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Innertropische Konvergenzzone

Innertropische Konvergenzzone

Die Innertropische- oder Intertropische Konvergenzzone (ITC für Inter Tropic Conversion oder ITCZ für Inter-Tropical Convergence Zone) ist eine wenige hundert Kilometer breite Tiefdruckrinne in Äquatornähe im Bereich der von Norden und Süden aufeinader treffenden Passatwinde. Sie ist durch Konvektionserscheinungen und eine in der Regel starke Quellbewölkung gekennzeichnet.

Entstehung

Quellbewölkung Quellbewölkung In der Nähe des Äquators wird die Luft durch die dortige starke Sonneneinstrahlung stark erhitzt, woraufhin diese expandiert und in der Folge die Werte sowohl für die Luftdichte als auch für den Luftdruck am Boden stark absinken. Es bildet sich also ein den gesamten Globus umspannendes, stabiles Tiefdruckgebiet sehr großen Ausmaßes, sowohl vertikal als auch horizontal, welches aufgrund seiner schlauchartigen Ausbildung eine Tiefdruckrinne darstellt. Die so erwärmte und expandierende Luft konvektiert (thermische Advektion, vertikal) in der Folge und muss hierbei Arbeit leisten, weshalb sie mit zunehmender Höhe abkühlt (Joule-Thomson-Effekt). Mit der Unterschreitung des Taupunkts bilden sich aufgrund der dabei sinkenden Wasserdampfkapazität der Luft, im Verbund mit der in ihr enthaltenen meist hohen Luftfeuchtigkeit, hochreichende und massive Wolkenformationen. Diese führen zu starken Niederschlägen (den so genannten Zenitalregen) und bedingen ein meist tropisches oder subtropisches Klima. Da es eine thermodynamische Gesetzmäßigkeit ist, das Luftdruckunterschiede sich durch Massenströme ausgleichen und bei der Konvektion der Luft am Boden kein Vakuum entstehen kann, fließt am Boden horizontal Luft nach, was man als Konvergenz bezeichnet. Dieser Massenstrom, hier Wind genannt, ist in Richtung und Stärke relativ konstant. Er wird durch die Corioliskraft, einer Scheinkraft, auf der Nordhalbkugel in Bewegungsrichtung nach rechts und auf der Südhalbkugel in Bewegungsrichtung nach links abgelenkt, weshalb die resultierenden Winde, die Passate, eine Ostkomponente besitzen.

Kurze Zusammenfassung der Entstehungsbedingungen

1. nur über dem Meer; 2. wenn das Wasser über 27° warm ist; 3. zwischen 10 Grad Nord und Süd (nie ausserhalb!); 4. wenn die ITC (ITC => starke Tiefdruckrinne in Äquatornähe) mindestens 4 Grad nördlich oder südlich vom Äquator abweicht und somit die Corioliskraft eine Drehbewegung einleiten kann. Im Südatlantik ist diese Bedingung nie erfüllt, weil es dort viel mehr Land hat; 5. im Spätsommer oder Herbst der betreffenden Halbkugel.

Wandel und Folgen

Jahresgang

Die Innertropische Konvergenzzone schwankt mit den Jahreszeiten und folgt hierbei dem Zenitstand der Sonne, welcher wiederum vom Winkel der Erdachse zur Ebene der Ekliptik abhängt, mit einer Verzögerung von etwa einem Monat. Da die Sonneneinstrahlung (siehe auch Sonnenenergie) hier aufgrund des meist hohen Einfallswinkels die vergleichsweise größte Strahlungstromdichte aufweist, ist auch die thermische Wirkung vom Zenitstand abhängig und damit der Äquator nur zum Teil mit der ITC identisch. Im Sommer der Nordhemisphäre ist die ITC daher nach Norden, im Winter nach Süden verschoben. Ihre Lage wird zusätzlich sehr stark über die Kontinente modifiziert, da sich die Luft über diesen stärker bzw. schneller erwärmt als über der ozeanischen Wasseroberfläche. Die Größe der Landmasse beeinflusst dementsprechend den Verlauf der ITC und somit auch die Klimazonierung. Ohne 'störende' Landmassen würde die Zonierung der Klimazonen deutlich stärker einem globalen Gürtelmuster ähneln. Besonders stark ist die Abweichung der ITC vom Äquator über Südamerika und Asien. Die sehr große Nord-Süd-Abweichung zwischen den Jahreszeiten in Asien begünstigt hierbei die Ausbildung von Monsunen. Durch die starke Konvektion liegt die Tropopause in der ITC höher.

Wetter

Tropopause Tropopause Die Folgen der aufsteigenden Luft sind hierbei starke Wolkenbildung (Cumulonimbus), wolkenbruchartige Schauer und Gewitter. Dies liegt darin begründet, dass die schon recht feuchte Luft beim Aufsteigen langsam abkühlt und als Folge die Wasserdampfkapazität derselben sinkt. Die relative Luftfeuchtigkeit nimmt dabei immer weiter zu. Wird der Taupunkt unterschritten, so kommt es als Folge recht schnell zur Kondensation, die aufgrund der Ausmaße der Konvektionsströmung enorme Mengen flüssigen Wassers hervorbringt und so auch humide Klimate begünstigt. Durch die ITC sind an den Wendekreisen große Wüsten entstanden. Dies hängt damit zusammen, dass die trockene Luft, die an den Wendekreisen wieder absteigt, sehr dampfhungrig ist und damit die Verdunstung stark begünstigt. Steht die ITC an den Wendekreisen , kann keine Feuchtigkeit aufsteigen und es entstehen daher auch keine Niederschläge. Verbunden ist der Stand der ITC auch mit den windstillen Kalmen.

Weblinks

- [http://141.84.50.121/iggf/Multimedia/Klimatologie/Nebenseiten/Innertropische_Zirkulationssysteme.htm Verlauf der ITC im Jahresgang] Kategorie:Meteorologie

Äquator

Der Äquator (lat. "Gleichmacher") ist derjenige Großkreis einer Kugel oder eines Planeten, der von beiden Polen gleich weit entfernt ist. Es ist der einzige Breitenkreis, der gleichzeitig ein Großkreis ist, also die kürzeste Verbindung zwischen allen seiner Punkte darstellt. Ihm ist die geografische Breite 0° zugeordnet. Der Äquator der Erde, Durchmesser 12756 km, durchquert Afrika, die Malediven und den Indischen Ozean, Indonesien, das zentralpazifische Mikronesien sowie Südamerika. Er trennt dabei die Nord- von der Südhalbkugel. Der Mittelpunkt des Äquatorkreises fällt mit dem der Kugel zusammen. Wegen der leichten periodischen Bewegungen der Erdachse kann der momentane Äquator an einem Ort bis zu ca. 10 Meter vom mittleren Äquator entfernt sein. Die Länge des Äquators beträgt 40076,6 km. Der Äquator durchquert elf Staaten auf Landgebiet:
- Ecuador (hat seinen Namen auch vom Äquator)
- Kolumbien
- Brasilien
- São Tomé und Príncipe
- Gabun
- Republik Kongo
- Demokratische Republik Kongo
- Uganda
- Kenia
- Somalia
- Indonesien Daneben durchquert er noch einige Inselgruppen jeweils zwischen den Inseln, läuft aber nicht über deren Landfläche. Dazu gehören die Malediven und mehrere Inselgruppen des Pazifiks. Vier Hauptstädte liegen fast genau auf dem Äquator:
- Quito (20 km südlich des Äquators)
- Libreville (40 km nördlich des Äquators)
- São Tomé (35 km nördlich des Äquators)
- Kampala (35 km nördlich des Äquators) Im Koordinatensystem der Erde (analog auch auf Mond- oder Himmels-Globen) zählt die geografische Breite vom Äquator nach Norden positiv, nach Süden negativ. Im englischen Sprachraum wird stattdessen auch N oder S angefügt - z.B. 52°N für Berlin, 52°S für die Falklandinseln. Deutschland ist vom Äquator 47,4 - 54,9° (etwa 5300 bis 6100 km) entfernt. Entlang des Erdäquators und der Meridiane entspricht eine Bogenminute etwa einer Seemeile, abgekürzt sm (engl. nautical mile, NM). Ihr Wert von 1852 Meter ergibt sich aus dem mittleren Erdradius (6370 km). Auch die ursprüngliche Definition des Meter war an der Länge des Erdäquators bzw. der Meridiane (sollte 40.000.000 Meter entsprechen) ausgerichtet. Neben dem hier beschriebenen geographischen Äquator gibt es auch den durch die Magnetpole bestimmten magnetischen Äquator. Aquator ja:赤道 ms:Garisan Khatulistiwa th:เส้นศูนย์สูตร zh-min-nan:Chhiah-tō

Passatwind

Ein Passat, (kommt aus dem portugiesischen: "passar" was so viel heisst wie vorbei-laufen,-ziehen,-gehen) ist ein mäßig starker und sehr beständiger Wind, der in tropischen Seegebieten bis zu etwa 23,5° geografischer Breite rund um den Erdball auftritt. Man unterscheidet hierbei zwei Passate mit unterschiedlichen Hauptwindrichtungen:
- Nordost-Passat auf der Nordhalbkugel
- Südost-Passat auf der Südhalbkugel Die Richtung, aus der ein Wind weht, verleiht ihm den Namen. Der Nordost-Passat weht also aus nordöstlicher, der Südostpassat aus südöstlicher Richtung. Um den Charakter des jeweiligen Passats beschreiben zu können, muss geprüft werden, über welche geografischen Gebiete ein Passat weht. So ist z.B. in Teilen Afrikas (Nigeria, Benin, Togo, Ghana, Burkina Faso, Mali, Niger, Mauretanien, Senegal, Guinea, Sierra Leone, Liberia und Elfenbeinküste) der Südost-Passat ein feuchter, regenbringender Wind, da dieser zu bestimmten Zeiten des Jahres diese Zonen mit über dem Golf von Guinea aufgenommener Feuchtigkeit beeinflusst. Jedoch werden diese Staaten lediglich einmal im Jahr mit viel Regen begünstigt, während die überwiegende Jahreszeit der trockene Nordost-Passat, der keine Feuchtigkeit über der Sahara aufnehmen kann, seinen Einfluss hat. Dieses Prinzip ist für alle Staaten der Tropen anwendbar. Jedoch muss gleichzeitig geprüft werden, ob eine Region überhaupt von den Passatwinden beeinflusst werden kann. So kann z.B. ein hohes Gebirge nahe der Küstenlinie ein Ablenken der Winde bewirken. Passatwinde sind bodennahe Windsysteme. Antrieb für diese Winde ist der durch die innertropische Konvergenzzone hervorgerufene Druckgradient bzw. die durch ihn bedingte Druckgradientkraft. Die Passatzirkulation, also die die Passatwinde umfassende erdumspannende Luftströmung, wurde erstmals 1735 von George Hadley sachlich richtig beschrieben, rund einhundert Jahre bevor Gaspard Gustave de Coriolis die Corioliskraft allgemeiner als Ursache der Bewegungsablenkung erkannte, welche die besondere Richtung der Passate bewirkt. Das Luftkreislaufsystem („Zirkulationssystem“), dem die Passate entspringen, wird daher Hadley-Zelle genannt. Die Höhenströmung, die das System der Passatzirkulation vervollständigt, bezeichnet man als Gegenpassat oder Antipassat. Gegenpassate wehen annähernd 180° zur Richtung der jeweiligen Passate. Wegen der Beständigkeit wurde und wird er von Segelschiffen zur zügigen Überquerung der Ozeane genutzt, was auch die englische Bezeichnung trade winds („Handelswinde“) zum Ausdruck bringt. Die Zone um 23,5° geografischer Breite werden auch Rossbreiten genannt. Kategorie:Wind Kategorie:Meteorologie ja:貿易風

Quellwolke

Cumulus (lateinisch für Anhäufung, Abk.: Cu) oder auch Kumulus ist die Bezeichnung einer Wolkenform. Der gemeinsprachliche Begriff dazu ist Haufenwolke oder Quellwolke. Die klassische, unverwechselbare „Bilderbuchwolke” mit ihrer flachen Unterseite und strahlend weißen Blumenkohlköpfe auf der Oberseite besteht aus Wassertröpfchen und ist in den unteren Wolkenstockwerken anzutreffen.

