Aufgaben: Die Atmosphäre

Luft besteht ungefähr aus 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff und 1 % anderen Gasen (Argon, Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf …). Ordne diese Bestandteile nach ihrem Anteil vom größten zum kleinsten und stelle die Daten in einem einfachen Balkendiagramm dar.

Du kannst es auf Papier machen und ein Foto deiner Antwort schicken.

Das Schema zeigt die Schichten der Atmosphäre (nicht maßstabsgetreu gezeichnet).

1. a) Welche Schicht ist mit „?“ gekennzeichnet?
2. b) In welcher Schicht bilden sich die Wolken und entstehen Gewitter?
3. c) Welches Gas bildet in der mit „?“ gekennzeichneten Schicht einen Bereich, der die ultraviolette Strahlung der Sonne absorbiert?

Nenne zwei Funktionen der Atmosphäre, die das Leben auf der Erde möglich machen, und erkläre eine davon kurz.

Nenne die beiden Hauptgase der Luft und gib ihren ungefähren Anteil an.

Gib an, ob diese Aussagen über die Atmosphäre richtig oder falsch sind, und berichtige die falschen: Die Luft besteht nur aus Sauerstoff; die Troposphäre ist die Schicht, in der das Wettergeschehen stattfindet; die Exosphäre ist die der Oberfläche am nächsten liegende Schicht.

Erkläre mit eigenen Worten, was der Luftdruck ist, und begründe, warum er auf dem Gipfel eines Berges geringer ist als auf Meereshöhe.

Ein Verkehrsflugzeug fliegt in etwa 11 km Höhe und die Internationale Raumstation umkreist die Erde in etwa 400 km Höhe. Gib an, in welcher Schicht der Atmosphäre sich jeweils bewegt.

Nenne zwei Unterschiede zwischen der Troposphäre und den äußeren Schichten der Atmosphäre in Bezug auf die Dichte der Luft und die dort ablaufenden Erscheinungen.

Beim Aufstieg auf einen Berg sinkt die Temperatur, obwohl wir der Sonne näher kommen. Erkläre, welcher Schicht der Atmosphäre dieser Temperaturrückgang entspricht, und begründe, warum der Gipfel eines hohen Berges kalt ist.

Was ist die Ozonschicht, in welcher Schicht der Atmosphäre befindet sie sich und warum gibt ihre Schädigung Anlass zur Sorge?

Der Mond hat praktisch keine Atmosphäre. Nenne zwei Folgen davon, die mit den Funktionen zusammenhängen, die die Atmosphäre auf der Erde erfüllt.

In der Troposphäre sinkt die Temperatur mit der Höhe, in der Stratosphäre steigt sie jedoch an. Bringe diesen Wechsel des Trends mit der Absorption ultravioletter Strahlung durch die Ozonschicht in Zusammenhang.

Im Hochgebirge liefert jeder Atemzug weniger Sauerstoff als auf Meereshöhe. Erkläre, was das mit dem Luftdruck zu tun hat und warum sich Bergsteiger tagelang akklimatisieren müssen, bevor sie auf einen sehr hohen Gipfel steigen.

Die Atmosphäre wird mit einer Decke verglichen, die die Erde umhüllt. Erkläre, worin die Ähnlichkeit besteht: wie sie tagsüber einen Teil der Sonnenstrahlung filtert und nachts einen Teil der Wärme zurückhält.

FCKW-Gase, die früher in Spraydosen und Kühlschränken verwendet wurden, zerstörten das Ozon und wurden durch das Montrealer Protokoll verboten. Erkläre, welches Risiko ihre Verwendung darstellte und warum dieses Abkommen als Erfolg der internationalen Zusammenarbeit gilt.

Wasserdampf ist ein veränderlicher Bestandteil der Luft. Erkläre, was geschieht, wenn eine feuchte Luftmasse aufsteigt und sich abkühlt, und bringe es mit der Entstehung von Wolken in Zusammenhang.

