Parameter für die Habitabilität von Planeten - Atmosphäre

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Tobias Schäfer
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1 Parameter für die Habitabilität von Planeten - Atmosphäre

2 Gliederung Definition von Habitabilität Erdatmosphäre Zusammensetzung Aufbau Einfluss der Atmosphäre auf die Temperatur Reflexion Absorption Treibhauseffekt Atmosphärendruck, Phasendiagramm H 2 O Verflüchtigung der Atmosphäre Zyklen & Stabilität Zusätzlicher Schutz 1/20

3 Habitable Zone - Definition Region in der flüssiges Wasser auf der Oberfläche eines erdähnlichen Planeten existieren könnte Habitabilität eines Planeten: Potential Leben zu ermöglichen bzw. zu erhalten 2/20

4 Erdatmosphäre Gas Stickstoff (N 2 ) Sauerstoff (O 2 ) Argon (Ar) Kohlendioxid (CO 2 ) Methan (CH 4 ) Ozon (O 3 ) Wasserstoff (H 2 ) Helium (He) Nicht in der oberen trockenen Atmosphäre enthalten: Wasserdampf (H 2 O) Volumenanteil % % 0.934% 397 ppm 1.79 ppm < 70 ppb 0.55 ppm 5.24 ppm ~ 0.25% Massenanteil (gemittelt) 0.001% - 5% (lokal) Zusammensetzung einer Atmosphäre u. A. abhängig von: Größe des Planeten Innerem Aufbau Vorhandensein von Vulkanismus, Plattentektonik entstandenen Lebensformen 3/20

Erdatmosphäre http://commons.wikimedia.org http://www.learner.org / 2006.

5% R ERDE ) T-Anstieg in Stratosphäre durch Ozonschicht Exponentieller

5 Erdatmosphäre / Steven C. Wofsy Festgelegte Grenze zu Weltraum bei Höhe von 100 km (~ 1.5% R ERDE ) T-Anstieg in Stratosphäre durch Ozonschicht Exponentieller Abfall von P ~ 50% der Atmosphärenmasse liegt unter einer Höhe von 5.5 km 4/20

6 Erdatmosphäre Vergleich mit Venus & Mars Gas Erde Venus Mars Stickstoff (N 2 ) % 3.4% 2.7% Sauerstoff (O 2 ) % 69.3 ppm 0.13% Argon (Ar) 0.934% 70 ppm 1.6% Kohlendioxid (CO 2 ) 397 ppm 96.5% 95.32% Mittlere Temperatur 288 K (+15 C) 737 K (+464 C) 218 K (-55 C) Druck bar 92 bar bar Masse der Atmosphäre 5.1 x 10^18 kg 4.8 x 10^20 kg 2.5 x 10^16 kg M ATM / M GES ~ 10^-6 ~ 10^-4 ~ 3.9 x 10^-8 5/20

7 Reflexion und Absorption der Strahlung Martin Beech Terraforming Energiefluss, der auf die Erde eintrifft: 1370 W/m² W/m² nach Reflexion (-1/3) -> Alebedo = 1/ W/m² nach Absorption (-1/5) 6/20

8 Strahlung / Energiegleichgewicht Energiegleichgewicht zwischen eintreffender Sonnenstrahlung und Strahlung des Planeten -> konstante Oberflächentemperatur des Planeten 7/20

9 Treibhauseffekt ohne Treibhauseffekt mit Treibhauseffekt Objekt D [AU] Albedo T P [K] T TH [K] T GES [K] Merkur Venus Erde Mars Höherer Anteil von Treibhausgasen -> stärkere Erwärmung der Oberfläche Atmosphäre wichtig für Transport der eintreffenden Sonnenstrahlung Atmosphäre als Wärmespeicher! 8/20

10 Absorption der Erdatmosphäre R.A. Rohde for Global Warming Art Project 9/20

11 Ozonschicht In Höhe zwischen km (Stratosphäre) Ohne O 3 -Schicht Zellmutationen durch UV-Strahlung 10/20

12 Atmosphärendruck Übt Druck auf Planetenoberfläche aus Druck auf Oberfläche = Säulendichte x Gravitationskraft auf Oberfläche Säulendichte (column mass) = Masse der Atmosphäre / Oberfläche des Planeten Martin Beech Terraforming 11/20

Phasendiagramm von Wasser Martin Beech Terraforming Tripelpunkt (TP): T = 237.16 K (0.01 C) & P = 611.73 Pa Kritischer Punkt (CP): T = 647.

13 Phasendiagramm von Wasser Martin Beech Terraforming Tripelpunkt (TP): T = K (0.01 C) & P = Pa Kritischer Punkt (CP): T = K (374.3 C) & P = 2.21 x 10 7 Pa je kleiner P, desto schmäler T-Bereich in dem flüssiges Wasser möglich! P bestimmt bei welcher T Wasser verdampft 12/20

14 Terraforming von Mars und Venus Martin Beech Terraforming Mars: T und P müssten erhöht werden Venus: T und P müssten verringert werden 13/20

15 Verflüchtigung der Atmosphäre Gravitationskraft vs. Bewegung der Gasteilchen Obere Geschwindigkeitsgrenze: Fluchtgeschwindigkeit v esc (Erde) = 11.2 km/s 2GM v esc = r 14/20

16 Verflüchtigung der Atmosphäre Typische Geschwindigkeit der Gasteilchen abhängig von: T (Distanz zum Stern) mittlerer Molekülmasse Leichtere Atome und Moleküle entweichen am schnellsten! v gas < 0.2 v esc : nach 1 Gyr noch mehr als 50% der Gasmoleküle vorhanden 15/20

17 Verflüchtigung der Atmosphäre Linien: höchste charakteristischer Gasgeschwindigkeiten (~ 10 x Durchschnittsgeschwindigkeit) Natürliche Grenzen, wie lange eine Atmosphäre bestimmte Gase halten kann! 16/20

18 Zyklen & Stabilität (CO 2 -Kreislauf) Wärmere Atmosphäre -> mehr CO 2 durch Verwitterung in Gestein eingeschlossen Weitere Kreisläufe für Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel, Wasser 17/20

19 Weiterer Schutz durch die Atmosphäre Einfallende Meteoroiden (mm- bis m-größe) Wechselwirkung des Sonnenwinds mit elektrisch geladenen Teilchen in der Ionosphäre führt zur Bildung eines magnetischen Schweifs 18/20

20 Atmosphäre wichtig für: Zusätzliche Erwärmung des Planeten (Treibhauseffekt) Wärmeisolierende Schicht / Wärmespeicher Transport von Wärme (Wetter) Druck auf Oberfläche Existenz von flüssigem Wasser auf Planetenoberfläche (P, T) Schutz vor schädlicher UV-Strahlung (Ozonschicht) Kreislauf lebenswichtiger Gasmoleküle und Elemente (z.b. CO 2, O 2, N 2, S, H 2 O) Schutz vor einfallenden Meteoroiden Entstehung, Entwicklung, und Fortbestand des Lebens 19/20

21 Quellen Martin Beech Terraforming: The Creating of Habitable Worlds Lammer et al., 2009, What makes a planet habitable? tml 20/20

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