Entstehung

Blumenkohl Blumenkohl Cumuluswolken treten meist bei schönem Wetter auf, wenn die Luft etwas feuchter ist. Sie entstehen durch lokal begrenzten Aufwind, wie zum Beispiel Thermik oder Hangaufwind. Luftmassen steigen auf, dehnen sich aus und kühlen dabei ab. Ab einer bestimmten Höhe, wenn der Taupunkt erreicht ist, kondensiert die mitgeführte Feuchtigkeit. Aus diesem Grund ist die Unterseite der Cumuluswolken flach und auch die Unterseiten der Wolken in der Umgebung befinden sich - gleiche Wetterverhältnisse bzw. Luftschichtung vorausgesetzt - etwa in der gleichen Höhe. Für Segelflieger und andere motorlose Flieger sind Cumuluswolken willkommene Anzeiger von Aufwinden. Am frühen Morgen können sie als Indiz gewertet werden, dass sich Gewitter bilden werden. Normalerweise entstehen Cumuluswolken erst im Tagesverlauf, wenn die Sonne den Boden genügend aufgeheizt hat. Bei genügend großer Luftfeuchtigkeit und Konvektion entwickeln sich aus dem Cumulus Cumulonimbuswolken. Anzeichen dafür ist eine turmartige Form der Wolken. Sind die Wolken eher kugelig, ist nicht genügend Luftfeuchtigkeit für die Gewitterbildung vorhanden oder Sperrschichten verhindern ihre weitere vertikale Ausdehnung. Aus mächtigen Cumuluswolken (Cumulus congestus) kann es auch regnen, allerdings nur in geringen Mengen und nicht anhaltend. Es kommen dabei weder Blitz noch Donner vor.

Aufbau und Erscheinungsform

Sperrschichten Sperrschichten Sperrschichten]] Cumulus (Cu) sind dichte, scharf von einander abgegrenzte Wolken. Im Gegensatz dazu haben Stratocumulus Wolken zusammengewachsene Strukturen. Die meisten typischen Cumulus-Wolken weisen an der Unterseite eine glatte horizontale Grenze auf, die schattig und verhältnismäßig dunkel erscheint. Darüber wölben sich schneeweiße „Blumenkohlköpfe“, die eine stark bauschige Gestalt aufweisen. Der schattige Fuß der Wolke kann bei hohem Wasserdampfgehalt der Luft in nur wenigen Hundert Metern Höhe über dem Erdboden liegen. Der von der Sonne leuchtend weiß beschienene obere Bereich befindet sich meist noch im tiefsten der drei Wolkenstockwerke, nämlich in einer Höhe zwischen 600 m und 2 km, kann aber auch (wie bei Cumulus congestus) bis zu 6 km in die Höhe reichen. Als hohe Quellwolken zeugen sie von starken Aufwärtsbewegungen der Luft. Cumulus-Wolken sind reine Wasserwolken (im Gegensatz zu den Eiswolken höherer Regionen) und weisen in ihrem Inneren Temperaturen von -10 Grad C bis 0 Grad C auf. In der Meteorologie werden ihrer Größe nach vier Arten der Cumulus-Wolke unterschieden: # Cumulus humilis (Cu hum) sind die kleinsten Vertreter ihrer Art. Es handelt sich um kleine, flockige und meistens großräumig auftretende Schönwetterwolken der Wetterphase 1 (mittleres Schönwetter). Sie entstehen bei relativ schwacher Konvektion und haben deshalb nur eine geringe Höhenausdehnung (600 m bis 1 km). Dem Betrachter erscheinen sie vom Erdboden aus meist breiter als hoch. # Cumulus mediocris (Cu med) sind mittelhohe (600 m bis 1,2 km) Wolkenhaufen der Wetterphase 2 (gesteigertes Schönwetter). Sie bilden häufig eine kurzlebige Übergangsform zwischen dem geringer entwickelten C. humilis und dem stärker aufgequollenen C. congestus und weisen nur schwache Quellungen an der Oberseite auf. Dieses Stadium der Wolkenentwicklung wird in Mitteleuropa meist erst am Nachmittag erreicht. Sie sind häufig nach einem Kaltfrontdurchgang sichtbar. Je früher es eintritt, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Gewitter auftritt. Vom Erdboden aus scheinen diese Wolken ebenso hoch wie breit. # Cumulus congestus (Cu con) stellen in der Entwicklung der Haufenwolken das nächste Stadium dar. Man erkennt sie an massig aufgeblähten Gipfeln und scharfen Umrissen, wobei die Wolke auf Grund starker Konvektionsströme in Höhen bis zu 6 km reicht, so dass C. congestus vom Erdboden aus höher als breit erscheint. Eine nachhaltige Wetterverschlechterung mit Schauern und Windböen ist in Mitteleuropa binnen weniger Stunden zu erwarten, wenn Congestuswolken aus südwestlicher Richtung heranziehen. Damit sind sie der Wetterphase 5 (Wetterumschlag) zuzuordnen. Sie können die Vorstufe eines Cumulonimbus sein, einer der typisch sommerlichen Gewitterwolke, die sich durch einen ambossartigen Ausbruch am Oberrand auszeichnen. # Bei stärkerem Wind können Haufenwolken auseinander gerissen werden. Man bezeichnet diese Wolkenfetzen, die rasch und mit sich ständig ändernden Umrissen über den Himmel getrieben werden als Cumulus fractus. Sie sind typisch für die Wetterphase 6 (Wetterberuhigung). Einzige Unterart ist radiatus. Für Sonderformen, Begleit- und Mutterwolken siehe den Artikel Wolke.

Weblinks

- [http://www.wolkenatlas.de Karlsruher Wolkenatlas] Kategorie:Wolke ja:積雲

Luft

Luft bezeichnet das Gasgemisch der Erdatmosphäre und besteht hauptsächlich aus den zwei Gasen Stickstoff (78 %) und Sauerstoff (21 %). In vergleichsweise hohen Konzentrationen kommen ferner Argon (0,9 %) und Kohlenstoffdioxid (0,03 %) vor. Im natürlichen Zustand ist die Luft geruchs- und geschmacklos. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff ist für alle aeroben Landlebewesen überlebensnotwendig. Alle Tiere benötigen ihn zur Atmung. Pflanzen benötigen das in der Luft enthaltenen Kohlenstoffdioxid zur Photosynthese. Für fast alle Pflanzen ist dies die einzige Kohlenstoffquelle.

Zusammensetzung

Die aktuelle Zusammensetzung der Luft in der Höhe von Normalnull ist in der rechten Tabelle wiedergegeben, wobei man zwischen Hauptbestandteilen und Spurengasen differenziert.

Stickstoff

Als ein chemisch inertes Gas ist der in molekularer Form auftretende Stickstoff äußerst reaktionsträge. Im Stickstoffkreislauf kann er nur durch die Prozesse der Stickstofffixierung in für Lebewesen nutzbare Verbindungen überführt werden, die ihn für den Aufbau ihrer Aminosäuren benötigen. Den gegenteiligen Prozess bezeichnet man als Denitrifikation. Technisch wird der Luftstickstoff über das Haber-Bosch-Verfahren zur Düngemittelherstellung verwendet. Diese Prozesse gleichen sich weitestgehend aus und haben rein mengenmäßig nur einen geringen Effekt auf die Konzentration des Stickstoffs in der Atmosphäre.

Sauerstoff

Sauerstoff stellt das wichtigste Oxidationsmittel dar und verleiht der heutigen Atmosphäre daher auch ihrer oxidierenden Charakter. Der Sauerstofff wird unter anderem für alle chemischen Verbrennungsvorgänge und die biologische Atmung benötigt. Gebildet wird er wiederum über die Photosynthese, wobei die hierüber im Laufe der Erdgeschichte hergestellte Menge etwa das zwanzigfache der heute in der Atmosphäre vorliegenden Menge beträgt.

Argon

Argon ist ein vergleichsweise gut wasserlösliches Edelgas, als solches jedoch reaktionsträge und ohne weitere Bedeutung.

Wasserdampf

Umgebungsluft ist nicht komplett trocken, deshalb enthält diese zusätzlich je nach Luftfeuchtigkeit null bis zu etwa vier Volumenprozent Wasserdampf, der Rest der Luft teilt sich dann nach den nach den in der Tabelle angegebenen Werten auf. Die üblichen Werte des Wasserdampfgehalts schwanken zwischen einem Zehntel Volumenprozent an den Polen und drei Volumenprozent in den Tropen, mit einem Mittelwert von 1,3 % in Bodennähe. Sie werden durch unterschiedliche Feuchtemaße angegeben.

Variabilität in der Zeit

Die Konzentrationen der Atmosphärengase sind ihrem Charakter nach metastabil, denn auch wenn sie sich in der Lebenszeit eines Menschen nur geringfügig ändern, so sollten sie deswegen nicht mit Naturkonstanten verwechselt werden. Dies zeigt sich in der seit Jahrmilliarden andauernden Entwicklung der Erdatmosphäre, die auch heute noch nicht abgeschlossen ist und in deren Zuge sich die Zusammensetzung der Erdatmosphäre mehrmals grundlegend gewandelt hat. Erst seit etwa 350 Millionen Jahren kann man dabei von unserer heutigen Atmosphäre sprechen. Die größten aktuellen Veränderungen der Luftzusammensetzung stellt die Zunahme des Kohlendioxidgehaltes um etwa 40 % seit Beginn der Industrialisierung dar. Dies ist im Zusammenhang mit dem anthropogenen Treibhauseffekt eine der Ursache für die globale Erwärmung. Formal gehört Kohlendioxid dabei zu den Spurengasen, es wird als das fünfthäufigste Atmosphärengas und aufgrund seiner Bedeutung für Klima und Lebewesen jedoch häufig zu den Hauptbestandteilen der Luft gerechnet. Größere Schwankungen über teils wenige Jahre und Jahrzehnte sind auch bei den Spurengasen zu verzeichnen, denn gerade anthropogene Emissionen können deren geringe Konzentrationen schon bei vergleichsweise unmaßgeblichen Ausstoßmengen beeinflussen. Ebenso zeigen Vulkanausbrüche häufig einen kurzfristigen Einfluss.

Variabilität im Raum

globale Erwärmung in Abhängkeit von der Höhe.]] Die angegebenen Konzentrationen stellen globale Mittelwerte dar und beziehen sich auf Normalnull, besitzen aber eine weitesgehende Gültigkeit in der gesamten Homosphäre, also bis in eine Höhe von etwa 100 Kilometern. Da in verschiedenen Höhenlagen spezifische Prozesse der Atmosphärenchemie wirken, gibt es jedoch auch teilweise erhebliche Abweichungen. Ab der Homopause stellt die Abnahme der Konzentration schwerer Gase mit der Höhe und damit die relative Anreicherung leichterer Gase einen generellen Trend dar. In der hohen Atmosphäre sind daher Wasserstoff und Helium anteilsmäßig sehr viel bedeutender als in Bodennähe, jedoch ist die Luftdichte und damit das absolute Vorkommen der Gase entsprechend gering.

