Geowissenschaften

Lektion Ziele

• Liste der wichtigsten Schichten der Atmosphäre und Ihre Temperaturen.
• Diskutieren Sie, warum alles Wetter in der Troposphäre stattfindet.
• Diskutieren Sie, wie die Ozonschicht die Oberfläche vor schädlicher Strahlung schützt.,

Aurora

Einleitung

Die Atmosphäre ist geschichtet, entsprechend wie sich die Temperatur der Atmosphäre mit der Höhe ändert. Wenn wir verstehen, wie sich die Temperatur mit der Höhe ändert, können wir viel darüber lernen, wie die Atmosphäre funktioniert., Während das Wetter in der unteren Atmosphäre stattfindet, passieren interessante Dinge, wie die schöne Aurora, höher in der Atmosphäre.

Lufttemperatur

Warum steigt warme Luft an (Abbildung oben)? Gasmoleküle können sich frei bewegen und wenn sie unangetastet sind, wie sie in der Atmosphäre sind, können sie mehr oder weniger Platz einnehmen.

• Wenn Gasmoleküle kühl sind, sind sie träge und nehmen nicht so viel Platz ein., Bei der gleichen Anzahl von Molekülen in weniger Raum sind sowohl die Luftdichte als auch der Luftdruck höher.
• Wenn Gasmoleküle warm sind, bewegen sie sich kräftig und nehmen mehr Platz ein. Luftdichte und Luftdruck sind niedriger.

Wärmer, leichter luft ist mehr auftrieb als die kühler luft über es, so es steigt. Die kühlere Luft sinkt dann ab, weil sie dichter ist als die Luft darunter. Dies ist die Konvektion, die im Kapitel Plattentektonik beschrieben wurde.

Die Eigenschaft, die sich mit der Höhe am auffälligsten ändert, ist die Lufttemperatur., Im Gegensatz zu der Änderung von Druck und Dichte, die mit der Höhe abnehmen, sind Änderungen der Lufttemperatur nicht regelmäßig. Eine Temperaturänderung mit Abstand wird als Temperaturgradient bezeichnet.

Die Atmosphäre wird in Schichten unterteilt, basierend darauf, wie sich die Temperatur in dieser Schicht mit der Höhe ändert, dem Temperaturgradienten der Schicht (Abbildung unten). Der Temperaturgradient jeder Schicht ist unterschiedlich. In einigen Schichten steigt die Temperatur mit der Höhe und in anderen nimmt sie ab. Der Temperaturgradient in jeder Schicht wird durch die Wärmequelle der Schicht bestimmt (Abbildung unten).,

Die meisten wichtigen Prozesse der Atmosphäre finden in den untersten zwei Schichten statt: der Troposphäre und der Stratosphäre.,

Troposphäre

Die Temperatur der Troposphäre ist in der Nähe der Erdoberfläche am höchsten und nimmt mit der Höhe ab. Im Durchschnitt beträgt der Temperaturgradient der Troposphäre 6,5°C pro 1.000 m (3,6°F pro 1.000 ft.) der Höhe. Was ist die Wärmequelle für die Troposphäre?

Die Erdoberfläche ist eine wichtige Wärmequelle für die Troposphäre, obwohl fast die gesamte Wärme von der Sonne kommt. Gestein, Erde und Wasser auf der Erde absorbieren das Licht der Sonne und strahlen es als Wärme in die Atmosphäre zurück., Die Temperatur ist auch in der Nähe der Oberfläche wegen der größeren Dichte von Gasen höher. Die höhere Schwerkraft lässt die Temperatur steigen.

Beachten Sie, dass in der Troposphäre wärmere Luft unter kühlerer Luft ist. Was ist Ihrer Meinung nach die Konsequenz daraus? Dieser Zustand ist instabil. Die warme Luft in der Nähe der Oberfläche steigt und kühle Luft höher in der Troposphäre sinkt. Die Luft in der Troposphäre mischt sich also stark. Dieses Mischen bewirkt, dass der Temperaturgradient mit der Zeit und dem Ort variiert., Das Auf-und Absinken der Luft in der Troposphäre bedeutet, dass das gesamte Wetter des Planeten in der Troposphäre stattfindet.

Manchmal gibt es eine Temperaturinversion, die Lufttemperatur in der Troposphäre steigt mit der Höhe und warme Luft sitzt über kalter Luft. Inversionen sind sehr stabil und können mehrere Tage oder sogar Wochen dauern. Inversionen bilden:

• Über Land in der Nacht oder im Winter, wenn der Boden kalt ist. Der kalte Boden kühlt die Luft, die darüber sitzt, und macht diese niedrige Luftschicht dichter als die Luft darüber.
• In Küstennähe, wo kaltes Meerwasser die Luft darüber kühlt., Wenn sich diese dichtere Luft ins Landesinnere bewegt, gleitet sie unter der wärmeren Luft über das Land.