Es wurde ein erdähnlicher Gesteinsexoplanet entdeckt, der eine vergleichbare Sternstrahlung empfängt, bei dem die Analyse der Atmosphäre jedoch zeigt, dass in seiner mittleren Schicht keine Ozonschicht vorhanden ist und er in seinen unteren Schichten keinen Wasserdampf zurückhält. Begründe nachvollziehbar, welche Schutz- und Regulierungsfunktionen der irdischen Troposphäre und Stratosphäre auf diesem Planeten fehlen würden, und sage zwei entscheidende Folgen für die Möglichkeit von Leben auf seiner Oberfläche voraus.

Ein Mitschüler behauptet, es sei absurd, die globale Erwärmung dem Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$) zuzuschreiben, denn da es nur 0,04 % der Luft ausmache, müssten Stickstoff (78 %) und Sauerstoff (21 %) die wahren Verursacher des Wärmestaus sein. Widerlege seine Position, indem du das unterschiedliche Verhalten dieser Gase gegenüber der Sonnenstrahlung und der infraroten Strahlung der Erde erklärst, und sage voraus, was mit der mittleren Temperatur des Planeten geschehen würde, wenn $\text{CO}_2$ und die übrigen Treibhausgase vollständig verschwänden.

Ein Wetterballon misst beim Aufstieg diese Temperaturen: 15 °C an der Oberfläche, −50 °C in 10 km Höhe, 0 °C in 45 km und −80 °C in 70 km. Gib an, welche Schichten der Atmosphäre er in jedem Abschnitt durchquert, und erkläre den Wechsel des Trends, der in den Daten zu erkennen ist.

In der Troposphäre vermischt sich die Luft leicht durch Konvektionsströmungen, weil sie mit der Höhe kälter wird. In der Stratosphäre dagegen steigt die Temperatur von etwa −56 °C in 15 km Höhe auf fast 0 °C in 50 km. Begründe die physikalische Ursache dieser Erwärmung mit der Höhe und sage voraus, welche Folgen diese Temperaturinversion für die Stabilität der Luft und die Entstehung von Gewittern hat, und erkläre, warum Langstrecken-Verkehrsflüge bevorzugt an der Untergrenze dieser Schicht fliegen.

Ein Schüler behauptet, da die Luft in der Troposphäre viel dichter sei und tausendmal mehr Atome enthalte, die bei Anregung Licht aussenden können, müssten sich Polarlichter in Bodennähe bilden und nicht in Hunderten von Kilometern Höhe. Widerlege seine Hypothese, indem du begründest, warum dieses Phänomen nur in der Thermosphäre/Ionosphäre ausgelöst wird, und sage voraus, welche Risiken für die Biosphäre bestünden, wenn die Atmosphäre nicht als Schutzschild vor diesen energiereichen Sonnenteilchen wirkte, und welche Risiken die geomagnetischen Stürme, die diese Sonnenereignisse hervorrufen, für die irdischen Stromnetze darstellen.

Ein Wanderer verschließt auf dem Gipfel eines Berges in 3000 m Höhe luftdicht eine flexible Plastikflasche. Beim Abstieg zum Strand stellt er fest, dass sich die Flasche verformt hat und völlig zusammengedrückt ist. Begründe dieses Ereignis, indem du anhand der Begriffe Masse und Luftsäule die Vorstellung „Luft wiegt nichts“ widerlegst, und sage nachvollziehbar voraus, was mit derselben Flasche geschehen würde, wenn man sie am Strand verschlösse und wieder auf den Gipfel brächte.

Der Mars hat eine etwa hundertmal dünnere Atmosphäre als die Erde, die fast vollständig aus $\text{CO}_2$ besteht. Begründe, warum auf dem Mars die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht viel größer sind als auf der Erde, obwohl $\text{CO}_2$ ein Treibhausgas ist.

Ein Schüler behauptet, es sei absurd, dass Meteoroiden in der Mesosphäre verglühen, denn „in 80 km Höhe hat die Luft −90 °C und ist fast leer, daher müssten sie viel weiter unten verbrennen, in der Troposphäre, wo es mehr Luft gibt und es wärmer ist“. Widerlege seine Überlegung, indem du die physikalische Ursache der Erwärmung der Meteoroiden in dieser Höhe erklärst, und sage voraus, welche Folgen es für die Erdkruste und für die Lebewesen hätte, wenn die Atmosphäre keine Mesosphäre hätte.