Substanzen geringerer Konzentration

Zusätzlich sind auch hier nicht aufgelistete Anteile von Wasserdampf, Methan, Distickstoffoxid (sinkend ab 7 km), Kohlenmonoxid und Ozon vorhanden. Außerdem treten folgende Stoffe in geringen Spuren auf:
- Fluoroform
- Peroxiacetylnitrat
- Chloroxide
- andere Stickoxide (neben N₂O)
- Schwefeldioxid
- Radon
- Quecksilber

Kohlenstoffdioxid

Die biologische Hauptbedeutung des Kohlenstoffdioxids liegt in seiner Rolle als Kohlenstofflieferant für die Photosynthese, weshalb sich die atmosphärische Kohlenstoffdioxidkonzentration stark auf das Pflanzenwachstum auswirkt. Durch den lichtabhängigen Stoffwechselzyklus der Pflanzen, also der Wechselbeziehung zwischen Atmung und Photosynthese, können die bodennahen CO₂-Konzentration im Tagesgang schwanken. Es zeigt sich bei ausreichender Pflanzendecke ein nächtliches Maximum und dementsprechend ein Minimum am Tag. Der gleiche Effekt kommt auch im Jahresverlauf zum tragen, da die außertropische Vegetation ausgeprägte Vegetationsperioden besitzt. Dies hat auf der Nordhalbkugel ein Maximum im Zeitraum März bis April und ein Minimum im Oktober oder November zur Folge. Auch anthropogene Emissionszyklen können eine Rolle spielen, zum Beispiel mit dem Einsetzen der Heizperiode bei sinkenden Temperaturen. Als übergeordneter Trend wird eine stetige Zunahme des Kohlenstoffdioxids in der Atmosphäre gemessen, wobei die Konzentration Mitte des 18. Jahrhunderts bei etwa 280 ppmv lag. Dies entspricht einer Steigerung von etwa 40 %, wobei die Steigerungsraten selbst immer weiter zunahmen und auch heute noch zunehmen. Sie liegen bei etwa 1,6 ppmv/a. Die Quellen hierfür sind vielschichtig, haben den Kohlenstoffzyklus jedoch nachhaltig destabilisiert und tragen über den anthropogenen Treibhauseffekt zur globalen Erwärmung bei. Lokal und gerade nahe industriellen Ballungsgebieten kann die Kohlenstoffdioxid-Konzentration auch deutlich über den Normalwerten liegen. Werte von 400 ppmv sind dabei recht häufig. Den Rekord hat der ehemalige Londoner Wintersmog mit 3.000 ppmv (0,3 %) aufgestellt.

Ozon

Ozonwerte werden nicht in Anteilen, sondern in der Dobson-Einheit angegeben. Da die Werte zudem von der Höhe (Ozonschicht, Bodennahes Ozon), sowie von Wetterlage, Temperatur, Schadstoffbelastung und Uhrzeit abhängen, und Ozon sich sowohl schnell bildet als auch wieder zerfällt, ist es in obiger Tabelle nicht aufgelistet.

Physikalische Größen der Luft

Luftdichte

Unter Normalbedingungen ist die Luftdichte gleich 1,293 kg/m³.

Luftdruck

Die Gewichtskraft der von der Erdanziehung beschleunigten Luftsäule erzeugt einen statischen Luftdruck, der mit dem jeweiligen Messpunkt variiert. Dieser ist jedoch zusätzlich von thermischen (Temperatur) und dynamischen Einflüssen (Wetterbedingungen) abhängig.

Lufttemperatur

Als Lufttemperatur wird jene Temperatur der bodennahen Atmosphäre bezeichnet, die weder von Sonnenstrahlung noch von Bodenwärme oder Wärmeleitung beeinflusst ist. Die genaue Definition durch Wissenschafter und Techniker ist je nach Fachgebiet etwas verschieden. In der Meteorologie wird die Lufttemperatur in einer Höhe von zwei Metern gemessen, wofür die klassischen, weiß gestrichenen Wetterhäuschen in freier Umgebung dienen.

Luftfeuchtigkeit

Bei der Luftfeuchtigkeit handelt es sich um den Anteil des Wasserdampfs an der Luft. Sie wird über verschiedene Feuchtemaße wie Dampfdruck und Taupunkt sowie relative, absolute und spezifische Luftfeuchte quantifiziert.

Andere

Unter Normalbedingungen ist die Schallgeschwindigkeit gleich 331,5 m/s. In Näherung zur trockenen Luft, mit den molaren Massen aus den jeweiligen Artikeln der einzelnen Elemente und den entsprechenden Naturkonstanten, besitzt Luft eine molare Masse von 28,9634 g/mol. Der Brechzahl der Luft beträgt unter Normalbedingungen für sichtbares Licht ungefähr 1,00029. Sie hängt von Druck, Temperatur und Zusammensetzung der Luft ab, vor allem aber von der Luftfeuchtigkeit. Entsprechend der Brechzahl ändert sich auch die Lichtgeschwindigkeit innerhalb der Luft. Spezifische Wärmekapazität: :

c_p

= 1,005 kJ/(kg K) = 0,279 kWh/(Tonne K) (isobar) :

c_v

= 0,718 kJ/(kg K) = 0,199 kWh/(Tonne K) (isochor)

Luftverschmutzung und Luftreinhaltung

Die Luftverschmutzung ist der auf die Luft bezogene Teilaspekt der Umweltverschmutzung. Gemäß dem Bundes-Immissionsschutzgesetz ist Luftverschmutzung eine Veränderung der natürlichen Zusammensetzung der Luft, insbesondere durch Rauch, Ruß, Staub, Aerosole, Dämpfe oder Geruchsstoffe. Von besonderer Schädlichtkeit sind dabei erhöhte Ozonwerte (Smog) und Schwefeldioxidkonzentrationen (saurer Regen). In den meisten Industrieländern ist die lokale Luftverschmutzung in den letzten Jahrzehnten stark zurückgegangen. Gleichzeitig hat jedoch der Ausstoß von Treibhausgasen wie Kohlendioxid weiter zugenommen. Die lokale und regionale Luftverschmutzung ist aber insbesondere für Länder der dritten Welt sowie Schwellenländer wie zum Beispiel Russland oder China noch ein erhebliches Problem.

Kulturelle Bedeutung

Die griechischen Naturphilosophen hielten Luft für eines der vier Grundelemente, aus denen alles Sein besteht. Dem Element Luft wurde der Oktaeder als einer der fünf Platonischen Körper zugeordnet.

Siehe auch

- Luftverflüssigung

Weblinks

- [http://www.cmdl.noaa.gov/hats/graphs/graphs.html Entwicklung der Spurengasanteile der Luft im Laufe der letzten 15 Jahre] Kategorie:Meteorologie Kategorie:Stoffgemisch Kategorie:Gas ja:空気 ko:대기 ms:Udara simple:Air

Luftdichte

in Abhängkeit von der Höhe.]] Die Luftdichte ρ (auch: Dichte von Luft oder Dichte der Luft) gibt an, wie viel Masse (Gewicht) an Luft in kg in einem Kubikmeter enthalten ist (kg/m³). Auf Meeresspiegelhöhe ist die Luft mit rund 1,2 kg/m³ bei 20 °C durch die darüber lastende Luftmasse stärker zusammengedrückt als in größerer Höhe: die Luft ist also sehr dicht. Sie hat am Boden immer höchste Dichte und höchsten Luftdruck - und außer bei Inversionen auch die höchste Temperatur. In größeren Höhen wird die Luft immer dünner. Wäre die Temperatur in allen Höhen gleich, so würden Luftdruck und Luftdichte auch gemeinsam mit zunehmender Höhe nach dem Gasgesetz abnehmen (siehe Barometrische Höhenformel). Die Temperatur in verschiedenen Höhen variiert jedoch stark. Die theoretische Abnahme von Druck und Dichte der Luft pro 5000 Meter - wobei sie auf die Hälfte fallen müsste - stimmt nicht genau; die Abweichungen sind aber gering. 90 % der Atmosphäre liegen unter 20 km Höhe,
75 % der Atmosphäre liegen unter 10 km Höhe,
50 % der Atmosphäre liegen unter 5 km Höhe. Die Luftdichte ρ ist: :

\rho = \frac

in kg/m³; Luftdruck = p, Gaskonstante R, Temperatur in Kelvin = T Die individuelle Gaskonstante R für trockene Luft ist: :

R = 28705\ \mathrm

mit Energie Joule (J) = Newton · Meter = N m; T in Kelvin = Temperatur in °C + 273,15. Atmosphärischer Luftdruck p₀ = 101325 Pa = 1013,25 mbar = 1013,25 hPa und R = 287,05 J/kg · K. Bei T₀ = 273,15 K (0 °C) (Normalbedingungen) ist die Luftdichte:
ρ₀ = 101325 / ( 287,05 · 273,15 ) = 1,293 kg/m³. Bei T₂₅ = 298,15 K (25 °C) (Standardbedingungen) ist die Luftdichte:
ρ₂₅ = 101325 / ( 287,05 · 298,15 ) = 1,184 kg/m³. Wie man erkennt, sind diese Größen stark temperaturabhängig. Tabelle - Luftdichte, Schallgeschwindigkeit und
Schallkennimpedanz in Abhängigleit von der Temperatur p = Schalldruck in Pa = Pascal: p = F/A = N/m²
A = Fläche in m²
F = Kraft in N = Newton: F = kg·m/s²
ρ = rho = Luftdichte in kg/m³
c = Schallgeschwindigkeit in m/s
Z = Schallkennimpedanz in N · s/m³ In der Meteorologie benutzt man häufig auch den reziproken Wert der Dichte und bezeichnet die Größe als spezifisches Volumen α. :

\alpha = \frac

Weblinks

- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-dichteeinheiten.htm Umrechnung von Dichte-Einheiten] Kategorie:Meteorologie

Erde (Planet)

Die Erde (von indogermanisch er[t]) ist der dritte Planet des Sonnensystems. Sie ist ca. 4,55 Milliarden Jahre alt und ist der einzige bekannte belebte Ort. Das Planetenzeichen ist 18px oder 14px. Der lateinische Name ist Terra. Die Erde zählt zu der Gruppe der erdähnlichen (terrestrischen) Planeten.

