Atmosphäre - Atmosphere

Der Planet Mars hat eine Atmosphäre aus dünnen Gasschichten.
Die atmosphärischen Gase um die Erde streuen blaues Licht (kürzere Wellenlängen) stärker als Licht in Richtung des roten Endes (längere Wellenlängen) des sichtbaren Spektrums ; Daher ist ein blaues Leuchten über dem Horizont zu sehen, wenn die Erde aus dem Weltraum beobachtet wird .
Ein Diagramm der Schichten der Erdatmosphäre

Eine Atmosphäre (aus dem Altgriechischen ἀτμός (atmós)  'Dampf, Dampf' und σφαῖρα (sphaîra)  'Kugel') ist eine Gasschicht oder Gasschichten, die einen Planeten umhüllen und durch die Schwerkraft des Planeten an Ort und Stelle gehalten werden Karosserie. Ein Planet behält eine Atmosphäre, wenn die Gravitation groß und die Temperatur der Atmosphäre niedrig ist. Eine Sternatmosphäre ist der äußere Bereich eines Sterns, der die Schichten über der undurchsichtigen Photosphäre umfasst ; Sterne mit niedriger Temperatur könnten eine äußere Atmosphäre haben, die zusammengesetzte Moleküle enthält .

Die Atmosphäre der Erde besteht aus Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%), Argon (0,9%), Kohlendioxid (0,04%) und Spurengasen. Die meisten Organismen verwenden Sauerstoff zur Atmung ; Blitze und Bakterien führen eine Stickstofffixierung durch , um Ammoniak zu produzieren , das zur Herstellung von Nukleotiden und Aminosäuren verwendet wird ; Pflanzen , Algen und Cyanobakterien nutzen Kohlendioxid für die Photosynthese . Die geschichtete Zusammensetzung der Atmosphäre minimiert die schädlichen Auswirkungen von Sonnenlicht , ultravioletter Strahlung, Sonnenwind und kosmischer Strahlung , um Organismen vor genetischen Schäden zu schützen. Die gegenwärtige Zusammensetzung der Erdatmosphäre ist das Produkt von Milliarden Jahren biochemischer Modifikation der Paläoatmosphäre durch lebende Organismen.

Komposition

Die anfängliche gasförmige Zusammensetzung einer Atmosphäre wird durch die Chemie und Temperatur des lokalen Sonnennebels, aus dem ein Planet entsteht, und das anschließende Entweichen einiger Gase aus dem Inneren der eigentlichen Atmosphäre bestimmt. Die ursprüngliche Atmosphäre der Planeten entstand aus einer rotierenden Gasscheibe, die auf sich selbst kollabierte und sich dann in eine Reihe von beabstandeten Gas- und Materieringen teilte, die später zu den Planeten des Sonnensystems kondensierten. Die Atmosphären der Planeten Venus und Mars bestehen hauptsächlich aus Kohlendioxid und Stickstoff , Argon und Sauerstoff .

Die Zusammensetzung der Erdatmosphäre wird durch die Nebenprodukte des Lebens bestimmt, das sie erhält. Trockene Luft (Gasgemisch) aus der Erdatmosphäre enthält 78,08 % Stickstoff, 20,95 % Sauerstoff, 0,93 % Argon, 0,04 % Kohlendioxid und Spuren von Wasserstoff, Helium und anderen „edlen“ Gasen (nach Volumen), aber im Allgemeinen variabel Wasserdampf ist ebenfalls vorhanden, im Durchschnitt etwa 1% auf Meereshöhe.

Die niedrigen Temperaturen und die höhere Schwerkraft der Riesenplaneten des Sonnensystems – Jupiter , Saturn , Uranus und Neptun – ermöglichen es ihnen, Gase mit niedrigen Molekulargewichten leichter zurückzuhalten . Diese Planeten haben Wasserstoff-Helium-Atmosphären mit Spuren komplexerer Verbindungen.

Zwei Satelliten der äußeren Planeten besitzen bedeutende Atmosphären. Titan , ein Saturnmond, und Triton , ein Neptunmond, haben hauptsächlich Stickstoffatmosphären . Auf dem sonnennächsten Teil seiner Umlaufbahn hat Pluto eine ähnliche Stickstoff- und Methanatmosphäre wie Triton, aber diese Gase sind gefroren, wenn er weiter von der Sonne entfernt ist.

Andere Körper innerhalb des Sonnensystems haben extrem dünne Atmosphären, die nicht im Gleichgewicht sind. Dazu gehören der Mond ( Natriumgas ), Merkur (Natriumgas), Europa (Sauerstoff), Io ( Schwefel ) und Enceladus ( Wasserdampf ).

