Mondfahrt: Grundlage wissenschaftlicher Untersuchungen unserer Atmosphäre

Die Durchführung der Mondfarht als Grundlage der Naturwissenschaft soll hier genauer erklärt und aus unterschiedlichen Perspektiven betrachtet werden. Welche Grundkenntnisse dafür sind vorausgesetzt und welche liefert sie?


Gross war die Euphorie, als der NASA im Jahre 1969 die erste Mondfahrt gelang. Dieses Projekt war das Resultat einer erfolgreichen Kombination zwischen deutscher Raketen- und angelsächsischer Navigationstechnologie. Die Mondfahrt an sich selbst symbolisierte den westlichen Durchhaltewille gegen die Vorherrschaft der der Sovjet Union in Sachen Raumfahrt.

Für mich dient dieses Projekt nicht meinen politischen, sondern meinen naturwissenschaftlichen Interessen. Ausserhalb der Erde, in einer Umwelt mit fundamental anderen Grundbedingungen lassen sich Vorgänge beobachten, die auf der Erde als selbstverständlich wahrgenommen werden und sich daher nur schwer untersuchen lassen. Ich will hiermit nicht nur die Notwendigkeit der Raumfahrt betonen, sondern belegen, dass die Projekte tatsächlich auf dem Mond durchgeführt wurden. Aus diversen Aspekten lässt sich schlussfolgern, dass die Mission eines Raumfahrtprojektes nur auf einem Himmelskörper im All- z.B. auf dem Mond- realisierbar sind.
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Strahlenbelastung ausserhalb der Erdatmosphäre

Ausserhalb der Atmosphäre ist die Erde von einer Magnetosphäre, dem so genannten "Van-Allen-Gürtel" umgeben. Es handelt sich dabei um eine Schicht, in der das Erdmagnetfeld die elektrisch geladenen Teilchen des Sonnenwindes ablenkt. Nur in den Polregionen kann ein Teil des Sonnenwindes bis unter die Exosphäre dringen, wo es unter idealen Bedingungen als Polarlicht sichtbar ist. Ein ungeschützter Mensch würde im Van-Allen-Gürtel tatsächlich getötet werden, wenn er sich lange genug dort aufhielte, da dort die Konzentration diverser, im All weit zerstreuten Strahlen besonders hoch ist. Hochempfindliche elektronische Geräte sowie an Bord befindende Lebewesen müssen daher durch eine ausreichend dicke Stahl- und Bleiwand geschützt werden. Je schneller ein Raumfahrzeug diese elektromagnetische Schicht durchdringt, desto geringer ist das Schadenrisiko seiner Ladung. Eine bemannte Rakete durchschiesst die Magnetosphäre etwa innerhalb einer Stunde.

Ausserhalb dieses Gürtels, also z.B. auf dem Mond ist ein Körper hauptsächlich bei direktem Sonnenlicht der aggresiven kurzwelligen Strahlung ausgesetzt. Da auf dem Mond diverse Extrembedingungen herrschen (Lichteinstrahlung, Temperatur, Vakuum,...), muss ein Schutzanzug ohnehin dermassen resistent konstruiert sein, dass er damit auch einen wesentlichen Teil der Röntgen- und Gammastrahlung abschirmt. Beispielsweise ist es auf dem Mond am Tag durch das Fehlen der Atmosphäre viel heller als auf der Erde, weshalb eine Helmscheibe mit einer Verdunkelungsschicht bedampft ist, was gleichzeitig auch einen gewissen Schutz vor anderer Strahlung bietet.

Verschienenen Studien zufolge gehen Astronauten ein erhöhtes Risiko an Spätfolgen ein, unter Anderem aufgrund dieser Strahlendosis. Allerdings sind davon auch viele andere Personenkreise betroffen, wie z.B. die Bordbesatzung von Langstreckenflugzeugen, die immerhin mehrere Stunden täglich rund drei viertel der gangen Luftmasse unter sich lassen, genau so sind Röntgenstrahlen nicht gerade eine harmlose Angelegenheit. Je nach Interessengruppe werden diese Probleme gerne unter- bzw. übertrieben, da diesbezügliche Ermittlungen schwierig sind, weil so gut wie jeder Mensch sich bei diversen Aktivitäten einer gewissen Strahlendosis dieser Art bereichert.
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Extreme Lichtverhältnisse auf dem Mond


Wie im letzten Abschnitt angedeutet, scheint auf dem Mond die Sonne viel heller als auf der Erde, dies aufgrund des Fehlens der Atmosphäre. Nicht nur die Raumanzüge müssen abgedunkelte Scheiben haben, sondern sämtliche Photos, die dort gemacht wurden, mussten mit einer abgedunkelten Kamera gemacht werden, damit man überhaupt etwas erkennt. So haben Mondbilder grundsätzlich einen anderen optischen Schein, als es tatsächlich auf dem Mond aussieht, da man schwach leuchtende Objekte überhaupt nicht erkennt, wie z.B. der Sternenhimmel. Farbaufnahmen könnten, je nach verdunkeltem Lichtwellenspektrum einen verfälschten Farbton aufweisen und extrem helle Stellen leuchten so stark, dass bei einer Fadenkreuzkamera teilweise das Fadenkreuz überlichtet wird. Die Streuung des Lichtes erfolgt dort also vom Boden aus, was auch eine Veränderung der Schattierungsrichtungen zur Folge hat.

Nice to know: Nachts leuchtet "Vollerde" auf dem Mond rund 20 Mal so stark wie Vollmond auf der Erde, aufgrund der Grössenverhältnissen, Fehlen der Mondatmosphäre und der Lichtstreuung der Erdatmosphäre.

