (~ 200 km) ist grösser als
jene von Jupiter (~ 80 km).
Die Troposphäre enthält drei verschiedene
Wolkenschichten, welche durch 3 Paare von
horizontalen und vertikalen gestrichelten
Linien angegeben sind: Die mittleren h(T)Werte sind: bei ca. (-270 km; 260 K (-130C)) existiert Wasser-Eis (H2O), bei ca. (-190 atm; 210 K
(-63 0C)) findet man Ammoniumhydrosulfid-Eis
(NH3)SH, und bei ca. (-115 atm, 150 K (-123 0C))
ist Ammonium-Eis, (NH3) vorhanden
h(T)
Über den Wolken liegt eine Dunstschicht
(Haze). Darüber folgt die Sratosphäre.
Vertikale Struktur der Saturn – Oberfläche.
Die blaue Kurve h(T) stellt die Höhe h
als Funktion der Temperatur T dar.
69
405
442
10 – 20
Die Wolkenstruktur von Saturn
Saturn : Südpolsturm und hexagonaler Jet-Stream am Nordpol
Die Raumsonde Cassini hat auf dem Saturn etwas entdeckt, was
man bisher auf keinem anderen Planeten gesehen hat: einen
Hurrikan-ähnlichen Sturm am Südpol des Ringplaneten mit einem
deutlich ausgeprägten Auge, das von sich auftürmenden Wolken
umgeben ist.. Das Sturmsystem hat einen Durchmesser von 8’000
km, also von zwei Dritteln des Erd-Durchmessers.
Saturn’s Südpolsturm
Der Sturm dreht sich im Uhrzeigersinn mit 550 km pro Stunde um
den Südpol des Saturns. Cassini entdeckte auch den Schatten von
aufgetürmten Wolken, die das Auge des Sturms umrunden.
Im Gegensatz zu den sich bewegenden Hurrikans der Erde, die
über den Ozeanen entstehen, bewegt sich der entdeckte
Wirbelsturm nicht vom Saturnpol weg.
Die Nordpolregion des Saturn zeigt einen der seltsamsten
Phänomenen, die man bisher beim Ringplaneten entdeckt hat –
ein stabiles hexagonales Wolkenmuster.
Wie dieses Muster genau entsteht ist noch unklar. Aber kürzlich
durchgeführte Experimente im Labor könnten helfen, dieses
Rätsel zu lösen.
Entdeckt wurde das Sechseck am Saturn Nordpol schon von
Voyager und die Raumsonde Cassini hat es dann 2006 bestätigt:
Dort dreht sich tatsächlich ein Hexagon mit einer Seitenlänge
von 13’800 km alle 10 h 40 Sekunden im Kreis.
Wissenschafter von der Universität Oxford haben im Labor Experimente durchgeführt, mit welchen sie die Erscheinung simuSaturn’s sechseckiger Jet-Stream, lieren konnten (s. Ref. R.10.1.6.5).
69
«the Hexagon» am Nordpol
443405
Die Ringe des Saturn
Die Ringe des Saturn bilden zusammen ein Ringsystem, das den Planeten Saturn umgibt. Sie
sind das auffälligste Merkmal des Planeten und bereits durch ein Fernrohr mit 40-facher Vergrösserung zu erkennen. Die Ringe bestehen im Wesentlichen aus Wasser-Eis, aber auch aus
Gesteinsbrocken, die den Saturn umkreisen. Die Partikelgrösse variiert zwischen der von Staubkörnern und mehreren Metern. Das Ringsystem hat viele grössere und kleinere Lücken und ist
bei einem maximalen Durchmesser von fast einer Million Kilometern in weiten Bereichen nur
wenige 100 Meter dick (laut NASA zwischen etwa 200 und 3’000 Metern), und damit relativ
betrachtet, extrem dünn.
Heute ist bekannt, dass es mehr als
100’000 einzelne Ringe mit unterschiedlicher Zusammensetzung und
Farbtönen gibt, welche durch scharf
umrissene Lücken voneinander abgegrenzt sind. Der innerste beginnt
bereits etwa 7’000 km über der Oberfläche des Saturns mit dem Radius von
ca. 60’000 km und hat einen Durchmesser von ca. 134’000 km; der
äusserste Ring liegt ca. 420’000 km
über der Oberfläche und hat einen
Durchmesser von 960’000 km.
Die vielen Ringe des Saturns
(Farbverstärkte Aufnahme von NASA)
69
405
444
10 – 21
Betreffend des Mechanismus der Entstehung der Ringe besteht immer noch
kein
Konsens.
Einige
Merkmale
sprechen für einen relativ neuzeitlichen
Ursprung; andererseits lassen theoretische Modelle vermuten, dass
die
Ringe schon früh nach der Entstehung
des Sonnensystems entstanden sind.
10.2.7 Der Planet Uranus
Urgott des Himmels - Vater des Kronos
gezeugt mit seiner Mutter Gaia,
der Urmutter
69
445
405
Der Planet Uranus – Allgemeines
Der Uranus ist von der Sonne aus mit einer durchschnittlichen Sonnentfernung von 2.9 Milliarden
km der 7. Planet im Sonnensystem. Er wurde 1781
von Wilhelm Herschel entdeckt.
Der Durchmesser dieses Gasplaneten ist mit über
51’000 km etwa vier mal so gross wie der Durchmesser der Erde (s. Bild unten) und das Volumen
ist etwa 65-mal so gross wie das der Erde.
Physikalisch ist Uranus mit dem Neptun vergleichbar und nimmt mit ihm mit rund 14 Erdmassen in
der Massenfolge im Sonnensystem unter den Planeten den 4. Platz ein. Hinsichtlich dem Durchmesser liegt er knapp vor Neptun auf Rang drei –
nach Jupiter und Saturn. Aufgrund von Eisvorkommen im Inneren werden Uranus und Neptun
auch Eisriesen genannt.
Eigenschaften des Orbits
•
•
•
Grosse Halbachse:
2’872.4 Mio. km
Exzentrizität:
0.0472
Mittlere Orbitalgeschw.
6.81 km/s
Physikalische Eigenschaften
•
•
•
•
Aequatordurchmesser: 51’118 km
Poldurchmesser:
49’946 km
Masse:
8.683 x 1025 kg
Mittlere Dichte:
1.27 g/cm3
Hauptbestandteile
•
•
•
Wasserstoff:
Helium:
Methan (CH4):
82.5 %
15.2 %
2.3 %
Weitere Eigenschaften
•
•
•
•
•
Uranus – Vergleich mit Erde
69
405
446
10 - 22
Fallbeschleunigung:
8.86 m/s2
Neigung der Rotationsachse:
97.770 (!)
Rotationsperiode:
17 h 14 min 24 s
Geometrischer Albedo:
0.51
Oberflächentemperatur
bei 1 bar:
- 197 0C
Aufbau und chemische Zusammensetzung
Aufbau
Im «Standard Modell» der Uranus-Struktur wird
zwischen drei Schichten unterschieden: 1) Ein
felsiger Kern (Silikate/Eisen-Nickel) im Zentrum,
2) ein Eis-förmiger Mantel in der Mitte, 3) Eine
äussere gasförmiger Hülle aus Wasserstoff und
Helium.
• Kern: relativ klein mit 0.55 Erdmassen und
einem Radius von weniger als 20% UranusRadius. Dichte ca. 9 g/cm3 und einem Druck
von ca. 8 Mio. bar oder 800 GPa) und einer
Temperatur von ca. 5’000 K.
• Mantel: Bulk-Masse mit ca. 13.4 Erdmassen
• Innere und äussere Atmosphäre
Aufbau des Uranus im Inneren
Chemische Zusammensetzung
Nach der gegenwärtigen Kenntnis besteht
der Uranus im Wesentlichen aus einer einzigen grossen «Atmosphäre». Diese hat
folgende Zusammensetzung:
•
•
•
•
Chemische Zusammensetzung des Uranus
Wasserstoff (H2):
Helium He):
Methan (CH4):
Wasserstoff-Deuterium (HD):
82.5 %
15.2 %
2.3 %
0.00148 %
69
405
447
Rotationsachse und Umlaufbahn – extreme Jahreszeiten
Mit Ausnahme des Uranus stehen die Rotationsachsen der Planeten nahezu senkrecht zu ihren
Umlaufebenen um die Sonne (s. Tabelle, p. 413). Das ist nicht der Fall beim Planeten Uranus,
bei dem die Rotationsachse R sehr schief, sogar leicht überkippt liegt (s. untenstehende Figur
und Anhang 10-A-2-5): Die Rotationsachse bildet hier einen Winkel von ca. 980 mit der
Vertikalen V zur Ebene seiner Umlaufbahn. Sie bildet also mit der Bahnebene (durch schräg
gestrichelte blaue Linien markiert) eine Winkel von 80. Uranus «rollt» deshalb sozusagen um die
Sonne.
In der Lage A des Uranus liegt der grösste Teil der Südhalbkugel S im Sonnenlicht, während die
Nordhalbkugel N im Schatten ist. In der Lage C dagegen, ist es gerade umgekehrt: der grösste
Teil der Südhalbkugel liegt im Schatten, während die Nordhalbkugel von der Sonne bestrahlt
wird. Die Umlaufsdauer von A  B  C  D  A beträgt 84 Erd-Jahre und die Rotationsperiode
um die Achse N – S wurde von der Raumsonde Voyager 2 bestimmt: sie beträgt 17.2 Stunden.
In den Zwischenpositionen B und D liegen relativ «normale» Tag- und Nacht Verhältnisse mit
einer Tag–Nacht–Tag Zeit von 17.2 Stunden vor.
V
980
B
N
80
S
N
S
N
Sonne
C
S
R
A
N
S
D
Zur Umlaufbahn, Richtung der Rotationsachse und Tag – Nachtzeiten des Planeten Uranus.
[Die Umlaufbahn ist mit der kleinen Exzentrizität von e = 0.0472 nahezu ein Kreis. Die obige
langgezogene Ellipse entsteht durch eine Drehung dieses Kreises um die Achse A-C in eine
nahezu zur Zeichenebene senkrechte Lage].
69
405
448
10 – 23
Der Planet Uranus – Atmosphäre - 1
Im Strukturmodell wird Uranus als flüssiger Planet mit einer gasförmigen oberen
Schicht oder Atmosphäre betrachtet, die nicht klar nach unten begrenzt ist. Da sich
der Druck mit zunehmender Tiefe über den kritischen Punkt erhöht, geht die
Gashülle ohne Phasenübergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand über.
Als Oberfläche wird derjenige Bereich definiert, bei dem der Druck 1 bar beträgt.
Das Sonnenlicht wird von den oberen Wolkenschichten teilweise reflektiert. Diese
Wolkenschichten befinden sich unter einer Schicht aus Methangas (CH4). Wenn
das Licht diese CH4-Schicht durchquert, wird der rötliche Teil des Lichtes durch
das CH4–Gas stark absorbiert, während der blaue Anteil gestreut und reflektiert
wird. Dadurch erscheint Uranus in blaugrüner Farbe.
Uranus in natürlichen Farben;
Aufnahme durch Voyager 2, 1986
449
Uranus mit südlichem dichten hellen Wolkenband
69
Courtesy
of NASA / ESA / M. Showalter (SET)
405
Der Planet Uranus – Atmosphäre - 2
Die Atmosphäre des Uranus kann in drei Schichten unterteilt werden. Die Troposphäre befindet
sich in Höhen zwischen – 300 und 50 km und Drücken von 100 bis 0.1 bar (der Nullpunkt der
Höhenskala, d.h. die «Oberfläche», wird beim Druck 1 bar festgelegt). Die Stratosphäre befindet
sich in Höhen zwischen 50 und 4’000 km und die Drücke betragen 0.1 bis 10-10 bar. Die
Thermosphäre / Korona erstreckt sich von 4’000 km bis zu 50’000 km über der Oberfläche.
Die Troposphäre
Die Troposphäre ist der unterste und dichteste Teil der Atmosphäre. Mit steigender Höhe fällt
ihre Temperatur ab. Am untersten Teil der Troposphäre, das etwa 300 km unter dem Ein-barNiveau liegt, beträgt die Temperatur etwa 320 K (ca. 470C). Bis zum oberen Bereich der
Troposphäre in 50 km Höhe fällt die Temperatur auf etwa 53 K (- 2200C). Die Troposphäre enthält
fast die ganze Masse der Atmosphäre und ist auch für den Grossteil der planetarischen Wärmestrahlung (Strahlung im fernen Infrarot) verantwortlich.
Die Wolken bestehen anscheinend aus Partikeln gefrorenen Methans (CH4), das als heisses Gas
aus tiefen Lagen aufgestiegen und in den äusseren Schichten kondensiert ist. Es wird vermutet,
dass Wasser die unteren Wolken bildet, während die oberen Wolken eher aus Methan bestehen.
Die Windgeschwindigkeiten betragen bis zu 200 m/s, beziehungsweise rund 700 km/h (!). Die
Temperatur beträgt bei 1 bar etwa 76 K (- 197 0C), bei 0.1 bar 53 K (- 220 0C).
Die Stratosphäre
In der Stratosphäre, der mittleren Schicht der Uranatmosphäre, erhöht sich im Allgemeinen die
Temperatur mit zunehmender Höhe. An der oberen Grenze bei 50 km (bei der Tropopause) sind
es noch 53 K, während die Temperatur in 4’000 km Höhe (an der Grenze zur Thermosphäre)
schon 800 bis 850 K (527 – 577 0C) beträgt. Ursache für die Erhitzung der Stratosphäre ist die
Absorption von solarer UV- und IR-Strahlung durch Methan und andere Kohlenwasserstoffe, die
sich in diesem Teil der Atmosphäre als Ergebnis der Methanphotolyse bilden. Der
Wärmetransport von der heissen Thermosphäre könnte ebenfalls dazu beitragen.
69
405
450
10 – 24
Der Planet Uranus – Atmosphäre – 3 und Ringsysteme
Thermosphäre und Korona
Ringe und Monde des Uranus
Die äusserste Schicht der Uranus-Atmosphäre
ist die Thermosphäre und Korona. Sie weist
eine einheitliche Temperatur von 800 bis 850
K (527 – 577 0C) auf. Dies ist viel höher als die
420 K (1570C) in der Thermosphäre des
Saturn. Die Wärmequellen hierfür sind nicht
bekannt. Weder solares ultraviolettes Licht
noch Polarlichtaktivitäten können genug Licht
zur Verfügung stellen. Verringerte Wärmeabstrahlung aufgrund des Mangels an Kohlenwasserstoffen in der oberen Stratosphäre
könnte zur Aufrechterhaltung der hohen Temperaturen beitragen. Zusätzlich zu molekularem Wasserstoff enthalten Thermosphäre und
Korona einen grossen Anteil an freien
Wasserstoffatomen. Deren geringe molekulare
Masse könnte zusammen mit den hohen
Temperaturen erklären, warum sich die
Korona so weit (bis zu 50’000 km oder zwei
Uranradien vom Planeten weg) ausdehnt.
Uranus ist wie alle Gasplaneten im Sonnensystem von einer Menge sehr kleiner Körper
und Teilchen umgeben, die den Planeten in
Richtung seiner Rotation umrunden und mit
ihren verschiedenen dicht belegten Umlaufbahnen ein System konzentrischer Ringe bilden.
Diese befinden sich zumeist in der Aequatorebene des Planeten.
Diese erweiterte Korona ist ein einzigartiges
Merkmal von Uranus. Die Korona bremst die
kleinen Partikel ab, die Uranus umkreisen. Als
Folge dessen sind die Ringe des Uranus sehr
staubarm.
69 Die Ringe und inneren Monde von Uranus
451405
10 – 25
10.2.8 Der Planet Neptun
Gott der fliessenden Gewässer
und Meere
69
405
452
Der Planet Neptun – Allgemeines
Neptun ist von der Sonne gezählt mit einer Entfernung von durchschnittlich 4.5 Milliarden km der
achte und äusserste Planet im Sonnensystem,
Mit einem Durchmesser von fast 50’000 km, knapp
dem vierfachen Durchmesser der Erde, und dem
57.74-fachen Erdvolumen ist er nach Uranus der
viertgrösste Planet des Sonnensystems.
Zusammen mit Uranus bildet Neptun die Untergruppe
der «Eisriesen». Neptun dominiert durch seine
Grösse die Aussenzone des Planetensystems. Von
Neptun sind derzeit 14 Monde bekannt, Der mit
Abstand grösste unter ihnen ist Triton mit 27’000 km
Durchmesser.
Eigenschaften des Orbits
•
•
•
•
Grosse Halbachse:
4’495 Mio. km
Exzentrizität:
0.0113
Siderische Umlaufzeit: 164.79 Jahre
Mittlere Orbitalgeschw.
5.43 km/s
•
•
•
•
Aequatirdurchmesser:
49’528 km
Poldurchmesser:
48’682 km
Masse:
1.0243 x 1026 kg
Mittlere Dichte:
1.638 g/cm3
Physikalische Eigenschaften
Hauptbestandteile
•
•
•
•
•
•
Wasserstoff (H2):
80.0%
Helium (He):
19.0%
Methan (CH4):
1.5%
Wasserstoff-Deuteride (HD): ~ 0.019%
Ethan (C2H6):
~ 0.00015%
Verschiedene Eise (NH3, H2O, CH4, …)
•
•
•
•
•
Fallgeschwindigkeit:
11.15 m/s2
Neigung der Rotationsachse 28.32o
Rotationsperiode:
15 h 57 min 59 s
Geometrischer Albedo:
0.41
Temperatur:
- 201 0C
Weitere Eigenschaften
Neptun – Vergleich mit Erde
69
405
453
10 – 26
Aufbau und chemische Zusammensetzung
a) Aufbau
Wie in der Struktur von Uranus wird zwischen drei
Schichten unterschieden: 1) ein felsiger Kern von
etwa 1 bis 1.5 Erdmassen aus Gestein im Zentrum, 2)
ein Mantel von 10 bis 15 Erdmassen aus einer Mischung von Fels, Wasser, Ammoniak und Methan, und 3)
einer oberen Schicht) von ca. 1 bis 2 Erdmassen aus
H2O, He und CH4.
•
•
•
•
Aufbau des Neptuns im Inneren
Kern: Der Druck ist einige Mio. bar, etwa doppelt
so gross wie jener im Zentrum der Erde;
Die Temperatur im Zentrum ist bis 7’000 0C.
Mantel: Flüssigkeit mit hoher elektr. Leitfähigkeit
Innere und äussere gasförmige Atmosphäre
b) Chemische Zusammensetzung
Abgesehen vom Kern besteht der Neptun im Wesentlichen aus einer einzigen grossen «Atmosphäre».
Diese hat folgende Zusammensetzung:
• Wasserstoff (H2):
80.0 %
• Helium (He):
19.0 %
• Methan (CH4):
1.5 %
• Wasserstoff-Deuterium (HD):
0.0142 %
• Benzol (C6H6):
0.00015 %
[Die Temperatur bei 1 bar ist ca 72 K (ca. – 200 0C)
und bei 0.1 bar 55 K (ca. - 218 0C].
Chemische Zusammensetzung des Neptuns
69
405
454
Der Planet Neptun – Atmosphäre - 1
Wie die Atmosphäre von Uranus kann die
Atmosphäre von Neptun in drei Schichten unterteilt werden:
Unmittelbar über der Oberfläche liegt die Troposphäre, in welcher mit zunehmender Höhe die Temperatur abnimmt.
In der nächsten Schicht, der Stratosphäre, nimmt
die Temperatur mit steigender Höhe zu. Dies wird
mit der Bewegung im Kern des Planeten in
Verbindung gebracht. Die innere hohe Temperatur
des Planeten erwärmt den Planeten mehr als die
schwache Sonnenstrahlung der weit entfernten
Sonne.
Die nächste Schicht ist die Thermosphäre (in der
Figur nicht mehr dargestellt), in welcher der
Atmosphärendruck stark abnimmt.
Die äusserste Schicht ist die Exosphäre.
Die minimale Temperatur liegt bei ca. – 225 0C
(ca. 48 K).
Temperatur T in Abhängigkeit der Höhe h.
T(h) sind für Jupiter, Saturn, Uranus und
Neptun dargestellt. Man betrachte insbesondere T(h) von Neptun.
Im Vergleich zu Uranus mit einer Rotationsachse
von 980 (s. p. 448) hat Neptun ein normales
Rotationsverhalten, da seine Rotationsachse nur
28.730 beträgt (s. p. 453).
69
405
455
10 - 27
Der Planet Neptun – Atmosphäre - 2
Die Atmosphäre von Neptun ist ähnlich wie jene der anderen Gasplaneten des Sonnensystems: Sie
besteht hauptsächlich aus Wasserstoff (H2) und Helium (He); zusätzlich beobachtet man aber noch
Spuren von Methan (CH4), Wasser (H2O) und Ammoniak (NH3). Aber im Gegensatz zu den anderen
Planeten des Sonnensystems besitzt die Neptun - Atmosphäre einen grösseren Anteil von Eis:
Methan- Eis, Wasser-Eis, Ammoniak-Eis und andere Eise.
Die obersten Wolkenschichten erscheinen dort, wo der Druck genügend klein ist, dass Methan
auskondensieren kann. Astronomen haben diese hoch gelegenen Wolken fotografiert; diese bilden
Schatten auf den darunterliegenden Wolken (s. Bild links).
