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 : [email protected] 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.) 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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/[email protected]: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/[email protected]: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;[email protected] 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 384 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 69 R-10-A-4 10 – 75