Wir können uns dadurch vorstellen, wie die Welt für uns aussehen würde, wenn der Planet nicht von einer Gashülle umgeben wäre, bzw. welches Weltbild sich für uns ergebe bei einer Veränderung ihrer Dicke, was beispielsweise für eine allfällige Marsmission interessant sein könnte oder bei Veränderungen unserer Erdatmospähre.

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Bewegung eines Körpers im Vakuum


Durch das Vorhandensein der Luft ist man sich gewohnt, dass sich bestimmte Bewegungen nach einem gewissen Schema abspielen. So kann es manchem sehr befremdend vorkommen, dass es auf dem Staubigen Mondboden bei der Apollo11- Landung und beim Start keinen grossen Staubwirbel gab, den man bei diesem immerhin 14,5 Tonnen schweren Objekt erwarten könnte. Dies lässt sich jedoch durch eine einfache Rechnung erklären: Die Gravitationskraft auf dem Mond beträgt etwa einen Sechstel derjenigen der Erde, 14,5 t wiegen dort also gerade mal 2,4 t. Somit wird eine Kraft von 23'500 N benötigt, um die Kapsel abzuheben, angetrieben von einer Schubdüse mit einer Fläche von 1,47m². Daraus folgt, dass der Druck der aus der Schubdüse austretenden Gase etwa 1'600 kg pro m² entspricht, was etwa 16% des Luftdrucks auf Meereshöhe entspricht (1 bar = 100'000 N/m²). Zu berücksichtigen ist auch, dass im Vakuum die aus der Düse austretenden Gase schneller in alle Seiten expandieren als es auf der Erde der Fall wäre.

Nur wenige Schritte vom Landeplatz entfernt zeigte die Mondoberfläche deshalb keine Veränderungen mehr aufgrund des Abgasstrahls des Mondlandegerätes. Das heisst, selbst die Schuhabdrücke der Astronauten blieben so gut wie vollumfänglich erhalten. Dies ist eine Folge der Tatsache, dass sich die Staubkörner, wenn sie weggeschleudert werden, in einer idealen Parabel- Laufbahn wieder zu Boden bewegen und somit nicht lange herumschweben und sich weiträumig verbreiten. Exakt das kann man am Mondfahrzeug beobachten, das durch die Mondstaubwüste fährt: Das schwerere Geröll und der feine Staub fällt bei den Rädern im Gleichtakt in der selben Bahn hinunter, was unter Einfluss einer Gasschicht nicht möglich wäre.

Das Bewegen in einem solchen Druckanzug ist extrem schwerfällig, da durch die Druckunterschiede zwischen aussen und innen der Anzug wie eine Aufgeblasene Hülle wirkt. Wenn man bedenkt, dass wir auf Meereshöhe einem Druck von rund 10'000 kg pro m² ausgesetzt sind, das der Organismus von Natur aus "von innen" ausgleicht, kann man sich vorstellen, welcher Ueberdruck im menschlichen Körper herrschen würde, wenn er sich ohne Schutzhülle im All befände. So war auch beim Aufstellen der US- Fahne zu beobachten, wie schwerfällig sie den Masten in den Boden rammten. Da nach amerikanischer Tradition eine Fahne stets so aussehen sollte, als würde sie im Wind wehen, befestigten sie diese mit einer horizontalen Stange. So kann man am kontinuierlich auspendelnden Flattern der Fahne sehen, wie mühsam der Mast in den Boden gestossen werden musste.

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Untersuchung des mitgenommenen Mondmaterials

Als Untersuchungsmaterial wurde total rund 380 kg Mondgestein auf die Erde gebracht. Einerseits konnten diverse Mineralien wie Tranquilityit und Armalcolit festgestellt werden, also Material, das durchaus auch auf der Erde zu finden ist. Es wurde aber auch das nur bei fehlender Atmosphäre in hohen Mengen auffindbare 3He- sowie weitere teilweise vorher unbekannte Isotope wie das Neptunium 237Np ermittelt. Das Gestein enthält auch einen ungewöhnlich hohen Anteil an Uran 235U und kurzlebige radioaktive Isotope, verursacht durch die permanente Bestrahlung im All. Damit unterscheiden sich die Mondgesteinsproben chemisch vom Material, welches auf der Erde vermutet werden kann. Ausserdem sind die Mondgesteine mit Einschläge von kleinen Meteoriten in der Grösse on wenigen Kubikmillimetern übersäht- ein Effekt, der auf der Erde in den letzten 4 mia. Jahren dank der Atmosphäre nicht so hätte stattfinden können, da Körper dieser Grösse verglühen würden. Der Mondstaub besteht daher auch aus unverändertem Meteoritenstaub, den es überall gibt und beim Eintritt in die Erdatmosphäre verdampft.
Auch fehlt dem Mondgestein die auf dem Erdgestein übliche Wasserhülle, da das Wasser im Vakuum vollständig verdunstet. Aus den Proben der Apollo-Missionen konnte gemäss Publikation der ETH Zürich das Alter des Mondes auf etwa 4,5 mia. Jahre bestimmt werden.