In den höchsten Höhen, in welchen die Atmosphäre des Neptuns in den Raum übergeht, besteht sie
aus ca. 80% Wasserstoff und 19% Helium. Wie schon erwähnt, enthält die Atmosphäre auch noch
Spuren von Methan. Das Licht, das wir von Neptun beobachten ist das von der Sonne reflektierte
Licht. Vom gesamtem Spektrum des Sonnenlichtes absorbiert der Spurenanteil von Methan das
rote Licht des Spektrums (s. Falschfarbenaufnahme des roten Saumes im Bild rechts), während das
blaue Licht zurückgestreut und reflektiert wird .
Kontrast-verstärktes Farbbild von Neptun
von 14.8 Mio. km (NASA)
69
405
456
10 – 28
Dunst und Lichtabsorption durch Methan
(roter Saum) in der Neptunatmosphäre.
(Falschfarbenaufnahme – NASA)
10.3
Exoplaneten:
Historisches – Beobachtungsmethoden
und Beispiele
69
405
457
10.3.1 Beobachtung von Sternen
und Suche von Exoplaneten
69
405
458
10 – 29
L‘Univère populaire
L’ Univère populaire : Camille Flammarion , Holzschnitt , Paris 1888 (*)
(*) Eine Montage von C. Flammarion für sein Werk
“ L’ Astronomie populaire “ , erschienen 1880 .
459
jGiordano Bruno / Supernova von 1572
Giordano Bruno (1548 – 1600) prägte den Satz:
«Es gibt unzählige Sterne und unzählige Erden, die alle auf dieselbe Weise um ihre Sonnen rotieren wie die sieben Planeten
unseres Systems […]. Die unzähligen Welten im Universum sind
nicht schlechter und nicht weniger bewohnt als unsere Erde»
Giordano Bruno wurde von der Inquisition zum Tode verurteilt.
Auf dieses Urteil reagierte Bruno mit dem berühmt gewordenen
Satz: «Mit grösserer Furcht verkündet Ihr vielleicht das Urteil gegen
mich, als ich es entgegennehme». Am 17. Februar wurde er auf der
Campo di Fiori in Rom auf dem Scheiterhaufen verbrannt.
Supernova (SN) – Überrest der Sternexplosion von 1572
Anfangs November 1572 wurde im Sternbild der Cassiopeia
unserer Milchstrassen-Galaxie das helle Aufleuchten eines Sterns
beobachtet; der prominenteste Beobachter war der Astronom
Tyche Brahe. Dieses helle Aufleuchten entsteht durch eine riesige
Explosion am Ende der Lebensdauer eines Sterns. Die Leuchtkraft
des Sterns nimmt dabei millionen- bis milliardenfach zu; er wird
für kurze Zeit so hell wie eine grosse Galaxie.
Das nebenstehende Bild zeigt den Supernova-Überrest der SN1572 wie er mit Hilfe seiner Röntgenemission mit dem Chandra Xray Observatory -Satellit beobachtet wurde.
Mit dieser Beobachtung war gezeigt, dass auch die Fixsterne nicht
unveränderlich sind, also eine endliche Lebemsdauer besitzen.
69
405
460
10 – 30
Astronomie im 17. und 18. Jahrhundert
Die Erfindung des Teleskops (1608): Die Astronomie wurde wohl durch keine Erfindung wie durch
jene des Teleskops revolutioniert. Im Jahre 1608 baute der Holländer Hans Lippenhey (1560 – 1619)
das erste Fernrohr, das eine drei- bis vierfache Vergrösserung erlaubte.
Galileo Galilei (1564 - 1648): Im Jahre 1609 richtete Galilei ein verbessertes Teleskop mit einer
neunfachen, später mit einer 30 fachen Vergrösserung gegen den Himmel. Dabei entdeckte er, dass
die Milchstrasse eine riesige Ansammlung von Sternen war. Von der Inquisition wurde er zu
lebenslänglichem Hausarrest verurteilt. Galileo erkannte, dass die Erde nicht der Mittelpunkt des
Universums war, sondern um die Sonne kreist. Von ihm stammt der Satz über die Erde: «Und sie
bewegt sich doch!».
Johannes Kepler (1571 – 1630): Durch sorgfältige Beobachtungen und Schlussfolgerungen stellte
Kepler die drei berühmten Keplerschen Gesetze der Planetenmechanik auf (s. Anhang 10-A-1-2). 1618
veröffentlichte er seine «Harmonice mundi» welche das dritte Keplersche Gesetz enthält. Dieses
Gesetz spielt in Verbindung mit der Newtonschen Gravitationskonstante auch heute noch bei der
Bestimmung der Parameter eines Exoplaneten eine fundamentale Rolle.
Isaac Newton (1643 – 1727): Er war zweifellos einer der grössten Wissenschaftler aller Zeiten. Seine
«Principia», in welcher er die drei Newtonschen Gesetze aufstellt, enthält unter anderem auch die
von ihm benannte Gravitationskonstante, mit deren Hilfe man die Schwerkraft oder auch die
Umlaufperiode eines Planeten berechnen kann.
Christian Huygens (1629 – 1695): Er beschäftigte sich mit dem Leben auf anderen Planeten und vertrat die Auffassung, dass die Grundvoraussetzung für Leben das Vorhandensein von flüssigem
Wasser auf der Oberfläche war.
Ausserdem postulierte er, dass auch Ausserirdische eine
menschenähnliche Gestalt haben. Seine interessanteste Theorie ist aber, dass sich das Leben einem
Planeten anpassen muss.
Friedrich Wilhelm Herschel (1738 – 1822) baute verschiedene Teleskope mit Durchmessern bis zu 122
cm. Mit diesen Teleskopen entdeckte er den Planeten Uranus, einige Monde und Nebel und erstellte
69
405
eine Milchstrassenstatistik.
461
Bedeutung der Parallaxe in der Astronomie
Parallaxe
Eine bedeutende Entdeckung machte der
Mathematiker und Astronom Friedrich
Wilhelm Bessel (1784–1846). Er entdeckte die Parallaxe, jene scheinbare
Winkelverschiebung von nahen Sternen
aufgrund der Bewegung der Erde um die
Sonne. Die Parallaxe p ist für die
Astronomie von zentraler Bedeutung,
weil man aus ihr mit grosser Genauigkeit
die Entfernung eines Sternes von der
Erde ableiten kann.
D
A
Sei R = AE = Astronomische Einheit
(Abstand Erde – Sonne) (AE = 149.6 Mio.
km), D = Abstand Sonne – Stern, und p
der Parallaxenwinkel; dann gilt:
D = R / tg(p) oder A = R / sin(p).
R
Parallaxe: scheinbare Winkelverschiebung
von nahen Sternen
Beispiel: Für den Stern Alpha Centauri C
(D ≈ 4.243 Lj = 40.14*1012 km) erhält man:
tg(p) = R/D ≈ 3.726 * 10-6
 p ≈ 2.135 * 10-4 Grad
= 0.768 Bogensekunden = 0.768 "
[1 Grad = 3’600 "]
69
405
462
10 – 31
Entdeckung von Exoplaneten mit Hilfe des Doppler-Effekts
Christian Doppler (1803 – 1853) berechnete die Veränderung der Frequenz von Wellen, abhängig davon,
ob sich die Quelle und Beobachter aufeinander zu- oder voneinander wegbewegen: Das Licht ist zum
rötlichen Ende des Spektrums hin verschoben, wenn sich das Objekt (hier ein Stern) von uns
wegbewegt, und zum blauen Ende, wenn es sich auf uns zubewegt.
Die Doppler-Technik ist eine gute Methode zur Entdeckung von Exoplaneten. Mit Hilfe des DopplerEffekts können die Bewegungen und Eigenschaften des Sterns und des Planeten analysiert werden.
Sowohl der Stern als auch der Planet drehen sich um einen ortsfesten gemeinsamen
Massenschwerpunkt. Eine genauere Beschreibung der untenstehenden Figuren ist im Anhang 10-A-3-1
und 10-A-3-2 zu finden.
Geschwindigkeit vx (m/h)
100
Periodic variation in the
staar’s orbit speed tells
us that it has an
unseen planet
50
The velocity of
change gives
us the star’s
speed, which tells
us the planet’s
mass
0
- 50
- 100
1
2
Zeit (Tagen)
3
4
5
6
The pattern repeats every 4
days, telling us the planet’s
orbital period
b) Die periodische Doppler Variation im Spektrum des Sterns
51 Pegasi zeigt die Existenz des Planeten 51 Pegasi b mit
einer Umlaufzeit von 4.2 Tagen. Er wurde als erster Planet
ausserhalb des Sonnensystems entdeckt, der um einen
sonnenähnlichen Stern kreist. Die Balken durch die Punkte
zeigen
69 die Messungenauigkeit an.
a) Aus der Doppler-Verschiebung ist es möglich, die
kleine Bewegung eines Sterns zu beobachten, der
durch einen um ihn kreisenden Planeten erzeugt
wird. [kleiner schwarzer Punkt: Schwerpunkt von
Stern (gelb) und Planet (grün)].
405
463
Transit – Methode zur Beobachtung von Exoplaneten
Transitmethode des Planeten WASP-3b
an seinem Zentralstern WASP-3
Stern
Bei den sog. Transitmethoden sucht
man nach Planeten, die sich – von der
Erde aus gesehen – zwischenzeitlich vor
ihr Zentralgestirn schieben. Dabei
verdeckt der Planet den Stern und die
Helligkeit des Sterns fällt während
dieser Zeit ab. Dieser kleine Helligkeitsabfall lässt sich beobachten. So
verursacht ein jupitergrosser Planet, der
um einen sonnenähnlichen Stern kreist,
einen Helligkeitsabfall von ca. 1 %.
Planet
2
1
3
5
4
Brightness (millimag)
-5
0
5
10
15
1
2
4
3
5
20
- 2.0
- 1.5
- 1.0
- 0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Time (hours)
Transitdurchgang am Stern WASP-3
69
405
464
10 – 32
Doch ein Transit allein reicht nicht, um
mit Sicherheit einen Planeten zu entdecken. Schliesslich können noch andere Phänomene bei einem Stern einen
Helligkeitsabfall verursachen, z,B. Sternflecken oder Sternpulsationen. Tatsächlich benötigt man drei periodisch auftretende Helligkeitsminima, bevor man mit
Sicherheit von einem Planeten sprechen
kann.
[Brightness: Helligkeit (des Lichtes):
Brightness in Einheiten von millima 0:
Helligkeit relativ zu Milli- Magnitude 0 =
10-3 Magnitude g. (10 millma g ≈ 1 % Helligkeitsabfall].
Orbitale Resonanz zweier um einen Stern kreisenden Planeten
Bei der Beobachtung des Planeten WASP-3b (p. 464) und der genaueren Analyse seiner Umlaufbahn
um den Stern WASP-3 durch ein Astronomenteam aus Deutschland, Bulgarien und Polen wurden
kleine Variationen von der erwarteten Umlaufzeit von WASP-3b festgestellt. Es konnte gezeigt werden,
dass diese sog. Transitzeit-Variationen durch einen weiteren Planeten im System verursacht wurde,
den sog. Planeten WASP-3c (s. Figur).
Durch Kombination von genauen Beobachtungen und Computersimulationen der Daten wurde die
Existenz des Planeten bestätigt. Sein Orbit liegt weiter aussen als der des Gasriesen WASP-3b und
befindet sich mit diesem in einer sog. 2:1 Resonanz. Das bedeutet, dass der Gasriese WASP-3b für
zwei Umläufe genau so lange braucht, wie der neu entdeckte Planet WASP-3c für einen. Sind T3b und
T3c die entsprechenden Umlaufzeiten, so gilt: T3c = 2 T3b ;T3b = 1.847 d  T3c = 3.694 d (1d = 1 day =
1Tag).
Die Umlaufbahn des Planeten 3b ist in sehr guter Näherung
kreisförmig. Wir nehmen an, dass dies auch für die Umlaufr3c
bahn des Planeten 3c gilt. Sind dann r3b und r3c die Radien der
Umlaufskreise, dann folgt aus dem 3. Keplerschen Gesetz:
(T3b/T3c)2 = (r3b/r3c)3 (s. p. 10-A-1-2), und mit T3c/T3b = 2 folgt:
r3c = (4)1/3 r3b = 1.587 r3b. Dies ist in guter Übereinstimmung
r3b
mit den Abmessungen der nebenstehenden Figur. Mit r3b =
4.792 106 km erhält man r3c = 7.526 106 km.
v3b
v3c
2 : 1 Orbitale Resonanz der Planeten
WASP-3b und WASP-3c um den
Stern WASP-3
Die Masse von WASP-3b ist M3b = 3.912 1027 kg und jene des
Planeten WASP-3c ist M3c ≈ 15 ME wobei ME = 5.972 1024 kg die
Masse der Erde ist (s. p. 429).  M3c ≈ 8.958 1025 kg, d.h.
M3b/M3c ≈ 43.7. Die Masse des Planeten 3c ist also etwa 44 mal
kleiner als jene des Planeten M3b oder M3c ≈ 0.023 M3b , (M3c ≈
2.3 % von M3b).
Für die Umlaufgeschwindigkeiten v3b = 2 r3b p/T3b und v3c =
2 r3c p/T3c folgt:
69 v3b = 188.6 km/s und v3c = 148.1 km/s.
405
465
10 – 33
10.3.2 Zur Entdeckung und Systematik
einiger ausgewählter Exoplaneten
69
405
466
Exoplaneten in der habitablen Zone
Erklärungen zur Figur: s. p. 468
69
405
467
10 – 34
Kommentare zu Exoplaneten in der habitablen Zone
In der Figur von p. 467 ist die habitable oder bewohnbare Zone einiger Sterne
gezeigt. In der habitablen Zone (blau markierte Fläche) kann flüssiges Wasser auf
der Oberfläche des Planeten existieren.
Die inneren Planeten unseres Sonnensystems sind in der Figur zu oberst dargestellt. Dabei liegen unsere Erde und der Mars in der habitablen Zone.
Der Stern Kepler-62 ist ca. 1200 Lichtjahre von der Erde entfernt. Er ist deutlich
kälter als die Sonne und wird von mindestens fünf Planeten umkreist. Dabei liegen
die beiden Planeten Kepler-62e und Kepler-62f in der habitablen Zone.
Der Stern Kepler-69 ist ein sonnenähnlicher Stern, der 2700 Lichtjahre von der Erde
entfernt ist. Er wird von mindestens zwei Exoplaneten umkreist. Von der NASA
wurde im April 2013 ein neuer Planet entdeckt, der Planet Kepler-69c. Es wird
vermutet dass Kepler-69c möglicherweise ebenfalls ein habitabler Planet ist.
Der Stern Kepler-22 ist ein ca. 600 Lichtjahre von der Erde entfernter Stern. In seinem
Planetensystem befindet sich der Planet Kepler-22b. Er ist einer der kleinsten bisher
gefunden Planeten und es handelt sich sehr wahrscheinlich um einen Mini-Neptun
(pp 452, 453), also um einen Gasplaneten.
Die Bezeichnung «empirische habitable Zone» bedeutet, dass sich flüssiges Wasser
auf der Oberfläche des Planeten befindet und zudem wenn dieser Planet eine
genügende Wolkenschicht besitzt. Die Bezeichnung «konservative habitable Zone»
bedeutet, dass flüssiges Wasser an der Oberfläche existieren kann aber ohne
Wolkenschichten in der Atmosphäre.
69
405
468
Radius als Funktion der Masse für ausgewählte Exoplaneten
R (Earth Radius)
M in Einheiten der
Erdmasse ME :
ME = 5.972 x 1024 kg
R in Einheiten des
mittleren Erdradius RE:
RE = 6’371 km
Erläuterungen zur
Graphik: s. p. 471
1
M (Earth Mass)
69
405
469
10 – 35
Massen und Grössen von ausgewählten Planeten:
Erläuterungen zur Graphik der Figur von p. 469
Die auf der Figur eingezeichneten Kurven zeigen die Beziehungen zwischen Massen M und Radien R
[mittlere Dichten r = M /V, Volumen V = (4p/3) R3] für verschieden Arten von Planeten.

Die blaue Kurve zeigt die Bereiche, die vorwiegend aus Wasser (75 %) bestehen.

Die schwarze Kurve entspricht Planeten, die wie die Erde fast ausschliesslich aus Fels bestehen
(hier vertreten durch das Mineral Entstatit. Mg2(SiO3)2, aus der Gruppe der Pyroxene), welche den
Grossteil des Erdmantels ausmachen.

Die gemessenen Radien der Planeten Kepler 62e und Kepler 62f, zusammen mit der Abschätzung
ihrer Massen lokalisiert sie in Bereiche, welche durch die blauen Flächen dargestellt sind; in diesen
ist die Wahrscheinlichkeit sehr gross, dass es sich um erdähnliche Planeten handelt, d.h. um
Planeten mit einer festen Oberfläche, wenn möglich teilweise mit Wasser bedeckt.

Der Planet Kepler-11f ist ein Mini-Neptun (kleiner Gasplanet, pp 453, 454) mit einer relativ kleinen
Masse. Daraus wird ersichtlich, dass ein Planet mit einer kleinen Masse nicht notwendigerweise ein
fester erdähnlichen Planeten sein muss.

Der Stern Kepler-62 ist 1200 Lichtjahre von der Erde entfernt. Er ist etwas kälter als die Sonne und
wird von mindestens fünf Exoplaneten umkreist.

Der Planet Kepler-62e umkreist sein Zentralgestirn Kepker-62 in 122.4 Tagen und sein Radius ist
1.61 mal grösser als der Erdradius. Sein Kern besteht wahrscheinlich aus Silikat und Eisen und wird
von einer erheblichen Menge Wasser bedeckt.

Der Radius des Planeten Kepler-62f ist 1.4 mal grösser als der Erdradius und umkreist seinen Stern
Kepler-62 in 267.3 Jahren. Er befindet sich in der habitablen Zone seines Sterns und ist vermutlich
komplett von Wassereis bedeckt.
69
405
470
10 – 36
10.3.3 Unsere Milchstrassen- Galaxie
471
Unsere Milchstrassen – Galaxie - 1
Unsere Milchstrasse
Durchmesser :
ca . 105 Lichtjahre (105 LJ)
(9.5 * 1017 km)
Dicke :
ca . 103 Lichtjahre
(9.5 * 1015 km)
Alter :
ca . 13.6 Milliarden Jahre
(13.6 * 109 Jahre)
Anzahl Sterne :
ca . 300 Milliarden
(300 * 109 Sterne)
Unser Sonnensystem
Das beobachtbare Universum enthält 100 – 400 Milliarden (100 - 400 * 109) Galaxien wie
unser Milchstrassensystem dieser Figur . 1 Lichtjahr (LJ) beträgt 9.46 * 1012 km ! Der älteste
bekannte Stern in unserer Milchstrasse ist etwa 13.2 Milliarden Jahre alt (13.2 * 109 Jahre) .
69
405
472
10 – 37
Die schichtförmige Milchstrassen – Galaxie - 2
Edwin Hubble studierte Galaxien und klassifizierte deren Typen: elliptische,
lentikulare und spirale Galaxien. Die spiralen Galaxien sind scheibenförmig
mit spiralen Armen (s. Figur von p. 472 des Milchstrassensystems).
(Eine elliptische Galaxie ist eine Galaxie mit einer annähernd elliptischen
Form und einem glatten, und nahezu gleichförmigen Helligkeitsprofil . Ihre
Formen sind je nach Galaxie nahezu kugelförmig bis stark abgeflacht.
Lentikulare Galaxien sind Galaxien, deren Formen und Eigenschaften zwischen einer elliptischen Galaxie und einer spiralen Galaxie liegen).
473
Zu unserer Milchstrassen – Galaxie: Tatsachen und Erklärungen
Die Milchstrasse, oder einfach Galaxie genannt, ist die Galaxie, in welcher unser Sonnensystem
beheimatet ist. Sie ist eine Balkenspiralgalaxie der sog. „Lokalen Gruppe von Galaxien“, zu
welcher auch die Andromeda Galaxie gehört. Unsere Galaxie ist eine von Milliarden von
Galaxien im beobachteten Universum.
Die stellare Scheibe der Milchstrasse (s . p. 472 und 473) besitzt einen Durchmesser von ca.
100‘000 Lichtjahren (Lj) (9.5 * 1017 km) und die mittlere Dicke wird auf ca . 1000 Lj (9.5 * 1015
km) geschätzt . Es wird geschätzt , dass sie aus 200 – 400 Milliarden Sternen besteht; die
genaue Zahl hängt von den sehr leichten Sternen ab, deren Anzahl sehr unsicher ist.
Die relative Grösse der Michstrasse kann wie folgt veranschaulicht werden: würde sie auf 10
m reduziert , dann wäre die Breite unseres Sonnensystems (inklusive der Oart, eine sphärische
Wolke von Kometen), nur ca . 0.1 mm! Dies entspricht einem Faktor von 100‘000 (!)
Mit Hilfe des geschätzten Alters des globalen Clusters (ca . 13.4 Milliarden Jahre = 13.4 x 109),
ist das Alter der ältesten Sterne der Milchstrasse ca . 13.6 Milliarden Jahre. Aufgrund der
neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse wird unsere Galaxie auf ein Alter zwischen 6.5 und
10.1 Milliarden Jahre geschätzt .
Die galaktische Scheibe, welche in ihrem Zentrum aufgeblasen ist, besitzt einen Durchmesser
zwischen 70‘000 und 100‘000 Lj. Die Distanz von unserer Sonne bis zum galaktischen Zentrum
wird heute auf 26‘000 1400 Lj geschätzt. Das Zentrum der Milchstrasse liegt im Sternbild
Schütze und ist hinter dunklen Gaswolken verborgen, sodass es im sichtbaren Licht nicht
direkt beobachtet werden kann.