Entstehung und Aufbau der Erde

Hauptartikel: Entstehung der Erde, Innerer Aufbau der Erde, Erdfigur und Plattentektonik Plattentektonik Die Erde ist der größte Gesteinsplanet im uns bekannten Sonnensystem. Alle anderen Planeten sind kleiner oder bestehen wie Jupiter hauptsächlich aus Gas in stark komprimierten Zuständen. Die Erde entstand vor etwa 4,6 Milliarden Jahren. Man geht heute allgemein davon aus, dass sie während der ersten 100 Millionen Jahre einem intensiven Bombardement von Meteoriten ausgesetzt war. Heute ist nur noch ein geringer Beschuss zu verzeichnen. Die meisten der Meteore werden von Objekten kleiner als 1 cm hervorgerufen. Im Gegensatz zum Mond sind auf der Erde die meisten Einschlagkrater durch geologische Prozesse wieder ausgelöscht worden. Durch die kinetische Energie der Impakte während des schweren Bombardements und durch die Wärmeproduktion des radioaktiven Zerfalls erhitzte sich die junge Erde, bis sie größtenteils aufgeschmolzen war. In der Folge kam es zu einer gravitativen Differenzierung des Erdkörpers in einen Erdkern und einen Erdmantel. Die schwersten Elemente, vor allem Eisen, sanken in die Richtung des Schwerpunkts des Planeten, während leichte Elemente, vor allem Sauerstoff, Silizium und Aluminium nach oben stiegen. Aus diesen Elementen bildeten sich hauptsächlich silikatische Minerale, aus denen auch die Gesteine der Erdkruste bestehen. Aufgrund ihres vorwiegenden Aufbaus aus Eisen und Silikaten hat die Erde wie alle terrestrischen Planeten eine recht hohe mittlere Dichte von 5,515 g/cm³. Die Erde hat, wie alle Planeten, durch die Eigengravitation ihrer großen Masse annähernd die Form einer Kugel. Durch die Fliehkräfte ihrer ziemlich schnellen Rotation ist sie an den Polen geringfügig abgeplattet. Der Äquatorumfang ist dadurch mit 40.075,004 km um 67,183 km bzw. um 0,17 % größer als der Polumfang mit 39.940,638 km. Der Poldurchmesser ist mit 12.713,500 km dementsprechend um 42,77 km bzw. um 0,34 % kleiner als der Äquatordurchmesser mit 12.756,270 km. Solch ein geometrisches Verhältnis ist das eines Ellipsoids. Der Meeresspiegel (das Geoid) weicht davon nochmals um ± 100 Meter ab. Die Unterschiede im Umfang tragen mit dazu bei, dass es keinen eindeutig höchsten Berg auf der Erde gibt. Nach der Höhe über dem Meeresspiegel ist es der Mt. Everest im Himalaya und nach dem Abstand des Gipfels vom Erdmittelpunkt der auf dem Äquatorwulst stehende Vulkanberg Chimborazo in den Anden. Von der jeweils eigenen Basis an gemessen ist der Mauna Kea auf der vom pazifischen Meeresboden aufragenden großen vulkanischen Hawaii-Insel am höchsten. Wie die meisten festen Planeten und fast alle größeren Monde, z. B. der Erdmond, weist auch die Erde eine deutliche Dichotomie ihrer Oberfläche auf, d. h. eine Zweiteilung in unterschiedlich ausgeprägte Halbkugeln. Die Oberfläche der Erde unterteilt sich in eine Landhemisphäre und eine Wasserhemisphäre. Die Wasserfläche hat in der gegenwärtigen geologischen Epoche einen Gesamtanteil von 70,7 %. Die von der Landfläche umfassten 29,3 % entfallen hauptsächlich auf sieben Kontinente; der Größe nach: Asien, Afrika, Nordamerika, Südamerika, Antarktika, Europa und Australien. Wobei Europa als große westliche Halbinsel Asiens im Rahmen der Plattentektonik wahrscheinlich nie eine selbstständige Einheit gewesen ist. Die kategorische Grenzziehung zwischen Australien als kleinstem Erdteil und Grönland als größter Insel wurde nur rein konventionell festgelegt. Die Fläche des Weltmeeres wird im Allgemeinen in drei Ozeane einschließlich der Nebenmeere unterteilt: In den Pazifik, den Atlantik und den Indik. Die tiefste Stelle, das Witjastief 1 im Marianengraben, liegt 11.034 m unter dem Meeresspiegel. Nach seismischen Messungen ist die Erde hauptsächlich aus drei Schalen aufgebaut: Aus dem Erdkern, dem Erdmantel und der Erdkruste. Diese Schalen sind durch seismische Diskontinuitätsflächen (Unstetigkeitsflächen) voneinander abgegrenzt. Die Erdkruste und der oberste Teil des oberen Mantels bilden zusammen die so genannte Lithosphäre. Sie ist zwischen 50 und 100 km dick und zergliedert sich in große und kleinere tektonische Einheiten, die Platten. Die größten Platten entsprechen in ihrer Anzahl und Ordnung in etwa jener der von ihnen getragenen Kontinente, mit Ausnahme der pazifischen Platte. All diese Schollen bewegen sich gemäß der Plattentektonik relativ zueinander auf den teils aufgeschmolzenen, zähflüssigen Gesteinen des oberen Mantels, der 100 bis 150 km mächtigen Asthenosphäre. Der innere Erdkern ist fest, der äußere geschmolzen und gut 4.000 °C heiß. Ein dreidimensionales Modell der Erde wird, wie alle verkleinerten Nachbildungen von Weltkörpern, Globus genannt.

Atmosphäre

Hauptartikel: Erdatmosphäre Die Erde besitzt eine etwa 640 km hohe Atmosphäre. Deren Masse beträgt 5,13 x 10¹⁸ kg und macht somit knapp ein Millionstel der Erdmasse aus. Der mittlere Luftdruck auf dem Niveau des Meeresspiegels ist 1.013 hPa groß; bei einer mittleren Luftdichte von 1,293 kg/m³. In den bodennahen Schichten besteht die Lufthülle im Wesentlichen aus 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff und 1 % Edelgasen. Dazu kommt ein wechselnder Anteil an Wasserdampf (0 – 5 %), der das Wettergeschehen bestimmt. Die auf der Erde gemessenen Temperaturextreme betragen –89,6 °C (gemessen am 21. Juli 1983 in der Wostok-Station in der Antarktis auf 3.420 Metern Höhe, was einer Temperatur von –60 °C auf Meereshöhe entspräche) und +58 °C (gemessen am 13. September 1922 in Al 'Aziziyah in Libyen auf 111 Metern Höhe). Die mittlere Temperatur in Bodennähe beträgt 15 °C; die Schallgeschwindigkeit bei dieser Temperatur beträgt in der Luft am Meeresniveau etwa 340 m/s. Die Erdatmosphäre streut den kurzwelligen, blauen Spektralanteil des Sonnenlichts etwa fünfmal stärker als den langwelligen, roten und bedingt dadurch bei hohem Sonnenstand die Blaufärbung des Himmels. Dass die Oberfläche der Meere und Ozeane vom Weltall aus gesehen blau erscheinen, weswegen die Erde seit dem Beginn der Raumfahrt auch der Blaue Planet genannt wird, ist jedoch auf die stärkere Absorption roten Lichtes im Wasser selbst zurückzuführen. Die Spiegelung des blauen Himmels an der Wasseroberfläche ist dabei nur von nebensächlicher Bedeutung.

Globaler Energiehaushalt

Der Energiehaushalt der Erde wird im Wesentlichen durch die Einstrahlung der Sonne und die Ausstrahlung der Erdoberfläche bzw. Atmosphäre bestimmt, also durch den Strahlungshaushalt der Erde. Der sonstige vorwiegend durch radioaktive Zerfälle erzeugte Energiebeitrag beträgt nur etwa 0,1 %. Die Albedo der Erde beträgt im Mittel 0,367, wobei ein wesentlicher Anteil auf die Wolken der Erdatmosphäre zurückzuführen ist. Dies führt zu einer globalen effektiven Temperatur von 246 K (-27 °C). Die Durchschnittstemperatur am Boden liegt jedoch durch einen starken atmosphärischen Treibhauseffekt bzw. Gegenstrahlung bei etwa 288 K (15 °C), wobei die Treibhausgase Wasser und Kohlendioxid den Hauptbeitrag liefern.

Herkunft des irdischen Wassers

Hauptartikel: Herkunft des irdischen Wassers Die Herkunft des Wassers auf der Erde, insbesondere die Frage, warum auf der Erde deutlich mehr Wasser vorkommt als auf den anderen erdähnlichen Planeten, ist bis heute nicht befriedigend geklärt. Ein Teil des Wassers dürfte durch das Ausgasen der Magma entstanden sein, also letztlich aus dem Erdinneren stammen. Ob dadurch aber die Menge an Wasser erklärt werden kann, ist fragwürdig. Weitere große Anteile könnten aber auch durch Einschläge von Kometen, transneptunischen Objekten oder wasserreichen Asteroiden (Protoplaneten) aus den äußeren Bereichen des Asteroidengürtels auf die Erde gekommen sein. Messungen des Isotopenverhältnisses von Deuterium zu Protium (D/H-Verhältnis) deuten dabei eher auf Asteroiden hin, da in Wassereinschlüssen in kohligen Chondriten ähnliche Verhältnisse gefunden wurden wie in ozeanischem Wasser, wohingegen bisherige Messungen dieses Isotopen-Verhältnisses an Kometen und transneptunischen Objekten nur schlecht mit irdischem Wasser übereinstimmten.

Himmelsmechanik

Umlaufbahn

Der mittlere Abstand des Zentrums der Erde vom Zentrum der Sonne ist die große Bahnhalbachse und beträgt etwa 149.597.870 km. Ursprünglich wurde dieser Abstand der Definition der Astronomische Einheit (AE) zugrunde gelegt, die als astronomische Längeneinheit hauptsächlich für Entfernungsangaben innerhalb des Sonnensystems verwendet wird. Der sonnennächster Punkt der Erde, das Perihel, liegt bei 0,983 AE AE und sein sonnenfernster Punkt, das Aphel, bei 1,017 AE. Sie läuft also auf einer elliptischen Umlaufbahn mit einer Exzentrizität von 0,0167 um die Sonne. Für einen Umlauf um die Sonne benötigt sie 365 d 6 h 9 min 9,54 s, diese Zeitspanne wird auch als Siderischen Jahres bezeichnet. Die Bahnebene der Erde wird als Ekliptik bezeichnet.

Mond

Hauptartikel: Mond Die Erde wird von einem Mond umkreist. Dieser ist im Vergleich zur Erde deutlich größer als es bei den anderen Planeten mit Ausnahme des Pluto/Charon-Systems der Fall ist. Der große Mond ist verantwortlich für die Stabilität der Schiefe der Ekliptik der Erde und damit auch für die guten Bedingungen zum Entstehen von Leben auf der Erde.

Rotation und Gezeiten

Die Erde rotiert einmal in 23 h 56 min 4,09 s um ihre eigene Achse. Analog zum siderischen Jahr wird diese Zeitspanne als ein Siderischer Tag bezeichnet. Aufgrund der Bahnbewegung der Erde entlang ihrer Umlaufbahn und der daraus resultierenden leicht unterschiedlichen Position der Sonne an nacheinander folgenden Tagen ist ein Sonnentag, der als die Zeitspanne zwischen zwei Sonnenhöchstständen (Mittag) definiert ist, etwas größer als ein Siderischer Tag und wird nach Definition in 24 Stunden eingeteilt. Aufgrund der Neigung der Rotationsachse der Erde von 23,44° gegen die Ekliptik werden die Nord- und die Südhalbkugel der Erde an verschiedenen Punkten ihrer Umlaufbahn um die Sonne unterschiedlich beleuchtet, was zu den das Klima der Erde prägenden Jahreszeiten führt. Jahreszeiten Der Mond verursacht auf der Erde Gezeiten. Ebbe und Flut in den Meeren und im Erdmantel bremsen die Erdrotation und verlängern dadurch gegenwärtig die Tage um etwa 20 Mikrosekunden pro Jahr. Die Gezeiten wirken sich auch auf die Landmassen aus, die sich um etwa einen halben Meter heben und senken.
Die Rotationsenergie der Erde wird dabei in Wärme umgewandelt. Der Drehimpuls wird auf den Mond übertragen, dessen Bahn sich dadurch um etwa 4 Zentimeter pro Jahr von der Erde entfernt. Dieser schon lange vermutete Effekt ist seit etwa 1995 durch Laser-Distanzmessungen abgesichert. Die zunehmende Tageslänge kann geologisch anhand von Wachstumsringen in fossilen Korallen nachgewiesen werden. Man findet in diesen Sedimenten eine Spur für jeden Tag, und eine jährliche Regelmäßigkeit, aus der sich die Anzahl der Tage im damaligen Jahr bestimmen lässt. In der Vergangenheit zeigt sich die Zunahme der Tageslänge anhand überlieferter Sonnenfinsternisse, die bei gleich bleibender Tageslänge an einem anderen Ort auf der Erde sichtbar gewesen wären. Extrapoliert man diese Abbremsung in die Zukunft, wird auch die Erde einmal dem Mond immer die gleiche Seite zuwenden, wobei ein Tag auf der Erde dann 47 Mal so lang wäre wie heute. Damit unterliegt die Erde dem gleichen Effekt, der in der Vergangenheit schon zur gebundenen Rotation des Mondes geführt hat. Zu dem Zeitpunkt, an dem diese Korotation eintreten wird, wird das Wechselspiel der Gezeiten beendet sein. Die Flutberge verbleiben dann immer an einem Ort auf der Verbindungslinie Erde-Mond und es wird zu einer dauerhaften Verformung des Erdkörpers kommen, ähnlich dem des Mondes. Diese Überlegungen kann man allerdings als hypothetisch betrachten, da zum einen die Stabilität der Erdrotation nicht gewährleistet ist. Zum anderen wird sich durch den Übergang der Sonne zu einem weißen Zwerg auch das gesamte Sonnensystem verändert haben.