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Steuerung des Gerätes durch Raketentechnik


Ein Raketenstart ist ein komplexes Zusammenspiel kräfteausgleichender synchronisierter Gegenimpulsströme zu diversen auf den Schwerpunkt des Flugobjektes einwirkenden Kräfte. Zu berücksichtigen ist, dass der Flugkörper nicht nur durch den Wind von aussen, sondern auch innerhalb der Kabine durch sich bewegende Menschen die Laufbahn schnell ändert, sollte der Antrieb dies nicht ausbalancieren können. Bevor die deutsche Wehrmacht anfangs der 1940-er Jahren in Peenemünde ihre Raketentests durchführte, mussten die Raketenwissenschaftler technische Lösungen finden, den auf den Schwerpunkt einwirkenden Kräften permanent entgegenzusteuern, da ohne laufende Korrektur der Flugrichtung die Raketen ihr Ziel nur ungenau trafen, da ihre Flugbahn jeweils vor dem Abschuss berechnet und festgelegt wurde. Um letztendlich den steuerungstechnischen Anforderungen der Raumfahrt gerecht zu werden, brauchte es jedoch gut 2 Jahrzehnte technologische Weiterentwicklung. Je länger die Rakete durch den Luftraum fliegt, desto besser muss sie die von aussen auf sie einwirkende Kräfte mechanisch auskorrigieren. Je länger eine Rakete im All unterwegs ist, desto relevanter ist die Auswuchtung ihre internen Kräfte.

Grundlage der Raketentechnik: die erweiterte Version der Aggregat 4 (A4 oder V2- Rakete) aus dem Jahr 1945 war die erste weltraumtaugliche Rakete, deren Präzision sich aufgrund der damals ungenügenden Computer-, Navigations- und Telekommunikationstechnik in Grenzen hielt. Dies war jedoch nicht im wesentlichen Sinne entscheidend für den Verlauf des Krieges.

(oberes Bild: Fi 103- bzw. V1-Rakete 1942/ unteres Bild: Mondfahrt 1969).

Quelle und Bildmaterial


Vierteljahresheft für freie Geschichtsforschung, Ausgabe 4/02;

Verlag: Castle Hill Publishers (GB)

wissenschaftliche Grundlagen von Germar Rudolf*

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*Der deutsche Chemiker Germar Rudolf befasste sich mit verschiedenen historischen Ereignissen des 20. Jahrhunderts und konnte mit ähnlichen Argumenten, die ich hier dargelegt habe, beweisen, dass die Mondfahrt tatsächlich stattgefunden hat, womit die "Verschwörungstheorie" der Mondfahrtgegner widerlegt wurde. Immerhin hat die NASA mehrere tausend und in rund 20'000 Zulieferungsfirmen total über 300'000 Mitarbeiter beschäftigt, womit man sich vorstellen kann, wie kompliziert es wäre, wenn man ein solches Projekt als geheime Mission durchführen wollte oder wenn sonst etwas von der Oeffentlichkeit kaschiert würde.

Die Atmosphäre der Erde: Ihre Entwicklung und Bedeutung

Grundliegendes:

Die Atmosphäre der Erde wird nach verschiedenen Kriterien in unterschiedliche Sektoren, deren Grenzen auf bestimmter Höhe über Meeresspiegel verlaufen, aufgeteilt. Die Aufteilung nach den thermogradientalen Eigenschaften bildet von innen nach aussen aufgezählt folgende fünf Sphären (gr. Kugeln): Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre, Thermosphäre und die Exosphäre. Aus dem Aspekt der chemischen Zusammensetzung betrachtet besteht die Atmosphäre aus drei verschiedenen Gastypen: Zwei homogene Gemische (Homosphären)und dazwischen eine heterogene Schicht (Heterosphäre). Der elektromagnetische Ladungszustand lässt die Geosphäre noch in eine ungeladene Schicht, in eine Ionosphäre und in eine Magnetosphäre unterteilen. Letztere gehört aber nicht mehr zur Atmosphäre, da auf einer Höhe von über 1'000 km ü.M. kein atmos (gr. Dunst) mehr vorhanden ist.

Erklärungen zum Diagramm:

Der obere Rand zeigt die Temperatur in K und Celsius an, der linke die Höhe in m.ü.M. und der untere Rand den Druck in Pa. Der dargestellte Wertebereich befindet sich zwischen 1 und 101'300 Pa, 0 und 280'000 m.ü.M., (-90)°C und 1'700 °C und umfasst somit die untere Homosphäre (Tropos-, Stratos- und Mesosphäre) sowie den unteren Viertel der Heterosphäre (ca. Hälfte der Thermosphäre). Dünn und schwarz ist die Druckkurve in der Homosphäre eingezeichnet, welche in der Heterosphäre in eine dicke Linie übergeht. Standardmässig ist auch die schwarz-rote Temperaturkurve mit konstanten Werten zwischen 5 und 95 km ü.M. eingezeichnet, welche ganz unten einen Wetter- und in der Thermosphäre eine Sonnenwindabhängigen variablen Verlauf annimmt.

schwarze Kurve: Luftdruck

dicke rote Kurve: Lufttemperatur

(Auffälig dabei sind die Variationen in unterschiedlichen Höhen, dies erklärt sich aber mit der chemischen Zusammensetzung der Luft)

Zahlen am linken Rand: Höhe in Meter über Meer

Entstehung der Erdatmosphäre:

Etwa 4,5 mia. Jahre vor unserer Zeitrechnung ist das Planetensystem der Heliosphäre so weit abgekühlt, dass einige von den Himmelskörpern eine Oberfläche im festen aggregatzustand bildeten. Die Erde hatte in dieser Phase eine wesentlich kleinere Masse als heute, aber eine ausreichende Gravitationskraft, die so genannte "Uratmosphäre" aus den flüchtigen Gasen an sich zu binden. Diese Uratmosphäre bestand aus Wasserstoff (H2), Helium (He), Methan (CH4) und aus Ammoniak (NH3) und war nicht, wie manche Leute irrtümlich glauben, der Ursprung unserer heutigen Atmosphäre, sondern die Moleküle dieser Gase wurden durch diverse Sonnenstrahlen gespalten und mit dem Sonnenwind kontinuierlich abgetragen, bis kaum noch etwas auf der Erde blieb. In den nachfolgenden hundert millionen Jahren entstand eine zweite Atmosphäre, aus deren Grundlagen unsere heutige besteht. Man kann davon ausgehen, dass sie aus den Gasen bestand, die in Vulkanausbrüchen freigesetzt werden: 80% Wasserdampf (H2O), 10% Kohlendioxid (CO2), 7% Schwefelwasserstoff (H2S), der Rest Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO) und einige andere Spurengase wie Ammoniak, wovon sich durch eine photochemische Reaktion (UV- Strahlung) Stickstoff (N= Nitrogenium) abspaltete. Die Grundlage für die Entstehung der Gewässer war gegeben, wo sich vor etwa 3.5 mia. Jahren die Cyanobakterien bildeten, welche aus dem H2O Sauerstoff abspalteten, der sich zuerst mit Eisen zu Rost und danach mit Stickstoff zu Luft bindete.
Durch das Zusammenspiel der entstehenden Luft und der UV- Strahlung bildeten sich verschiedene Luftschichten mit ihren Eigenschaften, welche das Leben ausserhalb des Wassers ermöglichen. Eine von ihren Eigenschaften ist es, eindringende Fremdkörper zu verglühen und die damit entstehenden Gase teilweise durch biochemische Prozesse regelrecht auf den Boden zu schaffen.
Die Erde wird auf diesem Weg täglich mit rund 110 Tonnen Meteoritenstaub bereichert, was abzüglich der entweichenden Gase eine jährliche Massenzuwachsrate von etwa 40'000 Tonnen entspricht. In den letzten 4,5 mia. Jahren resultierte daher einen Zuwachs von nur 180'000 mia t und mit einer Durchschnittsdichte von 2,5 t pro Kubikmeter (Meteoritenstaub besteht zum wesentlichen Teil aus Silizium) einen Volumenzuwachs von 72'000 Kubikkilometer. Dieser Massenstrom ist im Vergleich zur totalen Erdmasse 5,97*10^21 t, d.h. 5,97 mio. trillionen t vernachlässigbar( durchschn. Dichte der Erde: 5,1 t/m^3), jedoch enspricht dies mehr als einen Drittel der rund 5,1*10^15 t (5,1 trillionen t) Masse an Atmosphärengase. Die Erde und vor Allem ihre Atmosphäre ist dank biochemischen und astrophysischen Prozessen laufenden Veränderungen ausgesetzt.


Chemische Zusammensetzung der Atmosphäre:

In der unteren Homosphäre, also bis 80'000 m.ü.M. ist das Luftgemisch zum grössten Teil konstant und besteht aus Volumenanteilen von 78% Stickstoff (N2), 21% Sauerstoff (O2), 0.9% Argon (Ar) und 0.1% Spurengase. Kohlenstoffdioxid ist eines dieser Gase und ist mit einem Durchschnittswert von 0.038 Voluen-% je nach Höhe variabel wie das Ozon (O3).
Die Dichte von Luft lässt sich durch die molaren Massen ihrer Bestandteile und dem Molvolumen des idealen Gases berechnen: Molare m von N2: 28, von O2: 32, mol-V: 22.4138. Es gilt bei 273,15 K und 101'325 Pa folgende Rechnung: ((0,78*28+0,21*32+0,01*40)/22,4138)= 1.29. Das Gewicht der Luft beträgt also 1.29 kg pro Kubikmeter.
Wenn man jetzt auf die Idee kommt, die selbe Rechnung mit dem CO2 zu machen (C hat die molare m von 12), kommt man auf eine Dichte von total 1,9. Das heisst, CO2 sinkt ab und befindet sich hauptsächlich in tieferen Lagen, wird aber konvektiv durch Wetter- und Klimavorgänge aufgewirbelt und verbreitet.
Ozon ist ein Gas, welches aus Sauerstoff unter Einwirkung von UV-Strahlen entsteht und diese gleichzeitig absorbieren. Das heisst, in den oberen Luftschichten bildet sich das Ozon, welches die UV-Strahlen absorbiert und die unteren Schichten davor schützt. UV-Strahlung, kleiner als 240 nm wandelt 3 O2- Moleküle in 2 O3 Moleküle, UV-Strahlung, die grösser als 240 nm ist, macht den umgekehrten Prozess. Kurzwelligere Strahlen werden von O3 absorbiert, während langwelligere Strahlen durchgelassen werden, was in der Natur zum ausgewogenen Verhältnis von O2 und O3 führt. O3 hat ausserdem die Eigenschaft, elektromagnetische Strahlung in Wärme umzuwandeln, was das Phänomen erklärt, dass es im oberen Bereich der Stratosphäre, wo die O3- Konzentration am höchsten ist, die Temperatur trotz extrem geringer Luftdichte auf 0°C ansteigt. Da kann man sich einmal vorstellen, wieviel Wärmepotential in einem Mol O3 stecken muss. Erst in der Mesosphäre, wo der Druck auf unter 0.1% des Meereshöhendruckes fällt, ist der Temperaturgradient pro Höhe wieder Rückläufig. Nicht zu vergessen ist, dass sich die ganze Mesosphäre in der Homosphäre befindet, d.h. das Gemisch ist rösstenteils konstant, es handelt sich also nur um kleinste Aenderungen des O3-Gehalts, was offensichtlich den Temperaturverlauf dermassen beeinflusst.
In der Heterosphäre (ab Thermosphäre bis Ende Exosphäre (ca.500'000-1'000'000 m.ü.M.)) trennen sich die Teilchen je nach Masse. Im unteren Bereich der Thermosphäre befindet sich mehr Sauerstoff, darüber etwas mehr Stickstoff und die Spurengase weichen nach oben. Die wenigen Wasserstoffatome, die durch die Ozonschicht aufsteigen konnten, werden in der Regel durch den Sonnenwind ionisiert und verlassen das Gravitationsfeld der Erde, da sie zu wenig Masse besitzen. Die abweichenden Wasserstoff- und Heliumatome bilden ausserhalb der Heterosphäre wieder eine Homosphäre, die durchschnittliche Bewegungsfreiheit der einzelnen Atome beträgt aber meistens mehrere Kilometer. Die obere Homosphäre (ab etwa 1'000 km ü.M.) ist also de facto ein Vakuum.