Das galaktische Zentrum enthält ein kompaktes Objekt mit sehr grosser Masse, was durch die
Bewegung des Materials um dieses Zentrum geschlossen werden kann. Die intensive RadioQuelle Sagittarius A*, welche als Zentrum der Masse des Milchstrassen – Systems betrachtet
wird, wurde neuerdings als superschweres „Schwarzes Loch“ identifiziert. Es wird vermutet,
dass die meisten Galaxien in ihren Zentren ein „Schwarzes Loch“ besitzen.
69
405
474
10 – 38
Das Fermi – Hart Paradoxon
Enrico Fermi (1901 – 1954)
Michael H. Hart (1932 ---)
Das Fermi-Paradoxon ist ein Widerspruch, den der Physiker Enrico
Fermi 1950 formulierte. Das Paradoxon hinterfrägt die Wahrscheinlichkeit für ausserirdisches intelligentes Leben. Es versucht, eine
grundlegende Frage zu beantworten: «Sind wir Menschen die einzige
technisch fortgeschrittene Zivilisation im Universum?»
In unserer Galaxie gibt es etwa 100 Milliarden Sterne. Wenn auch nur
ein sehr kleiner Bruchteil davon Planeten besitzt, in welchen eine
technologische Zivilisation entwickelt wurde, dann müsste es eine
sehr grosse Anzahl solcher Zivilisationen geben. Wenn auch nur
einige dieser Zivilisationen Kulturen entwickeln, welche sich über
interstellare Distanzen mit einem kleinen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit c (0.01 c bis 0.1 c) verbreiten, dann könnten Planeten
nächster Sterne besiedelt werden und diese Besiedelung könnte sich
sukzessive in der ganzen Galaxie ausbreiten. Auf diese Weise würde
unsere ganze Galaxie innerhalb einiger Millionen Jahre besiedelt sein.
Da die Galaxie Milliarden von Jahre alt ist, hätte die Erde schon seit
langer Zeit besucht und kolonialisiert werden müssen.
Eine detaillierte wissenschaftliche Betrachtung des Problems begann
in den frühen 1970er Jahren mit Studien von Michael H, Hart (geb.
1932), weswegen auch der Ausdruck Fermi-Hart-Paradoxon verwendet wird. Seine Schlussfolgerung ist (auf Deutsch übersetzt) die
folgende:
«Wir beobachten, dass keine ausserirdische intelligente Lebewesen
auf der Erde existieren. Es wird vorgeschlagen, dass diese Tatsache
am besten durch die Hypothese erklärt werden kann, dass in unserer
Galaxie keine hochentwickelten Zivilisationen existieren. Es werden
Gründe für die Ablehnung aller alternativen Erklärungen der
Abwesenheit von Ausserirdischen gegeben».
69
405
475
Die Drake - Gleichung
Im Gegensatz zur Hypothese von M.H. Hart (p. 475), nach welcher in unserer Galaxie keine
hochentwickelten Zivilisationen existieren, versuchte Frank Drake im Jahr 1961 die Anzahl N von
Planeten mit technischen, intelligenten Zivilisationen in unserer Milchstrassen-Galaxie abzuschätzen.
Eine Variante der Gleichung für N lautet: N = N* • fp • ne • fl • fi • fc • fL . Dabei bedeutet:
- N* = Zahl der Sterne in der Milchstrasse;
- fp = Bruchteil der Sterne, welche «habitable» Planeten besitzen ;
(Existenz von flüssigem Wasser und lebensfreundlicher Atmosphäre)
- ne = Zahl der habitablen Planeten pro Stern;
- fl = Bruchteil der Planeten in ne, in welchen sich tatsächlich Leben entwickelt:
- fi = Bruchteil von fl, in welchem sich intelligentes Leben (Zivilisation) entwickelt;
- fc = Bruchteil von fi , welche kommunizieren.
- fL = Bruchteil der Planeten-Dauer, während welcher die kommunizierende Zivilisation lebt.
Die Drake-Gleichung zeigt, welche Faktoren zur Berechnung von N wichtig sind. Für die aktuelle
Berechnung von N ist sie aber nicht sehr nützlich. Die Gleichung nimmt an, dass alle Faktoren von
gleicher Wichtigkeit sind (z.B. keine Exponentialfunktionen, keine Potenzen, usw.). Ausserdem sind die
letzten 4 Faktoren, fl, fi, fc und fL, nur schwer abzuschätzen.
Im Folgenden geben wir ein Beispiele:
N* = 100 x 109; fp = 2% = 0.02; ne = 1; fl = 10% = 0.10; fi = 10% = 0.10;
fc = 10% = 0.10; fL = 50% = 0.50;  N = 1 x 106 in Milchstrassen-Galaxie
 Es handelt sich um eine extrem ungenaue Abschätzungen !
Frank Drake (2002)
Eine neue Gleichung zur Abschätzung von N für die 30’000 entdeckten
Exoplaneten wurde im Jahr 2013 von Sara Seager aufgestellt [s. Ref,
R.10.3.2.10 – f)]. Diese beruht auf den vielen neuen Erkenntnissen, welche in
der Zwischenzeit über die Atmosphären von Planeten gewonnen wurden (s.
69
pp 484, 485; 489).
405
476
10 – 39
Zeitliche Entwicklung der entdeckten Exoplaneten
Planetare Massen M (in Jupiter - Massen)
Mit dem Stand vom 22. Oktober 2015 sind etwa 1903 Exoplaneten bekannt
Jupiter
Neptun
Erde
MJupiter = 1.899 x 1027 kg
MErde / Mjupiter = 0.00314
MErde = 5.972 x 1024 kg
Entdeckungsjahr
69
405
477
Exoplaneten nähergelegener Sterne: Massen vs Bahnhalbachsen
J:
S:
U:
N:
Masse (in Erdmassen)
J
S
U N
VE
Radial Velocity
Transit
Me
Microlensing
Ma
Timing
x
Direct Imaging
Halbachse des Orbits (in AU)
69
405
478
10 – 40
Jupiter
Saturn
Uranus
Neptun
E: Erde
V: Venus
Ma: Mars
Me: Merkur
AU = Astronomische
Unit (Einheit)
1 AU = 149’597’870.7 km
= mittlere Distanz zwischen Erde und Sonne
Erdmasse MO
MO = 5.97219 • 1024 kg
Kommentare zu pp 477 und 478
p. 477: Zeitliche Entwicklung der entdeckten Exoplaneten:
Masse der bekannten Exoplaneten von 1995 – 2015 in Abhängigkeit ihres Entdeckungsjahres. Man beachte, dass das Massenspektrum vor allem in Richtung nach
unten hin, zu kleineren Massen hin zunimmt. Ausgenommen wurden hier um-strittene
Entdeckungen und Pulsare.
Die Figur enthält die Massen-Positionen der Erde, des Neptuns und des Jupiters
(Jupiter: Referenzplanet mit der normierten Masse 100 = 1).
p. 478: Exoplaneten nahegelegener Sterne: Massen vs Bahnhalbachsen
Mehr als 400 Planeten umkreisen nahegelegene sonnenartige Sterne. Zur aktuellen
Zahl der kürzlich entdeckten Exoplaneten beachte man auch p. 10-A-3-4). Bis zum 22.
Oktober 2015 wurden 1’903 Exoplaneten entdeckt.
Die Figur von p. 478 gehört zu Prof. Sara Seager’s bevorzugten Diagrammen. Es
stellt die Planeten-Massen gegen die Halbachsen ihrer Umlaufbahnen dar. Das
Diagramm (jeden Monat nachgeführt) zeigt, dass die Exoplaneten alle möglichen
Massen und Umlauf-Halbachsen besitzen können. Dies zeigt die zufällige Natur der
Bildung und Migration der Planeten. In der Figur sind auch die verschiedenen
Beobachtungstechniken angegeben, mit welchen die Planeten entdeckt wurden.
Bereiche des Diagramms, in welchen keine Planeten angegeben sind, konnten aus
technischen Gründen noch keine Exoplaneten beobachtet werden. Die roten
Buchstaben bezeichnen Planeten unseres Sonnensystems: Me: Merkur; Ma: Mars; V:
Venus; E: Erde (Erde: normierte Halbachse = 1, normierte Masse = 1); U: Uranus; Ne:
Neptun; S: Saturn; J: Jupiter.
69
405
479
Einige wichtige erdähnliche Exoplaneten
Wissenschaftler haben kürzlich zwei neue Planeten, Kepler-62e und Kepler-62f entdeckt, welche in
einem Abstand von 1’200 Lichtjahren (!) von der Erde entfernt um ihren Stern Kepler-62 kreisen. Die
Figur zeigt oben rechts auch die Planeten Erde und Mars. Die Planeten Kepler-62e und Kepler-62f
sind die kleinsten Exoplaneten, welche die Kepler-Mission entdeckt hat.
Die den Planeten beigefügten Zahlen (z.B. 0.82 für Kepler-62e) sind die sog. ESI-Werte (Earth
Similarity Index), welche ein Mass für die Ähnlichkeit der Planeten zur Erde angeben [ESI(Erde) = 1,
ESI(Kepler-62e) = 0.82]. Der Wert von ESI hängt vom Radius des Planeten, von seiner mittleren
Dichte, von seiner Fluchtgeschwindigkeit und von seiner Oberflächen-Temperatur ab.
69
405
480
10 – 41
Das Kepler-62 Planetensystem – Vergleich mit dem Sonnensystem
Ein internationales Wîssenschaftlerteam, zu dem auch Dr. Lisa Kaltenegger (Max-Planck Institut für
Astronomie - MPIA) gehört, hat im Mai 2013 die Entdeckung zweier potentiell erdähnlicher Planeten,
Kepler-62e und Kepler-62f mit dem NASA Weltraumteleskop Kepler bekanntgegeben, die sich in der
habitablen Zone des Sterns Kepler-62 befinden. [Der Stern Kepler-62 ist etwa 1200 Lichtjahre von der
Erde entfernt (!) und ist etwas kälter als die Sonne]. Ihren relativ kleinen Radien nach zu urteilen (Radius
von Kepler-62e ist 1.62 mal so gross wie der Erdradius und jener von Kepler-62f ist 1.41 mal so gross wie
der Erdradius), sollte es sich um Felsplaneten handeln. Damit wären dies die bisher besten Kandidaten
für lebensfreundliche Planeten. Die Untersuchungen von Dr. Kaltenegger zeigen, dass beide Planeten in
der habitablen Zone ihres Sterns liegen (flüssiges Wasser und erdähnliche Atmosphäre).
Die Abbildung zeigt einen Vergleich
des Planetensystems um den Stern
Kepler-62 mit unserem eigenen
Sonnensystem. Die Planetenumlaufbahnen (oben und unten) sind relativ
zu einander im richtigen Massstab;
das gleiche gilt für die Planetengrössen. Die habitablen Zonen sind
jeweils grün eingezeichnet. Die Planeten Kepler-62e und 62f gehören zu
den bislang besten Kandidaten für
lebensfreundliche Planeten: Planeten
mit festen Oberflächen, die sich in der
habitablen Zone befinden. [s. aber
auch Listen von Ref. R.10.3.2.13 e)
und f) für weitere habitable Planeten].
69
405
481
10 - 42
10.4 Atmosphären von Exoplaneten
69
405
482
Atmosphären von Exoplaneten - Allgemeines
Amerikanische Astronomen haben eine neue Methode zur Messung der Masse eines Exoplaneten entwickelt. Diese beruht auf der Untersuchung verschiedener Parameter der Atmosphäre des
Himmelskörpers. Die neue Technik könnte es ermöglichen, wichtige Einblicke in entfernte
erdähnliche Objekte zu gewinnen und sie könnte auch dazu beitragen, den Wissenschaftler
Entscheidungsgrundlagen zur Existenz von Leben zu verschaffen. Obwohl diese Methode bis
jetzt nur an grossen Jupiter-ähnlichen Gasplaneten getestet wurde, ist es nach Meinung der
Wissenschaftler möglich, mit Hilfe der viel leistungsfähigeren Generation von Teleskopen, welche
in Entwicklung begriffen sind (s. p. 488), auch kleine erdähnliche Exoplaneten zu untersuchen.
Bis Januar 2014 wurden während der letzten 10
Jahre mehr als 900 Planeten entdeckt, welche um
ihre Sterne kreisen; ausserdem wurden noch
weitere 2’300 Himmelskörper entdeckt, welche
wie Exoplaneten aussehen. Die meisten dieser
entdeckten Planeten sind ähnlich wie der
Gasplanet Jupiter (pp 435 – 438) weil es viel einfacher ist, diese gigantischen Planeten mit Hilfe
der bereits existierenden Teleskope (z.B. Hubble,
Herschel, Spitzer) zu beobachten. Trotzdem
wurden auch mehrere erdähnliche Gesteinsplaneten gefunden. Die Astronomen erwarten aber,
dass mit Hilfe der Teleskope der nächsten Generation (z.B. mit dem James Webb Weltraumteleskop, s. p. 488) noch viel mehr solche Planeten entdeckt werden.
[Die Atmosphäre unseres Jupiters ist der BeKünstlerische Darstellung des «hot Jupiter» Pla- reich, der direkten Beobachtungen zugänglich
neten HD 189733b bei seinem Transit zwischen ist; er liegt im Druckbereich von einigen 10 bar
der Erde und seinem Stern HD 189733. Man be- bis einigen hundertstel bar. Die «Oberfäche» wird
69 einem Gasdruck von 1 atm definiert.]
achte die Atmosphäre des Planeten. 483 bei
405
10 – 43
Atmosphären von Exoplaneten - Wackelbewegung der Sterne
Es wird erwartet, dass die chemische Zusammensetzung eines Exoplaneten wichtige Hinweise zur
Frage geben kann, ob ein Planet Leben aufrechterhalten kann. Informationen über die innere
Zusammensetzung eines Exoplaneten ergeben sich aus seiner Dichte r; diese folgt aus seiner
Masse M und seinem Volumen V = 4pr3: r = M/V. Die Masse M eines Exoplaneten kann normalerweise aus der Tatsache berechnet werden, dass beim Umlauf des Exoplaneten um seinen Stern,
sich dieser Stern um kleine Distanzen gegen die Erde und dann wieder von ihr weg bewegt. Diese
Wackelbewegung des Sterns, welche durch seine Rotation um den Schwerpunkt von Stern und
Planet entsteht, erzeugt einen Doppler-Effekt des Sternlichtes (Rot- und Blau-Verschiebung), s. p.
463 sowie Anhang 10-A-3-1 und 10-A-3-2). Vergleicht man dies mit einer unabhängigen Abschätzung
der Sternmasse, dann kann für die Masse des Planeten eine oberer Grenzwert abgeschätzt werden.
Die Methode ergibt gute Resultate für Jupiter-ähnliche Planeten, sowie
für erdähnliche Planeten, welche sehr nahe um helle Sterne kreisen.
Die Methode versagt aber für Felsplaneten in grossen Umlaufbahnen
um ihren Stern wie z.B. die Erde um unsere Sonne. Es sind aber
gerade diese letzteren Planeten, bei denen man Leben erwarten kann.
Sara Seager - MIT
Julien de Wit - MIT
Nun haben aber Sara Seager und Julien de Wit vom Massachusetts
Institute of Technology (MIT) eine neue Methode zur Messung der
Masse von Exoplaneten entwickelt, welche sich für Planeten eignen,
die periodisch vor ihrer Sonne vorbeiziehen. Diese sog. TransitMethode wurde auf pp 464 und 465 beschrieben. Wie dort dargelegt,
blockieren Transit-Planeten einen Teil des Sonnenlichtes, welche die
Erde erreicht. Durch Messung der dadurch erzeugten Abschwächung
des Stern-Lichtes kann sowohl die Umlaufperiode des Exoplaneten als
auch sein Durchmesser relativ zu seinem Stern bestimmt werden.
69
405
484
Absorption des Sternlichtes durch Atmosphäre von Exoplaneten - 1
Mit Hilfe der Transit-Messungen können aber noch wichtige zusätzliche Informationen gewonnen
werden: Wenn nämlich der Planet vor seinem Stern vorbeizieht, dann durchquert ein kleiner
Bruchteil des Sternlichtes die Atmosphäre des Exoplaneten bevor es die Erde erreicht Ein kleiner
Teil dieses Lichtes wird von der Atmosphäre des Exoplaneten absorbiert, ein weiterer wird gestreut.
Den Astronomen ist es gelungen, aus dem dadurch resultierenden Absorptionsspektrum wichtige
Informationen über die chemische Zusammensetzung, die Dichte und die Temperatur der Atmosphäre zu gewinnen.
In ihren neuesten wissenschaftlichen Forschungen haben De Wit und Seager ihre Untersuchung auf
den Atmosphärendruck ausgedehnt. Insbesondere haben sie sich für die Abhängigkeit des
Atmosphärendrucks von der Höhe über der Oberfläche des Exoplaneten interessiert. Ihre
Berechnungen ergaben, dass der Druckgradient (Abnahme des Atmosphärendrucks mit zunehmender Höhe), die Dichte und die Temperatur der Atmosphäre mit der Masse des Planeten durch
relativ einfache Gleichungen beschreibbar sind, Zusätzlich haben sie gezeigt, dass alle drei
obengenannten Grössen unabhängig vom Transit-Spektrum gemessen werden können, woraus man
die Masse erhält.
Seager und De Wit prüften ihre Methode, indem sie zur Berechnung der Masse einen neu entdeckten
Exoplaneten untersuchten, der ungefähr 63 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Es handelt sich um
den Exoplanet HD 189733b; dieser «heisse Jupiter» kreist in einer engen Bahn um seinen
Mutterstern HD 189733 mit einer Umlaufzeit von nur 2.2 Tagen. Da dieser Planet für die heute
existierenden Teleskope ein idealer Kandidat ist, konnte seine Masse genau ermittelt werden. Sie ist
mit einer Genauigkeit von ca. 5% etwa 1.16 mal so gross wie die Masse unseres Jupiters.
Leider können mit den existierenden Teleskopen wie z.B. Hubble, nur Gasriesen untersucht werden,
nicht aber die kleinen erdähnlichen Exoplaneten. Man geht aber davon aus, dass mit dem Nachfolger
des Hubble-Teleskops, nämlich mit dem gigantischen «James Webb Space Telsecope» (JWST), das
im Jahre 2018 in Betrieb genommen werden soll (s. p. 488) kleine erdähnliche Planeten beobachtet
werden können. Der Grund für diese Annahme liegt darin, dass das an Bord installierte Teleskop den
69
heutigen Teleskopen weit überlegen ist.
405
485
10 - 44
Absorption des Sternlichtes durch Atmosphäre von Exoplaneten - 2
Unter gewissen Bedingungen ist es heute möglich, die Atmosphären von Exoplaneten zu studieren.
Um Moleküle der Atmosphäre von Exoplaneten identifizieren zu können, ist es vorteilhaft, Planeten,
um einen grossen und hellen Stern zu beobachten, sodass man eine grosse Intensität von
Photonen analysieren kann. Zudem ist es vorteilhaft, einen möglichst grossen Planeten mit einer
möglichst wolkenfreien Atmosphäre zu studieren. Zudem ist es vorteilhaft, Planeten mit einer
kurzen Umlaufperiode zu beobachten, sodass man möglichst viele Transite-Beobachtung zur
Verfügung hat, was die Statistik verbessert. Die nachstehende Figur zeigt schematisch die
Atmosphäre des Planeten mit seinen Molekülen, welche vom Licht des Sterns durstrahlt werden.
Das Licht des Sterns wird von den Atomen und Molekülen der Atmosphäre zum Teil gestreut und
zum Teil absorbiert. Durch Beobachtung der Spektren des Lichtes vor Eintritt in die Atmosphäre
und nach Austritt aus der Atmosphäre erhält man nach Subtraktion das Absorptionsspektrum der
Atmosphäre.
Das WASP-Projekt (WASP = Wide-Angle_Search for Planets) ist gut für diese Untersuchungen
geeignet, da es darauf abgestimmt ist, grosse, Jupiter-ähnliche Planeten zu untersuchen, welche
nahe um ihre Sterne kreisen. NASA hat drei WASP-Planeten untersucht, WASP-12b, WASP-17b
und WASP-19b. Dabei wurde bei allen drei Planeten eine breite Absorptionsbande bei einer
Wellenlänge von 1.4 Mikrometern (mm) im Nahen Infra - Rot (NIR) gefunden, welche durch
Absorption von Wasser im gasförmigen Zustand der
69 Atmosphäre interpretiert wird.
405
486
Zwei junge Astronomen erforschen die Atmosphären von Exoplaneten
Lisa Kaltenegger - MPIA
Kevin Heng – Univ. Bern - ETHZ
Lisa Kaltenegger vom Heidelberger Max-Planck-Institut für
Astronomie (MPIA) studiert die Atmosphären von
Exoplaneten. Am Computer erforscht sie die spektralen
Fingerabdrücke in den Atmosphären extrasolarer
terrestrischer Planeten, die entscheidende Indizien für
potentielle Lebensspuren liefern. Ziel dieser Untersuchungen ist es, Hinweise auf Wasser (H2O), Sauerstoff
(O2) und andere Gase wie Kohlenstoffdioxid (CO2) und
Methan (CH4) zu finden. Denn die Kombination von O2 mit
einem reduzierenden Gas wie CH4 gilt als Nachweis für
biologische Aktivität auf einem Planeten.
