Die Atmosphären von Exoplaneten

Alexander Wastl, Q12 am 13.1.2015

Gliederung

1. Basiswissen zum Thema 1.1 Die Entdeckungen seit dem Beginn der Weltraumforschung 1.2 Erklärung von Planeten und Exoplaneten1.3 Erste Beschreibung einer Atmosphäre1.4 Die Atmosphäre der Erde

2. Biomarker 3. Verwendung des Lichtspektrums4. Die Temperatur

4.1 Bestimmung über die Energiebilanz 4.2 Bestimmung über die Gleichgewichtstemperatur

5. Polarisation 6. Atmosphärische Zirkulation 7. Mein FazitQuellen

1. Basiswissen zum Thema1.1 Die Entdeckungen seit dem Beginn der Weltraumforschung

• Erster Exoplanet:„51 Pegasi b“, 1995 von Prof. Michel Mayor• Kepler: 1004 Exoplaneten bestätigt und 4175 Kandidaten hinterlassen

(Stand 8.1.2015) • Gesamt: 1870 Planeten bestätigt in 1179 Systemen (Stand 8.1.2015)

1. Basiswissen zum Thema1.2 Erklärung des Begriffs Planet und Exoplanet

• Exoplaneten oder extrasolare Planeten sind Himmelskörper die außerhalb des Gravitationsfeldes unserer Sonne liegen und somit außerhalb unseres Sonnensystems existieren. Sie umkreisen regelhaft einen anderen Stern.• Kriterien und Definition von „Planet“:1. Er muss sich auf einer Bahn um den jeweiligen Stern befinden.2. Er muss über eine genügende eigene Schwerkraft verfügen, um die

Kräfte fester Körper zu überwinden, so dass er die Form eines hydrostatischen Gleichgewichts (eine annähernd runde Form) annehmen kann.

3. Es muss gegeben sein, dass er die nähere Umgebung seiner Bahn von anderen Körpern bereinigt hat.

1. Basiswissen zum Thema1.3 Beschreibung der Atmosphäre

• Atmosphäre, Gemisch von Gasen, das einen Himmelskörper (wie die Erde) umgibt, dessen Gravitationsfeld stark genug ist, um ein Entweichen der Gase zu verhindern.• Entweichgeschwindigkeit v0 • Jedes Teilchen hat eine potentielle Energie • Um aus dem Gravitationsfeld auszutreten

-> • Desto größer das Verhältnis zu ve wird, desto mehr Teilchen können

aus der Atmosphäre austreten

1. Basiswissen zum Thema1.4 Die Atmosphäre der Erde

• Die Hauptbestandteile: - Stickstoff (ca. 78%) - Sauerstoff (ca. 21%)

-> Restlichen Bestandteile unter >1% • Ozonschicht (ca. 50km höhe)

2. Biomarker

• Gase die Aufgrund von biochemischer Aktivität auftreten. • Man untersucht hier folgende Gase: O2 (Sauerstoff), O3 (Ozon), H2

(Wasserstoff), CO2 (Kohlenstoffdioxid), N2 (Stickstoff), N2O (Distickstoffmonoxid), NO (Stickstoffmonoxid), NO2 (Stickstoffdioxid), H2S (Schwefelwasserstoff), SO2 (Schwefeldioxid) und CH4 (Methan)• O2 eher ungeeignet • Bisher noch nicht Nachgewiesen

3. Verwendung des Lichtspektrums• Fraunhoferlinien zur exakten Bestimmung • Erste Aufnahme 2010 im System HR8799• Die Methode: - Lichtstrahlen werden in einem Spektrographen aufgenommen- Zerteilung des Lichtstrahls durch ein Prisma - Aufnahme des zerteilten Lichtstrahls - Auswertung des entstandenen Abbildes • Zwei zu beachtende Ausnahmen: 1. Auftreten der Moleküle der Erdatmosphäre 2. Rotverschiebung der Absorptionslinien

4. Die Temperatur4.1 Bestimmung über die Energiebilanz

• Stefan-Boltzmann-Gesetz F=σ*T4 • Strahlenleistung eines Sterns Ρ=σ*T4*4πRS

2 • Oberfläche des Planeten 4πa2 • Keine vollständige Aufnahme der Energie

-> 1-A (A messbare Rückstrahlvermögen) welcher das sogenannte Albedo des Planeten ist.• Zwei Sonderfälle

4. Die Temperatur4.1 Bestimmung über die

Energiebilanz1. Sonderfall: Nicht rotierender Planet

φein=φaus

((σ*TS4*4πRS

2)/( 4πa2))*(1-A)=σ*TP4

Daher:

2. Sonderfall: Schnell rotierender Planet

Einstrahlung * Querschnitt des PlanetenAbstrahlung * Oberfläche

((σ*TS4*4πRS

2)/( 4πa2))*(1-A)*πRP2=

σ*TP4*4πRP

2

Daher: TP‘= (1/√2)* (1-A)*T∜ S*√(R/a)= (TP/√2)

4. Die Temperatur4.2 Bestimmung über die

Gleichgewichtstemperatur

• Rein theoretische Zahl• 4 Voraussetzungen: 1. Der Planet hat keine eigene Energiequelle2. Die Eingestrahlte Energie wird restlos wieder abgestrahlt3. Die Atmosphäre strahlt wie ein schwarzer Körper 4. Der Anteil η der Energie als sichtbares Licht reflektiert wird und

nicht zu einer Erwärmung der Planetenoberfläche beiträgt •

4. Die Temperatur4.2 Bestimmung über die

Gleichgewichtstemperatur

• • T=Teff,S(Rs/a)1/2[f´(1-AB)]1/4

• Der Korrekturfaktor f muss je nach Situation angepasst werden (hier f´= ¼ ist wenn die Umverteilung durch Rotation 4π ist.)• Bei Sofort abgestrahlter Energie f´= 2/3

5. Polarisation

• Konstanter Schwingungs- oder Lichtfluss• Linear, zirkulär oder elliptisch• Licht einer Sonne ist nicht polarisiert; aber das Licht einer Atmosphäre

ist polarisiert.• Rückschlüsse auf die Streuungpartikelgrößen, Zusammensetzung und

die Wärmeemission• Polarisationskontrast zur Entdeckung• Zwei Probleme: 1. Schwaches Licht 2. Wolken

6. Atmosphärische Zirkulation

• Temperaturgefälle von Äquator zu den Polen minimieren• Planeten im Sonnensystem geringes Temperaturgefälle• „Hot Jupiters“ mit gebundener Rotation zu schwacher

Wärmeaustausch -> Warme und kalte Seiten

7. Mein Fazit

• Exoplaneten sind Nachweisbar• Die Untersuchung dieser Planeten wird durch die sich entwickelnden

technischen Möglichkeitenund Analysemethoden ständig exakter und damit aufschlussreicher.• Bestimmung von Zusammensetzung, Wärmeemission und Temperatur • Hinweis auf außerirdisches Leben konnte noch nicht erbracht werden.

ABERMit der Entwicklung des JWST,

dem James Webb Space Telescope, einem

Weltraumteleskop der neuesten Generation könnte sich dies

ändern und die Wissenschaft könnte vielleicht den Nachweis erbringen, dass wir nicht alleine

im Universum sind.

Quellen

• Literaturquellen: Seager, Sara, Exoplanet Atmospheres, Princeton University

Press, Princeton, 2010, 1. Auflage • Sonstige Quellen:

Unterrichtseinheit: Bresele, Horst, Anton-Bruckner-Gymnasium, Q11 im W.-Seminar Astrophysik am 18.10.2013

• Internetquellen:

Quellen

• http://www.scilogs.de/go-for-launch/kepler-715-neue-exoolaneten-entdeckt/• http://prezi.com/ldlu9vweznb_/was-sind-exoplaneten/• http://de.wikipedia.org/wiki/Planet• http://www.enzyklo.de/2013/Begriff/Atmosph%C3%A4re• http://www.klassenarbeiten.de/oberstufe/leistungskurs/erdkunde/atmosphaere/aufbauatmosphaere.htm• http://www.spektrum.de/lexikon/geographie/atmosphaere/542• http://www.heise.de/tp/artikel/42/42500/1.html• http://de.wikipedia.org/wiki/Fraunhoferlinie• http://de.wikipedia.org/wiki/Albedo• http://de.wikipedia.org/wiki/Gleichgewichtstemperatur• http://

www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ph/14/ep/einfuehrung/wellen/grundlagen.vlu/Page/vsc/de/ph/14/ep/einfuehrung/wellen/wellengleichung.vscml.html

• http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ph/14/ep/einfuehrung/wellen/grundlagen.vlu/Page/vsc/de/ph/14/ep/einfuehrung/wellen/wellengleichung.vscml.html

• http://www.nasa.gov/kepler/keplers-second-light-how-k2-will-work/#.VFeWsvmG91A• http://science.nasa.gov/media/medialibrary/2008/12/12/10dec_mirror_resources/jwst_new1.jpg• http://kepler.nasa.gov/• http://exoplanet.eu/catalog/• http://www.pci.tu-bs.de/aggericke/PC5/Kap_IV/Bestandteile.htm

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