Planetare Atmosphären im Vergleich

Planetare Atmosphären im Vergleich
am Beispiel
Erde - Venus
Prof. Dr. Bernd Häusler
Institut für Raumfahrttechnik und Weltraumnutzung
Studium Plus Ring Vorlesung „Luft“
Neubiberg, 20. Oktober 2015, HS 33-0231
Inhalt
- Einführung
- Entstehung planetarer Atmosphären
- Treibhauseffekt
- Eigenschaften der Erd- und Venus Atmosphären
- Untersuchung planetarer Atmosphären mit Satelliten
( Radio Science Messtechnik)
- Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Einführung
Warum befassen wir uns mit den Atmosphären anderer Planeten?
Das Verständnis des Aufbaus von Atmosphären
anderer Planeten bringt uns wichtige zusätzliche
Erkenntnisse, die uns die Entwicklung unserer
eigenen Atmosphäre besser verstehen, und
langfristige Entwicklungen besser beurteilen lassen.
Sie helfen langfristig unser Überleben zu sichern.
Als Beispiel wählten wir die zwei Schwesterplaneten
Erde und Venus, die unterschiedlicher nicht sein
könnten.
Bedeutung der Atmosphäre
Für die Erde gilt zu beachten: Sonneneinstrahlung 175. 000 TW
(1 Terawatt = 1000 Milliarden Watt)
Leistung die durch solare Erwärmung in die globale atmosphärische
Zirkulation fließt:
1000TW
Radioaktiver Zerfall und Auskühlen des Erdkerns:
Gravitationskräfte von Sonne und Mond:
50 TW
5 TW
Atmosphären sind das „Aushängeschild“ eines Planeten
Die unterschiedlichen Spektren lassen
auf eine unterschiedliche chemische
Zusammensetzung der Atmosphären
und unterschiedliche Entwicklungs
prozesse schließen
Chemische Zusammensetzung
Erde: 78% N2, 21% O2 + Spurengase
Venus: 96.5 % CO2
+ Spurengase
Infrarotspektren grober Auflösung von den Venus-, Erde-, Mars Atmosphären,
aufgenommen aus dem Weltraum [Taylor, 2006]
Wie dünn ist doch unser Schutzschild
Erd - Atmosphäre
Quelle: NASA Shuttle Atlantis
Meteor Schweif in der Mesosphäre
Sonnenuntergang am Shuttle
Die Erde im sichtbaren Licht.
Quellen: NASA-1972
Nur im UV-Bereich sichtbare Strukturen in der
oberen Wolkenschicht, Pioneer Venus -1979 .
Die dunklen Strukturen (UV Absorber)
bewegen sich von rechts nach links.
Venus – Venus Express
ESA
Radar Altimeter + Arecibo
Synthetic Aperture Radar
Pioneer Venus – Magellan/NASA
Die experimentellen Methoden
ESA Missionen mit UniBw Beteiligung (Radio Science)
Rosetta
Venus Express
Mars Express
Sojus - Fregat
VEX Launch Preparations at Baikonur Cosmodrome
Launch: November 9, 2005, 3:33:33 UTC by Soyuz Fregat at Baikonur
Arrival at Venus: April 11, 2006
Venus Missions
•
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•
•
Akatsuki/Planet-C - ISAS Venus Orbiter (2010)
Venus Express - ESA Venus Orbiter (2005 -2015)
Messenger - NASA Mercury Orbiter (2004) (Two Venus flybys)
Magellan - NASA Venus Radar Mapping Mission (1989-1994)
Pioneer Venus - NASA Orbiter/Probes to Venus (1978 -1992)
One large and three small probes, orbital bus. Jettison of parachute at ~ 50 km
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Galileo - NASA Mission to Jupiter (Venus flyby - 1990)
Vega 1 - Soviet mission to Venus and Comet Halley (Lander and Venus flyby - 1985)
Vega 2 - Soviet mission to Venus and Comet Halley (Lander and Venus flyby – 1985)
Venera (1-16) - Soviet Venus Missions (1961-1983)
First parachute descent by Venera-4 descent module
Discovery of atmospheric superrotation from space (Venera 4-7)
•
•
Mariner 10 - NASA Mission to Venus and Mercury (1973-1975)
Mariner 5 - NASA Venus flyby (1967)
First radio occultation experiment at Venus
•
Mariner 2 - NASA Venus flyby (1962)
Success rate of missions to Venus higher than those to Mars.
Presently 56% [Bonnet et al., 2013].