Leben und Klima

weißen Zwerg Die Erde ist bisher der einzige Planet, auf dem Leben bzw. eine Biosphäre nachweisbar ist. Nach dem gegenwärtigen Stand der Forschung begann das Leben auf der Erde möglicherweise innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums, gleich nach dem Ausklingen eines schweren Bombardements großer Asteroiden, dem die Erde nach ihrer Entstehung vor ca. 4,6 Milliarden Jahren bis etwa vor 3,9 Milliarden Jahren als letzte Phase der Bildung des Planetensystems ausgesetzt war. Nach dieser Zeit hat sich eine stabile Erdkruste ausgebildet und soweit abgekühlt, dass sich Wasser auf ihr sammeln konnte. Die ältesten direkten, allerdings umstrittenen Hinweise auf Leben, die als versteinerte Cyanobakterien gedeutet werden, sind 3,5 Milliarden Jahre alt und wurden in Gesteinen der Warrawoona-Gruppe im Nordwesten Australiens gefunden. In 3,85 Milliarden Jahre altem Sedimentgestein aus der Isua-Region im Südwesten Grönlands wurden in den Verhältnissen von Kohlenstoffisotopen Anomalien entdeckt, die auf biologischen Stoffwechsel hindeuten könnten; bei dem Gestein kann es sich aber auch statt um Sedimente lediglich um ein stark verändertes Ergussgestein ohne derartige Bedeutung handeln. Die ältesten und eindeutigen Lebensspuren auf der Erde sind 1,9 Milliarden Jahre alte fossile Bakterien aus der Gunflint-Formation in Ontario. Die chemische wie die biologische Evolution sind untrennbar mit der Klimageschichte verknüpft. Das Leben wird in seiner Entwicklung von den herrschenden Bedingungen geprägt und hat seinerseits Einfluss auf die Entwicklung und das Erscheinungsbild der Erde. Durch den Stoffwechsel des pflanzlichen Lebens bzw. durch die Photosynthese wurde die Erdatmosphäre mit molekularem Sauerstoff angereichert und bekam ihren oxidierenden Charakter. Zudem wurde die Albedo und damit die Energiebilanz durch die Pflanzendecke merklich verändert.

Klimazonen

Die Erde wird anhand unterschiedlich intensiver Sonneneinstrahlung in Klimazonen eingeteilt, die sich vom Nordpol zum Äquator erstrecken – und auf der Südhalbkugel spiegelbildlich verlaufen. Die jahreszeitlichen Temperaturschwankungen sind umso stärker, je weiter die Klimazone vom Äquator und vom nächsten Ozean entfernt liegt.

Polarzone

Unter den Polargebieten versteht man zum einen die Region innerhalb des nördlichen Polarkreises, die Arktis, sowie den Kontinent der Antarktis auf der Südhalbkugel der Erde. Besonderes Kennzeichen der Polarregionen sind neben dem kalten Klima mit viel Schnee und Eis der bis zu einem halben Jahr dauernde Polartag mit der Mitternachtssonne bzw. die Polarnacht, aber auch die Polarlichter.

Gemäßigte Zone

Die gemäßigte Klimazone erstreckt sich vom Polarkreis bis zum vierzigsten Breitengrad und wird in eine kalt-, kühl- und warmgemäßigte Zone eingeteilt. Diese Zone weist einen großen Unterschied zwischen den Jahreszeiten auf, der in Richtung der Erdmitte jedoch etwas abnimmt. Ein weiteres Merkmal sind die Unterschiede zwischen Tag und Nacht, die je nach Jahreszeit stark variieren. Diese Unterschiede nehmen, je näher man dem Pol kommt, immer mehr zu. Die Vegetation wird durch Nadel-, Misch- und Laubwälder geprägt, wobei die Nadelwälder in Richtung Äquator immer weniger werden.

Subtropen

Die Subtropen liegen in der geographischen Breite zwischen den Tropen in Äquatorrichtung und den gemäßigten Zonen in Richtung der Pole, ungefähr zwischen 25°-40° nördlicher und südlicher Breite. Diese Gebiete haben typischerweise tropische Sommer und nicht-tropische Winter. Man kann sie unterteilen in trockene, winterfeuchte, sommerfeuchte und immerfeuchte Subtropen. Eine weit verbreitete Definition definiert das Klima dort als subtropisch, wo die Mitteltemperatur im Jahr über 20 Grad Celsius liegt, die Mitteltemperatur des kältesten Monats jedoch unter der Marke von 20 Grad bleibt. Die Unterschiede zwischen Tag und Nacht fallen relativ gering aus. Die Vegetation reicht von der Artenvielfalt, wie sie z.B. im Mittelmeer auftritt, über die Vegetation der trockenen Savanne bis hin zur kargen oder auch völlig fehlenden Vegetation in Wüsten wie der Sahara.

Tropen

Die Tropen befinden sich zwischen dem nördlichen und südlichen Wendekreis. Die Tropen können in die wechselfeuchten und immerfeuchten Tropen unterschieden werden. In den Tropen sind Tag und Nacht immer gleichlang (jeweils 12 Stunden). Jahreszeiten gibt es als Solches nur in den wechselfeuchten Tropen und lassen sich nur in eine Trocken- und Regenzeit unterscheiden. Typisch für die wechselfeuchten Tropen sind die Feuchtsavannen, die sich nördlich und südlich der großen Regenwälder befinden. Sie zeichnen sich durch ihre weiten Grasländer aus. Beispiele sind die afrikanische Savanne und der Bantanal in Südbrasilien und Paraguay. Für die immerfeuchten Tropen, die sich rund um den Äquator befinden, sind die großen, sehr artenreichen Regenwälder, wie z.B. der Amazonas typisch.

Jahreszeiten

Die Jahreszeiten werden in erster Linie von der Einstrahlung der Sonne verursacht und sind in der gemäßigten Zone am stärksten ausgeprägt. Die Unterschiede entstehen durch die Neigung der Erde. Dies hat zur Folge, dass die Sonne zwischen dem nördlichen und südlichen Wendekreis hin- und herwandert (daher auch der Name). Dadurch entstehen auch neben den unterschiedlichen Einstrahlungen auch die Unterschiede zwischen Tag und Nacht. Die Wanderung erfolgt im Jahresrhythmus wie folgt:
- 21. Dezember (Wintersonnenwende): Die Sonne befindet sich auf dem südlichen Wendekreis bzw. auf dem Kreis des Steinbocks. Auf der Nordhalbkugel ist nun der kürzeste und auf der Südhalbkugel der längste Tag des Jahres. Durch die nun folgende geringe Einstrahlung der Sonne auf die Nordhalbkugel beginnt nun der Winter. Am Nordpol beginnt die Polarnacht und am Südpol der Polartag.
- 19. bis 21. März: Tagundnachtgleiche auf nördlicher und südlicher Halbkugel: Frühlingsbeginn im Norden und Herbstbeginn im Süden.
- 21. Juni (Sommersonnenwende): Längster Tag im Norden und kürzester Tag im Süden. Am Nordpol beginnt der Polartag und am Südpol die Polarnacht. Auf der Nordhalbkugel beginnt nun der astronomische Sommer und auf der Südhalbkugel der astronomische Winter. Die Sonne befindet sich am nördlichen Wendekreis (Kreis des Krebses).
- 22. oder 23. September: Tagundnachtgleiche: Im Norden beginnt der Herbst, im Süden der Frühling. Die Sonne ist auf Höhe des Äquators. Zwischen den beiden Wendekreisen, wo sich die Tropen befinden gibt es kaum Unterschiede zwischen den Jahreszeiten, da die Sonne dort immer im Zenit steht.

Einfluss des Menschen

Die ersten Menschen lebten als Jäger und Sammler. Mit der Neolithischen Revolution begannen im Vorderen Orient (11.), in China (8.) und im mexikanischen Tiefland (6. Jahrtausend vor Christus) Ackerbau und Viehzucht. Die Kulturpflanzen verdrängten die natürliche Pflanzenwelt. Im Zuge der Industrialisierung wurden weiträumige Landflächen in Industrie- und Verkehrsfläche umgewandelt. Die Wechselwirkungen zwischen Lebewesen und Klima haben heute durch den zunehmenden Einfluss des Menschen eine neue Quantität erreicht. Während im Jahr 1920 circa 1,8 Milliarden Menschen die Erde bevölkerten, wuchs die Weltbevölkerung bis zum Jahr 2000 auf 6,1 Milliarden an. In den Entwicklungsländern ist für die absehbare Zukunft weiterhin ein starkes Bevölkerungswachstum zu erwarten, während in vielen hoch entwickelten Ländern die Bevölkerung stagniert oder nur sehr langsam zunimmt, deren industrieller Einfluss auf die Natur aber weiterhin wächst. Siehe auch: Klimazonen

Siehe auch

- Liste aller Länder und Staaten der Erde
- Biosphäre 2
- Magnetismus
- Jahreszeiten
- Satellit
- Geowissenschaften
- Envisat (ESA-Umweltsatellit)
- Merkurtransit, Venustransit
- Die Erde in Daten und Zahlen
- Nasa World Wind (Computerprogramm)
- Google Earth (Computerprogramm)

Literatur

- David Oldroyd: Die Biographie der Erde. Zweitausendeins 1998. ISBN 3-86150-285-2
- J. D. Macdougall: Eine kurze Geschichte der Erde. Econ Taschenbuchverlag 2000. ISBN 3-612-26673-X
- Cesare Emilliani: Planet Earth. Cosmology, Geology, and the Evolution of Live and Environment. Cambridge University Press 1992.

Weblinks

- [http://www.uni-muenster.de/MineralogieMuseum/vulkane/Vulkan-3.htm Bau der Erde und Vulkanismus]
- [http://www.raumfahrer.net/planeterde Raumfahrer.net Sonderseite: Planet Erde]
- [http://www.kowoma.de/gps/geo/mapdatum.htm Ellipsoide, Geoide und topografische Oberflächen]
- [http://home.arcor.de/m.panitzki/html/navigation/index_navigation.htm Ellipsoide, Geoide und topografische Oberflächen II]
- Real Video (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri):
- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=050202.rm Wie schnell entstand die Erde?]
- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&f=020414.rm Warum ist die Erde warm?]
- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&f=010204.rm&g2=1 Wie alt ist die Erde?] Kategorie:Erde ja:地球 ko:지구 ms:Bumi simple:Earth th:โลก zh-min-nan:Tē-kiû

Vertikale

Vertikale, auch Lotrechte: Senkrechte zur idealisierten (Erd)oberfläche. Da die Erdoberfläche aber keine Ebene ist, sondern näherungsweise eine Kugeloberfläche, ist die Vertikale auch nur eine relative Aussage auf den jeweiligen Standort bezogen. Als Gemeinsamkeit haben aber alle Vertikalen, dass sie die Richtung der Gravitation anzeigen. Die Lotrechte bildet immer die Richtung, auf die sich die Horizontale bezieht. In der Medizin als Richtungsbezeichnung (vertikal, lat.: verticalis) jene Linie, die vom Scheitel zu der Sohle zieht und damit unabhängig von der momentanen Körperlage gilt. Siehe auch: Lot (Gerät), Lotrichtung, orthogonal, Horizontale, Fluchtstab, Lattenrichter, Schnurlot, Wasserwaage. Kategorie:Geometrie

Konvektion

Konvektion (von lat. convehere = mittragen, mitnehmen), auch Thermische Konvektion, ist der Transport von Stoffen oder physikalischen Eigenschaften durch die Bewegung von Teilchen. Im engeren Sinn ist Konvektion, neben Wärmeleitung und Wärmestrahlung, ein Mechanismus zum Transport von thermischer Energie. Konvektion ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragung durch den Transport von Teilchen, die ihre kinetische Energie mitführen, bewerkstelligt wird. In Festkörpern oder im Vakuum kann es folglich keine Konvektion geben. Konvektion kann nur bei Fluiden, also in Gasen oder Flüssigkeiten, auftreten. Ausgenommen hiervon sind Feststoffe in Extrembedingungen, wie sie zum Beispiel im Innern der Erde herrschen. Hier sind auch Feststoffe, in diesem Fall Gesteine, bedingt fließfähig und führen über einen langen Zeitraum hinweg ebenfalls zu Wärmetransportprozessen. Man spricht daher auch von einer Mantelkonvektion durch die so genannten Plumes.

