Die Atmosphären von Exoplaneten Alexander Wastl, Q12 am 13.1.2015 Die Atmosphären von Exoplaneten

Gliederung 1. Basiswissen zum Thema 1.1 Die Entdeckungen seit dem Beginn der Weltraumforschung 1.2 Erklärung von Planeten und Exoplaneten 1.3 Erste Beschreibung einer Atmosphäre 1.4 Die Atmosphäre der Erde 2. Biomarker 3. Verwendung des Lichtspektrums 4. Die Temperatur 4.1 Bestimmung über die Energiebilanz 4.2 Bestimmung über die Gleichgewichtstemperatur 5. Polarisation 6. Atmosphärische Zirkulation 7. Mein Fazit Quellen

1. Basiswissen zum Thema. 1. 1 Die Entdeckungen seit dem Beginn der 1. Basiswissen zum Thema 1.1 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 Thema 1.2 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“: Er muss sich auf einer Bahn um den jeweiligen Stern befinden. 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. Es muss gegeben sein, dass er die nähere Umgebung seiner Bahn von anderen Körpern bereinigt hat.

1. Basiswissen zum Thema 1.3 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 Thema 1.4 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: Auftreten der Moleküle der Erdatmosphäre Rotverschiebung der Absorptionslinien

4. Die Temperatur 4.1 Bestimmung über die Energiebilanz Stefan-Boltzmann-Gesetz F=σ*T4 Strahlenleistung eines Sterns Ρ=σ*T4*4πRS2 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 Temperatur 4.1 Bestimmung über die Energiebilanz 1. Sonderfall: Nicht rotierender Planet φein=φaus ((σ*TS4*4πRS2)/( 4πa2))*(1-A)=σ*TP4 Daher: 2. Sonderfall: Schnell rotierender Planet Einstrahlung * Querschnitt des Planeten Abstrahlung * Oberfläche ((σ*TS4*4πRS2)/( 4πa2))*(1-A)*πRP2= σ*TP4*4πRP2 Daher: TP‘= (1/√2)*∜(1-A)*TS*√(R/a)= (TP/√2)

4. Die Temperatur 4.2 Bestimmung über die Gleichgewichtstemperatur Rein theoretische Zahl 4 Voraussetzungen: Der Planet hat keine eigene Energiequelle Die Eingestrahlte Energie wird restlos wieder abgestrahlt Die Atmosphäre strahlt wie ein schwarzer Körper Der Anteil η der Energie als sichtbares Licht reflektiert wird und nicht zu einer Erwärmung der Planetenoberfläche beiträgt

4. Die Temperatur 4.2 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.

ABER Mit 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.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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