Venera Missions
Venera 9
• first man-made devices to enter the atmosphere
of another planet
• soft landing on another planet
• return images from the planetary surface
• perform high-resolution radar mapping studies
of Venus
• conditions on Venus are extreme, i.e. the probes
only survived on the surface for a duration of 23
minutes up to about two hours
Venera 13
Es gibt Sonnenlicht auf
der Oberfläche!
http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/venera.html
Die Entstehung planetarer Atmosphären
Allgemeines Verständnis:
Vor ca. 4,6 Milliarden Jahren: Entstehung des Sonnensystems.
Die 4 inneren Planeten (Merkur, Erde, Mars) haben sich mit einer
festen Gesteinskruste aus Planitesimalen gebildet, da sich die
schweren Elemente bevorzugt im starken Gravitationsfeld nahe
der Sonne zusammengefunden haben.
Die äußeren Planeten (Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun) bestehen
hingegen aus großen Gaszusammenballungen („Gasplaneten“).
Solare Einstrahlung bei Venus (Abstand zur Sonne ~ 0.72 AE)
doppelt so stark wie bei der Erde.
Vor ca. 4 Milliarden Jahren: Große Mengen des im Sonnensystem
vorhandenen Wassereis stürzen auf Erde und Venus ein.
Venus ist der Sonne zu nahe. Wasserdampf dissoziiert, geht verloren.
(Vermutlich haben sich früher große Mengen von Wasser auf der Venus
befunden – dafür spricht gegenwärtiger Gehalt des Wasserstoffisotops
Deuterium).
Ohne Verwitterung (Bildung von CaCO3) hat sich CO2 in einer überhitzten
Atmosphäre angesammelt. Dadurch: Ein bis heute wirkender
Treibhauseffekt.
Erde konnte erstes flüssiges Wasser aus der Atmosphäre durch
Kondensation ansammeln, da die Gesteinskruste ein guter
Wärmeisolator ist. Weiter starkes Anwachsen der Wassermengen auf
Grund des Einschlages von gewaltigen Mengen von Wassereis. Erde
sammelte im Mittel eine ca. 4 km dicke Wasserschicht an.
Interessanter Aspekt:
Die im Karbonatgestein der Erde gebundene Menge von CO2 entspricht
in etwa dem Atmosphärengehalt von CO2 bei der Venus.
Vor ca. 3.8 Milliarden Jahren:
Starker Treibhauseffekt. Gleichzeitige Entwicklung einer extrem
starken Verwitterung.
- Lösung von gasförmigem CO2 im Regen zu Kohlensäure.
- Lang anhaltender „saurer“ Regen fördert die Verwitterung von
Gestein – dadurch Bildung von Kalkstein und Sand.
- Kohlenstoff aus der Atmosphäre wird somit in riesigen Mengen
von Kalkablagerungen in den Ozeanen gebunden.
Vor ca. 3 Milliarden Jahren plötzliches Auftreten von Cyanobakterien
(Blaualgen) in den oberen Schichten der Ozeane. Die Ursache ist bis
heute nicht geklärt. Die Photosynthese beginnt zu wirken. Damit:
Produktion von Sauerstoff!
(Prozeß war offensichtlich bei Venus und Mars nicht wirksam)
Auch Bildung von Ozon. Dadurch entsteht ein Schutz gegenüber UV Strahlung und ermöglicht eine Entwicklung von Leben zunächst in
Form einfacher Organismen.
Vermutung: Ungebremstes Wachsen und Wirken der Blaualgen führt zu
einer Verknappung von CO2. Fallende Temperaturen. Begünstigung
weiterer Abkühlung durch Eis-Albedo Effekt. „Snowball Earth“.
Ähnlichkeit mit Jupitermond Europa (flüssiges Wasser unter einer
dicken Eisdecke)?
Vor wenigen Milliarden Jahren bei der Erde:
Rettung durch den Vulkanismus!
Bedeutung der Plattentektonik, die bis heute andauert.
Dadurch unverminderte Emission von CO2 in die Atmosphäre.
Beginn einer neuen Erderwärmung.
Weiterentwicklung von Leben, Formung der Kontinente führte zu einem
Erreichen eines Gleichgewichtsstandes mit:
Gasstrom von 0.2 Gt CO2 pro Jahr von Vulkanen in die Erdatmosphäre
Man beachte:
Gegenwärtige Nutzung fossiler Brennstoffe führt z.Z. zu einem Anstieg
von 16 Gt CO2 pro Jahr in der Atmosphäre (~ 2 ppm CO2)
[Buchal/Schönwiese-Helmholtz Gemeinschaft]
Möglicherweise gibt es einen Regelmechanismus ( gegenwärtig in
Diskussion):
Ansteigende Temperaturen führen zu:
-
Mehr Niederschlägen und einer höheren Verwitterungsrate
Verstärktem Auswaschen des CO2 aus der Luft und damit
Zu reduziertem Treibhauseffekt, also
Sinkenden Temperaturen
Fällt die Temperatur deutlich, dann sinkt die Verdunstung und
weniger Regenwasser steht für Verwitterung zur Verfügung.