Der erste Exoplanet, dessen atmosphärische Zusammensetzung bestimmt wurde, ist HD 209458b , ein Gasriese mit einer engen Umlaufbahn um einen Stern im Sternbild Pegasus . Seine Atmosphäre wird auf Temperaturen über 1.000 K erhitzt und entweicht stetig in den Weltraum. In der aufgeblasenen Atmosphäre des Planeten wurden Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Schwefel nachgewiesen.

Struktur

Erde

Die Atmosphäre der Erde besteht aus Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie z. B. spezifische Gaszusammensetzung, Temperatur und Druck. Die unterste Schicht der Atmosphäre ist die Troposphäre , die sich von der Planetenoberfläche bis zum Boden der Stratosphäre erstreckt . Die Troposphäre enthält 75 Prozent der Masse der Atmosphäre und ist die atmosphärische Schicht, in der das Wetter auftritt; Die Höhe der Troposphäre variiert zwischen 17 km am Äquator und 7,0 km an den Polen. Die Stratosphäre erstreckt sich von der Spitze der Troposphäre bis zum Boden der Mesosphäre und enthält die Ozonschicht in einer Höhe zwischen 15 km und 35 km und ist die atmosphärische Schicht, die den größten Teil der ultravioletten Strahlung absorbiert, die die Erde von der Sonne empfängt . Die Spitze der Mesosphäre reicht von 50 km bis 85 km und ist die Schicht, in der die meisten Meteore verbrannt werden, bevor sie die Planetenoberfläche erreichen. Die Thermosphäre erstreckt sich von einer Höhe von 85 km bis zur Basis der Exosphäre in 400 km Entfernung und enthält die Ionosphäre, in der die Sonnenstrahlung die Atmosphäre ionisiert. Die Dichte der Ionosphäre ist tagsüber in kurzen Abständen von der Planetenoberfläche größer und nimmt in der Nacht mit dem Aufsteigen der Ionosphäre ab, wodurch ein größerer Bereich von Funkfrequenzen über größere Entfernungen übertragen werden kann. Darüber hinaus befindet sich in der Mesosphäre die Kármán-Linie auf 100 km, die die Grenze zwischen dem Weltraum und der Atmosphäre des Planeten Erde darstellt. Die Exosphäre beginnt etwa 690 bis 1.000 km von der Planetenoberfläche entfernt, wo sie mit der Magnetosphäre der Erde wechselwirkt .

Druck

Atmosphärendruck ist die Kraft (pro Flächeneinheit) senkrecht zu einer Flächeneinheit der Planetenoberfläche, bestimmt durch das Gewicht der vertikalen Säule atmosphärischer Gase. In diesem atmosphärischen Modell nimmt der atmosphärische Druck , das Gewicht der Masse des Gases, in großer Höhe aufgrund der abnehmenden Masse des Gases oberhalb des barometrischen Messpunktes ab. Die Einheiten des Luftdrucks basieren auf der Standardatmosphäre (atm), die 101,325  kPa (760  Torr oder 14,696  Pfund pro Quadratzoll (psi) beträgt). Die Höhe, bei der der Atmosphärendruck um den Faktor e (eine irrationale Zahl) gleich 2,71828) wird Skalenhöhe ( H ) genannt Für eine Atmosphäre mit gleichförmiger Temperatur ist die Skalenhöhe proportional zur atmosphärischen Temperatur und umgekehrt proportional zum Produkt aus der mittleren Molmasse trockener Luft und der lokalen Beschleunigung der Schwerkraft am Punkt der barometrischen Messung.

Fliehen

Die Oberflächengravitation unterscheidet sich zwischen den Planeten erheblich. Beispielsweise hält die große Gravitationskraft des Riesenplaneten Jupiter leichte Gase wie Wasserstoff und Helium zurück , die aus Objekten mit geringerer Schwerkraft entweichen. Zweitens bestimmt die Entfernung von der Sonne die Energie, die verfügbar ist, um atmosphärisches Gas bis zu dem Punkt zu erhitzen, an dem ein Teil der thermischen Bewegung seiner Moleküle die Fluchtgeschwindigkeit des Planeten überschreitet , was es diesen ermöglicht, der Gravitation eines Planeten zu entkommen. So können entfernte und kalte Titan , Triton und Pluto trotz ihrer relativ geringen Schwerkraft ihre Atmosphären beibehalten.