Die physischen Eigenschaften der Atmosphäre:

Um die physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre zu analysieren, ist vor Allem der Druckgradient aussagekräftig. Durch die Betrachtung der Druckkurve innerhalb der Homosphäre lässt sich die gesamte Masse der Luft und ihre Verteilung auf der Erde berechnen. Besonders wenn 99,9% der gesamten Luftmasse sich in der unteren Homosphäre befindet, können darüberliegende Luftschichten für physikalische Berechnungen weitgehendst vernachlässigt werden. (In der Heterosphäre verhält sich der Druckgradient nicht linear oder progressiv, was ich in der Graphik oben mit der Darstellung als dicke Linie am linken Rand zu symbolisieren versuchte). Für atmosphärenphysische Berechnungen bezieht man sich aber nur auf die Werte in der Homosphäre.

Luftverteilung:
Der Luftdruck halbiert sich pro 5'500m Höhenzunahme, er hat also auf der normalen Reisehöhe von 11'000 m etwa 25'000 Pa, es befindet sich also 3/4 der gesamten Luftmasse unterhalb dieser Höhe. Dem zu Folge ist der Luftdruck auf der Höhe von 5'500 m.ü.M. als Mittelwert zu betrachten, womit sich die durchschnittliche Luftdichte- und somit auch die totale Luftmasse der Erde berechnen lässt. Die Zahlen beruhen auf den Werten der geographisch mittleren Breitengrade (um N/S 45°), da die Dicke der Atmosphäre je nach Region variiert (in den Polarregionen ist sie etwa halb so dick als am Aequator). Der Luftdruck am Boden ist dadurch aber nicht beeinflusst, da den äusseren Luftschichten am Aequator mehr Gravitationskraft an die Centrifugalkraft abtreten als in den Polargebieten. Die totale Luftmasse berechnet man mit der Luftdichte (1,29 kg/m^3) mal die Höhe des halben Luftdruckes mal Oberfläche der Erde, das ergibt total 5.1*10^18 kg.

Thermodynamische Eigenschaften:
Wie im Diagramm dargestellt ist, unterteilt man die Atmosphäre in verschiedene Sektoren, die vor Allem von ihren Temperaturgradienten abhängen. Auffällig sind auf den ersten Blick die enormen Temperaturunterschiede, welche unter Umständen bis zu 2'000°C betragen können. Sicher ist es Sinnvoll, die Atmospärenschichten nach diesem Kriterum zu unterteilen, da sich somit vieles über ihre Gaszusammensetzung herauslesen lässt. Fügt man aber zur Temperaturkurve eine Druckkurve in die Graphik ein, relativiert sich die Bedeutung der Temperaturkurve. Für die Atmosphärenphysik und ihrer technischer Nutzung ist der Verlauf der Druckkurve viel bedeutender als die Temperaturkurve.
Das fälschlich angenommene Weltbild, in der Thermosphäre, wo es ja so heiss ist, verglühen die eindringenden Meteoriten, wird erst bei der betrachtung des Druckverlaufes aufgehoben. Es stimmt zwar, dass etwa ab Beginn der Heterosphäre, also oberhalb der Ozonschicht, die elektromagnetischen Strahlungen der Sonne die ungeschützten O2-Moleküle so stark zum schwingen bringen, dass man ihnen anhand ihrer Bewegung eine Energie zuordnen kann- womit man ihnen eine hohe Temperatur zuschreibt, man würde diese aber kaum messen können, da der Druck so klein ist, dass dort schon fast Weltraumtemperaturen von -27o°C herrschen. Dort verglühen also keine Fremdkörper, die auf die Erde eindringen, sondern dieser Prozess geschieht erst in der Mesosphäre, wo die Temperatur bis auf -90°C fällt. Die mit 40- 70 km/s auf die Erde fliegenden meistens wenige Gramm schweren Partikel erzeugen durch ihre Reibung am O3 eine so starke Erwärmung, dass sie verglühen und dabei das umgebende Gas ionisieren, was in der Dunkelheit als kurzes Aufleuchten sichthar ist.

Kinematischer Einfluss der Atmosphäre auf die Erde:
Schliesslich ist noch auf die Frage einzugehen, was die Atmosphäre rotationsmechanisch für Auswirkungen auf den Planeten hat, da die veränderten Radien des Körpers ein anderes Massenträgheitsmoment verursachen.