CO2 Gehalt stagniert. Da die Aktivität von Vulkanen jedoch
anhält (Emission von CO2), kommt es wieder zu einem erhöhten
Treibhauseffekt, bzw. zu einer erneuten Zunahme der
Temperatur.
Wollen wir das Ausprobieren ?
Treibhauseffekt
Das Treibhausmolekül CO2
im Vergleich zu O2
O2 Molekül erlaubt kein permanentes elektrisches Dipolmoment,
um effizient mit der einfallenden
Strahlung wechsel zu wirken.
CO2 Molekül erlaubt durch asymmetrische Vibrations-, Dehnungs- und
Biegemoden, die zu einer unterschiedlichen Entfernung zwischen den C und
O Molekülen und dadurch auch zu
unterschiedlichen Ladungsträgerver teilungen führen und ein Dipolmoment
erzeugen können.
Absorption von Strahlung in der Erdatmosphäre
Gezeigt ist die Höhe, bei der die Intensität der
einfallenden Strahlung auf die Hälfte geschwächt ist.
Einfaches Modell
für den Treibhausffekt
Ts
Transmission sichtbar
Tt
Transmission thermisch
Einfaches Strahlungsmodell einer planetaren Atmosphäre. Diese ist als
dünne Schicht mit der Temperatur
Ta angenähert. Die planetare
Oberfläche wirkt als schwarzer Strahler der Temperatur Tg. Die
Atmosphäre strahlt Infrarotstrahlung der Oberfläche sowohl in den
Weltraum als auch Richtung Boden ab. Letzteres bewirkt eine zusätzliche
Temperaturerhöhung .
Die mittlere Oberflächentemperatur der Erde liegt bei 15°C (288K)
Der natürliche Treibhauseffekt beträgt 33K
Empfindliches Gleichgewicht
4
Tg
Tg
Ts
Tt
A



1+ Ts 1+ Tt 1  A
A : Albedo (Reflexion)
Ts: Transmission für optische (solare) Strahlung
Tt: Transmission für thermische (Infrarot) Strahlung
Tg: Temperatur am Boden
Ob es zu einer Temperaturerhöhung am Boden kommt, hängt
empfindlich von den Albedo- und den Transmissionsfaktoren ab.
Wolken, Staubpartikel, Aerosole haben eine eminente Bedeutung
Beiträge der Spurengase zum Treibhauseffekt
in der Erdatmosphäre
Molekül
Konzentration (%) Effekt. ∆ T ( ° C)
H2O
2.6
20
CO2
0.0387 (387 ppm)
8.6
O3
(0.04 ppm)
2.3
N2O
(0.32 ppm)
1.3
CH4
(1.8 ppm)
1
Verweildauer in der Atmosphäre ist ein kritischer Parameter:
CO2: Weit über 100 Jahre bei Verbrennung fossiler Energieträger
CH4: 12 Jahre
Daher: CO2 Emissionen – größtes Problem
Buchal und Schönwiese, 2010
Zunahme von atmosphärischem CO2
Aerosole bewirken Abkühlung.
Mauna Kea
Aktuelle mittlere globale
Temperaturen seit 1860 verglichen
mit Modellen
[ Taylor, 2007]
Gasaustausch mit den Ozeanen
Von eminenter Bedeutung: Gasaustausch mit den Ozeanen:
CO2 Gas ist gut in Wasser löslich. Je kälter das Wasser und je höher
der Druck, desto höher wird die Löslichkeit. 5° kaltes Wasser löst
doppelt soviel CO2 wie Wasser bei 30°.So kommt der Tiefsee eine
enorme Bedeutung zu.
Ozeane haben eine gewaltige Wärmekapazität. Verlangsamt jede
globale Temperaturänderung. Wirkt als „zeitlicher“ Puffer (Helfer in
der Not).
Von den antropogenen Emissionen, die auf 10 Gt C pro Jahr
geschätzt werden, verbleiben ca. 5 Gt C pro Jahr in der Atmosphäre –
bedeutet Anstieg von 2 ppm CO2 pro Jahr.
Ozeane nehmen ca. 2,5 Gt C pro Jahr auf.