Da Temperaturinversionen stabil sind, fangen sie häufig Schadstoffe ein und erzeugen ungesunde Luftbedingungen in Städten (Abbildung unten).

Oben in der Troposphäre befindet sich eine dünne Schicht, in der sich die Temperatur nicht mit der Höhe ändert., Dies bedeutet, dass die kühlere, dichtere Luft der Troposphäre unter der wärmeren, weniger dichten Luft der Stratosphäre eingeschlossen ist. Luft aus der Troposphäre und Stratosphäre vermischt sich selten.

Stratosphäre

Asche und Gas eines großen Vulkanausbruchs können in die Stratosphäre, die Schicht über der Troposphäre, eindringen. Einmal in der Stratosphäre, bleibt es dort für viele Jahre suspendiert, weil es so wenig Vermischung zwischen den beiden Schichten gibt. Piloten fliegen gerne in den unteren Teilen der Stratosphäre, weil es wenig Luftturbulenzen gibt.,

In der Stratosphäre steigt die Temperatur mit der Höhe. Was ist die Wärmequelle für die Stratosphäre? Die direkte Wärmequelle für die Stratosphäre ist die Sonne. Die Luft in der Stratosphäre ist stabil, weil wärmere, weniger dichte Luft über kühlerer, dichterer Luft sitzt. Infolgedessen gibt es wenig Mischen von Luft innerhalb der Schicht.

Die Ozonschicht befindet sich in der Stratosphäre zwischen 15 und 30 km Höhe. Die Dicke der Ozonschicht variiert je nach Jahreszeit und Breitengrad.,

Die Ozonschicht ist äußerst wichtig, da Ozongas in der Stratosphäre den größten Teil der schädlichen ultravioletten (UV) Strahlung der Sonne absorbiert. Aus diesem Grund schützt die Ozonschicht das Leben auf der Erde. Hochenergetisches UV-Licht dringt in Zellen ein und schädigt die DNA, was zum Zelltod führt (den wir als schlechten Sonnenbrand kennen). Organismen auf der Erde sind nicht an eine starke UV-Exposition angepasst, die sie tötet oder schädigt. Ohne die Ozonschicht, die UVC-und UVB-Strahlung reflektiert, würde das komplexeste Leben auf der Erde nicht lange überleben (Abbildung unten).,

Mesosphäre

Die Temperaturen in der Mesosphäre nehmen mit der Höhe ab. Da es in der Mesosphäre nur wenige Gasmoleküle gibt, die die Sonnenstrahlung absorbieren, ist die Wärmequelle die Stratosphäre darunter. Die Mesosphäre ist extrem kalt, besonders an ihrer Spitze, etwa -90°C (-130°F).

Die Luft in der Mesosphäre hat eine extrem geringe Dichte: 99,9% der Masse der Atmosphäre liegen unterhalb der Mesosphäre., Dadurch ist der Luftdruck sehr niedrig (Abbildung unten). Eine Person, die durch die Mesosphäre reist, würde schwere Verbrennungen durch ultraviolettes Licht erleiden, da sich die Ozonschicht, die UV-Schutz bietet, in der Stratosphäre darunter befindet. Es gäbe fast keinen Sauerstoff zum Atmen. Und doch würde das Blut eines ungeschützten Reisenden bei normaler Körpertemperatur kochen, weil der Druck so niedrig ist.

Thermosphäre und darüber hinaus

Die Dichte der Moleküle ist in der Thermosphäre so niedrig, dass ein Gasmolekül etwa 1 km gehen kann, bevor es mit einem anderen Molekül kollidiert. Da so wenig Energie übertragen wird, fühlt sich die Luft sehr kalt an (Abbildung oben).

Innerhalb der Thermosphäre befindet sich die Ionosphäre., Die Ionosphäre erhält ihren Namen von der Sonnenstrahlung, die Gasmoleküle ionisiert, um ein positiv geladenes Ion und ein oder mehrere negativ geladene Elektronen zu erzeugen. Die freigesetzten Elektronen wandern innerhalb der Ionosphäre als elektrische Ströme. Aufgrund der freien Ionen hat die Ionosphäre viele interessante Eigenschaften.