Meine Behauptung ist es, dass es möglich ist, durch einen erhöhten Ausstoss eines Gases die Rotation der Erde künstlich zu beeinflussen: Ein bekanntes Thema ist die Emission des Atmosphärengases Kohlenstoffdioxid (CO2). Ich will die These kinematisch belegen, dass sich durch das künstliche Freisetzen des bisher im Boden befindenden Kohlenstoffes der Massenschwerpunkt der Erde (durch Massenanreicherung der Atmosphäre) verschiebt, sich das Massenträgheitsmoment ändert und die Winkelgeschwindigkeit abnimmt, was die Tage verlängern wird.
Die Erde hat eine totale Masse von 5,97*10^24 kg, einen Radius von 6'379'500 m (ohne Atmosphäre) und entspricht einer gefüllten Kugel mit einer Dichte von 5'100 kg/m^3. Das Massenträgheitsmoment lässt sich somit berechnen: (2/5)*5.97*10^24*6'374'000^2= 97'019'367'888*10^27 kg/m^2. Das Drehmoment ist (2*pi*rad)/(24*3600)=0.000072722 rad*s^-1. (Das Objekt dreht sich ein Mal pro 24*3600 s um 360°). Multipliziert man diese beiden Ergebnisse, erhält man den Drehimpuls L. Das selbe macht man mit der Masse der Luft, einfach mit der Formel einer Hohlkugel ((3/2)*m*r^2), Masse der Luft ist 5,1*10^18 und der Radius ist 5'500 m mehr, da der Schwerpunkt der Luft auf der Druckhöhe von 50'000 Pa liegt. Die Impulskomponente der Luft macht 1/701'142 dessen der ganzen Erde aus und wird davon subtrahiert. Gemäss Medienberichten stösst der Mensch jährlich rund 36,3 Gigatonnen CO2 aus, wovon Kohlenstoff C einen Massenantel von rund 9,1 Gigatonnen hat. Daraus berechnet man den Massenträgheitsmomentabbau des festen Erdkörpers und den Zuwachs zur Luftmasse, beachtet den Schwerpunkt der Atmosphäre und man erhält somit ein neues totales Massenträgheitsmoment J, welches man durch den Drehimpuls dividiert, was die neue Winkelgeschwindigkeit ergibt. Man erhält anstatt 0.000072722 rad*s^-1 neu 0.000072719 rad*s^-1, was einem Quotient von 1.00004 entspricht, woraus man schliessen kann, dass durch diese Massenverlagerung eine Umdrehung der Erde um 0.004% länger geht, der Tag hat dann also nicht mehr 86'400 Sekunden, sondern um 3.456 s mehr.
(Vgl. Situation mit einer rotierenden Eiskunstläuferin, die durch das Ausstrecken der Arme an Rotationsgeschwindigkeit verliert).


Zur Veranschaulichung kann unter Umständen die Darstellung eines Flüssigkeitsbildes dienen: Das Volumen des Fluides soll den Drehimpuls (L) representieren, die Höhe die Winkelgeschwindigkeit (omega) und die Breite das Massenträgheitsmoment (J). Hier ist ersichtlich, dass im Gefäss mit dem schmaleren J bei gleicher Kapazität die Höhe "omega" grösser ist. So verdeutlicht man das kinematische Verhalten in der Rotationsmechanik.




Quellen:
(chemische und physikalische Grundlagen):
- Meteorologie: Karl Heinz Hack "Aviation Meteorology"/ Vorlesungen und Skript Dr. Neininger
- Klett "Formeln und Daten"
- Prof. Maurer: Vorlesungen und Systemdesign

Zahlenwerte stammen aus verschiedenen Quellen, teils eigenen Unterlagen, Projekten, etc., womit sich die Genauigkeit in Grenzen halten kann.

Stirling- Motor: Effizientere mechanische Nutzung des thermodynamischen Energieaufwands

Beweggrund zur Innovation:


Begleitet vom wachsenden CO2- Problem drängt uns die Sorge um die zukünftige Energieversorgung zur Hinterfragung unseres Lebensstils.


Karrierenfördernd haben Politiker es verstanden, Sympathien zu ernten, indem sie dem ökologischen Problem durch billige Scheinlösungen entgegenwirken wollen: Linke "Weltretter" vertreten die These, der Staat solle dies und jenes tun, hauptsache der einzelne Bürger hat genau so wenig zu sagen wie zu denken, während Konservative den Lösungsansatz bevorzugen, andere Staaten seien Schuld daran und diese müssen sich darum kümmern.

Da unsere rote Medienlandschaft in der Debatte zwischen diesen beiden Fronten keinen Raum für interessierte, verantwortungsbewusste und selbst handelnde Menschen bieten, ist es angebracht, deren Standpunkt hier zu vertreten.


So lässt man die Frage in den Vordergrund rücken, wie der normale Haushalt, der eigene Produktionsbetrieb, das Büro und der einzelne Landwirtschaftsbetrieb die Energie effizienter nutzen können. Genau so wie sich der Bedarf an fossilen Energieträgern stark reduzieren lässt, wenn man Oelheizungen durch Sonnenkollektoren ersetzt, steckt in zuverlässig funktionierenden Stirling-Motoren ein enormes Energiespar- Potential.



Funktionsprinzip eines Stirling- Motors:


Die Dampfmaschine von I. Newton aus dem 18. Jahrhundert sicherte England einst die unantastbare Weltmacht. Ihr Funktionsprinzip bestand darin, ein thermisches Potential in eine mechanische Leistung umzuwandeln. Durch die Expansion von Wasser bei Wärmezufuhr ermöglicht das "delta_T" (Temperaturdifferenz zwischen innen und aussen des Systems) eine Verschiebung des Kolbens. Nach der Expansion wird der Dampf wieder herausgelassen und das Schwungrad lässt den Prozess wieder von vorne beginnen. So wird die fortlaufende Bewegung aufgebaut. Der Wirkungsgrad hält sich allerdings stark in Grenzen, weil die thermodynamische Leistung zur Hälfte des Prozesses nicht genutzt wird und die Wärme im abgelassenen Dampf aus dem System verloren geht.


Diese Tatsache brachte Robert Stirling aus Schottland im Jahre 1816 auf die Idee, den ganzen Prozess in einem geschlossenen System durchlaufen zu lassen. Er erfand eine Wärmekraftmaschine, in der ein Gas bei hoher Temperatur Entropie aufnimmt und bei tiefer Temperatur wieder abgibt.