Schlußfolgerung: Beitrag von biosphärischen Kreislauf (durch
Neubepflanzung) zur Bindung von C wird als langfristig nicht zu
effizient angesehen.
Daher bilden Ozeane den leistungsfähigsten „Luftreinigungsprozess“
für unsere Atmosphäre.
Darstellung der regional aufgelösten Temperaturtrends über 100
Jahre ( 1901-2000)
Man erkennt große Gebiete (2 Bänder) mit kräftiger Erwärmung,
aber interessanterweise auch Regionen mit Abkühlungen.
Globales Flächen- und Jahresmittel zeigt jedoch Erwärmung um
0.7° in 100 Jahren.
Buchal und Schönwiese, 2010
Was ist Radio Science?
Weitere Beeinflussung des Klimas: Die 3 Milankovich Zyklen:
Orbitale Exzentrizität, Neigung, und Präzession der Spin Achse
Taylor: Elementary Climate Physics, 2007
Temperatur der Atmosphäre in den
letzten 400 Tausend Jahren. Gewonnen
aus der Untersuchung von im Polareis
(Antarktis) eingeschlossenen
Luftblasen
Und nicht vergessen:
Strahlungsfluss der Sonne ist
veränderlich!
Milankovich Zyklen: 500 Tausend Jahre
Berechnung der Sonneneinstrahlung für
einen Ort von 65° Breite15. Juni
Eigenschaften der Erd und Venus Atmosphären
Venus rotiert extrem langsam und retrograd (als einziger Planet
im Sonnensystem). Dauer ~ 243 Erdtage. Umlaufdauer um die
Sonne ~224.7 Erdtage. Sonne geht im Westen auf.
Obere Wolkenschicht reflektiert ca. 2/3 der einfallenden
solaren Strahlung , hellster Planet am Nachthimmel.
Global gemittelt absorbiert die Erde an ihrer Oberfläche ca. 169
W m - 2, die Venus nur 19 W m – 2 . Auf Grund des extrem hohen
CO2 Anteils der Venus Atmosphäre reicht dies aus um den
starken Treibhauseffekt zu erzeugen (T = 737 K , 92 bar an der
Oberfläche)
Wolkenschicht zeigt einen globalen azimutalen Wind (zonale
Strömung) , der über 100 m/s Geschwindigkeit betragen kann.
Höhenprofile der Temperatur
Erde
Repräsentativer Höhenverlauf von
Temperatur (T), Druck (p) und Massen
dichte () in der Atmosphäre der Erde [1].
Troposphäre: Konvektive Umwälzung
Stratosphäre:Strahlungsgleichgewicht
Venus
Höhenprofil der Temperatur. Gemessen an
DOY 234, 2006 bei 71o nördlicher Breite mit
dem Radio Science Experiment VeRa an
Bord der ESA Raumsonde Venus ExpressVEX [Pätzold, Häusler et al., Nature 2007]
Temperaturverlauf (schwarze Kurven) und
Dichteverlauf in den Wolkenschichten (graue
Kurven), die mit Pioneer Venus und mehreren
Eintrittsproben gemessen wurden. Die Wolken
bestehen aus Schwefelsäure Tröpfchen.
[Taylor, 2006].
Treibhauseffekt bei der Venus
Der Temperaturverlauf in der Troposphäre ist
konsistent mit einem Oberflächendruck von ca. 92
bar und kommt durch einen ausgeprägten
Treibhauseffekt
zustande.
Temperaturverlauf
adiabatisch (dT/dz= - g/cp), d.h. in der Troposphäre
herrscht vermutlich konvektive Umwälzung.
Strömungen - Winde
Temperatur- und Druckgradienten verursachen Strömungen
(Winde) in einem Fluid.
DV V
1


 V  V =  p  V  g  vn*,i Vi V   2V  
Dt
t


Die berühmte
Navier -Stokes
Gleichung
Bestes Beispiel:
Der große Temperaturgradient (Äquator – Pol) führt zu globalen
Ausgleichsströmungen in den Atmosphären beider Planeten
(Hadley-Zelle)
Ein stationärer Zustand (Gleichgewicht) stellt sich ein
unter Berücksichtigung von :
Coriolis Kraft (rotierende Erde ), geostrophische Näherung
Fliehkraft (rotierende Venus Atmosphäre), zyklostrophische Näh.
Instabilitäten, Eddies (Wirbel) und Wellen (planetare Wellen,
Schwerewellen) tragen entscheidend zu Impuls- und
Wärmetransport bei.
