Molekülspektren und ihre Bedeutung für die Erdatmosphäre

1. Molekülspektren und ihre Bedeutung für die Erdatmosphäre Übungen zu Theoretischer Physik für das Lehramt L2 von Stephanie Gabler und Elisabeth Wallner

2. Überblick • Geschichtlicher Hintergrund - Erkenntnisse • Was ist ein Spektrum? • Verfahren von Molekülspektren • Wie entsteht eine Spektrallinie? • Bsp. Sterne und ihre Spektren • Aufbau und Zusammensetzung der Erdatmosphäre • Bildung und Zerstörung von Ozon • Ozonloch • Treibhauseffekt 10.12.2013 2 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner

3. Geschichte der Molekülspektroskopie Erstmals entdeckt wurden Absorptionslinien 1802 durch William Hyde Wollaston und 1813, unabhängig von ihm, durch Joseph von Frauenhofer im Spektrum der Sonne Stark idealisierte und semi- klassische Modelle für Moleküle auf Grund der Quantentheorie basierend auf dem Bohr´schen Atommodell • Modell fester Kern • Modell starrer Rotator • Modell an- harmonischer Oszillator

4. Verfahren von Molekülspektroskopie • Infrarot- Spektroskopie Untersuchung von festen, flüssigen oder gasförmigen Proben • Raman- Spektroskopie zur Untersuchung molekularer Schwingungen • Mikrowellenspektroskopie für Absorptionsmessungen an der Erdatmosphäre auf Satelliten

5. Spektrallinien Als Spektrallinien oder Resonanzlinie bezeichnet man voneinander scharf getrennte Linien eines Spektrums. Emissionslinien Absorptionslinien

6. Übergangsenergie En=(n+1/2)ħω ΔE= E Endwert – E Anfang ΔE = -Rhc [(1/n²E)-(1/n²A)]

7. Theoretischer Hintergrund Harmonischer Oszillator Potenzial mit V(x)= κx²/2 Ψ0(x)= e-x²/2a² Energieeigenwerte En=(n+1/2)ħω Kreisfrequenz ω=√(κ/m) Frequenz ν= ω/2π =c/λ Hz Wellenlänge λ= c/ ν nm

8. Fraunhofersche Linien • = Absorptionslinien im Spektrum der Sonne • Aussagen über chemische Zusammensetzung und die Temperatur der Gasatmosphäre der Sonne und von Sternen 10.12.2013 9 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner

9. Sterne und ihre Spektren • Objektivprismenaufnahme eines Sternfeldes • bei einigen Sternen lassen sich die Spektrallinien erkennen 10.12.2013 10 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner

10. Aufbau der Erdatmosphäre 10.12.2013 11 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner

11. Aufbau der Erdatmosphäre Nach der thermischen Einteilung: • Troposphäre (10 – 12km) • Stratosphäre (12 – 50km) • Mesosphäre (50 – 85km) • Thermosphäre (Ionosphäre) (85 – 500km) • Exosphäre (> 500km) 10.12.2013 12 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner

12. Aufbau der Erdatmosphäre Nach der chemischen Zusammensetzung: • Homosphäre = untere Schicht Atmosphärengase sind gut durchmischt erstreckt sich bis 80/100km Höhe mittlere Molmasse der Luft: etwa 29 g/mol • Heterosphäremolekularen Diffusionsvorgängen  Entmischung der verschiedenen Bestandteile nach ihrem Molekulargewicht 10.12.2013 13 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner

13. Barometrische Höhenformel 10.12.2013 14 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner

14. Zusammensetzung der Erdatmosphäre • Permanente Hauptbestandteile • Stickstoff 78% • Sauerstoff 21% • Argon 0,9% • Kohlendioxid 0,04% • Permanente Spurengase • Räumlich und zeitlich schwankende Anteile • Nicht variable Spurengase • Variable Spurengase 10.12.2013 15 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner

15. Natürlicher Treibhauseffekt • sorgt für eine Durchschnittstemperatur von etwa 15°C • Ohne ihn würde die Temperatur bei -18°C liegen • Einige Spurenelemente wirken als Treibhausgase  hindern Teil der Wärmestrahlung daran, ins Weltall zu entweichen 10.12.2013 16 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner

16. Bildung und Zerstörung von Ozon • O2 + UV-Licht, elektrische Entladungen  2O • O2 + O O3 Chapman-Theorie: O3 + UV-Licht  O2 + O O3 + O  O2 + O2 10.12.2013 17 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner

17. Ozonloch Auslöser der Ozonzerstörung: • anthropogen halogenierten Kohlenwasserstoffe (FCKWs) • sehr kalte und stabile winterliche antarktische Stratosphäre 10.12.2013 18 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner

18. Treibhauseffekt • das sichtbare Licht der Sonne trifft auf die Erde und wird teilweise in Infrarotstrahlung umgewandelt, welche von bestimmten Molekülen absorbiert wird und in alle Richtungen weggestrahlt wird. Ein Teil davon wird also auch wieder zur Erde zurückgeworfen, was eine stärkere Erwärmung zur Folge hat. 10.12.2013 19 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner

19. Quellen Klose, B.: Meteorologie – Eine interdisziplinäre Einführung in die Physik der Atmosphäre (2008) Wagner, Reischl, Steiner: Einführung in die Phyik http://www.kowoma.de/gps/zusatzerklaerungen/atmosphaere.htm http://de.wikipedia.org/wiki/Fraunhoferlinie http://www.avgoe.de/astro/Teil04/Spektren.html http://www.m-forkel.de/klima/atmosphaere.html http://de.wikipedia.org/wiki/Homosph%C3%A4re_und_Heterosph%C3%A4re http://www.cms.fu-berlin.de/geo/fb/e-learning/pg-net/themenbereiche/klimageographie/leitfragen/index.html http://www.uni-graz.at/~foelsche/VO/Meteorologie/Meteorologie_VO_03_Barometrische_Hoehenformel.pdf Bild Aufbau der Erdatmosphäre: http://www.kowoma.de/gps/zusatzerklaerungen/atmosphaere.htm Bild Fraunhofersche Linien: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7d/Fraunhofer_lines_DE.svg Bild Objektivprismenaufnahme eines Sternenfeldes: http://www.avgoe.de/astro/Teil04/Spektren.html 10.12.2013 20 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner

20. Danke für die Aufmerksamkeit!