Grundsätzlich funktioniert ein solcher Stirling- Motor mit zwei gekoppelten Zylindern: Der eine bildet das Wärme- der andere das Kältebad. Zu erst wird im Wärmebad (Heizkessel) ein Gas erhitzt, was dort eine Volumenausdehnung bewirkt. Der Kolben im Kältebad verdrängt das Gas zuerst richtung Heizkessel. Nach halber Expansion des Heizkessels wird es vom Kältebad wieder angesaugt, bis dieser seine volle Grösse erreicht hat (zu diesem Zeitpunkt hat das Kältebad sein halbes Volumen erreicht). Danach wird das Gas im Heizkessel wieder komprimiert, der Gasdurchfluss ist blockiert und die konstante Gasmenge expandiert im Kältebad auf das maximale Volumen, womit dort eine Abkühlung erzeugt wird. Zwischen den beiden Zylindern befindet sich ein Regenerator mit einem Wärmetauscher, der diese "Kältemenge" aufnimmt und dem Heizkessel zuführt, was die Rückverschiebung dieses Kolbens erleichtert (isotherme Kompression). Das abgekühlte komprimierte Gas im Heizkessel erreicht somit sein Minimum an Volumen, das Kältebad hat dann wieder sein anfänglich halbes Volumen und der Prozess beginnt von vorne. So ist dieser Kreisprozess um einiges effizienter als sämtliche andere Wärmekraft- Maschinen.

die vier Stirling- Kreisprozesse:

Der Stirling- Motor arbeitet mit isothermen und isochoren Prozessen. Isotherm bedeutet, dass die Temperatur konstant bleibt und isochor bedeutet die Konstanthaltung des Volumens.

1. isotherme Expansion im Heizkessel

2. isochore Abkühlung im Regenerator

3. isotherme Kompression

4. isochore Erwärmung

Könnte man in Zukunft für die Stromproduktion solche Stirling- Motoren einsetzen, liesse sich der fossile Energieverbrauch ohne zusätzliche Einsparungen signifikant senken. Der Grund, wieso in den letzten knapp 200 Jahren gerade mal ein paar hundert solche Objekte realisiert wurden lässt sich mit Komplikationen der Materialeigenschaften erklären. Die Kolben und die Wände der Zylinder erreichen nicht so schnell eine ausreichende Temperaturänderung wie das Gas. Es ist deshalb kaum möglich, ein zuverlässig arbeitender Stirling-Motor zu bauen, der den idealen Prozess einwandfrei durchläuft. Die versuchsweise realisierten Motoren fallen durch ihre häufige Leistungsaussetzungen auf, womit ein solches Produkt noch nicht vermarktungstauglich ist. Der Stirling- Motor ist jedoch ein interessanter Ansatz, thermodynamische Gesetze in ein realistisches Projekt umzusetzen.

Quellen:

- Thermodynamik Systemdesign: Vorlesungen Prof. Maurer/ website: systemdesign.ch

- Berechnung Kurve: Modellierunsprogramm "Berkeley Madonna"

Vulkan in Island: Weiträumige Beeinträchtigung des Luftraumes

Flughafeninfos ZRH:
http://www.flughafen-zuerich.ch/desktopdefault.aspx/tabid-42/

Geophysische Situation in Island

Nicht nur die kulturelle und historische Einzigartigkeit Islands machen die nordatlantische Insel zum belieben Reiseziel, sondern auch ihre geologische Besonderheit fasziniert viele Besucher. Die Insel liegt auf der Grenze der nordamerikanischen- und eurasischen Kontinentalplatten, etwa ein Viertel liegt auf der amerikanischen und drei viertel auf der europäischen Platte. Dazwischen befindet sich ein ca. 7 km breiter Graben, der sich durch die ganze Insel erstreckt. (Zur Orientierung: Der einst für die Germanen historisch bedeutende Ort Þingvellír befindet sich etwa auf der mittleren Längsachse des Grabens, im südlichen Teil der Insel).

Photo: Stephan Riediker

Kleinste vulkanische Aktivitäten sowie immer wiederkehrende kleine Erdbeben gehören dort fast zum Alltag, die geothermische Energie wird von Islands rund 300'000 Einwohnern wirtschaftlich verschiedenartig genutzt. Was jedoch auch zum Naturspektakel gehört, sind die seltenen, jedoch sicher eintreffenden Eruptionen, welche alle paar Jahrhunderte die Eisdecke der Gletscher sprengen und eine beträchtliche Menge Asche in die Atmosphäre ausstossen.
Das Gefahrenpotential dabei ist nicht primär die Explosion des Ausbruches selbst, sondern die Folgen danach: Das Schmelzwasser des Gletschereises verursacht einerseits einen Wasserstrom, der unter Umständen eine grössere Wucht hat als der Amazonas, eine Gefahr, die sich lokal beschränkt. Bedenklicher ist jedoch die Gefahr der Aschenwolke, deren schwereren Partikel sich auf isländischen Boden absenkt und die Menschen (gemäss Aussagen der zuständigen Behörden Islands) mit ungesundem Staub belasten kann. Bisher wird die Aschenwolke vom Wind in Richtung süd-osten geblasen, wodurch die Insel vorerst "sauber" bleibt. Die leichteren Partikel bleiben aber viel länger in höheren Schichten der Atmosphäre und werden mit dem Jetstream und anderen Winden weiträumig verbreitet und bilden auch in kleiner Konzentration einen Störfaktor für die Aviatik.

