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

Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 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 Naturwissenschaften im Unterricht 10.12.2013 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 2 2 2

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 3

Was ist und was zeigt ein Spektrum? Bei Spektroskopie wird die Absorption oder die Emission elektromagnetischer Strahlung durch Moleküle (oder Atome) untersucht. Durch Auswertung der Molekülspektren: Energiezustände, Rotations- und Schwingungsfrequenzen, Trägheitsmomente, Kraftkonstanten, in speziellen Fällen ergeben sich Aussagen über Kernspin, Potentialkurven 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)]

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

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

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

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

Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 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 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 12 12

Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 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 Heterosphäre molekularen Diffusionsvorgängen  Entmischung der verschiedenen Bestandteile nach ihrem Molekulargewicht 10.12.2013 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 13 13

Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner Barometrische Höhenformel 10.12.2013 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 14 14

Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 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 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 15 15

Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 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 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 16 16

Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 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 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 17 17

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

Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 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 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 19 19

Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 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 Stephanie Gabler, Elisabeth Wallner 20 20

Danke für die Aufmerksamkeit! 21