Globale Strömungen – Winde in der Erdatmosphäre
Atmosphärische Zirkulation auf der Erde. Zwischen Pol und Äquator gibt
es drei Konvektionszellen. ITCZ steht für „Intertropical Convergence
Zone“ [45]. Die gezeigten Windströmungen bilden sich in Erdnähe aus.
Am Äquator entwickeln sich durch die Strömungsverhältnisse zur
Mittagszeit großräumige Tiefdruckgebiete.
Temperatur- und Windverteilungen in der Venus
Atmosphäre
Pioneer Venus
VeRa
Untersuchung planetarer Atmosphären mit Satelliten
Radio Science Messtechnik
Radio Science Experiments Overview
Surface
sounding
(Bistatic Radar)
Atmosphere and
Ionosphere
sounding
(Earth
Occultation)
Gravity
measurement
Solar Corona
investigation
The Occultation Technique
In a radially symmetric stratified atmosphere/ionosphere, the microwave ray will be bended
according to the laws of optics. It is the bending angle α via the frequency residuum ∆F
which carries the information on the refraction index and which will allow to derive
atmospheric/ionospheric density, temperature, and pressure from.
vE
asymptotes

Earth
a
r0
a
n(r)
Venus
S/C
vS
Radio Science
Uses ultrastable frequency sources, the precise knowledge of space
and time reference systems of the space probe and ground station
Measurement accuracy: < 1 mHz @ 8 GHz
Needed frequency stability f/f  10 –13 (v  0.1 mm/s)
Signal propagation times:   1 nsec (r = 30 cm)
Realisation in space by ultrastable quartz oscillators/rubidium clocks
Realisation in ground station by H2 Maser
The Ground Stations
34 m station of ESA at New Norcia –Australia
70 m DSN station of NASA at Canberrra-Australia.
Used for Bistatic Radar Experiments RSI, MaRS, und VeRa
VeRa USO and the TM/TC Subssystem onbord Venus Express
RFDU
DIPL 1
LGA 1
(+Z)
S-Band Rx 1
X-Band Rx 1
S-Band Tx 1
LGA 2
(-Z)
DIPL 2
HGA 1
X-Band Tx 1
USO
S-Band Rx 2
X-Band Rx 2
DIPLX
S-Band Tx 2
TWTA 1
DIPLX
X-Band Tx 2
HGA 2
WIU
TWTA 2
Δ f/f ~ 3x10 -13
1.5 kg
<5 W
VeRa – RSI
USO Fa. TimeTech, Suttgart
Radio Science Experiment VeRa
Derivation of atmospheric vertical profiles of Temperature, Pressure, Density
Refraction index n(r)
Refractivity mr
m  n  110 6
• Tr
• p(r)
• (r)
Ideal
gas
law
Temperature profiles on DOY 234, 2006 at 71° N
Three different boundary conditions for the
temperature at 100 km (170K, 200K, 230K) lead
to identical profiles at altitudes < 90 km
in the atmosphere of Venus
p(r )  kNt  r  T  r 
N t r     m r 
  8.2110 22 m 3
N t (r) = total number density of the
neutral atmosphere
Integration of the USO „VeRa“ into the
Venus Express Satellite, Turin, Juni 2004
Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Die Schwesterplaneten Erde und Venus sind etwa zur gleichen Zeit
entstanden.
Trotzdem haben sie sich gänzlich unterschiedlich entwickelt.
Der Photosynthese und der CO2 Treibhauseffekt haben daran eine
maßgebliche Rolle.
Venus zeigt einen außergewöhnlich starken Treibhauseffekt, der am
Boden zu extremen Temperaturen und Drücken führt.
Grund: Mangelndes Wasser.
Für die Erde ist eine Einschränkung der CO2 Emissionen notwendig.
Ozeane spielen eine wichtige Rolle
Viele Aspekte des Treibhauseffektes sind noch nicht verstanden.
Detaillierte Messungen bei anderen Planeten sind nur mit
Raumsonden, bzw. Satelliten möglich.
Die Radio Science Messtechnik mit ihrer hohen vertikalen Auflösung
ist unverzichtbar.
Danke für Ihre Aufmerksamkeit !
Introduction
Our Partners in Radio Science
•
•
•
•
•
•
•
•
University Cologne, Germany (M. Pätzold, S. Tellmann)
University Bonn, Germany (M. Bird)
Stanford University (G. L. Tyler, R.A. Simpson, D. Hinson)
Royal Observatory Belgium, Brussels ( V. Dehant, P. Rosenblatt)
JAXA, Japan (T. Imamura)
NASA-JPL (S. Asmar, T. Thomson)
ESA (ESTEC, ESOC, ESAC) (S. Remus, H. Svedhem)
DLR (DLR-Bonn)