Allgemeines

Konvektion wird durch Dichte-, Temperatur- und Konzentrationsunterschiede innerhalb des Fluids oder zwischen dem Fluid und seinen Grenzflächen hervorgerufen. Jedoch kann auch eine von außen wirkende Kraft, die das Fluid in Bewegung setzt, zu einer Konvektion führen. Man unterscheidet daher die
- freie oder natürliche Konvektion, bei der der Teilchentransport ausschließlich durch Auswirkungen des Temperaturgradienten, also zum Beispiel durch Auf- bzw. Abtrieb des Fluids infolge der durch die Temperaturänderung hervorgerufenen Dichteunterschiede bewirkt wird, und
- erzwungene Konvektion, bei der der Teilchentransport durch äußere Einwirkung, zum Beispiel ein Gebläse oder eine Pumpe, hervorgerufen wird. Bei Erwärmung dehnen sich Stoffe aus, daher wird ihre Dichte geringer. Innerhalb einer Flüssigkeit oder eines Gases steigen Bereiche mit geringer Dichte nach oben, während Bereiche mit höherer Dichte nach unten sinken. Wenn an der Unterseite Energie zugeführt wird und an der Oberseite die Möglichkeit zur Abkühlung besteht, so entsteht kontinuierliche Strömung: Materie wird erwärmt, dehnt sich dabei aus und steigt nach oben. Dort angelangt kühlt sie sich ab, zieht sich dabei wieder zusammen und sinkt ab, um unten erneut erwärmt zu werden. Konvektion tritt auf vielfältige Weise auf:
- Wenn eine Zentralheizung am tiefsten Punkt des Gebäudes installiert wird, kann sie ohne Umwälzpumpe auskommen, da das warme Wasser durch Konvektion nach oben in die Heizkörper steigt sich dort abkühlt und wieder nach unten fließt.
- Luft wird am warmen Erdboden erwärmt und steigt nach oben, ein entscheidender Faktor für die Entstehung des Wetters
- Konvektion von heißen Gesteinen im Erdinneren (enorm hohe Viskosität und langsame Fließgeschwindigkeiten, jedoch trotzdem Konvektion bei einem Feststoff), das durch radioaktiven Zerfall erhitzt wird, ist für die Plattentektonik und damit für Erdbeben und Vulkane verantwortlich. Konvektionszentren im Erdmantel werden dabei als Plumes oder Hot Spots bezeichnet.
- Auch in Sternen transportiert Konvektion thermische Energie aus dem Inneren nach außen.

Konvektion an einem Feststoff ohne Stoffaustausch

Konvektion entsteht zum Beispiel, wenn das Fluid die Oberfläche eines anderen Volumens überströmt und dabei eine Temperaturangleichung erfolgt. Im einfachsten Fall ist das „andere“ Volumen ein Festkörper, dessen Grenzfläche statisch ist und infolgedessen die Konvektion einen reinen Wärmeaustausch darstellt. Hier handelt es sich um eine Wärmeübertragung von einer festen Oberfläche zu beispielsweise Luft, Wasser oder anderen Fluiden. Wasser Das Bild zeigt den Temperaturverlauf in einer festen Wand mit beidseitigem konvektivem Wärmeübergang. Während im festen Körper eine reine Wärmeleitung mit linearem Temperaturverlauf stattfindet, verläuft der Wärmetransport im Fluid innerhalb einer thermischen Grenzschicht. Bedingt durch die lokale Strömungsgeschwindigkeit, die direkt an der Wand gleich Null sein muss, liegt in Wandnähe zunächst ebenfalls eine Wärmeleitung im Fluid vor, die kontinuierlich durch Mischungsvorgänge überlagert wird, so dass der wandnah lineare Temperaturverlauf in einen nichtlinearen übergeht, und zwar unabhängig davon, in welcher Richtung die Wärme strömt. Die Konvektion wird hier bestimmt durch die „Grenzschicht“, die Schicht zwischen beiden Volumina, in der sich die physikalischen Parameter von denen der beiden Volumina unterscheiden. Die wesentlichen Parameter sind die Temperatur und die Zusammensetzung der Stoffe, sowie die Strömungsgeschwindigkeit. Jeder dieser Parameter bildet eine eigene Grenzschicht. Im Falle der Konvektion zwischen Fluiden ist die Bestimmung der Grenzschichten meistens sehr schwierig bis unmöglich, da sie messtechnisch nicht oder schlecht erfassbar sind und sich oft mit hoher Frequenz nach einem Zufallsprinzip ändern. Der Wärmestrom wird durch die Wärmeübergangszahl α oder die dimensionslose Nusselt-Zahl Nu beschrieben. Naturgemäß ist bei der freien Konvektion die Richtung der Strömung durch die Gravitation vorgegeben, denn die Strömung wird durch Dichte- und damit Gewichtsunterschiede bewirkt. Für eine optimale Nutzung ist deshalb eine vertikale Ausrichtung der Oberfläche des festen Körpers anzustreben. Bei erzwungener Konvektion dagegen ist die Ausrichtung im Raum beliebig, da die Strömung normalerweise konstruktiv so dimensioniert wird, dass der Anteil der unvermeidbaren freien Konvektion unmaßgeblich ist. Da sich bei letzterer die den Wärmestrom kennzeichnenden Parameter (Temperaturunterschiede, Dichteunterschiede, Auf-/Abtrieb, Strömungsgeschwindigkeiten) gegenseitig beeinflussen, ist die Bestimmung der Wärmeübertragung von technischen Bauteilen sehr kompliziert. So muss beispielsweise die Leistungsmessung an Raumheizköpern für jeden Typ und jede Größe unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen bei fest vorgegebenen Randbedingungen einzeln messtechnisch ermittelt werden. Eine rechnerische Simulation ist dagegen selbst mit heutigen Hochleistungsrechnern noch aufwendiger und vor allem ungenauer. Der Vorteil der freien Konvektion ist der, dass der Wärmetransport ohne zusätzliche Antriebsenergie und -apparate erfolgt, allerdings gibt die Gravitation Grenzen in der örtlichen Verteilung vor, da die Strömung vorzugsweise vertikal ausgerichtet ist. Nachteilig ist der schlechte Wärmeübergang, der durch große Flächen kompensiert werden muss. Der Wärmetransport mit Fluiden über große Entfernungen ist wegen der thermischen Verluste für beide Arten der Konvektion nachteilig (zum Beispiel bei Fernwärme). Mit freier Konvektion ist auch ein Zirkulationssystem möglich, wenn eine Wärmequelle und eine -senke in einem geschlossenen Raum vorhanden sind (Beispiel: Raumheizung, Wärmerohr), das in gewissen Grenzen selbstregelnd wirkt, da bei ansteigender Temperaturdifferenz die Zirkulation zunimmt und umgekehrt. Der Wärmeübergang kann, auch bei freier Konvektion, erheblich effektiver sein, wenn das Fluid im Arbeitstemperaturbereich einen Siedepunkt hat, zum Beispiel der Kondensator einer Kältemaschine (die Rohrschlange außen an der Rückseite eines Haushaltskühlschranks, in der auf der Innenseite das Kältemittel kondensiert). Hinzu kommt der Vorteil, dass der Wärmeübergang auf dieser Seite fast vollständig isotherm verläuft, das heißt die Temperaturdifferenz zur Raumluft im ganzen Rohr nahezu gleich ist.

Sonderfall freier Konvektion an einer horizontalen Oberfläche (Rayleigh-Bénard-Konvektion)

Ein über einer temperierten horizontalen Fläche stehendes Fluid (Beispiel: Luft über erwärmter Erdoberfläche, Wasser im Kochtopf) überströmt die Fläche im Normalfall nicht und bildet auch keine Grenzschicht, weil die Auftriebskräfte senkrecht zur Oberfläche stehen. Man kann auch sagen, das ganze Fluid besteht aus Grenzschicht, da sich die Temperatur nach oben bis zur Oberfläche ändert, wobei sich im Falle der Erdatmosphäre eine Grenzschicht von nur circa einem Millimeter Dicke über den Erdboden entwickelt und hierüber nahezu der gesamte Wärmeaustausch zwischen Luft und Boden realisiert wird. Dies führt dazu, dass erwärmte Moleküle aufsteigen und kältere absinken. Dabei findet eine Durchmischung und gleichzeitiger Wärmeaustausch statt, bis eine stabile Temperaturschichtung erreicht wird. Mit gezielter Strömungsführung kann aber auch die Oberfläche horizontal überströmt werden und die Konvektion beschleunigt werden (Beispiel: Fußbodenheizung, Thermikkraftwerk), was zu einer Zirkulationsströmung führt. Auch horionzale Massenströme wie der Wind können hierbei zur Ausbildung von Grenzschichten führen.

Konvektion an einem Feststoff mit Stoffaustausch

Oft ist das „andere“ Volumen aber selbst auch ein Fluid, was zur Folge hat, dass die Grenzflächen fließend ineinander übergehen und in vielen Fällen zu dem Wärmeaustausch ein Stoffaustausch hinzukommt, das heißt dass hier auch eine Angleichung der Stoffzusammensetzung erfolgt. Überströmt das Fluid einen Feststoff oder ein Stoffgemisch mit einem niedrigeren Sättigungsdampf- oder Sublimationsdruck, so führt dies zu einem Stoffaustausch, indem der Stoff, dessen Dampf- oder Sublimationsdruck überschritten wird, in das Fluid diffundiert (Beispiel: Trocknung). Dazu ist eine Temperaturdifferenz nicht unbedingt erforderlich, aber förderlich. Diese stellt sich in der Regel schon dadurch ein, dass der Stoff, der verdampft oder sublimiert wird, die Verdampfungswärme seiner eigenen festen oder flüssigen Phase entzieht und diese damit abkühlt, was jedoch auch schon bei einer Verdunstung der Fall ist. Natürliche Konvektion kann in diesem Fall auch dadurch entstehen, dass infolge des Stofftransports das Fluid seine Dichte verändert und damit den Auf- bzw. Abtrieb erhält, wenn die Temperaturdifferenz dazu zu gering ist. Der Vorgang ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärme- von einem Stofftransport überlagert wird. Beide folgen den in etwa gleichen Gesetzmäßigkeit, was als die „Analogie zwischen Wärme- und Stoffaustausch“ bezeichnet wird. Dies drückt sich auch in der mathematischen Beschreibung aus: der Wärmetransport wird durch das fouriersche, der Stofftransport durch das ficksche Gesetz beschrieben, die formal gleich sind, sich lediglich durch die Variablen Temperatur beziehungsweise Konzentration und die jeweiligen Übergangswiderstände unterscheiden. Das heißt dann auch, dass sich analog zu dem Temperaturverlauf im Bild innerhalb des Fluids ein Konzentrationsverlauf mitsamt einer entsprechenden Grenzschicht einstellt.