Angesaugt vom Triebwerk, erhitzt und komprimiert können die Aschenteilchen (sog. Aerosole) verklumpen und den Kanal zwischen Mantel und Düse verstopfen. Ausserdem wird der Druck im Staurohr beeinträchtigt, was zu falschen Höhenmessergebnissen führt. (Unmittelbar beim aktiven Vulkan selbst kann eine hohe Konzentration des Rauchs die Qualität der Radarmessungen und der Funkverbindungen erheblich verschlechtern, was aber dermassen Weiträumig kein Thema ist). In der Aviatik geht man davon aus, dass die Gefährlichkeit der Schmutzpartikel ab einer Konzentration von 2 µg pro kg Luft massiv zunimmt. Wo sich eine solche Konzentration befindet, muss mit verschiedenartigen Modellen ermittelt werden.

Jedenfalls ist durch dieses natürliche Ereignis der Luftverkehr europaweit massiv beeinträchtigt, weshalb es sich lohnt, sich über die aktuelle Lage des Flugverkehrs zu informieren, um Unannehmlichkeiten allenfalls vermeiden zu können.

Wetter in Europa

Das Flugwetter in Europa wird zwischen Mai und Juni 2010, bei Winden aus nordwestlicher Richtung, von den weiteren Aktivitäten des isländischen Vulkans "Eyjafjallajökull" bestimmt werden, weil sich durch die Eruptionen sowohl Vulkanstaub und feinste quarzhaltige Vulkanasche in einer Höhe von 5'000 bis 11'000 m.ü.M. "ablagern", bzw. länger dort schweben werden.

Anhaltende Regenwetter, welche die vulkanischen Substanzen ausspülen, werden etwa ab Anfang Mai 2010 zu erwarten sein. Darüber hinaus wird die Atmosphäre über Europa in den kommenden Monaten mit verdünnter schwefliger Säure (H2SO2), auch Schwefeldioxid-Lösung genannt, welche durch die Verbindung aus Schwefelwasserstoff (H2S) und Schwefeldioxid (SO2) entsteht, angereichert.

Bild: Wikipedia
(Europaweit wird am Himmel bei eigentlich klarem Wetter horizontal eine leichte Färbung sichtbar sein, als befände man sich unmittelbar in der Nähe einer Grossstadt.)

Sollte der Vulkan Ausbruch mit den mächtigen Eruptionen über den Sommer 2010 weiterhin anhalten, kann es zu einer massiven Abkühlung über Nord- und Mitteleuropa kommen.

Verkehrsflugzeuge fliegen auf einer Reisehöhe zw. FL 300- 400, also 30'000 - 40'000 ft, was etwa 10'000 bis 12'000 m.ü.M. entspricht. Auf dieser Höhe beträgt die Luftdichte etwa einen Viertel dessen auf Meereshöhe, das heisst, wenn auf dieser Höhe zu viele Aschenpartikel schweben, beeinträchtigt das die Maschine deutlich mehr, als wenn sich die gleiche Menge Asche in Bodennähe befände. Bis die Natur ein neues Gleichgewicht hergestellt hat kann es noch eine ganze Weile dauern.

Eigenschaften der Vulkanasche:

Vulkanasche besteht hauptsächlich aus zwei verschiedenen Aerosoltypen: Etwas mehr als 92% des Volumens besteht aus ca. 0.3- 0.5 µm grossen Schwefeloxid- und die restlichen knapp 8 Volumen-% sind 10-12 µm grosse Quarzpartikel, womit sich das Massenverhältnis fast ausgleicht.

Die wesentliche Menge an Aerosole wird von der Luft mit rund 500 hPa getragen, was etwa einer Höhe von 5'000 m.ü.M. entspricht. Dort befindet sich eine für die menschlichen Sinnesorgane erfassbare Konzentration, d.h. man kann die Asche dort sehen und riechen. Darüber nimmt die Konzentration kontinuierlich mit zunehmender Höhe ab, bleibt aber aufgrund des geringen Luftdruckes auf 10'000 m.ü.M. für die Fliegerei nach wie vor relevant.

Die Verbreitung der Aschenwolke ist vor Allem durch die Winde beeinflusst und lässt sich daher nur schwer anhand eines mathematischen Modells beschreiben. Bei absoluter Windstille könnte man die Verbreitung der Aerosole mit einer e-Kurve proportional zur horizontalen Distanz beschreiben- einer Naturkonstante, mit denen man in der Physik am besten eine degressiv fortschreitende Ausflussrate anhand eines sich dadurch entwickelnden Potentials beschreiben kann. Da die Winde aber die bewegung der Aschenwolke steuern, bleibt die Konzentration viel länger auf relativ hohen Niveau erhalten, da die Masse nicht zerstreut, sondern kanalisiert wird.

(eine Animation des Modells, Dr. B. Neininger, Atmosphärenphysiker, Dozent an der ZHAW)

Frage: Wieso haben europäische Verkehrsminister den ganzen Luftverkehr gesperrt? Antwort: Dies hat zwei Gründe: Einerseits kennen sich viele von ihnen nur unausreichend mit Atmosphärenphysik aus, weshalb ihnen das zutreffende Ausbreitungsmodell nicht bekannt ist- die kanalisierte Forttreibung der Aerosole bringt die Eigenschaft mit sich, dass anstatt den ganzen Luftraum zu sperren, lokale Einschränkungen völlig ausreichen würden. Der zweite Grund dürfte politischer Natur sein: Das Vereinigte Königreich war von der Kontamination stärker betroffen als andere Regionen. Eine Sperrung fast nur über Grossbritannien und kleinen anderen Regionen hätte dem britischen Luftverkehr einen internationalen Marktnachteil verschaffen. Aus diesem Grund wurde die These bevorzugt, man müsse am besten den Luftverkehr europaweit lahmlegen.

aktuelles Wetter in Island:
http://en.vedur.is/about-imo/news/2010/nr/1879


aktuelle Info:
http://www.sueddeutsche.de/politik/760/508899/text/