Lisa Kaltenegger hat für ihre wichtigen Arbeiten den
Heinz Maier - Leibnitz - Preis gewonnen.
Die Arbeitsgruppe von Kevin Heng am «Center for Space
and Habitability (CSH)» der Universität Bern zielt nicht auf
die Entdeckung weiterer Exoplaneten ab, sondern beschäftigt sich mit den Exoplaneten, die über eine Atmosphäre
verfügen. Die Atmosphären von Exoplaneten sind aus drei
Gründen interessant:
• Exoplanetare Atmosphären können ein komlexes Klimasystem beherbergen  Aufschluss über chemische und
physikalische Zusammenhänge.
• Exoplanetare Atmosphären können schon heute aus der
Ferne beobachtet werden.
• Analyse der exoplanetaren Atmosphären können ggf.
Spuren von Leben zeigen.
Kevin Heng ist ein ETH Zwicky Prize
69
Fellow in Astrophysics
405
487
10 – 45
Planetenradien vs Umlaufszeiten
Vollständigkeit der Beobachtungen
Planeten-Radius (in Erd-Radien
20
10
5
4
3
2
1
0.5
5
10
20
30 40 50
100
200
400
Umlauf-Periode
(Tagen)
Umlaufperiode (Tage)
Transit-Experimente von 603 Exoplaneten, die ihre Sonnen-ähnlichen Sterne umkreisen. Die
Graphik enthält die mit dem Keppler-Teleskop gewonnenen Resultate der Planeten-Radien in
Abhängigkeit der Umlauf-Perioden. Die auf der rechten Seite der Graphik dargestellte Farbskala (0 –
100%) zeigt den Grad der Vollständigkeit der Beobachtungen. Man beachte, dass bei einer UmlaufPeriode von ca. 300 Tagen zwei erdähnliche Planeten entdeckt wurden, deren Radien etwa dem
doppelten Erdradius entsprechen.
69
405
488
Planeten mit biosignatur - Gasen: Astrobiologie – Sara Seager
In der Wissenschaft von Exoplaneten werden Biosignatur-Gase (Biomarker-Gase) als Gase definiert,
welche durch Leben produziert werden. [Das wichtigste Biosignatur-Gas der Erde ist Sauerstoff, O2,
welches durch Pflanzen, Algen und einige Bakteriengruppen produziert werden]. Solche Gase können
sich in der Atmosphäre des Planeten in genügend hohen Konzentration anreichern, sodass sie in
günstigen Fällen mit Hilfe weit entfernter Teleskope beobachtet werden können. Dabei geht man von
der Annahme aus, dass die Lebewesen durch chemische Vorgänge Energie aufnehmen und speichern,
und dass die für das Leben nötigen chemischen Prozesse gasförmige Produkte erzeugen.
Im Gegensatz zur Drake-Gleichung (p. 476), mit welcher versucht wird, die Zahl der Planeten mit
technischer, intelligenter Zivilisation in unserer Galaxie abzuschätzen, ist Sara Sieger vom MIT (pp 484,
485) bescheidener: Sie interessiert sich nicht für intelligentes Leben, sondern nur für die Existenz von
Leben allein. Die Sara Seager Gleichung lautet: N = N*• FQ • FHZ • FO • FL • FS, wobei
-
N
N*
FQ
FHZ
FO
FL
FS
=
=
=
=
=
=
=
Anzahl der Planeten mit beobachtbaren Zeichen von Leben
Zahl der beobachteten Sterne
Der Bruchteil der Sterne, welche «ruhig» sind (Sterne, die nicht in ihrer Helligkeit variieren)
Der Bruchteil der Sterne mit felsartigen Planeten in der «Habitablen Zone»
Der Bruchteil jener Planeten, welche beobachtet (Observed) werden können
Der Bruchteil der Planeten, welche Leben beherbergen
Der Bruchteil der Planeten, welche eine messbare Signatur in der Atmosphäre hinterlässt.
Beispiele:
a)
b)
c)
Sara Seager: N* = 30’000; FQ = (0.2); FHZ = 0.15; FO = 0.001; FL= 1 (optimistisch); FS = 0.5;
 N = 0.45; Seager gibt allerdings N ≈ 2 an; dieser letztere Wert folgt aber für FQ = 1  N = 2.25 ≈ 2
 Der Wert von FQ scheint sehr unsicher zu sein !
Mit dem «James Webb Space Telescope», das ca. im Jahre 2018 in Betrieb genommen wird, folgt:
 N* = 500’000; FQ= (0,2); FHZ = 0.15; FO = 0.001; FL = 1; FS = 0.5;  N ≈ 7.5
Milchstrasse: N* ≈ 100 x 109; FQ = (0,2); FHZ = 0.15; FO = 0.001; FL = 1; FS = 0.5:  N ≈ 1.5 x 106
69
405
489
10 – 46
Das James Webb Space Telescope – Vergleich mit Hubble-Telescope
Voraussichtliche
Inbetriebnahme:
ca. 2018
James Webb Space Telescope - Unterseite
James Webb Space Telescope - Oberseite
Der Durchmesser von JWST wird
6.4 Meter betragen  Empfangsfläche ca. 7 mal grösser als jene
des Hubble – Teleskops.
•
•
•
•
•
James Webb – Space Telescope (JWST)
69
405
490
10 - 47
Besteht aus 18 sechseckigen
Spiegel – Segmenten
Spiegel-Segmente werden erst
im All entfaltet
JWST ist ein Infrarot-Teleskop
Gewicht: 6.2 Tonnen
Kosten: ca. 8.7 Milliarden
US Dollar
10.5 Galaxien und Universum
Eine Abschätzung ergibt, dass im beobachtbaren Universum mehr als
1022 Sterne und etwa 1024 Planeten existieren!
69
405
491
Das beobachtbare Universum
Eine Abschätzung zeigt, dass im beobachtbaren (*) Universum etwa 7*1022 oder ≈ 1023
Sterne existieren. Wir interessieren uns nun für die mittlere Zahl von Planeten pro Stern.
Das ist eine schwierige Frage: Wissenschaftler sind sich nur einig, das im Mittel jeder
Stern mindestens einen Planeten besitzt. Im Folgenden nehmen wir an, dass pro Stern 1
bis 2 Planeten existieren und gelangen damit auf eine totale Zahl von Planeten zwischen
1023 und 2*1023 Planeten im beobachtbaren Universum.
(*) Anmerkung: Das beobachtbare Universum besteht
aus den Galaxien und anderer Materie, welche im
Prinzip zur Zeit von der Erde aus beobachtbar sind.
Dies deshalb, weil das Licht und andere Signale seit
der kosmologischen Expansion bis zum Auftreffen auf
der Erde eine von der Entfernung abhängige Zeit
braucht. Nimmt man an, dass das Universum isotrop
ist, dann ist die Distanz vom Beobachter bis zum
«Rand» des Universums in jeder Richtung etwa die
gleiche. In diesem Fall ist das beobachtbare Universum
eine Kugel oder ein sphärischer Ball, welcher in der
Figur durch den blauen Kreis dargestellt ist, in dessen
Zentrum
der Beobachter sitzt.
Der geschätzte
Durchmesse ist D = 8.8 * 1026 m = 28.5 Gpc = 93 Glj.
[1Gpc = 1 Gigaparsec = 3.0857 * 1025 m; 1 Glj = 1
Gigalichtjahr = 9.461 * 1024 m und 1 Gpc = 3.26 Glj.
Blauer Kreis = Kugelschnitt des
beobachtbaren Universums
Galaxien ausserhalb der blauen Kugel sind vom Beobachter zu weit entfernt als dass das von ihnen
seit dem Big Bang ausgestrahlte Licht genügend Zeit hatte um die Erde zu erreichen; dieser Teil des
Universums liegt also ausserhalb des beobachtbaren Universums.
69
405
492
10 - 48
Ursprung und Expansion des Universums
Die zur Zeit von der Wissenschaft mehrheitlich anerkannte Theorie, welche die Entstehung und
Entwicklung des Universums beschreibt, ist die Theorie vom heissen Urknall. Danach verhält sich das
Universum so, als sei es vor ca. 13.7 Milliarden Jahren aus einem extrem dichten und heissen
Anfangszustand hervorgegangen.
Die Expansion des Universums erfolgt nach dem von Edwin Hubble (s. pp 472, 473, 494-496)
gefundenen und nach ihm benannten Gesetz. Es besagt, dass sich die Galaxien von uns entfernen,
und zwar umso schneller, je weiter sie von uns entfernt sind. Beobachtet man z.B. eine Galaxie in
doppelter Entfernung, dann hat sie auch die doppelte Fluchtgeschwindigkeit v. v ist die
Geschwindigkeit, mit der sich (die meisten) Galaxien von uns wegbewegen. Inzwischen weiss man,
dass sich nicht die Galaxien bewegen sondern sich der Raum zwischen den Galaxien vergrössert.
Trotz dieser Erkenntnis spricht man weiterhin von der Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien. Dabei
handelt es sich um ein Problem im 4-dimensionalen Raum mit den 3 Ortskoordinaten x, y, z und der
Zeit t, das wegen der sehr grossen Expansionsgeschwindigkeiten mit Hilfe der Allgemeinen
Relativitätstheorie behandelt werden muss (Alexander Friedmann (1924) und George Lemaitre (1927)) .
Zur Vereinfachung diskutieren wir nachfolgend ein 3-dimensionales Problem mit den zwei Ortskoordinaten x, y, und der Zeitkoordinate t. Man betrachtet expandierende Kugeln mit dem Radius r(t), wobei
sich die Galaxien auf der Kugeloberfläche befinden. Die Lage einer Galaxie auf der Kugeloberfläche
wird durch 2 Koordinaten x und y bestimmt. Es handelt sich um das sog. Ballonmodell. In diesem
Modell sind die Galaxien 2-dimensional, die man sich als auf dem aufblasbaren Ballon angeheftete
Papierschnitzel vorstellen kann.
r(t)
Abflachung des Universums im Ballonmodell: Die
Ballonmodell des Universums
69 nimmt ab, der Radius r nimmt mit der Zeit zu.
405
493 Krümmung
Das Hubble-Gesetz: v = H0 d
H0 = H(t0) = aktueller Wert des Hubble Parameters H(t)
•
v = Fluchtgeschwindigkeit; d = Distanz zwischen Beobachter und Galaxie.
•
H0 = 74.3 km / (s • Mpc) ≈ 2.4 • 10 -18 s-1;
•
Durch die Entfernung der Galaxie G vom Beobachter B mit der Geschwindigkeit v beobachtet B
eine Rotverschiebung Dl = l - l0 des Lichtes. Für v << c gilt: z = Dl / l0 ≈ v / c ≈ (H0 / c) • d. Für
grössere Geschwindigkeiten v muss z relativistisch gerechnet werden (s. Anhang 10-A-5-1).
•
Es wird vermutet, dass das heutige Universum nahezu flach ist wie dies mit Hilfe des
Ballonmodells (s. p. 493, Figur rechts) dargestellt ist.
[1 Mpc = 1 Megaparsec = 3.08567758 • 1019 km];
Velocity of Expansion (km/s)
4 x 104
3 x 104
2 x 104
1 x 104
0
Edwin Hubble
Hubble-Gesetz: v(d) = H0 * d
0
0
494
100
69
405
10 - 49
200
300
400
Distance (Mpc)
500
600
700
Das expandierende Universum: Rosinenteig - Modell
Die Tatsache, dass sich alle Galaxien von uns wegbewegen heisst nicht, dass wir
das Zentrum des Universums sind. Vielmehr wird man von allen Galaxien aus
beobachten, dass sich die andern Galaxien in einem expandierenden Universum
wegbewegen. Ein sich ausdehnender Laib Rosinenbrot im Ofen ist ein gutes
Modell. Wenn sich der Hefeteig im Ofen ausdehnt, dann sieht man von jeder Rosine
wie sich die andern Rosinen wegbewegen. Die Rosinen selbst werden dabei nicht
grösser.
Rot- Verschiebung
H0 = 74.3 km / ( s • Mpc)
(1 Mpc = 1 Megaparsec ≈ 3.08568 • 1019 km)
Von der Sonne (oder von der Erde) aus
gesehen entfernen sich alle
beobachtbaren Galaxien.
Rosinenteig – Analogie:
Jede Rosine im aufgehenden Hefeteig
sieht, wie sich alle anderen Rosinen von
ihm wegbewegen.
69
405
495
Urknall und Expansion des Universums
Künstlerische Illustration der Entstehung
des Universums aus dem Urknall heraus.
Der «Urknall» bezeichnet keine Explosion in einem
bestehenden Raum, sondern die gemeinsame
Entstehung von Materie, Raum und Zeit aus einer
ursprünglichen , sogenannten Singularität.
Mit dem Begriff des Urknall ist der Anfangspunkt der
Entstehung von Materie und Raumzeit gemeint. Ein
solcher Anfang ergibt sich, aus kosmologischen
Theorien, in denen die von Astronomen beobachtete
Expansion des Universums zurückgerechnet wird
bis zu einem Zeitpunkt, an dem alle Materie und
Strahlung in einem engen Raumgebiet konzentriert
war. Der eigentliche Urknall liegt noch davor und
bezeichnet den formalen Zeitpunkt, an dem die
Energiedichte unendlich wäre. Da die etablierten
physikalischen Theorien wie Quantenfeldtheorie und
Allgemeine Relativitätstheorie die Existenz von
Raum, Zeit und Materie voraussetzen, lässt sich der
eigentliche Urknall mit ihnen nicht beschreiben.
Vorhersagen der Urknall-Modelle: Die Urknall – Modelle mit den obigen Charakteristika sind die
anerkanntesten Modelle zur Erklärung des heutigen Zustandes des Universums. Der Grund dafür
ist, dass sie einige zentrale Vorhersagen machen, die sich gut mit dem beobachteten Zustand des
Universums decken. Die wichtigsten Vorhersagen sind die Expansion des Universums, die kosmische Hintergrundstrahlung und die Elementverteilung, insbesondere der Anteil an Helium an der
Gesamtmasse der Atome. Auch die wichtigsten Eigenschaften der Temperaturfluktuationen der
kosmischen Hintergrundstrahlung werden im Rahmen der Urknall – Modelle mittels kosmologischer Störungstheorie sehr erfolgreich erklärt.
69
405
496
10 – 50
Interstellare Gase: Eine extrem verdünnte «Atmosphäre» - 1
Etwa 99% des interstellaren Mediums ist im gasförmigen Zustand, wovon 90% aus Wasserstoff besteht. Dabei ist etwa die Hälfte dieses Gases an interstellare Gaswolken gebunden. Diese Gaswolken
haben je nach der Temperatur des Gases verschiedene Eigenschaften:
Pferdekopfnebel: Orion – Nebel
mit Staubteilchen und H2 im Kern
In den kältesten und dichtesten Gebieten des interstellaren
Mediums findet man Wolken, deren Kerne molekulare Gase
enthalten, hauptsächlich molekulares Wasserstoff-Gas (H2).
Molekulares H2 kann nur unter diesen Bedingungen
gefunden werden, da schon eine sehr kleine Energie genügt,
um die Moleküle aufzubrechen. Dies ist der Fall, wenn das
Licht von Sternen tief genug in die Wolke eindringen kann
und von den Molekülen absorbiert wird. Die Temperatur
dieser Molekülwolken beträgt deshalb nur etwa 10 K (- 263
0C). Zudem besitzen die Wolken eine hohe Konzentration
von Staubteilchen, welche das molekulare H2-Gas im Kern
der Wolke vor dissoziierenden Photonen schützt.
Ausserdem wurden C-H-Verbindungen entdeckt, z.B. CH3+Ionen, was nahelegt, dass es sich hier um eine Art kosmischer Erdölraffinerie handelt.
Wenn die Gaswolke für das Überleben der H2-Moleküke nicht genügend kalt oder dicht ist, dann
entsteht eine Wolke aus neutralen Wasserstoffatomen. Die Temperatur dieser Wolken ist ca. 100 K
(- 163 0C) und sie werden als HI- Wolken bezeichnet.
Gelegentlich findet man Gaswolken in der Nähe eines sehr heissen Sterns, welcher das Gas auf eine
Temperatur von bis zu 10’000 K aufheizt. Die Strahlung des Sterns ionisiert dann die H-Atome, d.h.
sie verlieren ihr Elektron. Beim Wiedereinfangen eines Elektrons wird rotes Licht mit einer
Wellenlänge von 656.3 nm emittiert (1 nm = 10-9 m). Die so entstehenden Gaswolken werden als
Emissions-Nebel bezeichnet; diese Gaswolken, welche aus ionisiertem Wasserstoff, H+, bestehen,
werden von den Astronomen als HII – Wolken bezeichnet.
69
497405
Gase des interstellaren Mediums - Tabelle
Anmerkung: Die enorm grossen Stosszeiten und freien Weglängen zeigen, dass die Temperaturen nicht
durch Stösse zwischen den Teilchen bedingt sind. Die Konzentration sind extrem klein sodass sich die
Teilchen ballistisch bewegen. Die z.T. extrem hohen Temperaturen werden vielmehr durch die
Wärmestrahlung der benachbarten Sterne erzeugt (s. Analogie der Thermosphäre, pp 49-53, Kapitel 2).
Eigenschaften
Wasserstoff
Temperaturen T(K)
Teilchen
pro cm3
«Stosszeiten» (s)
freie Weglängen (m)
Koronales Gas
H+
1’000’000
0.01
1011
1014
Diffuse Nebel
H+
10’000
100 – 1’000
107
109
Zwischen den
Nebeln
H
10’000
0.1
1011
1013
Diffuse Wolken
H, H2
50 - 100
10 - 100
109
1010
Dunkle Wolken
H2
10 - 50
103 - 107
104
105
Molekulare
Riesenwolken
H2
10
500
109
1010
Erdoberfläche
Luft
300
~ 1019
~ 10-8
~ 10-7
Medien
69
405
498
10 - 51
Intergalaktisches Gas: Eine extrem verdünnte «Atmosphäre» - 2
Als intergalaktisches Medium (IGM), auch intergalaktisches Gas, bezeichnet man Wasserstoff-Gas,
welches nicht an einzelne Galaxien gebunden ist, sondern im Raum zwischen ihnen existiert. Es
besteht hauptsächlich aus ionisiertem Wasserstoff-Gas H+, dem sog. Plasma HII (p. 496);
neutraler Wasserstoff (H oder HI) macht nur etwa ein Millionstel des gesamten Mediums aus. Das
IGM sollte nicht mit dem interstellaren Medium (p. 496) verwechselt werden, welches sich
zwischen den Sternen von Galaxien befindet. Die Grenzen zwischen intergalaktischem und interstellarem Medium sind jedoch fliessend.
Schon lange vermuteten Kosmologen, dass die grossräumige Struktur des Universums einem
Spinnennetz gleicht: Gewaltige Filamente aus Wasserstoff-Gas durchziehen demnach die dunklen
Weiten des Weltalls. Sie bilden ein verzweigtes Netzwerk mit Knotenpunkten, wo sich die Materie
ansammelt und Galaxien wie unsere Milchstrasse bilden. Da das diffuse Gas der kosmischen Filamente jedoch kein Licht ausstrahlt, kannten Astrophysiker das intergalaktische Netz nur aus Computersimulationen.
Es ist einem Zufall zu verdanken, dass der Astronom
Sebastiano Castalupo von der University of California in
Santa Cruz und seine Kollegen nun erstmals einen Teil des
geheimnisvollen Netzes zu sehen bekamen. Sie beobachteten gerade am W.M. Keck Observatory in Hawaii den
Quasar UM287 in 10 Milliarden Lichtjahren Entfernung, als
ihnen etwas Ungewöhnliches auffiel: Auf den Aufnahmen
fanden sie ein gewaltiges Filament aus Wasserstoff, das sich
über eine Entfernung von fast zwei Millionen Lichtjahren in
den Intergalaktischen Raum erstreckt. Die enorme Strahlung
eines Quasars hatte das Gas zum Leuchten gebracht.
Im nebenstehenden Bild (Simulation) sind die Galaxien nur
winzige Punkte an den Knoten des Netzes !
Netzwerk-Verteilung der Materie im
grossräumigen Universum
69
405
499
Der kleine Prinz auf dem Asteroiden B 612
«Was wichtig ist, sieht man nicht…»
«Das ist wie mit der Blume.
Wenn du eine Blume liebst,
die auf einem Stern wohnt,
so ist es wunderschön,
bei Nacht den Himmel zu betrachten.
Alle Sterne sind voll Blumen.»
«Wenn du bei Nacht
den Himmel anschaust,
wird es dir sein, als lachten die Sterne,
weil ich auf einem von ihnen wohne,
weil ich auf einem von ihnen lache.»
Antoine de Saint-Exupéry
384
69
500
10 - 52
Anhang: Kapitel 10
384
69
10-A-0-0
10 - 53
Vincent van Gogh: «Sternennacht» (1889)
10-A-0-1
69
405
Johann Wolfgang Goethe
(1749 - 1832)
Faust: Prolog im Himmel
Raphael
Die Sonne tönt nach alter Weise
In Brudersphären Wettgesang,
Und ihre vorgeschriebne Reise
Vollendet sie mit Donnergang.
Ihr Anblick gibt den Engeln Stärke,
Wenn keiner sie ergründen mag;
Die unbegreiflich hohen Werke
Sind herrlich wie am ersten Tag.