Konvektion zwischen Fluiden

Konvektive Vorgänge zwischen zwei Fluiden sind streng genommen immer mit einem Stoffaustausch verbunden, da eine Flüssigkeit einen endlichen Sättigungsdampfdruck besitzt und somit ihre Dämpfe in eine gasförmige oder flüssige Grenzschicht diffundieren. Die Diffusion erfolgt allein durch Partialdruckdifferenzen. Sie kann von einer Ver- oder Durchmischung überlagert werden, wenn zusätzlich eine Strömumg vorliegt oder entsteht. Im Gegensatz zu einer festen Wand ist die Strömungsgeschwindigkeit an der Grenzfläche nicht zwingend gleich Null, so dass eine reine Wärmeleitung hier ausgeschlossen werden kann. Ein typischer Fall ist eine Flamme, beispielsweise einer Kerze oder eines Feuerzeugs. Bedingt durch die Konvektion der aufströmenden Gase strömt ihre eigene Vebrennungsluft aufgrund des erzeugten Unterdrucks von unten nach. Vom Flammenkern nach außen entsteht ein starkes Temperaturgefälle, durch das die Flammgase aufsteigen, die umgebende Luft „ansaugen“ und nach oben „mitführen“. Auch oberhalb der Flamme setzt sich dieser Effekt fort, der allerdings stark abklingt, da hier keine weiteren Temperaturunterschiede erzeugt werden. Auf diese Weise entsteht ein natürlicher Kamin, also ohne feste Begrenzung, der Luft vertikal von unten und horizontal von allen Seiten ansaugt und vertikal nach oben fördert. Sind beide Fluide im gleichen Aggregatzustand, wie bei der Flamme, so findet schon bei relativ geringen Strömungsgeschwindigkeitsdifferenzen in der Grenzschicht eine Verwirbelung und daraus folgend eine Vermischung statt. Die Grenzfläche ist dann nicht mehr klar definiert und die Wärmeübertragung wird, insbesondere bei Gasen und Dämpfen, die oft in jedem Verhältnis miteinander mischbar oder ineinander löslich sind, von der Vermischung dominiert. Die Verwirbelung wird gut sichtbar, wenn man eine brennende Kerze löscht. Der aufströmende Dampf des nun unverbrannten Kerzentalgs kondensiert schnell und ist als Strom feinster Tröpfchen sichtbar, die sich unmittelbar stark im Kontakt mit der Luft verwirbeln und letztendlich weit verteilen, wodurch sie wieder unsichtbar werden. Um- oder überströmt ein Gas eine Flüssigkeit, so kommt es, solange der Dampfdruck des Gases unter seinem Sättigungsdampfdruck liegt, also das Gas noch nicht gesättigt ist, zu einer Diffusion der Flüssigkeit in die Gasphase. Auch wenn das Gas wärmer ist als die Flüssigkeit, kühlt sich die Flüssigkeit dabei ab, da ihr die Verdampfungswärme entzogen wird. Beispiel: Luft und Wasser. In diesem Fall spricht man auch von Verdunstung, weil die Gasphase nicht aus reinem Dampf der Flüssigkeit besteht. Bei nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser und Öl, sind die Vorgänge bei geringen Strömungsgeschwindigkeitsdifferenzen mit denen an einer festen Wand vergleichbar, bei höheren kann eine Tropfenbildung auftreten, die zu einer Emulgation führt. Diese wiederum führt zu einer erhöhten Wärmeübertragung infolge einer Vergrößerung der Grenzflächen an den Tropfen.

Sonderfall der Konvektion an einer Oberfläche hervorgerufen durch Oberflächenspannung (Marangoni-Konvektion)

Ein Fluid mit einer Oberfläche, zum Beispiel einer horizontalen Grenzschicht zu einem anderen Fluid, das von unten erwärmt wird, kann den Marangoni-Effekt beziehungsweise die Marangoni-Konvektion zeigen. Wenn die Oberfläche eine wellenförmige Störung erfährt, dann bilden sich Wellentäler und Wellenberge aus. Da die Wellentäler näher an der Wärmequelle liegen, haben sie eine höhere Temperatur. Bei höherer Temperatur sinkt jedoch die Oberflächenspannung. Der Unterschied der Oberflächenspannung zwischen den Bergen und Tälern ist die Kraft, die eine Konvektion zwischen diesen antreibt. Reibung, Wärmeleitung und gegebenenfalls Rayleigh-Bénard-Konvektion wirken diesem Effekt entgegen. Die dimensionslose Marangoni-Zahl gibt das Verhältnis zwischen Marangoni-Konvektion und der Wärmeleitung an, die ebenfalls dimensionslose Bondzahl das Verhältnis zwischen Marangoni- und Bénard-Konvektion. Die Marangoni-Konvektion spielt bei Wetterphänomenen eine Rolle, stellt aber zum Beispiel auch ein Problem bei der Herstellung von Einkristallen für die Halbleiter-Produktion dar. Darüber hinaus spielt der Marangoni-Effekt eine maßgebliche Rolle bei der Stabilisierung von flüssigen Schäumen. Hierbei bewirkt der durch eine Störung der Schaumfilmoberfläche induzierte Gradient der Oberflächenspannung einen die Störung heilenden, konvektiven Strom der interlamellaren Flüssigkeit.

Beispiele für Konvektion

- Die Erdatmosphäre und die Ozeane beziehungsweise Meere bilden ein gigantisches System freier Konvektion mit einem Zweiphasensystem Luft/Wasser, mit Verdampfung/Kondensation und Mischung/Entmischung (Wolken/Regen) sowie Wärmequellen (solar beheizte Flächen auf dem Festland und den Meeren) und -senken (der Sonne abgewandte Seite der Erde oder polnahe Regionen), Zirkulation (Golfstrom) usw. Großräumiger horizontaler Wärmetransport wird auch als Advektion bezeichnet.
- Sowohl der Erdmantel als auch der äußere Erdkern bilden Konvektionssysteme planetarer Dimension. Im Erdmantel konvektiert das Gestein, das aufgrund der hohen Temperaturen auf geologischen Zeitskalen wie eine Flüssigkeit strömen kann (Festkörperkriechen), im äußeren Kern erzeugt die Konvektion der flüssigen Eisenlegierung das Erdmagnetfeld.
- Die Granulation der Sonnenoberfläche entsteht durch auf- und absteigende Gase in den äußeren Bereichen der Sonne. Heißeres und somit heller leuchtendes Material steigt in den Granulen auf, gibt Wärme als Strahlung ab und sinkt in den dunkleren Zonen zwischen den Granulen wieder ab. Im Gegensatz dazu sind die Sonnenflecken und Protuberanzen ein magnetisches Phänomen.
- Warmwasserheizung: luftseitig mit freier Konvektion mit Zirkulation, wasserseitig mit erzwungener Konvektion
- Solarturm, Aufwindkraftwerk: Gewinnung von elektrischer Energie aus freier Konvektionsströmung
- Segelflug: Flugenergie aus Aufwind, der so genannten Thermik, an geneigten solarbeheizten Erdoberflächen (z.B. Hänge).
- Kamin (Schornstein): stellt sicher, dass, solange das Feuer brennt, infolge des dadurch entstehenden Auftriebs die Verbrennungsabgase immer nach außen abgeführt werden (Kamineffekt). Der Kamin muss so dimensioniert sein, dass trotz Wärmeabgabe an die Innenwand eine ausreichende Auftriebsströmung erhalten bleibt, was durch entsprechende Höhe und lichte Weite erreicht wird.
- Haartrocknung (Fön): erzwungene Konvektion mit Verdampfung (hier genauer: Verdunstung)
- Wäschetrocknung (Leine): wie Haartrocknung, jedoch freie Konvektion
- Kühlung von Prozessoren: Zeigt die Leistungsdichte zur Abführung der Verlustleistung: # Leistungsklasse Intel 8086 bis Intel 80486/40: horizontal ausgerichtete glatte Oberfläche, freie Konvektion # ab Leistungsklasse Intel 80486/66: Kühlkörper mit vertikal durchströmten Oberflächen ohne Ventilator, freie Konvektion # Intel 80486/100, Intel Pentium: wie Intel 80486/66, jedoch mit zusätzlichen Ventilator, erzwungene Konvektion # div. neuere Prozessoren oder Großrechner: Wassergekühlt statt luftgekühlt, wegen der erhöhten spezifischen Wärmekapazität von Wasser begünstigter Wärmeübergang, erzwungene Konvektion # Zukunft (?): Kühlung durch Verdampfung/Verdunstung Siehe auch: Trocknung, Thermik, Aufwind

Weblinks

- http://www.leben-begreifen.uni-bonn.de/42.html
- [http://wetterchronik.de/mm/wolken/20040531.htm Foto: Beispiel für meteorologische Konvektion, an "Haufenwolken" erkennbar] Kategorie:Thermodynamik Kategorie:Strömungslehre Kategorie:Meteorologie Kategorie:Astrophysikalischer Prozess ja:対流

Arbeit

Das Wort Arbeit bezeichnet:
- die zielgerichtete, zweckgebundene menschliche Verrichtung allgemeiner Art, siehe Tätigkeit
- in der Arbeitswissenschaft einen Beruf
- in der Philosophie die bewusste schöpferische Auseinandersetzung des Menschen mit der Natur und der Gesellschaft, siehe Arbeit (Philosophie)
- in der Soziologie die zielbewusste und sozial durch Institutionen abgestützte Tätigkeit, siehe Arbeit (Soziologie)
- in der Volkswirtschaftslehre einen Produktionsfaktor, siehe Arbeit (Ökonomie), oft einschränkend nur als bezahlte Arbeit; siehe auch Arbeit (Marxismus)
- in der Physik eine Energiemenge, das Produkt aus Kraft und Weg, siehe Arbeit (Physik)
- in der Theologie ein Gut, durch das sich der Mensch selbst verwirklichen kann Kategorie:Arbeit Kategorie:Tätigkeit simple:Work

Joule-Thomson-Effekt

Der Joule-Thomson-Effekt, nicht zu verwechseln mit dem Thomson-Effekt, tritt auf, wenn ein Gas oder Gasgemisch bei Druckänderung eine Temperaturänderung erfährt. Wenn man zum Beispiel Luft stark verdichtet, dann erwärmt sie sich. Umgekehrt kühlt sie sich bei Ausdehnung ab. Diese Erscheinung spielt eine wichtige Rolle in der Thermodynamik von Gasen und ist daher vor allem für die Meteorologie und Technik von Bedeutung. Neben der Wirkung auf den Wärmehaushalt der Erdatmosphäre kann sich die Erwärmung zum Beispiel in Pumpen und Kompressoren bemerkbar machen. Eine wichtige großtechnische Anwendung ist die Gasverflüssigung im Linde-Verfahren. Linde-Verfahren Verringert man den Druck auf ein Gas, etwa indem man es aus seinem Behälter herausströmen lässt, expandiert es. Das heißt, das vom Gas eingenommene Volumen nimmt zu. Dabei nimmt auch der mittlere Teilchenabstand zu. Bei realen Gasen wirken dabei anziehende oder abstoßende Kräfte zwischen den Teilchen, wobei in den meisten Fällen, wie etwa bei den Gasen der Luft bei Normaldruck, die anziehenden Kräfte vorherrschend sind. Wenn der mittlere Teilchenabstand zunimmt wird Arbeit gegen die Anziehungskräfte, die zwischen den Teilchen wirken, verrichtet. Die Energie dazu kommt aus der kinetischen Energie des Gases, die dadurch verringert wird. Die Teilchen werden im Mittel langsamer und das Gas kühlt in der Folge ab. Ein ideales Gas zeigt keinen Joule-Thomson-Effekt, da zwischen seinen Teilchen keine Wechselwirkungen auftreten.