Da sich eine Ansammlung von Gasmolekülen mit einem breiten Geschwindigkeitsbereich bewegen kann, wird es immer einige geben, die schnell genug sind, um ein langsames Gasleck in den Weltraum zu erzeugen. Leichtere Moleküle bewegen sich bei gleicher thermischer kinetischer Energie schneller als schwerere, so dass Gase mit niedrigem Molekulargewicht schneller verloren gehen als solche mit hohem Molekulargewicht. Es wird vermutet, dass Venus und Mars einen Großteil ihres Wassers verloren haben, als der Wasserstoff nach der Photodissoziation in Wasserstoff und Sauerstoff durch ultraviolette Sonnenstrahlung entwich. Das Erdmagnetfeld hilft, dies zu verhindern, denn normalerweise würde der Sonnenwind das Entweichen von Wasserstoff stark fördern. In den letzten 3 Milliarden Jahren kann die Erde jedoch aufgrund der Polarlichtaktivität Gase durch die magnetischen Polarregionen verloren haben, darunter netto 2% ihres atmosphärischen Sauerstoffs. Der Nettoeffekt unter Berücksichtigung der wichtigsten Fluchtprozesse besteht darin, dass ein intrinsisches Magnetfeld einen Planeten nicht vor atmosphärischem Entweichen schützt und dass bei einigen Magnetisierungen das Vorhandensein eines Magnetfelds die Fluchtrate erhöht.

Andere Mechanismen, die eine Erschöpfung der Atmosphäre verursachen können, sind durch Sonnenwind verursachtes Sputtern, Impakterosion , Verwitterung und Sequestrierung – manchmal auch als „Ausfrieren“ bezeichnet – in den Regolith und die Polkappen .

Terrain

Atmosphären haben dramatische Auswirkungen auf die Oberflächen von Gesteinskörpern. Objekte, die keine Atmosphäre oder nur eine Exosphäre haben, haben ein von Kratern bedecktes Terrain . Ohne Atmosphäre hat der Planet keinen Schutz vor Meteoroiden , und alle kollidieren als Meteoriten mit der Oberfläche und bilden Krater.

Die meisten Meteoroiden verglühen als Meteore, bevor sie auf die Oberfläche eines Planeten treffen. Wenn Meteoroiden einschlagen, werden die Auswirkungen oft durch die Einwirkung des Windes ausgelöscht.

Winderosion ist ein wesentlicher Faktor bei der Gestaltung des Terrains von Gesteinsplaneten mit Atmosphären und kann im Laufe der Zeit die Auswirkungen von Kratern und Vulkanen beseitigen . Da Flüssigkeiten ohne Druck nicht existieren können, ermöglicht eine Atmosphäre außerdem, dass Flüssigkeit an der Oberfläche vorhanden ist, was zu Seen , Flüssen und Ozeanen führt . Es ist bekannt, dass Erde und Titan Flüssigkeiten an ihrer Oberfläche haben und das Gelände auf dem Planeten deutet darauf hin, dass der Mars in der Vergangenheit Flüssigkeit auf seiner Oberfläche hatte.


Atmosphären im Sonnensystem

Diagramme der Fluchtgeschwindigkeit gegen die Oberflächentemperatur einiger Objekte des Sonnensystems, die zeigen, welche Gase zurückgehalten werden. Die Objekte sind maßstabsgetreu gezeichnet und ihre Datenpunkte befinden sich an den schwarzen Punkten in der Mitte.

Außerhalb des Sonnensystems:

Hauptartikel: Außerirdische Atmosphäre

Verkehr

Die Zirkulation der Atmosphäre erfolgt aufgrund thermischer Unterschiede, wenn Konvektion ein effizienterer Wärmetransporter wird als Wärmestrahlung . Auf Planeten, deren primäre Wärmequelle die Sonnenstrahlung ist, wird überschüssige Wärme in den Tropen in höhere Breiten transportiert. Wenn ein Planet intern eine beträchtliche Wärmemenge erzeugt, wie dies beim Jupiter der Fall ist , kann die Konvektion in der Atmosphäre thermische Energie aus dem Inneren mit höheren Temperaturen an die Oberfläche transportieren.

Bedeutung

Aus der Perspektive eines Planetengeologen wirkt die Atmosphäre eine Planetenoberfläche zu formen. Wind nimmt Staub und andere Partikel auf, die, wenn sie mit dem Gelände kollidieren, das Relief erodieren und Ablagerungen hinterlassen ( Äolische Prozesse). Auch Frost und Niederschläge , die von der atmosphärischen Zusammensetzung abhängen, beeinflussen das Relief. Klimaänderungen können die geologische Geschichte eines Planeten beeinflussen. Umgekehrt führt die Untersuchung der Erdoberfläche zu einem Verständnis der Atmosphäre und des Klimas anderer Planeten.

Für einen Meteorologen ist die Zusammensetzung der Erdatmosphäre ein Faktor, der das Klima und seine Schwankungen beeinflusst.

Für einen Biologen oder Paläontologen hängt die atmosphärische Zusammensetzung der Erde eng von der Erscheinung des Lebens und seiner Entwicklung ab .

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links