271
69
10-A-1-1
10 - 54
Planetenbahnen: Kepler’s Gesetze (1571 – 1630)
y
a2
T2
b
a
S
Sonne
x
M1
a1
Sonne
M2
Ellipse mit Halbachsen a und b:
x2
a2
+
3. Gesetz:
y2
= 1
b2
1. Gesetz:
Die Bahn eines Planeten
P ist eine Ellipse mit der
Sonne S in einem der
Brennpunkte .
T1
2. Gesetz:
Eine von der Sonne zum
Planeten gezogener «Fahrstrahl» überstreicht in gleichen Zeiten gleich grosse
Flächen A:
A1 = A2 = A3 = A.
Sei Ms die Masse der Sonne, um
welche sich zwei Planeten 1 und 2
mit den Massen M1 und M2 bewegen
und es seien a1 und a2 die beiden
grossen Halbachsen. G sei die Gravitationskonstente. Es seien T1 und
T2 die beiden Umlaufzeiten der
Planeten 1 and 2. Die exakte Gleichung für T1 ist dann gegeben durch:
T12 = {4 p2 / [G (MS + M1)]} a13
S: Sonne - P: Planet
mit einer analogen Gleichung für T2.
Da M1 << Ms, M2 << Ms, folgt dann für
die beiden Planeten 1 and 2 sofort:
(T1 / T2)2 = (a1 / a2)3 .
384
69
10-A-1-2
Vereinfachung: Kreisförmige Planetenbahnen um die Sonne
Gemäss pp 416 und A-10-1-2 beschreiben die Planeten elliptische Bahnen mit der Exzentrizität e um die
Sonne. Aus p. 416 ist ersichtlich, dass die numerischen Exzentrizitäten e für die meisten Planeten sehr
klein sind weshalb wir hier die Planetenbahnen durch kreisförmige Bahnen mit dem Radien R.
approximieren. Sei Ms = Masse der Sonne, MP = Masse eines Planeten und v seine Bahngeschwindigkeit.
Dann ist die Zentrifugalkraft FZF welche auf irgendeinen Punkt des Planeten wirkt gegeben durch
FZF = MP v2 / R .
(1)
Im Gleichgewicht wird die Zentrifugalkraft FZF durch die Gravitationskraft FG kompensiert, wobei
FG = G (MP MS) / R2 ,
(2)
wobei G = 6.673 * 10-11 N m2 / kg2 die Gravitationskonstante ist. Im Gleichgewicht ist FG = FZF und man
erhält aus Glgn. (1) und (2:
v2 = G MS / R = (2 p R / T)2
(3)
wobei T die Umlaufzeit des Planeten um die Sonne ist. Substitution von (3) in (1) ergibt:
v
FZF = MP (4 p2 R) / T2
(4)
Aus FZF = FG folgt aus Glgn. (2) und (4):
A1
MS
T2 = (4 p2 / G MS) R3 .
(5)
A2
R
FG
A
FZK
MP << Ms
Gleichung (5) ist das dritte Kepler’sche Gesetz eines um die Sonne kreisenden Planeten (s. p. 10-A-1-2).
Der konstante Betrag von v führt zum zweiten Kepler’schen Gesetzes gleicher Flächen: A1 = A2 = A. Die
tangentiale Beschleunigung ist at = 0 und die radiale Beschleunigung ist ar = v2 / R (s. Ref. R-A-1-3).
[Für die Vektoren gilt: FG = FZP = Zentripetalkraft, wobei
384
69FZP = - FZF].
10 - 55
10-A-1-3
Vereinfachung: Kreisförmige Planetenbahnen um die Sonne - 2
The orbiting velocities v of the Planets around the
Beschleunigung als Funktion von R:
ar = (G MS) / R2
4.50E-02
4.00E-02
v = ((G MS)/R)1/2
ar (m / s2)
Geschwindigkeit in m/s
Sun are given by eq. (3) (s. left-hand picture below
ar = (G Ms) / R2
3.50E-02
3.00E-02
2.50E-02
2.00E-02
2.2 ∙ 10-4
1.50E-02
6.5 ∙ 10-5
1.6 ∙ 10-5
1.00E-02
6.6 ∙ 10-6
5.00E-03
Distanzen von der Sonne in Millionen km
0.00E+00
0.00E+00
2.00E+09
4.00E+09
6.00E+09
R (km)
Im Folgenden betrachten wir die Kräfte, welche bei den Orbitalen auf die Planeten um die Sonne wirken.
Da der Betrag von v konstant ist, sind die tangentialen Beschleunigungen at gleich Null. Dagegen wirkt
eine radiale Beschleunigungskraft ar ≠ 0. Diese letzter Beschleunigung folgt aus
Fcf = FG = Mp v2 / RP = G (MP MS) / Rp2 = MP ar

ar = (G MS) / RP2
(6)
Terrestrische Beispiele: Die «International Space Station» ist ein LEO («Low Earth Orbit» bei einer
Distanz R = RE + h, wobei RE = Erdradius, h = Höhe des Satteliten oberhalb der Erde). Die Beschleunigung
ist aE(R) = g(R) = (G ME) / R2). Es sei R1 = RE+h1 und R2 = RE + h2. Mit RE = 6’371 km, h1 = 100 km, h2 = 400
km, ME = 5.98*1024 kg erhält man: aE(R1) = g(R1) = 9.53 m/s2 und aE(R2) = g(R2) = 8.71 m/s2. Für h = 0 erhält
man aE(RE) = g = (G ME) / RE2 = 9.81 m / s2 = Gravitationsbeschleunigung auf Meereshöhe.
384
69
10-A-1-4
Viel Wasserdampf in der Atmosphäre der jungen Venus
Erde und Venus sind gewissermassen Zwillinge. Die Wissenschaft geht davon
aus, dass die beiden heute so verschiedenen Planeten - wie auch der Mars – vor
rund 4.5 Milliarden Jahren aus der gleichen Materie entstanden sind und folglich
die gleichen chemischen Bestandteile aufwiesen, so Prof. Dr. Peter Bochsler von
der Abteilung für Weltraumforschung und Planetologie der Universität Bern.
Dabei geht es um eine Hypothese, die auf der heute extrem trockenen Venus ein
früheres Wasservolumen voraussetzt. Jetzt stützen die Berner Astrophysiker mit
rund 40 Forschenden aus Europa und den USA diese Annahme. Daten, welche die
ESA Raumsonde «Venus Express» seit mehr als einem Jahr sammelt, lassen jetzt
«mit einiger Sicherheit vermuten, dass in der Venus-Atmosphäre einst tatsächlich
reichlich Wasserdampf vorhanden war», sagt Prof. Dr. Peter Wurz».
…Die Forscher konnten nachweisen, dass
der - neben einem kleinen Helium-Anteil –
registrierte Wasserstoff und Sauerstoff in
einem Verhältnis von 2 : 1 auftritt, im gleichen Verhältnis, wie sich auch Wasser
(H2O) zusammensetzt. «Ein Resultat, das
so nicht unbedingt erwartet wurde»
kommentieret Peter Wurz diese Daten. Mit
Hinweisen auf ein einstiges Wasservorkommen habe man schon gerechnet,
aber dass die Bestandteile der Moleküle im
originalen Verhältnis weggetragen wurde,
sei nicht voraussehbar gewesen.
Die Sonde «Venus Express» umkreist die
69
405
Venus und untersucht deren Atmosphäre
10-A-2-1
10 - 56
Der Erdmond
Der Mond ist der einzige natürliche Satellit der Erde. Seit der
Entdeckung von Trabanten bei anderen Planeten des Sonnensystems,
im übertragenen Sinn meist als Mond bezeichnet, wird er zur
Vermeidung von Verwechslungen auch als Erdmond bezeichnet.
Aufgrund seiner verhältnismässigen Nähe ist er der einzige fremde
Himmelskörper, der bisher vom Menschen betreten wurde.
Eigenschaften des Orbits:
grosse Halbachse: 384’400 km; Exzentrizität: 0.0549;
Umlaufzeit: 27.3217 Tage; mittlere Orbitalgeschwindigkeit: 1.023 km/s;
Physikalische Eigenschaften:
Der Mond von der Erde
aus fotographiert (2006)
Mittlerer Durchmesser: 3476 km; Masse: 7.349 x 1022 kg;
mittlere Dichte: 3.341 g/cm3; Fallbeschleunigung: 1.62 m/s2;
Die Atmosphäre des Mondes:
Der Mond hat keine Atmosphäre im eigentlichen Sinn, sondern nur
eine Exosphäre (eine dünne atmosphären-artige Hülle, die den Mond
umgibt). Sie besteht zu etwa gleichen Teilen aus Helium (He), Neon
(Ne), Wasserstoff (H2) sowie Argon (Ar). Die Exosphäre hat ihren
Ursprung in eingefangenen Teilchen des Sonnenwindes. Ein sehr
kleiner Teil entsteht auch durch Ausgasungen aus dem Mondinneren,
wobei insbesondere 40Ar, das durch Zerfall von 40K im Mondinneren
entsteht, von Bedeutung ist,
384
69
10-A-2-2
Zusammensetzung der Mond-Exosphäre
Bewohnbare Zone im Sonnensystem
Masse des Sterns relativ zur Sonne
Pluto
Bewohnbare Zone
Neptun
2
Uranus
Merkur
Saturn
Jupiter
1
Mars
Erde
Venus
0.5
0
12
0.1
1
10
40
Radius der Umlaufbahn relativ zur Erde
Das Sonnensytem befindet sich längs der zentralen Linie ; der blaue Bereich
zeigt die belebbare Zone als Funktion der Grösse der Sterne an .
Die Erde befindet sich in der belebbaren Zone des Sonnensystems; wäre sie etwa 5 %
oder etwa 8 Millionen Kilometer näher oder weiter von der Sonne entfernt , dann wären
die Bedingungen für die gleichzeitige Existenz der drei Formen von Wasser (flüssig ,
fest und gasförmig) nicht mehr erfüllt .
378 b
10-A-2-3
10 - 57
Der Jupitermond Europa
Europa ist mit einem Durchmesser von 3121 km der zweitinnerste und kleinste der vier grossen Monde von Jupiter.
Obwohl die Temperatur an der Oberfläche von Europa
maximal - 150 0C erreicht, vermutet man, dass sich unter einer
Kruste aus Wassereis ein bis zu 100 km tiefer Ozean aus
Wasser befinden könnte.
Der Jupiter-Mond Europa
Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops ergaben Hinweise
auf das Vorhandensein einer extrem dünnen Atmosphäre aus
Sauerstoff mit einem Druck von 10-11 bar. Es wird angenommen, dass der Sauerstoff durch die Einwirkung der
Sonnenstrahlung auf die Eiskruste entsteht, wobei das
Wassereis in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wird. Der
leichte Wasserstoff entweicht, der schwerere Sauerstoff wird
durch die Gravitation festgehalten.
Grössenvergleich zwischen dem Mond
Europa (unten links), Erdmond (oben
links) und Erde (massstabsgerecht)
69
405
10-A-2-4
Vergrösserte Sicht des «Conamara Chaos»
mit Eis-Schollen bis 10 km.
Zur schiefen Rotationsachse des Uranus
Auf Seite 448 wurde die schiefe Rotationsachse und seine Konsequenzen für die Jahreszeiten von
Uranus diskutiert. Der Uranus ist der einzige Planet des Sonnensystems, dessen Rotationsachse
einen Winkel von 980 gegen die Vertikale zur Bahnebene besitzt. Bei allen andern sieben Planeten
bilden die Rotationsachsen relativ kleine Winkel mit der Vertikalen zur Bahnebene, bei der Erde z.B.
ist dieser Winkel 23.440 (s. p. 429).
Was ist der Grund für die extreme Schiefe der Rotationsachse von Uranus? Zurzeit gibt es keine
eindeutige Antwort auf diese Frage. Es wurden aber zwei Hypothesen aufgestellt:
1)
Der Uranus wurde von einem ungewöhnlich grossen Planetoiden getroffen, der die
Rotationsachse von seiner ursprünglichen normalen Lage in die heutige schiefe Lage drehte.
Eine ähnliche Kollision ereignete sich wahrscheinlich in der Geschichte unserer Erde, aus der
dann der Mond entstand. Der Unterschied im Resultat war wahrscheinlich die verschiedene
Geometrie der beiden Zusammenstösse, bei der Erde ein frontaler Zusammenstoss, bei Uranus
dagegen nur ein streifender Zusammenstoss.
2)
Eine alternative Theorie erklärt die aussergewöhnliche Richtung der Rotationsachse von
Uranus als Resultat gravitativer Wechselwirkungen: Als das junge und viel kompaktere solare
System sich mit ihren Gasplaneten ausbreitete, ist es möglich, dass Saturn und Jupiter temporär in einer 2 : 1 orbitalen Resonanzbeziehung standen (*). Einige Modelle zeigen, dass eine solche Resonanz für die Drehung der Rotationsachse von Uranus verantwortlich war.
(*)
In der Himmelsmechanik entsteht eine orbitale Resonanz, wenn zwei um die Sonne
kreisende Planeten (in diesem Fall Jupiter und Saturn) eine periodische gravitative Kraft
aufeinander ausüben, wobei die beiden orbitalen Perioden im Verhältnis zweier kleinen
ganzen Zahlen, z.B. im Verhältnis 2 : 1, stehen.
384
69
10-A-2-5
10 – 58
Fluchtgeschwindigkeiten vFl von Planeten des Sonnensystems
Die Fluchtgeschwindigkeit vFl einer Masse m von einem
Planeten P (Masse MP , Radius RP) kann mit Hilfe der kinetischen Energie Ekin = (1/2 m v2 und der Bindungsenergie
Eg im Gravitationsfeld berechnet werden. Die Gravitationskraft ist gegeben durch Fg = GmM /r2, wobei G die
Gravitationskonstante (G = 6.674 x 10-11 m3 kg-1 s-2) und
r der Abstand zwischen m und MP ist. Die gravitative
Bindungsenergie ist durch das Integral von Fg gegeben:
r2
Eg =
∫ FG(r)) dr
Himmels körper
Merkur
4.3
Venus
10.2
Erde
11.2
r2
Mond
2.3
r1
Mars
5.0
Jupiter
59.6
= GmMP ∫ r-2 dr = - GmMP [(1/r2) – (1/r1)]
r1
vFl am Aequator in km/s
Wird die Masse m von der Oberfläche des Planeten mit
dem Radius RP und der Fluchtgeschwindigkeit vFl, abgeschossen, dann ist r1 = RP und r2 = ∞. Daraus folgt:
(1/2) m v2Fl = GmMP/RP und für die Fluchtgeschwindigkeit erhält man:
Saturn
35.5
Uranus
21.3
vFl = √ 2 G MP / RP .
Neptun
22.3
Man beachte, dass vFl unabhängig von der Masse m ist.
Pluto
1.1
Dle Tabelle enthält die Fluchtgeschindigkeiten (Mindestgeschwindigkeiten) der nebenstehenden Himmelskörper.
Sonne
617.3
Die Berechnung von vFL wurde ohne die bremsende
Wirkung einer eventuell vorhandenen Atmosphäre durch384
69
geführt.
10-A-2-6
Thermische- und Fluchtgeschwindigkeiten atmosphärischer Moleküle
Der quadratische Mittelwert (rms) der Geschwindigkeit , vrms, ist gegeben durch:
vrms = sqrt( 3 k T / m)
(1)
wobei k die Boltzmann- Konstante (k = 1.3806 10-23 kg m2 s-2 K-1), T die absolute Temperatur und m
die Masse des Atoms oder des Moleküls ist. Im Folgenden betrachten wir die Geschwindigkeiten
von Sauerstoff (O2)- und Stickstoff (N2)- Molekülen in der Atmosphäre und vergleichen diese
Geschwindigkeiten mit den Fluchtgeschwindigkeiten vFl, d.h. mit der Geschwindigkeit, welche zum
Verlassen der Atmosphäre nötig ist. Die Fluchtgeschwindigkeit ist unabhängig von der Masse der
Moleküle und ist gegeben durch (s. p. 10-A-2-6):
vFl = sqrt ( 2 G M / R)
(2)
m3
kg-1
s-2),
In Glg. (2), ist G die Gravitationskonstante (G = 6.674 10-11
M die Masse des Planeten
(der Erde) und R = RE + H ist die Distanz zwischen Molekül und Erdmittelpunkt (RE = 6371 km =
Radius der Erde, H = Höhe über der Erdoberfläche). Das Molekül der Masse m kann die
Erdatmosphäre verlassen, wenn vrms ≥ vFl ist. Wir betrachten zuerst vFl für verschiedene Höhen H
über der Erde. Für H = 0 (Erdoberfläche) findet man vFl = 11.19 km/s, für H = 100 km oder R = 6471
km (in der Thermosphäre, s. Kapitel 2, Abschnitt 10.2) folgt vFl = 11.1 km/s und für H = 600 km (in der
Exosphäre) mit R = 6971 km folgt vFl = 10.7 km/s. In diesem Höhenbereich ändern sich die
Fluchtgeschwindigkeiten also nur geringfügig.
Nun berechnen wir die rms- Werte vrms der Moleküle für T = 300 K und finden mit m(O2) = 5.356 10-26
kg, m(N2) = 4.65 10-26 kg und m(H2) = 3.35 10-27 kg:
vrms(O2) = 477 m/s
vrms(N2) = 510 m/s, vrms(CO2) = 407 m/s und
vrms(H2) = 1’908 m/s .
Man sieht also, dass vrms << vFl und aus diesem Grund ist die Wahrscheinlichkeit für die Flucht
eines Moleküls in den Weltraum sehr klein. Nun hat man es natürlich mit einer Boltzmann-Verteilung
der Geschwindigkeiten mit v > vrms zu tun, was die obigen Resultate aber kaum ändert. [Für H2 ist
die Fluchtwahrscheinlichkeit grösser als für die schwereren Moleküle, was einer der Gründe für die
sehr geringe Konzentration von H2 in der Erdatmosphäre ist.)].
384
69
10-A-2-7
10 – 59
Die Heliosphäre unseres Sonnensystems
Die Heliosphäre ist der weiträumige, interplanetare Bereich um die Sonne, in dem der Sonnenwind
(pp 353 – 358, Kapitel 8) mit seinen mitgeführten Magnetfeldern wirksam ist. In diesem Bereich des
Sonnensystems verdrängt der Teilchenstrom der Sonne die interstellare Materie bis hinaus zur
Heliopause (= theoretische Grenze wo der Solarwind durch das interstellare Medium begrenzt wird).
Für elektrisch neutrale Atome aus dem interstellaren Medium besteht die Möglichkeit, weit in die
Heliosphäre eindringen zu können. Neben den wenigen Partikeln, die das schaffen, stammt fast die
gesamte Teilchenmenge in der Heliosphäre von der Sonne.
Während die sonnennahen Regionen durch den Sonnenwind selbst und durch die heliosphärische
Stromschicht geprägt sind, zeigen sich ab einem Abstand von ca. 100 AE (1 AE ≈ 150 Millionen km)
wegen der Wechselwirkung mit dem interstellaren Gas andere Phänomene: Da sich die Sonnenwinde
mit mehreren hundert km/s von der Sonne wegbewegen, muss es Grenzen geben, bei denen der
Sonnenwind durch das interstellare MeHeliopause
dium abgebremst wird und sich mit
geringerer Geschwindigkeit in das interstellare Medium einfügt. Schliesslich erfolgt Abbremsung bis auf «SchallgeschHeliosphäre
windigkeit», vs, im interstellaren Medium
(vs ≈ 100 km/s). Die letzte Grenze, bei
welcher der Sonnenwind keine materiellen Wirkungen mehr zeigt, ist die
Heliopause bei 110 bis 150 AE.
Die Heliosphäre unseres Sonnensystems
Wegen der sehr grossen Entfernungen
erweist sich die Erforschung mit Sonden
als schwierig (für eine Entfernung von
100 AE ist die Reisezeit ca. 30 Jahre!).
Nur die beiden Sonden Voyager 1 und 2
haben in den Jahren 2004 und 2007 die
Heliosphäre erreicht, Voyager 1 bei 94 AE
69
405
und Voyager 2 bei 84 AE.
10-A-2-8
Doppler Technik zur Suche von Exoplaneten
Erläuterung zur Figur links auf p. 463:
Die Doppler-Technik ist eine gute Methode zur Entdeckung von Exoplaneten. Sie stützt sich auf
den Doppler-Effekt zur Analyse der Bewegung und der Eigenschaften des Sterns und des
Planeten. Der Stern und der Planet rotieren um das gemeinsame Massenzentrum. (s. pp 463
und 10-A-3-2).
In unserem Sonnensystem umkreisen alle Planeten und auch die Sonne ein gemeinsames
Massenzentrum. Da aber die Masse der Sonne so viel grösser ist als die Massen der Planeten,
liegt das Massenzentrum innerhalb der Sonne! Deshalb scheint die Sonne hin und her zu
wackeln, sodass das Spektrum des Sonnenlichtes ebenfalls entsprechend moduliert wird. Nun
interessieren wir uns nicht primär für unser Sonnensystem sondern für die spektrale
Verschiebung anderer Sterne um herauszufinden, ob diese Sterne ein oder mehrere Planeten
besitzen, die diese Sterne umkreisen. Wenn sich der Stern auf uns zubewegt, dann hat sein
ausgestrahltes Licht eine kürzere Wellenlänge, d.h. es entsteht eine Blauverschiebung des
Lichtes (s. Figur links von p. 463). Wenn sich der Stern aber von uns wegbewegt, dann hat das
Sonnenlicht eine grössere Wellenlänge, was eine Rotverschiebung erzeugt.