Nachts prallen Radiowellen von der Ionosphäre ab und zurück zur Erde. Aus diesem Grund können Sie nachts oft einen AM-Radiosender weit weg von seiner Quelle abholen.,

Die Van Allen-Strahlungsgürtel sind zwei donutförmige Zonen hochgeladener Teilchen, die sich außerhalb der Atmosphäre in der Magnetosphäre befinden. Die Teilchen stammen aus Sonneneruptionen und fliegen mit dem Sonnenwind zur Erde. Sobald sie vom Erdmagnetfeld gefangen sind, folgen sie entlang der magnetischen Kraftlinien des Feldes. Diese Linien erstrecken sich von oberhalb des Äquators zum Nordpol und auch zum Südpol und kehren dann zum Äquator zurück.,

Wenn massive Sonnenstürme dazu führen, dass die Van — Allen-Gürtel mit Partikeln überlastet werden, ist das Ergebnis das spektakulärste Merkmal der Ionosphäre-die nächtliche Aurora (Abbildung unten). Die Teilchen spiralförmig entlang Magnetfeldlinien zu den Polen. Die geladenen Teilchen erregen Sauerstoff-und Stickstoffgasmoleküle und lassen sie aufleuchten. Jedes Gas emittiert eine bestimmte Lichtfarbe.

Es gibt keine wirkliche äußere Grenze zur Exosphäre, der äußersten Schicht der Atmosphäre; die Gasmoleküle werden schließlich so knapp, dass es irgendwann keine mehr gibt. Jenseits der Atmosphäre ist der Sonnenwind. Der Sonnenwind besteht aus Hochgeschwindigkeitspartikeln, meist Protonen und Elektronen, die sich schnell von der Sonne nach außen bewegen.

Dieses video ist sehr gründlich in seiner Diskussion über die Schichten der Atmosphäre., Denken Sie daran, dass die chemische Zusammensetzung jeder Schicht mit Ausnahme der Ozonschicht in der Stratosphäre (8a) nahezu gleich ist: http://www.youtube.com/watch?v=S-YAKZoy1A0 (6:44).

KQED: Beleuchtung der Nordlichter

Wie würde das Magnetfeld der Erde aussehen, wenn es in Farben gemalt würde? Es würde wie die Aurora aussehen! Dieses QUEST-Video betrachtet die Aurora, die Hinweise auf den Sonnenwind, das Erdmagnetfeld und die Erdatmosphäre liefert. Erfahren Sie mehr unter: http://science.kqed.org/quest/video/illuminating-the-northern-lights/.,

Unterrichtsübersicht

• Die Eigenschaften der Atmosphäre ändern sich mit der Höhe: Die Dichte nimmt ab, der Luftdruck nimmt ab, die Temperatur ändert sich.
• Unterschiedliche Temperaturgradienten erzeugen unterschiedliche Schichten innerhalb der Atmosphäre.
• Die unterste Schicht ist die Troposphäre, in der sich die meisten atmosphärischen Gase und das gesamte Wetter des Planeten befinden. Die Troposphäre wird vom Boden aus erwärmt, so dass die Temperatur mit der Höhe abnimmt. Da warme Luft aufsteigt und kühle Luft sinkt, ist die Troposphäre instabil.,
• In der Stratosphäre steigt die Temperatur mit der Höhe. Die Stratosphäre enthält die Ozonschicht, die den Planeten vor der schädlichen UV-Strahlung der Sonne schützt.

Kritik Fragen

1. Geben Sie eine detaillierte Erklärung, warum warme Luft steigt.
2. Warum ändert sich die Lufttemperatur nicht gleichmäßig mit der Höhe? Geben Sie Beispiele.
3. Beschreiben Sie, wie der Boden als Wärmequelle für die Troposphäre wirkt. Was ist die Energiequelle und was passiert mit dieser Energie?
4. Wie stabil ist eine Inversion und warum? Wie entsteht eine Inversion?,
5. Phoenix, Arizona, ist eine Stadt in der Südwestlichen Wüste. Die Sommer sind extrem heiß. Wintertage sind oft ziemlich warm, aber Winternächte können ziemlich kühl sein. Im Dezember sind Inversionen durchaus üblich. Wie entsteht unter diesen Bedingungen eine Inversion und was sind die Folgen einer Inversion zu dieser weitläufigen, autoabhängigen Stadt?
6. Warum kann sich Luft aus der Troposphäre und der Stratosphäre nicht frei vermischen?
7. Was ist die Wärmequelle für die Stratosphäre? Wie wird diese Wärme absorbiert?
8. Ozonbildung und-verlust in der Ozonschicht beschreiben. Tritt einer mehr auf als der andere?,
9. Wie und wo entstehen „Sternschnuppen“?
10. Warum sollte das Blut eines ungeschützten Reisenden in der Mesosphäre kochen?

Weitere Lektüre / Ergänzende Links

• NASA, Das Geheimnis der Aurora: http://www.youtube.com/watch?v=PaSFAbATPvk.

Punkte zu berücksichtigen

• Wie erzeugt Sonnenenergie die Schichten der Atmosphäre?
• Wie erzeugt Sonnenenergie das Wetter?
• Was würde mit dem Leben auf der Erde passieren, wenn es weniger Ozon in der Ozonschicht gäbe?