Geschichtliches

Der Joule-Thomson-Effekt wurde nach James Prescott Joule und Sir William Thomson (dem späteren Lord Kelvin) benannt, die dieses Phänomen im Jahre 1852 beschrieben.

Thermodynamik

Joule-Thomson-Koeffizient

Die Stärke und Richtung der Temperaturänderung wird durch den Joule-Thomson-Koeffizient μ beschrieben: :

\mu_ = \left( \frac\right)_H

Er stellt die partielle Ableitung der Temperatur T nach dem Druck p bei konstanter Enthalpie H dar. Der Vorgang ist also isenthalp, was durch den Index H angedeutet wird. Im Allgemeinen kühlen sich Gase bei Ausdehnung ab, während sie sich bei Kompression erwärmen. Dazu gehören etwa Kohlendioxid und Luft. Für diesen Fall ist der Joule-Thomson-Koeffizient (bei Raumtemperatur) positiv. Einige Gase wie der Wasserstoff oder Helium verhalten sich umgekehrt. Sie erwärmen sich bei Ausdehnung und kühlen sich bei Kompression ab. Sie besitzen einen negativen Joule-Thomson-Koeffizienten. Für ideale Gase gilt:

\mu_ = 0

, siehe Joule-Versuch.

Joule-Thomson-Inversionskurve

Joule-Versuch Die Kurve im Druck-Temperatur-Diagramm für die :

\mu_ = \left( \frac\right)_H = 0

gilt wird als Joule-Thomson-Inversionskurve bezeichnet. Im von der Kurve eingeschlossenen Bereich gilt

\mu_ > 0

, außerhalb gilt

\mu_ < 0

Herleitung

Thermodynamisch bleibt die Enthalpie H erhalten. :

\mathrm dH = T \mathrm dS + V \mathrm dp \!

mit

H = U + pV \!

Totales Differential der Entropie S(T,p): :

\mathrm dS=\underbrace_ \mathrm dT + \frac_ \mathrm dp

Maxwellrelation der freien Enthalpie G: :

\frac_ = -\frac_

Isotherme Kompressibilität: :

\alpha = -\frac\frac_

\Rightarrow \quad \mu_=\frac_ = \frac(T\alpha-1)

Für ein ideales Gas ist

\alpha = \frac

und somit ist der Joule-Thomson Effekt nicht beobachtbar. Bei realen Gasen ist der Effekt hingegen gegeben. Hierbei stehen die einzelnen Formelzeichen für folgende Größen:
- C_p - Wärmekapazität bei konstantem Druck
- α - Wärmeausdehnungskoeffizient

Technische Aspekte

Wärmeausdehnungskoeffizient] Das Linde-Verfahren zur Gasverflüssigung setzt einen positiven Joule-Thomson-Koeffizienten voraus. Nur so kann die Energie des komprimierten Gases abgeführt werden, obwohl die Umgebungstemperatur höher ist als die des Gases. In der "Linde-Maschine" wird Luft durch ein Drosselventil von etwa 200 bar auf etwa 20 bar entspannt. Dabei kühlt sie sich um etwa 45° Celsius ab. Die abgekühlte Luft wird nun genutzt, um weitere komprimierte Luft vor der Entspannung abzukühlen (Gegenstrom-Wärmeübertrager). Über mehrere Kompressions- und Entspannungsstufen kann somit das Gas soweit abgekühlt werden, dass es kondensiert und somit flüssig wird. Da der Joule-Thomson-Koeffizient von der Temperatur abhängt, kann es je nach verwendetem Gas sein, dass selbiges vorgekühlt werden muss, da es sich sonst noch weiter erwärmt, anstatt sich weiter abzukühlen. Beispielsweise muss Helium erst mit anderen Methoden auf ungefähr -228 °C (50 K) abgekühlt werden. Ein positiver Joule-Thomson-Koeffizient ist neben der Reibung mitverantwortlich dafür, dass Kompressionsanlagen gekühlt werden müssen, beziehungsweise dass komprimierte Gase Wärme bei einer höheren Umgebungstemperatur abgeben können. Dies wird bei der Brüdenkompression eingesetzt.

Anwendungen

- Gasverflüssigung (Linde-Verfahren)
- Der Joule-Thomson-Effekt kann zur Herstellung von Trockeneis im Labor genutzt werden, indem man Kohlendioxid aus einer Druckgasflasche ausströmen lässt. Dieses Verfahren ist aber im Vergleich zur kommerziellen Herstellung sehr unwirtschaftlich, da nur ein kleiner Anteil des Gases verfestigt wird.
- Eine Folge des Effekts kann die Abkühlung von Erdgas in Pipelines sein. Durch den hohen Massenstrom unter Druckabfall kann es unter ungünstigen Bedingungen zu (unerwünschten) Vereisungen der Pipelines kommen.

Literatur

- L. D. Landau, E. M. Lifschitz: Lehrbuch der Theoretischen Physik - Band V. Akademie-Verlag Berlin ISBN 3055000692
- Peter W. Atkins: Physikalische Chemie. Wiley-VCH, ISBN 3527302360
- Refah Ayber: Thomson-Joule-Effekt von Methan-Wasserstoff- und Äthylen-Wasserstoff-Gemischen. VDI-Verlag, ISBN B0000BG101 Kategorie:Thermodynamik Kategorie:Chemie Kategorie:1852 ja:ジュール＝トムソン効果

Wasserdampf

In der Umgangssprache versteht man unter Wasserdampf meist die sichtbaren Dampfschwaden von teilweise bereits kondensierendem Wasserdampf (Nassdampf), wie er auch als Nebel oder in Wolken vorkommt. Im technisch-naturwissenschaftlichen Kontext ist Wasserdampf gasförmiges Wasser, das in diesem Aggregatzustand unsichtbar ist wie Luft. Wasserdampf ist chemisch äußerst stabil und wird nur durch sehr aggressive Reagenzien wie zum Beispiel Fluor oder glühenden Kohlenstoff angegriffen.

Entstehung und Zustände

glühenden Kohlenstoff Bei einem normalen Umgebungsdruck von 1 atm (= 101,325 kPa) siedet Wasser bei 100° Celsius. Wird dem Wasser darüber hinaus Energie (Wärme) zugeführt, verdampft es, ohne dass es zu einem weiteren Temperaturanstieg kommt. Aus 1 Liter (entsprechend 1 kg) Wasser entstehen 1,7 m³ Wasserdampf, wofür eine Energiezufuhr von 2250 kJ benötigt wird. In Gleichgewichtszustand entspricht der Dampfdruck immer dem äußeren Druck (ggf. Umgebungsdruck). Die zugeführte Energie erhöht die innere Energie des Dampfes und leistet gegenüber dem Umgebungsdruck eine Verschiebearbeit W. :

\ W = p \cdot  \Delta  V = ^3 =

Beide Beiträge ergeben die Verdampfungsenthalpie H, die sich in einem Enthalpie-Entropie-Diagramm (h-s-Diagramm) als Differenz auf der y-Achse ablesen lässt. Das hier abgebildete T-s-Diagramm stellt die für die Verdampfung notwendige Wärme in Form der gepunkteten blauen Fläche dar. Ebenso lässt sich dabei der Zuwachs an Verdampfungsentropie

\triangle S

ermitteln:

= Verdampfungswärme bzw. Verdampfungsenthalpie

= Siedetemperatur in K

\triangle S = \frac

\triangle S = \frac = 6,0297 \; \mathrm

Entsprechend dem Phasendiagramm siedet Wasser bei einem Luftdruck von 0,4 bar, wie er beispielsweise auf dem Mount Everest gegeben ist, schon bei etwa 75 °C. Die aufzuwendende Verdampfungswärme ist jedoch größer, ebenso die Volumenzunahme des Dampfes. Mit steigendem Druck nimmt die Verdampfungswärme des Wassers entsprechend den kleiner werden Flächen im T-s-Diagramm ab, bis sie im kritischen Punkt gleich Null ist.

Erscheinungsformen

kritischen Punkt Der Dampfdruck des Wassers ist temperaturabhängig, bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes spricht man von Verdunstung. In gesättigter Umgebungsluft stellt sich ein Gleichgewicht zwischen verdunstendem Wasser und kondensierendem Wasserdampf ein. Durch die ständige Luftbewegung trocknet Wäsche im Freien recht schnell, da die abgekühlte und gesättigte Umgebungsluft durch wärmere Luft verdrängt wird. Die Übergangsbedingungen zwischen flüssigem Wasser und Wasserdampf sind in der Siedepunktkurve des Zustandsdiagramms dargestellt, welche in der rechten Abbildung dargestellt ist. Wenn man Wasser in einer kälteren Umgebung unter Zufuhr von Wärme verdampft, kondensieren Teile des gasförmigen Wassers wieder zu feinsten Tröpfchen. Der Wasserdampf besteht dann aus diesen und gasförmigem, unsichtbarem Wasser. Diese Mischung bezeichnet man als Nassdampf, den man zum Beispiel beim Wasserkochen sehr gut sehen kann. Im T-s-Diagramm erstreckt sich der Bereich des Nassdampfes bis zum kritischen Punkt bei 374 °C und 221,2 bar. Oberhalb dieser Temperatur sind Wasserdampf und flüssiges Wasser in ihrer Dichte nicht mehr voneinander zu unterscheiden, weshalb man diesen Zustand „überkritisch“ nennt. Überkritisches Wasser hat chemisch gesehen besonders aggressive Eigenschaften. Es wurden daher Versuche unternommen, mit dessen Hilfe biologisch schwer abbaubare organische Schadstoffe, wie z.B. Dioxine, PCB etc., hydrolytisch zu spalten. Unterhalb des kritischen Punktes ist der Wasserdampf folglich „unterkritisch“, wobei er sich in einem Gleichgewicht mit dem flüssigen Wasser befindet. Wird er in diesem Bereich nach dem vollständigen Verdampfen der Flüssigkeit über die zugehörige Verdampfungstemperatur weiter erwärmt, so entsteht „überhitzter Dampf“ oder „Heißdampf“. Diese Form des Dampfes enthält keinerlei Wassertröpfchen mehr und ist in seinem physikalischen Verhalten ebenfalls ein Gas und nicht sichtbar. Der Grenzbereich zwischen Nass- und Heißdampf heißt „Sattdampf“ oder in Abgrenzung zum Nassdampf gelegentlich auch „Trockendampf“. Auf diesen Zustand sind die meisten Tabellenwerte über Wasserdampf bezogen. Der Inhalt des Nassdampfes an flüssigem Wasser ist durch den Massenanteil x gekennzeichnet, der sich mit folgender Formel berechnen lässt:

x = \frac

Eine besondere Bedeutung kommt den beiden Grenzkurven x = 0 und x = 1 im T-s-Diagramm zu, die sich im kritischen Punkt treffen: Die Kurve x = 0 grenzt das Gebiet der Flüssigkeit vom Nassdampf ab, während die Kurve x =1 den Nassdampf vom Heißdampf trennt und gleichzeitig den Zustand des Sattdampfes markiert. Andere Bezeichnungen für die Kurve x=0 sind Siedelinie oder untere Grenzlinie, die Kurve x=1 wird auch Taulinie, Sattdampfkurve oder obere Grenzlinie genannt. Die Schreibweise mit x für den Massenbruch ist hierbei nicht einheitlich definiert, da vor allem in der Chemie der Massenanteil mit w angegeben wird und x hier mehrheitlich für den