Der Doppler-Effekt wird sehr oft verwendet um extrasolare Planeten zu beobachten. Dabei
muss aber betont werden, dass er am besten für sehr massereiche Planeten geeignet ist,
welche zudem nahe um ihren Stern kreisen. Der Grund dafür liegt darin, dass der zentrale
Stern stärker hin und her wackelt, wenn er von einem massereichen und nahegelegenen
Planeten umkreist wird, sodass eine grössere und leichter beobachtbare spektrale
Verschiebung entsteht. Die mit Hilfe dieser Methode am meisten entdeckten Exoplaneten
haben tatsächlich eine sehr grosse Masse und rotieren extrem nahe um ihren Stern.
Eine Figur, welche die verschiedenen Phasen der Rotation von Planet und Zentralstern um
ihren gemeinsamen Schwerpunkt zeigt, ist auf der folgenden Seite 10-A-3-2 dargestellt.
384
69
10-A-3-1
10 - 60
Umkreisung von Stern S und Planet P um Massenmittelpunkt MP
Es sei MP (o) der Massenmittelpunkt eines
Sterns S mit der Masse M und m sei die
Masse des zugehörigen Planeten P wobei m
<< M. [In Wirklichkeit liegt MP exzentrisch
innerhalb des Sterns (p. 10-A-3-1); zur
Veranschaulichung haben wir MP ausserhalb von S gezeichnet].
P
y
Es seien R und r die Abstände zwischen S
und P, bzw. zwischen S und MP und der Abstand zwischen MZ und P sei D = R + r.
S
S
P
S
P Der Massenmittelpunkt ist gegeben durch
x
Z
S
MP
r/R = m/M
(1)
R = D-r
(2)
mit
 r = (m / M) R = (m / M) (D – r)
(3)
Nach Auflösung von (3) nach r folgt:
r = [m / (M + m)] D = [1 / (1 + M / m)] D
(4)
Da M /m >> 1 folgt näherungsweise:
r ≈ (m / M) D
P
Die Figur zeigt 4 Phasen der Rotation eines Planeten P
um seinen Zentralstern S. Die 4 Phasen sind mit 4 verschiedenen Farben gekennzeichnet. S und P kreisen um
ihren gemeinsamen Schwerpunkt O im Ursprung des
384
69
Koordinatensystems (x,y).
(5)
Wegen m << M ist r << R sodass R ≈ D, d.h.
dass die meisten Massenmittelpunkte MP
innerhalb des Sterns S liegen nur wenig von
dessen Zentrum Z entfern sind.
10-A-3-2
Exoplaneten: Planetare Massen vs Umlauf - Perioden
Planetare Masse (in Jupitermassen)
100
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
•
Masse des Jupiters:
MJupiter = 1.899 • 1027 kg
•
MErde/MJupiter = 3.14 • 10-3
10-5
10-2
10-1
100
101
10210
Blaue Kreuze: Planeten mit Abschätzungen von Massen und
Umlaufsperioden.
Rote Quadrate: neue Exoplaneten,
welche kürzlich in einem batch von
60 zugefügt wurden.
103
Umlaufsperiode (in Tagen)
384
69
10-A-3-3
10 - 61
104
105
106
Planeten: Verifikation durch Multiplizität – «Verification by Multiplicity»
Die Entdeckung von neuen Exoplaneten wurde mit Hilfe einer neuen Methode möglich, der sog.
«Verification by Multiplicity» oder Verifikation durch Multiplizität. Diese Technik beruht auf der folgenden Basis: Wäre ein Stern direkt von anderen Sternen umgeben, dann würde die starke Gravitation
die Umlaufbahnen dieser Sterne unstabil machen und in ein Chaos stürzen. Ein System bestehend
aus einem Stern, der von einer Anzahl Planeten umkreist wird, hat dagegen eine viel stabilere
Konfiguration da die gravitativen Kräfte viel kleiner sind.
Der Planetenwisenschafter von NASA, Jack Lissauer, formuliert diese Tatsache folgendermassen:
«Dieser physikalische Unterschied, nämlich die Tatsache, dass multiple Sternsysteme sich nicht wie
planetare Systeme verhalten, ist die Basis für die Bestätigung der «Verifikation durch Multiplizität».
10Histogramm von Exoplanten- Entdeckungen
384
69
Die in der Figur durch den
gelben Balken dargestellten
715 Exoplaneten, welche 305
Sterne umkreisen (NASA vom
26. 2. 2014) wurden mit Hilfe
des Kepler Space Telescope
beobachtet.
Diese Exoplaneten wurden
mit der «Verification by Multiplicity» – Methode gefunden.
95% der so entdeckten Exoplaneten sind kleiner als
unser Planet Merkur und 4
dieser Planeten sind kleiner
als 2.5 mal die Erde und
befinden sich in der «habitablen» Zone.
10-A-3-4
Neuer erdähnlicher Exoplanet Kepler 186f - Vergleich mit Erde
Im Abschnitt 3 (pp 467, 468; 476, 480, 481) und im Abschnitt 4 (pp 484, 489) wurden einige habitable
Exoplaneten vorgestellt und grobe Abschätzungen für die Anzahl der Planeten mit technischen,
intelligenten Zivilisationen (p. 476), bzw. mit beobachtbaren Zeichen von Leben (p. 489) diskutiert.
Abschätzungen ergeben, dass im sichtbaren Universum etwa 1024 Planeten existieren (eine 1 mit 24
Nullen!). Unter dieser riesigen Zahl von Planeten wäre es fast ein Wunder, wenn unsere Erde der
einzige Planet mit lebenden Geschöpfen wäre. Dabei ist aber zu beachten, dass alle grossen
Gasplaneten wegfallen, also nur relativ kleine Gesteinsplaneten mit flüssigem Wasser auf der
Oberfläche und einer lebensfreundlichen Atmosphäre in Frage kommen.
Ein vielversprechender Spitzenkandidat für einen erdähnlichen Planet wurde kürzlich von NASA
entdeckt. Es handelt sich um den Exoplaneten Kepler 186f. Er ist mehr als 500 Lichtjähre von der
Erde entfernt und sein Durchmesser ist nur 10% grösser als jener der Erde. Seine Masse und seine
Planet Erde und Planet Kepler 186f mit ihren Umlaufbahnen um die Sonne, bzw. um den Stern Kepler 186.
384
69
10-A-3-5
10 – 62
Zusammensetzung sind noch nicht
bekannt. Der Planet zieht seine
Bahn zwar mit einer Umlaufzeit
von nur 130 Tagen ebenfalls näher
um seinem Stern Kepler 186,
nämlich mit einer halben Entfernung Erde-Sonne. Dafür ist die
Temperatur seines Zentralgestirns
von etwa 3’500 0C aber auch tiefer
als jene der Sonne. Das plaziert
Kepler 186f in die habitable Zone
seines Sterns, woraus die Wahrscheinlickeit besteht, dass der
Planet eine erdähnliche Atmosphäre und flüssiges Wasser auf
der Oberfläche besitzt.
Das Hubble Weltraumteleskop
Betreiber:
NASA
Masse:
11’600 kg
Grösse:
13.1 m Länge
max. 4.3 m Durchmesser
Start:
24. April 1900
In Betrieb:
25 Jahre, 10 Monate
Startplatz:
Kennedy Space Center
Status:
in Betrieb
Das Hubble – Weltraumteleskop (englisch: Hubble Space Telescope), kurz HST, ist ein
Weltraumteleskop, das von der NASA und der ESA gemeinsam entwickelt wurde und nach dem
Astronomen Edwin Hubble (p. 494) benannt ist. Es arbeitet im Bereich des elektromagnetischen
Spektrums vom Infrarotbereich über das Sichtbare Licht bis in den Ultraviolettbereich.
Das HST wurde am 24. April 1990 mit der Space Shuttle STS-31 gestartet und am nächsten Tag
aus dem Frachtraum der Discovery ausgesetzt.
Das HST war das erste von vier Weltraumteleskopen, die von der NASA im Rahmen des «Great
Observatory Programms» geplant wurden. Die anderen Weltraumteleskope sind Compton
Gamma Ray Observatory, Chandra X – Ray Observatory und Spitzer – Weltraumteleskop.
69
10-A-4-1
405
Relativistische Rotverschiebung des Lichtes von Galaxien
Ist die Fluchtgeschwindigkeit v viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit c, dann erhält man für die
relative Dopplerverschiebung z = Dl / l = v / c (s. p. 493). Für sehr grosse Geschwindigkeiten v muss
die relativistische Zeitdilatation berücksichtigt werden. Die Geschwindigkeit v(z) ist dann gegeben
durch:
v(z) = H0 • d(z) =
mit
•c
oder
d(z) =
z = Dl / l = [(c + v) / (c – v)]
1069
384
10-A-5-1
10 - 63
½
-1
•
Referenzen: Kapitel 10
384
69
R-10-0
10.0 Atmosphären:
Allgemeines
R.10.0.0
p. 405: Atmosphären von Planeten und Exoplaneten (Haupt-Titel)
R.10.1.1
p. 406:
R.10.1.2
pp 407 – 410: a) http://de.wikipedia.org/wiki/Atmosph%C3%A4re_(Atmosphäre)
b) http://www.de.wikipedia.org/wiki/Gasplanet
c) http://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere
10.1 Atmosphären der Planeten unseres Sonnensystems (Titel)
p. 407, 408: Definition und Schichten - Atmosphären der erdähnlichen Planeten
Bild des Inneren Sonnensystems: www.google.ch/science (Schrift retouchiert von P. Brüesch)
p. 409: Atmosphäre des Mondes
p. 410: Atmosphäre des Äusseren Sonnensystems: Gasriesen
Bild des äusseren Sonnensystems: www.google.ch/search (Schrift retouchiert von P, Brüesch)
R.10.1.3
p. 411: Struktur und Atmosphäre der Sonne
a)
b)
c)
d)
Sonne - http://de.wikipedia.org/wiki/Sonne
Aufbau und Aktivität der Sonne - http://www.helles-koepfchen.de/artikel/2895.html
Lexikon - http://www.redshift-live.com/de/kosmos-himmelsjahr/lexikon/Sonnenatmosph%C3%A4re.htm
Sonne – LEIFI Physik - http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/sonne
Bild links: Space tornadoes power the atmosphere of the Sun
http://phys.org/news/2012-06-space-tornadoes -power-atmosphere-sun.html
Bild rechts: Querschnitt durch Sonne: aus: Die Sonne – Bilder
e) Korona (Sonne) - https://de.wilipedia.org/wiki/Korona_(Sonne)
Die Ursachen und Wirkmechanismen, die zu der extrem hohen Temperatur der Korona von bis zu
2 Millionen Grad führen, sind noch nicht abschliessend verstanden und stellen einen zentralen
Gegenstand der aktuellen Forschung der Sonnenphysik dar.
R.10.1.4.
p. 412: Das Sonnensystem: Entfernungen, Massen und Umlaufzeiten der Planeten
a) Planetenbahnen: www.google.search: Images //
b) Ekliptik - https://de.wikipedia.org/wiki/Ekliptik
c) «Gemeinsame Bahnebene der Planeten des Sonnensystems» - Die Ekliptik - John Cirillo
«Da unser Sonnensystem relativ flach ist, sind die Umlaufbahnen der Planeten der Ekliptik relativ nahe»
https://docs.kde.org/trunk5/de/kfeedu/kstars.ecliptic.html
d) Die Welt der Planeten - Google Books - Max Wilhelm Meyer - http://books.google.ch/books?isbn=3846072516
e) Ivan Stewart: Die letzten Rätsel der Mathematik – Rowohlt Taschenbuch Verlag (2. Auflage, November 2015)
Kapitel 8: Orbital Chaos–Das Drei-Körper Problem 69
(s. speziell pp 241 – 246 für Umlaufbahnen im Planetensystem)
R-10-1
10 – 64
R.10.1.5
p. 413: Planeten-Tabelle
a) Planeten-Tabelle - Astrokramkiste - http://www.astrokramkiste.de/planeten-tabelle
b) Planet Tables - http://www.astromynotes.com/tables/tablesb.htm
(In dieser Tabelle sind einige inkonsistente Werte der magn. Felder angegeben  korrigiert von P. Brüesch)
c) Observations of the Magnetic Fields Inside and Outside the Solar System: From Meteorites….
By Jacques P. Valeé - http://ned.ipac.caltech.esu/jlevel/5March03/Vallee_contents-html (Section 2.2)
R.10.1.6
p. 414: Geschwindigkeiten und Abstände der Planeten von der Sonne
a) Astrokramkiste - www,astrokramkiste.de/planeten-geschwindigkeit
Die Figuren wurden von P. Brüesch zwecks besserer Lesbarkeit retouchiert; der Text leicht ergänzt.
b) Keplersche Gesetze - http://de.wikipedia.org/wiki/Keplersche_Gesetze
c) Astronomische Daten - www.keplerstern.de/Berechnungen/Grundlagen_2A-pdf
Die Daten für die Halbachsen a und b der Ellipsen zeigen, dass die Exzentrizitäten relativ klein sind
Mit Ausnahme der Planeten Merkur und Mars sind auch die Geschwindigkeiten im Perihel und Aphel
nur sehr geringfügig voneinander verschieden.
R.10.1.7
p. 415: Wichtigste Gase der Atmosphären unserer Planeten
Zusammenstellung aus: www.astrokramkiste.de/planeten-tabelle
Zusammenstellung aus: www.astrokramkiste.de/planeten-tabelle
R.10.1.8
p. 416: Numerische Exzentrizitäten der Umlaufbahnen unserer Planeten
www.keplerstern.de/Berechnungen/Grundlagen_2A-pdf
(Histogramm t aus Zahlenwerten; erstellt von P. Brüesch)
10.2 Die Planeten unseres Sonnensystems: Eigenschaften und Atmosphären
R.10.2.0
p. 417: 10.2 Die Planeten unseres Sonnensystems: Eigenschaften und Atmosphären (Titel)
R.10.2.1.0
pp 418 – 422:: 10.2.1 Der Planet Merkur: Titel)
R.10.2.1.1
p. 419 : Merkur (Planet)
a) Merkur (Planet): http://www.wikipedia,org/wiki/Merkur_(Planet)
b) Mercury (planet): http://en.wikipedia.org/wikiMercury_planet)
384
69
R-10-2
R.10.2.1.2
p. 420: Elliptische Bahn des Merkur um die Sonne
a) Massstabsgetreue Figur von P. Brüesch aus Literaturdaten ersttellt (Halbachsen a und b, Exzentrizität e,
numerische Exzentrizität e, Entfernungen von der Sonne und mittlere Geschwindigkeit.
b) Merkur - http://www.ajoma.de/html/merkur,html
R.10.2.1.3
p. 421: Der Merkur . Atmosphäre - 1
a) Text aus: «Ein Rätsel der Merkur-Atmosphäre gelöst»
http://www.raumfahrer.net/news/astronomie/04062009203212.shtml
b) Mercury’s Atmosphere - http://www,space.com/18644.mercury-atmosphere.html
R.10.2.1.4
p. 422: Der Merkur – Atmosphäre - 2
a) Figur: Zusammensetzung der «Atmosphäre»
Astrokramkiste – Atmosphäre Merkur - www.astrokramkiste.de/merkur-atmosphaere
b) Bild: Oberfläche von Merkur - www,astrokramkiste.de/merkur
c) Atmosphere of Mercury - http://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Mercury
R.10.2.2.0
p. 423: 10.2.2 Der Planet Venus (Titel)
R,10.2.2.1
p. 424: Der Planet Venus – Allgemeines
Venus (Planet) - http://de.wikipedia.org/wiki/Venus_(Planet)
Bild links aus: www.google.search: Images
Bild rechts: Venus – Erde: Grössenvergleich - www.gppgle.ch/search - images
R.10.2.2.2
p. 425: Weitere Daten und Eigenschaften
a)
b)
R.10.2.2.3
Ref. R.10.2.1.1: Venus (Planet)
Venus – Wikipedia, the free encyclopedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Venus
p. 426: Die Schichten der Venus Atmosphäre
a) Atmosphere of Venus - http://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Venus
(Text von Englisch auf Deutsch übersetzt)
384
69
R-10-3
10 – 65
R.10.2.2.3
p. 426: (cont.) Die Schichten der Venus Atmosphäre
b) Venus …Earthh’s not really sister planet
http://cde.nwc.edu/SC12108/course_documents/solar_system/innerplanets/venus/venus.htm
(Figur: Temperatur – Höhe – Druck: p. 5 in diesem Artikel)
c) Venus (Planet) - http://de.wikipedia.org/Wiki/Venis_(Planet)
d) Atmosphere of Venus - Atmospheric Structure
http://lifeng.lamost.org/courses/astrotoday/CHAISSON/AT309/HTML/AT30905.HTM
R.10.2.2.4
p. 427: Die Zusammensetzung der Venus-Atmosphäre
Text: Ref. R.10.2.1.1 im Abschnitt von Atmosphäre
Bild: gefunden unter: www.google.ch/search unter «Composition of Venus atmosphere»
R.10.2.3.0
p. 428: 10.2.3. Der Planet Erde (Titel)
R.10.2.3.1
p. 429: Erde - http://de.wikipedia.org/wiki/Erde
R.10.2.4.0
p. 430: 10.2.4. The Planet Mars (Title)
R.10.2.4.1
pp 431 - 433: Der Mars
a) p. 431: Allgemeine Daten und Eigenschaften
b) p. 432: Erde versus Mars - Oberfläche des Mars
c) p. 433: Atmosphäre des Mars
http://de.wikipedia/wiki.org/wiki/Mars_(Planet) // http://en.wikipedia.org/wiki/Mars
R.10.2.4.2
p. 433: Die Atmosphäre des Planeten Mars
Atmosphere of Mars - http://www.daviddarling.info.encycopedia/M/Marsatmos.html
Text und Graphik mit Temperatur und Druck als Funktion der Höhe
R.10.2.4.3
p. 434: Die Atmosphäre des Planeten Mars
a) Atmosphere of Mars - http://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_M
b) Mars: Figur zur Atmosphäre: Elemental Composition of Mars
http://burro.astr.cwru.edu/stu/advanced/mars.html
384
69
R-10-4
R.10.2.4.3
p. 434 (cont.): Die Atmosphäre des Planeten Mars
c) Mars (Planet) - http://de.wikipedia/wiki.org/wiki/Mars_(Planet)
d) Atmosphere of Mars and the Search for Life - Lecture 14: The Atmosphere on Mars
Prof. Robert L. Nowack - Tabelle der chemischen Zusammensetzung
http://web.ics.purdue.edu/~nowack/geos105/lect14-dir/lecture14.html
R.10.2.5.0
p. 435: 10.2.5 Der Planet Jupiter (Titel)
R.10.2.5.1
p. 436: Allgemeine Daten und Eigenschaften - Jupiter (Planet): http://de.wikipedia.org(wiki/Jupiter_(Planet)
R.10.2.5.2
p. 437: Die Atmosphäre des Jupiters – 1 -
R.10.2.5.3
p. 438: Die Atmosphäre des Jupiters - 2
Jupiter: http://en.wikipedia.org/wiki/Jupiter (in English)
a) http://burro.astr.cwru.esdu/stu/advanced/iupiter.html - (Bild links)
b) Atmospheres of Jupiter and Saturn – Vertical Structure (Bild rechts)
http://zebu.uoregon.edu(~/imamura/121/lecture-13/iupiter_atmosphere-htm
c) Jupiter: Giant of the Solar Planets
http://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr121/Notes/chapter11.html
(Bild rechts: Figur retouchiert; Figurentext übersetzt von P. Brüesch von Englisch auf Deutsch);
s. Bild auch unter «Layers of Jupiter’s Atmosphere»  Bilder
d) Welcome to Space - http://www.welcometospaceblocg.com/2012/01/jupiter.html
R.10.2.6.0
p. 439: 10.2.6 Der Planet Saturn (Titel)
R.10.2.6.1
p. 440: Der Planet Saturn – Allgemein
a) Saturn (Planet) - http://de,wikipedia.org/wiki/Saturn_(Planet)
b) Saturn - http://en.wikipedia.org/wiki/Saturn
R.10.2.6.2
p. 441: Aufbau und chemische Zusammensetzung
a) Aufbau von Saturn (Inside Saturn – EntchantedLearning.com)
Bild oben : Atmosphere and Planetary Composition
http://www,entschantedlearning.com/subjects/astronomy/planets/saturn/saturninside.shtml
b) Chemische Zusammensetzung - Saturn - http://burro.astr.cwru.edu/stz/advanced/saturn.htmj
384
R-10-5
10 – 66
R.10.2.6.3
p. 442: Die Atmosphäre von Saturn
a) Saturn’s Atmospheric Composition - Bild links und Text zur Atmosphäre von Saturn
http://www.castlerock.wednet.edu/HS/stello/Astronomy/TEXT/CHAISSON/BG307/HTML/BG3075.htm
Text übersetzt von Englisch auf Deutsch von P. Brüesch
b) Saturn’s Atmosphere - Bild rechts und Text
http://astronomy.nju.edu.cn/~lixd/GA/ATA/ATA12/HTML/AT41202.htm
Text übersetzt von Englisch auf Deutsch von P. Brüesch. Die vertikalen gestrichelten blauen Linien in der
Figur links wurden von P. Brüesch eingezeichnet. Sie zeigen die approximativen mittleren Temperaturen
der drei Wolkenschichten: Water ice (H2O), Ammonium hydrosulfide ice ((NH4)SH), und Ammonia ice (NH3).
R.10.2.6.4
p. 443: Südpol – Sturm (Bild oben)
a) Riesensturm am Saturn-Südpol - http://www.astronews.com/news/artikel/2006/110611-010.shtml
b) Spectacular storm rages on Saturn’s south pole
http://www.newscientist.com/article.com/article/dn10499-spectacular-storm-on-saturns-south-pole.html
R.10.2.6.5
p. 444: Die Ringe des Saturn
a)
b)
c)
d)
Ringe des Saturns - http://de.wikipedia.org/wiki/Ringe_des_Saturn
Rings of Saturn - http://en.wikipedia.org/wiki/Rings_of_Saturn
Eine Welt der Ringe und Monde - http://www.goerlitzer-sternfreunde.de/html/saturn.html
Saturn – Astronomy, Rings News, Mythology, Astrology – Crystalinks
http://www.crystalinks.com/saturn.html [Bild der Saturn-Ringe in References c) und d)]
R.10.2.7.0
p. 445: 10.2.7 Der Planet Uranus (Titel)
R.10.2.7.1
p. 446, 447: Allgemeines - Aufbau - Chemische Zusammensetzung
a) Uranus (Planet) - http://de.wikipedia.org/wiki/Uranus_(Planet)
b) Uranus - http://en.wikipedia.org/wiki/Uranus
c) Uranus - http://burro.astr.cwru.edu/advanced/uranus.html
R.10.2.7.2
p. 448: Rotationsachsen und Umlaufbahn - Extreme Jahreszeiten
a) Der Planet Uranus - http://home.arcor.de/jensss/Uranus.html
b) URANUS - http://www.gutekunst-astro-bio.de/Uranus.html
384
69
R-10-6
R.10.2.7.2
(cont.)
c) Chapter 13.3 Uranus and Neptun in Bulk
http://lifeng.lamost.org/courses/astrotoday/CHAISSON/AT313/HTML/AT31303.HTM
d) Uranus – The Magician - http://www.physics.purfue.edu/astr2631/SStour/uranus.html
e) Uranus - TEACH Astronomy - Richtung der Rotationsachse von Uranus und Erklärungsmöglichkeiten
http://m.teachastronomy.com/astropedia/article/Uranus
R.10.2.7.3
p. 449: Der Planet Uranus – Atmosphäre – 1
a) Uranus (Planet) - Text und Bild links: Die natürliche Farbe des Uranus
http://de.wikipedia.org/wiki/Uranus_(Planet)
b) Bild rechts: Uranus mit südlichem hellen Wolkenband
Atmosphäre Uranus – Astropage.eu - http://www.astropage.eu/index.php?page_uranusatmosphere
R.10.2.7.4
p. 450: Der Planet Uranus – Atmosphäre - 2
a) Uranus (Planet) - Troposphäre und Stratosphäre - http://de.wikipedia.org/wiki/Uranus_(Planet)
b) Uranus - http://en/wikipedia.org/wiki/Uranus
c) Atmosphäre Uranus – Astropage.eu - http://www.astropage.eu/index.php?page_uranusatmosphere
R.10.2.7.5
p. 451: Der Planet Uranus - Atmosphäre 3 und Ringsysteme
a) Thermosphäre und Korona (Text links) - Uranus (Planet)
http://de.wikipedia.org/wiki/Uranus_(Planet)
b) Uranus - http://en/wikipedia.org/wiki/Uranus
R.10.2.8.0
p. 452: 10.2.8 Der Planet Neptun
R.10.2.8.1
p. 453: Der Planet Neptun - Allgemeines
a) Neptun (Planet) - http://de.wikipedia.org/wiki/Neptun_(Planet)
b) Neptune - http://en.wikipedia.org/wiki/Neptune
c) Bild: Grössenvergleich von Neptun und Erde - http://www.palkan.de/neptun.htm
R.10.2.8.2
p. 454: Aufbau und chemische Zusammensetzung - Text: References R.10.1.8.1 - a) und b)
a)
b)
Der Aufbau von Neptun - Bild oben: Innerer und äusserer Aufbau
http://www.hs.uni-hanburg.de/DE/Ins/Bib/neptun.html
Bild unten: «Neptunian Elemental Composition» - www.burro.astr.cwru.edu/stu/advanced/neptune.html
384
69
R-10-7
10 – 67
R.10.2.8.3
p. 455: Der Planet Neptun - Atmosphäre – 1
a) http://astronomyoneline.org/SolarSystem/NeptuneIntroduction.asp?Cate=SolarSystem&SubCate=
Neptune&SubCate2=NT01
AstronomyOnline.org: Figur der Temperatur als Funktion der Höhe: T(h)
b) Neptun’s Atmosphere: Composition, Climate & Weather
Text zu Figur von T(h) - www.space.com/18922-neptune-atmosphere.html
R.10.2.8.4
p. 456: Der Planet Neptun - Atmosphäre – 2
a) Planet der wilden Stürme : www.goerlitzer-sternfreunde.de/html/neptune.html (Bild rechts auf p. 456)
b) Text zu p. 456: http://www.universetoday.com/21584/atmosphere-of-neptune
c) Neptune – Voyager 2 - Bild links auf p. 456; contrast- enhanced image - April 1989 - nssdc.gsfc.nasa.gov/
10.3 Exoplaneten: Historisches und Beobachtungsmethoden
R.10.3.0
p. 458: Beobachtung von Sternen und die Suche nach Exoplaneten (Titel)
R.10.3.1
Exoplaneten - Sven Piper: Die Suche nach einer zweiten Erde
2. Auflage - Springer – Spektrum - 2011, 2014
R.10.3.2
Elefanten im All - Ben Moore: Unser Platz im Universum
(Aus dem Englischen von Friedrich Griese und Monika Niehaus)
Copyright @ 2012 by Klein & Aber AG Zürich – Berlin
R.10.3.3
Exoplanet Atmospheres: Physical Properties - Sara Seager - Princeton University Press – 2014
R.10.3.1.0
p. 459: L‘Univère populaire : A composition of Camille Flammarion
http://en.wikipedia.org/wiki/Camille_Flammarion
R.10:3.1.1
p.
a)
b)
c)
460: Giordano Bruno / Die Supernova von 1572
Giordano Bruno - http://de.wikipedia.org/wiki/Giordano_Bruno
Supernova - http://de./wikipedia.org/wi^ki/Supernova
Supernova (SN) von 1572 - Bild des Überrestes der Supernova (SN) 1572
http://en.wikipedia.org/wiki/SN_1572
384
69
R-10-8
R.10.3.1.2
p. 461: Astronomie im 17. und 18. Jahrhunder t- aus: Referenz R.10.3.1: Kapitel 1; Geschichte der Planetensuche
R.10.3.1.3
p. 462: Bedeutung der Parallaxe in der Astronomie:
Bestimmung der Distanzen zwischen Sonne und Sternen
a) aus: Referenz R.10.3.1 - Kapitel 1 . Geschichte der Planetensuche
b) Der Sternhimmel ist dreidimensional - http://news.astronomie.info/sky/200606/thema.html
c) Bild und Text - http://www.avgoe.de/astr/Tei104/Entfernung.html
R.10.3.1.4
p. 463: Entdeckung von Exoplaneten mit Hilfe des Doppler . Effekts
Schrift von Bild rechts zwecks besserer Lesbarkeit retouchiert,
a) Referenz R.10.3.1
b) Die Suche nach extrasolaren Planeten - Die Radialgeschwindigkeitsmethode
http://www,corot.de/german/Exoplanet/Detektionsmethide.html
c) Extrasolar Planets - http://lasp.colorado.edu/education/outerplanets/exoplanets.php
d) Planet 51 Pegasi b - http://de.wikipedia/org/wiki/51_Pegasi:b
R.10.3.1.5
p. 464: Die Transit-Methode
a) Transit Method – Los Cumbres Observatory - http://lcogt.net/spacebook/transit-method
b) Aus den Herzen der Sterne zu fernen Welten
http://www.uni-koeln.de/~lcarone/german/Exoplanet/Transitmethode
c) New 15 Earth-mass planet discovered with the new Transit Timing Variation Method
with Telescopes in Jena/Germany and Rozhen/Bulgaris - http://www.astro.uni-jena.de/wasp-3/
d) Scheinbare Helligkeit - https://de.eikipedia.org/wiki/Scheinbare_Helligkeit
[Die scheinbare Helligkeit gibt an wie hell ein Himmelskörper – insbesondere ein Fixstern – von der
Erde aus erscheint; sie wird als Zahl angegeben und trägt den Zusatz «Magnitude», kurz «mag».
e) Magnitude (astronomy) - http://en.wikipedia/org/wiki/Magnitude_(astronomy)
[Magnitude is the logarithm measure of the brightness of an object, in astronomy, measured in a specific
wavelength or passband, usually in optical or near-infrared wavelength].
R.10.3.1.6
p. 465: Transit-Methode und Resonanz
a) Welt der Physik: Mini - Exoplanet mit neuer Methode entdeckt
www.weltderphysik.de/de/.../mini.exoplanet.mit.neuer-methode-entdeckt
384
69
R-10-9
10 – 68
R.10.3.1.6
(cont.)
b) New 15 Earth-mass planets discovered with the new Transit Time Variation method with telescopes
in Jena/Germany and Rozhen/Bulgaria - http://www,astro.uni.jena/wasp-3
mit Figur von Modell für WASP-3 – Planeten
Figur von P. Brüesch zur Veranschaulichung durch Einfügung von Radien und Geschwindigkeiten ergänzt.
c) WASP-3b - http://en.wikipedia.org/wiki/WASP-3b
d) The Extrasolar Planet WESP-3c - http://exoplanet.eu/catalog/wasp-3_c
e) WASP-3 - WASP-3 is a magnitude 10 yellow-white dwarf … - http://en,wikipedia,org/wiki/
f) Orbital resonance
In celestial mechanics, an orbital resonance occurs when two orbiting bodies exert a regular, periodic gravitational influence on each other, usually due to their orbital periods being related by a ratio of two small integers.
http://en,wikipedia,org/wiki/Orbizaö_resonance
R.10.3.2.0
p. 466: Entdeckung der ersten Exoplaneten (Titel)
R.10.3.2.1
p. 467: Exoplaneten in der habitablen Zone
a) Exoplaneten in der habitablen Zone fremder Sterne
http://www.raumfahrer.net/news/astronomie/19042013200621/shtml
b) Kepler Team Finds System with Two Potentially Habitable Planets
by Nancy Atkunson on April 18, 2013
http://www.universetoday.com/101489/kepler-team-finds-system-with-two-poteentially -habitable-planets/
(Text mit Bild von habitabler Zone)
c) Stern Kepler-22 http://de.wikipedia.org/wiki/Kepler-22
d) Stern Kepler-62: http://de.wikipedia.org/wiki//Kepler-62
e) Stern Kepler-69: http://de.wikipedia.org/wiki/Kepler-69
R.10.3.2.2
p. 468: Kommentare zu Exoplaneten in der habitablen Zone
s. Referenzen R.10.3.2.1 a) und R.10.3.2.1.b)
R.10.3.2.3
p. 469: Exoplaneten: Radius als Funktion der Masse
Figur aus: http://www,mpia,de/Public/menu_q2,php?Altuelles/PR/2013/PR_2013:05/PR_2013_05_de.html
R.10.3.2.4
p. 470: Exoplaneten: Radius als Funktion der Masse -
Kommentare zu Seite 469
a) Kommentare zu Seite 469: s. Referenze von p. 469
b) Kepler Team Finds Systems with Two Potentially Habitable Planets
http://www.universetoday.com/101489/kepler-team-findsssystem-with-two-potentially-habitable-planets
384
69
R-10-10
R.10.3.2.4
(cont.)
c) Kepler-62 (Zentralgestirn) - http://de.wikipedia.org/wiki/Kepler-62
d) Kepler-62 (Central Star) - https://en.wikipedia.org/wiki/Kepler-62
e) Kepler-62e (Planet) - http://de.wikipedia.org/wiki/Kepker-62e
f) Kepler-62f (Planet) - http://en.wikipedia.org/wiki/Kepler-62f
g) NASA’s Kepler Discovers Its Smallest «Habitable Zone’ Planets to Date
http://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/news/kepler-62-kepler-69.hrml#.Ve6TPY98Yo
R.10.3.2.5
p. 471: Unsere Milchsrassen-Galaxie (Titel)
R.10.3.2.6
p. 472 : Unser Milchstrassensystem - http://home.arcor.de/hpj/IMG/galaxis2.jpg
Text im Bild retouchiert und Text rechts vom Bild zur Erklärung von P . Brüesch beigefügt
R.10.3.2.7
p. 473 : Das Milchstrassensystem - 1
http://home.arcor.de/hpj/Weltall/Milchstrasse.hrml
R.10.3.2.8
p. 474: Das Milchstrassensystem – 2
a) Milky Way - https://en.wikipedia.org/wiki/Milky_Way
b) 10 Facts Abbout the Milky Way
http://www.universetoday.com/22285/facts-about-the-milky-way/
R.10.3.2.9
p. 475: Das Fermi – Hart – Paradoxon
a) Fermi-Paradoxon: http://de.wikipedia.org/wiki/Fermi-Paradoxon
b) Fermi-Paradox: http://en.wikipedia.org/wiki/Fermi-paradox
c) An Explanation for the Absence of Extraterrestrials on Earth
Micharl H. Hart; Q. JI R. astr.Soc. (1975) 16, 128 – 1335
d) The Drake Equation versus the Fermi Paradox: Is Ther Intelligent Life out There? (April 2013)
http://www.noeticscience.co.uk/the-drale-eqiation-versus-the Fermi-paradox-is-there-intelligent-life-out-there/
e) The Fermi Paradox: An Approach Based on Perculation Theory
Geoffrey A. Landis - http://www.geoffreylandis.com/percolation.htp
NASA Lewis Research Center, 302-1; Cleveland, OH 44135.U.S.A
Published in Journal of the British Interplanetary Science, London, Volume 51, p. 163 - 166 (1998)
«I propose a model for the problem based on the assumption that long-term colonization of
the Galaxy proceeds via «percolation» process similar to the percolation problem which is well
studied in condensed-matter physics».
384
69
R-10-11
10 – 69
R.10.3.2.10
p. 476: Die Drake Gleichung und die Seager Gleichung
a) Drake-Gleichung - http://de.wikipedia.org/wiki/Drake-Gleichung
b) Drake equuation - http://en.wikipedia/org/wiki/Drake_equation
(Enthält 58 Literaturzitate und 9 «External links»
c) Ref. R.10.3.1: pp 152, 153
d) Ref. R.10.3.2: pp 220, 221
e) Intelligent Life in the Universe - http://www2.astro.psu.edu/users/dfox/A001/Notes/lec37.html
f) A New Equation Reveals Our Exact Odds of Finding Alien Life…
The Seager Equation - i09.com/what-a-brand-new-equation-eveal--[Ergebnisse beruhen auf den 30’000 entdeckten Sternen mit ihren Exoplaneten, die mit dem «Kepler»
Space Telescope» beobachtet wurden, also nicht auf den ca. 200 x 10 9 Sternen der Milchstrasse.
Seager studiert die Atmosphären von Exoplaneten. Suche von Exoplaneten mit Atmosphären, welche
Gase wie Sauerstoff, CO2 und Stickstoff enthalten; (s. auch pp 484, 485; 489].
R.10.3.2.11
pp 477: Zeitliche Entwicklung der entdeckten Exoplaneten
a)
b)
R.10-3.2.12
pp 478, 479: Massen vs Orbital-Halbachsen von Exoplaneten
a)
b)
c)
d)
R.10.3.2.13
p. 477: Planeten-Massen vs Entdeckungsjahr - Exoplanet - https://de.wikipedia.org/wiki/Exoplanet
Zusätzliche Angaben in Figur von P. Brüesch - (enthält einen Teil des Textes)
p. 479: Number of confirmed Exoplanets at 22/2015: 1’903 Exoplanets
NASA Exoplanet Archive - Exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/
p. 478: Sara Seager – Research - http://seagerexoplanets.mit.edu/research.html
Figur von p. 478: Achsenbeschriftung und Kommentare zu Figur von P. Brüesch
Exoplanet - http://en.wikipedia.org/wiki/Exoplanet - (p. 8 in diesem Beitrag: «Scatterplot showing masses
and orbital periods of exoplanets discovered up to 2010» (with colors indicating method of detection;
Zur besseren Lesbarkeit wurden die Bezeichnungen der Figur von P. Brüesch neu geschrieben).
Extrasolarer Planet - http://de.wilipedia.org/wiki/Extrasolarer_Planet
Exoplanet Statistics and Demographics Update
http://exoplanetsdigest.com/2014/07/25/exoplanet-statistics-and-demographics-update/
p. 480: Einige wichtige erdähnliche Exoplaneten
a) Popular Science - The Math: What Life on Kepler 62e Would Be Like ?
http://www.popsci.com/science/article/2013-04/what-life-kepler-62f-would-be-numbers-Kepler-62e
384
69
R-10-12
R.10.3.2.13
(cont.)
b) Earth Similarity Index - http://en.wikipedia.org/wiki/Kepler-62e
c) Kepler 62e und 62f - Zwei erdähnliche Exoplaneten?
http://weötenwetter2013.wordpress.com/2013/04/21/kepler-62-e-und-fzwei-erdähnliche-exoplaneten
d) List of potential habitable exoplanets
http://en.wikipedia,org/wiki/List_of_potential_habitable_exoplanets
e) PHL – Planetary Habitability Laboratory - HEC: Data of Potential Habitable Worlds
http://phl.upr.edu/projects/habitable-exopkanets-catalog/data
R.10.3.2.14
p. 481: Das Kepler-62 Planetensystem – Vergleich mit Sonnensystem
a) MPIA Pressemitteilung – Wissenschaft 2013 – 05
http://www.mpia.de/Public/menu_q2.php?Aktuelles/PR/2013_05/PR_2013_05_de.html
b) System mit zwei vermutlich lebensfreundlichen Exoplaneten entdeckt – 16. April 2013
http://derstandard.at/1363708472171/System-mit-zwei-lebensfreundlichen-Exoplaneten-entdeckt
c) Kepler-62 and the Solar System - http://www.nasa.gov/content/kepler-62-and-the-solar-system/
d) Kepler – 62 - https://en.wikipedia.org/wiki/Kepler-62
e) Kepler-62e: Super-Earth and Possible Water World - http://www.space.com/24129-kepler-62e.html
f) Kepler-62f: A Possible Water World - http://www.space.com/24142-kepler-62f.html
10.4 Atmosphären von Exoplaneten
R.10.4.1
Europhysics News
The Magazin Of the European Physical Society
The Atmosphere of Extrasolar Planets
Vol. 45, No. 1 2014; pp 23 – 27
Thérèse Encrenaz – LESIA, Observatoire de Paris – F-92190 Medon, France – DOI: 10.1051/epn/2014103
R.10.4.2
Exoplanet Atmospheres: Physical Properties
Sara Seager: Princeton University Press – 2014
384
69
R-10-13
10 – 70
R.10.4.3
p. 482: Atmosphären von Exoplaneten (Titel)
R.10.4.4
pp 483 - 484: Atmosphären von Exoplaneten
a) Exoplaneten: Ein neuer Weg zur Planetenmasse: von Robert Gast (2013)
http://www.sterne-und-weltraum.de/news/ein-neuer-weg-zurplanetenmasse/1218609
(Beschreibung der Methode zur Erforschung der Atmosphären nach Julien de Wit und Sara Seager)
b) Atmospheric observations could reveal mass of Earth-like worlds (Januar 2014)
http://physicsworld.com/cws/article/news/2014/jan/08atmospheric-observations-could-reveal-mass-ofearth-like-worlds
(mit künstlerischer Darstellung des Planeten HD 189733b mit seiner Atmosphäre vor seinem Stern HD 189733)
c) MIT EAPS: New technique measures mass of exoplanets: News & Events
Jennifer Chu at MIT News: December 19, 2013 - http://eapsweb.mit.edu/news/2013/weight-word
(Beschreibung der wissenschaftlichen Arbeiten von Julien de Wit uind Sara Seager)
d) p. 483: Atmosphere of Jupiter - http://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Jupiter
Definition der Atmosphären-Dicke und der Oberfläche des Gasplaneten
e) Extraterrestrial Atmospheres - http://en.wikipedia.org/wiki/Exrreaterrestrial_atmospheres
R.10.4.5
p. 485: Absorption des Sternlichtes durch Atmosphäre des Exoplaneten
a) Referenz R-10.4.2 b)
b) Der Planet HD 189733 b - http://de.wikipedia.org/wiki/HD_189733
c) The Planet HD 189733 b - http://en.wikipedia.org/wiki/HD_189733_b
R.10.4.6
p. 486: Absorption des Sternlichtes durch die Atmosphäre von Planeten
Water in the Atmosphere of extra-solar planets
http://coelsblog.wordpress.com/2014/01/08/water.in.the-atmosphere-of-solar-planets/
Figur: Absorption des Sternlichtes durch Atmosphäre des Exoplaneten
R.10.4.7
p. 487: Zwei junge Astronomen erforschen die Atmosphären für Exoplaneten
a) Heinz Mayer-Leibnitz-Preis für Lisa Kaltenegger
http://www.mpg.de/5811190/heinz_mayer-leibnitz-preis_lisa_Kaltenegger
b) Atmosphärern von Exoplaneten - Ein Interview mit Prof. Dr. Kevin Heng
www.exoclime-net/download/file/fid/67
384
69
R-10-14
R.10.4.8
p. 488: Planeten-Radien vs Umlaufzeiten - Earth-size exoplanets in habitable orbits are common
Die Figur erscheint in leicht modifizierter Form in: Physics Today - January 2014, pp 10–12 – B. Schwarzschild
Aktuelle Figur aus Internet unter Eingabe von: «Earth-size exoplanets in habitable orbits are commen»
unter Bilder; Skalenbeschriftungen von P. Brüesch auf Deutsch übersetzt und Ziffern vergrössert;
Publikation auch erschienen in: [PDF] www. geo.umass.edu/…/Exoplanets%20Schwar...
R.10.4.9
p. 489: Planeten mit Biosignatur-Gasen: Astrobiologie – Sara Sieger.
a) Astrobiology: Enter the Seager Equation
by Paul Gilster on September 11, 2013 - http://www.centauri-dreams.org/?p=28976
b) The Drake Equation Revisited: Interview with Planet Hunter Sara Seager
By Devin Powell, Astrobiology Magazine / September 04, 2013
http://www.space.com/22648-drake-equation-alien-life-seager.html
c) An Astrophysical View of Earth-Based Metabolic Biosignature Gases – Review Article
Sara Seager, Matthew Schrenk, and William Bains
ASTROBIOLOGY – Volume 12, Number 1, 2012 - dspace.mit.edu/openaccess-disseminate/1721…/7307…
d) Ref. R.10.3.1: Sven Piper – Exoplaneten; Kapitel 6: pp 73 – 79
e) Ref. R.10.3.3: Sara Sieger – Exoplanet Atmospheres;
Chapter Eleven . Atmospheric Biosignatures; pp 229 – 236
f) Sara Seager ist dem Leben im All auf der Spur
http://www.wiwo.de/technologie/sternstunde/forschung/sternstunde-sara-seager-ist-dem-lebenim-all-auf-der-spur/8471976.html
g) Extrasolare Planeten - Auf der Suche nach fremden Welten - Dominique M. Fluri, ETH Zürich: April 2012
www.physik.ethz.ch/~helm/.../DFluri_FV_Exoplaneten.pdf ; Abschnitt 4.2; Spektrale Signatur von Leben
h) An Equation to Estimate Probability of Identifying an Inhabitated World the Next Decade
Sara Seager, MIT – 2013 (PDF) - www.cfa.harvard.edu/events/.../Seager.pdf
R.10.4.10
p. 490: Das Hubble – Teleskop und das James Webb Weltraum - Teleskope
a) Hubble – Weltraumteleskop - https://de.wikipedia.org/wiki/Hubble-Weltraumteleskop
b) James Webb Space Telescope - aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
http://de.wikipedia.org/wiki/James:Webb_Space_Telescope
c) James Webb vs Hubble – Astrodicticum simplex
http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2010/06/16/james-webb-vs-hubble
d) James Webb Space Telescope - From Wikipedia, the free encyclopeia
http://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope
384
69
R-10-15
10 – 71
10.5 Galaxien und Universum
R.10.5.0
p. 491: Galaxien und Universum (Titel)
R.10.5.1
p. 492: Das beobachtbare Universum
a) Observable Univese - https://en.wikipedia.org/wiki/Observable_universe
b) How many Stars are in the Universe ?
http://www.skyandtelescope.com/astronomy-resources/how-many-stars-are-there/
c) How Many Planets Are There In The Universe ?
https://mathspace.co/learn/world-of-maths/algebra-and-units-and-modelling-18013/
how-many-planets-are-there-in-the-universe-771/
d) The Universe Beyond Our Reach - (Contains Figure reproduced in this page)
http://scienceblogs.com/startswithabang/2012/12/28//the-universe-beyond-our-rach/
e) How Many Stars Are There in The Universe ?
http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Herschel/How_many_stars_are_there_in_the_Universe
f) What is the average number of planets per star ?
https://www.quora.com/What-is-the-average-number-of-planets-per-star
R.10.5.2
p. 493: Kosmologie: Ursprung und Expansion des Universums
a) Urknall: http://de.wikipedia.org/wiki/Urknakk
b) Die Geburt des Universums - Kapitel 1: Expansion, Strahlungs- und Materiedichte
http://www.joergreasag.privat.t-online.de/mybk4htm/chap25.htm
c) Big Bang: http://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang
d) Edwin Hubble - http://en.wikipedia-org/wiki/Edwin_Hubble
e) Newton Model of Expanding Universe - http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbse/astro/expuni.html
f) Bild links: Schematic representation of the expanding Universe
http://astronomy.swinburne.edu.au/~gmackie/BigBang/universe.html
g) Bild rechts in:: The Flatness Problem – Inflation Flatness of the Universe – JPEF. Image
http://archieve.nasa.illinois.edu/Cyberia/Cosmos/Flatness/Probörm.html
h) Flatness problem - http://en.wikipedia.org/wiki/Flatness_problem
i) BIG BANG - Autor: Simon Singh:
Der Ursprung des Kosmos und die Erfindung der modernen Naturwissenschaft
Deutscher Taschenbuchverlag (2004)
384
69
R-10-16
R.10.5.3
p. 494: Das Hubble-Gesetz
a) Das Hubble-Gesetz und kosmologische Entfernungsbestimmung - Univ. Regensburg – Fakultät für Physik
Ausbildungsseminar zur Kosmologie – im Wintersemester 07 / 08 – Sebastian Putz
www.physik.uni-regensburg.de/.../KosmologischeEntfernungen.pdf
b) Hubble-Konstante - http://de.wikipedia.org/wiki/Hubble-Konstante
c) The Expanding Universe and Hubble’s Law http://www.physicsoftheuniverse.com/topics:bigbang_expanding_html
d) Rotverschiebung - http://de.wikipedia,org/wiki/Rotverschiebung
e) Bild von Edwin Hubble - s. Ref. R.10.5.2 – d)
f) Figure: Hubble-Law: Velocity of Expansion vs. Distance
http://m.teachastronomy.com/astropedia/article/The-Hubble-Relation -(Figuren von P. Brüesch leicht retouchiert)
http://en.wikipedia.org/wiki/Flatness_ptoblrm
R.10.5.4
p. 495: Rosinenteigkuchen-Modell des expandierenden Raums und das Hubble-Gesetz
a) Rosinenkuchenmodell in: Das Universum - [PDF] www.lphys.uni-heidelbrtg.de/~
b) Wim de Boer, Karlsruhe – Kosmologie VL, 25.10.2012 - Einteilung der VL
www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~debour/html/…/VL2_Hubble_sw.pdf
c) Expanding Universe - Hubble law and the expanding Universe
Bild und Text zu: A rising loaf of raisin bread
http://hyperphysics.phy-astr.gsu,edu/hbase/astro/hubble.html
(Der Text und die Figurenbeschriftung wurde von P. Brüesch von Englisch auf Deutsch übersetzt)
R.10.5.5
p. 496: Big Bang and Expansion of the Universe
a) Speed of Universe’s Expansion Measured Better Than Ever
http://www.space.com/17884-universe-expansion-speed-hubble-constant.html
b) Cosmic background radiation - https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_background_radiation
c) Hintergrundstrahlung - https://de.wikipedia.org/wiki/Hintergrundstrahlung
d) Hydrogen – Helium Abundance (on the Universe)
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/base/astrohydhel.html
e) Singularität (Astronomie)
https://de.wikipedia.org/wiki/Singularität%C3%A4t_(Astronomie)
384
69
R-10-17
10 – 72
R.10.5.6
p. 497: Interstellares Gas: Eine extrem verdünnte «Atmosphäre» - 1
a)
b)
c)
d)
e)
Interstellares Gas - http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Interstellares_Gas.html
Interstellare Materie - http://de.wikipeia.org/wiki/Interstellare_Materie
Molekülwolke - http://de.wilipedia.org/wiki/Molek%C3%BCIwolke
Kosmische Raffinerie - Forschung / Aktuelles / 2012 / Kosmische Raffinerie
Gigantische Chemiereaktionen: Molekulare Riesenwolken im interstellaren Raum - Molekül-Mix 3
[PDF] www.dnap.ethz.ch/publicrelations/publikationen/.../NM3.5Riesenw.pdf
http://www.mpg.de/6633008/Pferdekopfnebel - (Bild: Der Pferdekopfnebel im Sternbild Orion)
von Barbara Brauchnann (2002): Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften - ETHZ
f) The Interstellar Medium: Gas - http://spiff.rit.edu/classes/phys230/lectures/ism_gas.html
g) Interstellar Gas Clouds - http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/I/interstellar+gas+cloud
R.10.5.7
p. 498: Gigantische Chemiereaktionen: Molekulare Riesenwolken im interstellaren Raum [PDF]
Brackmann, Barbara. Laboratorium für Physikalische Chemie – ETHZ Hönggerberg
www.chip.ethz.chpublicrelations/publikationen/.../NM3.5Riesenw.pdf
[Tabelle 1: « Das interstellare Medium aus (molekularen) Gasen und Staubpartikeln».
Konzentrationen und Temperaturen; Vergleich mit Daten der Atmosphäre an der Erdoberfläche]
(Tabelle mit Anmerkungen von P. Brüesch neu erstellt)
R.10.5.8
p. 499: Intergalaktisches Gas: Eine extrem verdünnte «Atmosphäre» - 2
a) Intergalaktisches Medium - http://de.wikipedia.org/wiki/Intergalaktisches_Medium
b) Ein Blick auf das intergalaktische Spinnennetz
Autor: Georg Neulinger; P.M. Magazin (P.M. Hefte) ; Mai 2014
http://www.pm-magazun.de/r/natur/ein-blick-auf-das-intergalaktische-Spinnennetz
c) Bild aus: Planck discovers filement of hot gas linking two galaxy clusters – November 20, 2012
http://phys.org/news/2012-11-planck-filament-hot-gas.html
d) Das neue Bild des interstellaren und intergalaktischen Mediums
Philipp Richter: Professor für Astrophysik, Universität Potsdam (Deutschland)
Ein Überblick über das Arbeitsgebiet der Astrophysik II
http://www,astro.physik.uni-potsdam.de/~www/research/astro_2_de.html
e) Galaxy filement - http://en.wikipedia.org/wiki/Galaxy_filement
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69
R-10-18
R.10.5.8
(con.)
f)
g)
h)
R.10.5.9
Distant quasar illuminates a filament of the cosmic web
http://new.ucsc.edu/2014/01/cosmic-web-html
Space and Astrophysics – Research - http://www.tp4.ruhr-uni-bochum.de/forschung.php?lang=en
Outer space - http://en.wikipedia.org.wiki/Outer_space
p. 500: Der Kleine Prinz
Antoine de Saint-Exupéry
Mit Illustrationen des Autors - Ins Deutsch übertragen von Grete und Josef Leitgeb
Arche – Verlag - Printed in Germany 2013 - ISBN 978-3-7160-2501-7
(Ich bin der Ansicht, dass dieses phantastische Buch zur Weltliteratur gehört - Peter Brüesch)
R-10-19
10 – 73
Anhang: Kapitel 10
R-A-0-1
p. 10-A-0-1 : Vincent van Gogh «Sternennacht» (1889)
R-A-1-1
p. 10-A-1-1: Goethe – Die Sonne tönt nach alter Weise …. aus: Faust . «Prolog im Himmel»
http://www.babelmatrix.org/worls/de/Goethe_Johann_Wolfgang_von/FAUST.Prolog_im_Himmel/
en/4219-Faust_Prolohue_in_Heaven
R-A-1-2
p. 10-A-1-2: Keplersche Gesetze
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Johannes Kepler (1571 – 1630) - http://de.wikipedia.org/wiki/Johannes_Lepler
Kepler’sche Gesetze - http://de.wikipedia.org/wiki/Keplersche_Gesetze
Planetenbahnen und Himmelsmechanik - http://www.labrellnet/astronomie/_sites/planetenbahnen.aspx
Kepler’s law of planetary motion - https://en.wilipedia.org/wiki/Kepler%27s_laws-of_planetary_morion
Kepler’s Three Laws - https://en.wikipedia.org/.../Kepler’s_law_pf_planeta...
Kepler’s Laws - http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kepler.html
Deriving Kepler’s Laws from the Inverse-Square Law - Micheal Fowler, Uva
http://galileo.phyx.vitginia.edu/classes/152mlfi.spring02/Leplers/laws.htm
R-A-1-3
p. 10-A-1-3: Näherung: Kreisförmige Planetenbahnen um die Sonne
Radiale Beschleunigung: http://physics.tutorvista.com/motion/radial-acceleration.html
Text und Figur von P. Brüesch
R-A-1-4
p. 10-A-1-4: Simplification: Circular Orbits of the Planets around the Sun – 2
a) BBC – KS3 Bitesize Science – Astronomy and space science, Page 3
Right-hand Figure:
b) Radial acceleration ar for Planets calculated from ar = (G MS) / R2; evaluated by P. Brüesch
c) Left-hand Figure: Radial acceleration of the Earth
Terrestrial examples for «Low Earth Orbits»: Calculations and Figure by P. Brüesch
d) Mathematics of Satellite Motion - The Physics Classroom - www.physicscsclassroom - u614C3.gif
R-A-2-1
p. 10-A-2-1: Viel Wasserdampf in der Atmosphäre der jungen Venus ?
Text und Bild von: «Auf der Venus gabs tatsächlich Wasser»
http://www.uniaktuell.ubibe.ch/conzent/umweltnatur/2007/venus/index_ger.html
384
69
R-10-A-1
R-A-2-2
p. 10-A-2-2: Der Erdmond
a) Mond - http://de.wikipedia.org/wiki/Mond
b) Is There an Atmosphere on the Moon?
https://www.nasa/gov/mission_pages/LADEE/news/unar-atmosphere.html#.Vd8rxpA994s
c) Earth’s Moon - http://jtgnew.sjrdesign.net/solsys_planetes_earth_moon.html
R-A.2-3
p. 10-A-2-3: Bewohner (habitable) Zone im Sonnensystem
Weisst du wieviel Planeten stehen? - Astrodicticum Simplex
Veröffentlicht von Florian Freistetter am 17. Juni, 2008
http://scjencebloggs.de/astrodicticum-simplex(2008/0617/weisst-du-wieviel-planeten-stehem/
R-A-2-4
p. 10-A-2-4: Der Jupiter Mond Europa
a) Europa (Mond) - http://de.wikipedia.org/wiki/Europa_(Mond)
b) Europa (moon) - http://en.wikipedia.org/wiki/Europa_(moon)
c) Europas Chaosregionen: Viel Wasser im Eis
http://www.pro-physik.de(details/news/1396501/Europas_Chaosregionen_Voel_Wesser_im_Eis.html
d) Europa Moon – Conamara Chaos
http://www.space-pictures.com/view/pictures-of-planets/planet-jupiter/europa-moon/europa-moon-conamara-chaos.php
R-A-2-5
p. 10-A-2-5: Zur schiefen Rotationsachse des Uranus
a) Uranus - TEACH Astronomy - http://m.teachastronomy.com/astropedia/article/Uranus
b) Orbital resonance - http://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_resonance
R-A-2-6
p. 10-A-2-6:
Fluchtgeschwindigkeit vFL einer Masse von den Planeten des Sonnensystems
a) Berechnung der Fluchtgeschwindigkeit
www.extycion.de/physic/files/exphys/ucb/blatt03/exph_ueb03.pdf
b) Kosmische Geschwindigkeiten - http://austria-forum.org/af/AustriaWiki/Kosmische_Geschwindigkeiten
c) Gravitational Energy - https://en.wikipedia.org/Gravitational_energy
d) Gravitational Potential Energy - http://physics.info/gravitation-energy/
e) Escape velocity - https://en.wikipedia.org/wiki/Escape_velocity
384
R-10-A-2
10 – 74
R-A.2-7
p. 10-A-2-7: Thermal Velocities and Escape Speeds of Atmospheric Molecules
a)
b)
c)
d)
e)
f)
R-A-2-7
Struktur der Atmosphäre - www.meteo.physik.uni-muenchen.de/lehre/.../Teil_T_WS2005-04.pdf
Maxwell – Boltzmann – Verteilung - https://de.wikipedia.org/wiki/Maxwell-Boltzmann-Verteilung
Atmospheric escape - https://en.wikipedia.otg/wiki/Atmospheric_escape
Escape velocity - http://en.wikipedia.org/wiki/Escape_velocity
Re: Is escape velocity dependent on mass captive object ?
http://www.madsci.org/archives/1998-03/888873174.Ph.rhtml
Atmospheric escape of gas molecules
http://physics.stckchange.com/question/34895/atmosphere-escape-of gas-molecules
p. 10-A-2-8: Die Heliosphäre unseres Sonnensystems
a) Heliosphäre - http://de.wilipedia.org/wiki/Heliospj%C3%A4re
b) Heliosphere - http://en.wilipedia.org/wiki/Heliosphere
c) Aufbruch zu den Sternen
Dr. Bernd Wöbke: Presse- und Oeffentlichkeitsarbeit – Max-Planck Institut für Sonnenforschung
idw – Informationsdienst Wissenschaft - https://idw-online.de/pages/de/news22982
R-A-3-1
p. 10-A-3-1: Doppler-Technik zur Suche nach Exoplaneten - s. Referenz R.10.3.1.4- c), p. 463
R-A-3-2
p. 10-A-3-2: Umkreisung von Stern und Planet um Schwerpunkt - Figur und Text von P. Brüesch aus Literaturdaten
R-A-3-3
p. 10-A-3-3: Planetare Masse vs Umlaufsperiode
«A Batch of More Than 60 New Planets and Development of the Mass-Period Diagram»
http://exoplanetsdigest.com/2012/10/07/a-batch-of-more-than-60-new-planets-and-development-of-the-mass---Figur von: «Planetare Masse vs Umlaufperiode» von Exoplaneten
R-A-3-4
p. 10-A-3-4: Entdeckung von neuen Planeten mit Hilfe der «Verification by Multiplicity»
a) Kepler: 715 neue Exoplaneten entdeckt - 27. Februar 2014 von Michael Kahn
www.scilogs.de/go-for-lainch/kepler-715-neue-exoplaneten-entdeckt
(Text von P. Brüesch von Englisch auf Deutsch übersetzt)
b) Exoplanets - http://en.wikipedia.org/wiki/Exoplanets
(Enthält das Histogramm der entdeckten Exoplaneten bis Februar 2014)
c) List of Exoplanets discovered using Kepler spacecraft
http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_exoplanets_discovered_using_the_Kepler_spacecraft
d) Discoveries of Exoplanets - http://en.wikipedia.org/wiki/Discoveries_of_exoplanets
384
R-10-A-3
R-A-3-4
(cont.)
e) Kepler’s Last Stand _ Verification by Multiplicity - http://lostintransits.wordpress.com/
f) Mega Discovery! 715 Alien Planets Confirmed Using A New Trick On Old Kepler Data
By Elisabeth Howell on February 26. 2014
http://www.universetoday.com/109764/mega-discovery-715-alien-planets-confirmed-using-a-new-trick-
R-A-3-5
p. 10-A-3-5: Neuer erdähnlicher Exoplanet entdeckt
a) Kepler - 186f - http://de.wikipedia.org/wiki/Kepler-186f
b) Neuer Spitzenkandidat unter den erdähnlichen Planeten - Zeit: 17. April 2014
http://www.zeit.de/wissen/2014-04/planeten-exoplaneten-kepler-astronomie-weltraum
c) Erdgrosser Planet in bewohnbarer Zone entdeckt - Frankfurter Allgemeine – Wissen – 17.04.2014
http://www.faz.net/aktuell/wissen/weltraum/ferne-welten-erdgrosser-pöanet-in-bewohnbarer-zoneaufgespuert-12900773
d) Astronomers discover Earth-like planet
The Sydney Morning Herald – Technology - Nicky Phillips – April 18, 2014
http://www.smh.com.au/technology/sci-tech/astronomers-discover-eartlike-planet.20140417-zqvyu.html
e) How Many Planets Are In The Universe ?
http://scienceblogs.comstartswithabang/2013/01/05-how-many-planets-are-on-the-universe/
(Abschätzung: im sichtbaren Universum gibt es ca. 1024 Planeten)
f) NASA’s Kepler Discovers First Earth-Size Planet in The «Habitable Zone» of Another Star
http://www.nasa.gov/ames/kepler/nasa-krplrt-discovers-first-earth-size-planet-in-the-habitable-zoneof-another-szar/ind
g) Kepler – 186f - http://en:wikipedia,org/wiki/Kepler-186f
[Mit Bild: «Comparision of the Kepler.186f system and the Solar system - 17 April 2014)]
R-A-4-1
p. 10-A-4-1: Das Hubble Teleskop
a) Hubble – Weltraumteleskop - https://de.wikipedia.org/wiki/Hubble_Weltraumteleskop
b) Hubble Space Telescope - https://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope
R-A-5-1
p. 10-A-5-1: Relativistische Rotverschiebung des Lichtes von Galaxien
a) Der Doppler-Effekt - Astrophysik – Weltall
Figur: relative Rotverschiebung z als Funktion von v/c - http://www.jgiesen.de/astro/stars/DopplerEffekt
b) Rotverschiebung - (mit relativistischer Herleitung) - http://de.wikipedia.org/wiki/Rotverschiebung
(mit relativistischer Herleitung) - http://de.wikipedia.org/wiki/Rotverschiebung
384
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