Erd-Atmosphäre und Vakuum?
Hey Leute :) Ich hab mal ne Frage, wir haben gerade in der Schule Atmosphäre und die ganzen Schichten. Aber was ich mich frage ist wie geht das wenn der Weltraum ein Vakuum ist? Da ist doch gar keine Wand dazwischen? Also Nichtvakuum ist direkt neben Vakuum, ist das nicht unmöglich?
Ich verstehe das nicht und meine Lehrerin hat gesagt da reden wir nach den Sommerferien drüber wenn ich die Klasse geschafft habe, aber bis dahin hab ich die Frage doch 3mal vergessen:D
Mein Papa hat gesagt wegen der Gravitation, aber ich verstehe das trotzdem nich, das erklärt irgendwie gar nichtt wie genau das gehen soll, Raum mit Teilchen direkt neben Raum ohne Teilchen?
Könnt ihr mir das erklären? Danke schonmal :)
Francis
8 Antworten
Gratuliere, Du hast völlig richtig erkannt, dass ein "Raum mit Teilchen direkt neben Raum ohne Teilchen" nicht existieren kann. Tatsächlich ist das natürlich ein so allmählicher Übergang wie z.B. die nachlassende Helligkeit des Lichtkegels einer Stablampe mit der Entfernung in der Dunkelheit. Da verständigen wir uns irgendwann einmal auf "dunkel", auch wenn es da keine natürliche Grenze gibt.
Aufgrund der Schwerkraft wird die Luft mit abnehmender Höhe über dem Boden immer dichter, nach oben wird sie also zunehmend dünner. Beim Aufstieg in der Atmosphäre kommen wir einmal in eine Höhe von ca. 100 km, wo vielleicht nur noch 1 oder 2 Moleküle pro Kubikmeter herum schweben. Dann reden wir nicht mehr von Atmosphäre, sondern von Weltraum. Das ist aber letztlich immer eine Definitionsfrage, weil es auch hier keine natürliche Grenze gibt. Selbst im tiefsten Weltraum ist das Vakuum kein ganz absolutes, selbst wenn die Moleküle Tausende von Kilometern voneinander entfernt sein sollten.
Erstmal ein Kompliment an dich. Du hast eine gewisse Vorstellung und durch logische Überlegung kommst du dahinter, dass da was nicht stimmen kann und willst es jetzt unbedingt genau wissen. So denken Wissenschaftler. Und dein Papa hat auch Recht.
Das Vakuum im Weltraum ist kein absolutes Vakuum. Die Sonne, Kometen und alle Planeten mit Atmosphäre geben Materie ans Universum ab. Dann gibt es Sternenexplosionen, die enorm große Gas- und Staubwolken ins All schleudern. Auch die Bildung von Sonnensystemen hinterlässt immer Staub- und Gasreste im All. Also egal wo du im All bist, es finden sich auch immer Materieteilchen, wenn auch in extrem dünner Konzentration. Dennoch spricht man von Vakuum. Auf ihrem Weg um die Sonne sammelt die Erde einiges von dieser Materie ein. Pro Tag fällt auf diese Weise eine Masse von durchschnittlich 40 Tonnen auf die Erde.
Betrachten wir nun ein einzelne Gasteilchen in der Atmosphäre. Auf das wirken zwei Kräfte. Das eine wäre die Gravitation, die es an der Erde hält und die entgegengesetzte Kraft, die das Vakuum "ausübt". Das Gasteichen hat das Bedürfnis, sich vom hohen zum niedrigen Druck zu bewegen. Beide Kräfte sind aber unterschiedlich stark, je nachdem, wie weit sich das Gasteilchen über der Erdoberfläche befindet. Direkt an der Erdoberfläche wirkt praktisch nur die Gravitation, aber schon in geringer Höhe wirkt sich das Vakuum immer stärker aus.
An der Stelle muss ich auf einen Irrtum in der normalen Vorstellung hinweisen. Wir denken aus Erfahrung, die Lufthülle sei ja ganz schön dick. Ist sie aber nicht, die ist nur hauchdünn. Das Verhältnis Atmosphäre/Durchmesser Erde ist ungefähr das selbe wie die Dicke einer Apfelschale im Verhältnis zu seinem Durchmesser.
Die Höhe der Atmosphäre ist ein menschliches und praktisches Konstrukt. Da legt man einfach einen Grenzwert fest und sagt, ab hier gilt nicht mehr die Atmosphäre, das ist jetzt Weltraum. Diese Grenze ist aber real nicht vorhanden. Tatsächlich wird die Atmosphäre nach oben hin immer dünner und von der "Oberfläche" verdunstet auch ständig Gas ins All. Pro Sekunde verliert die Erde ca. 3 Kilogramm Wasserstoff und 50 Gramm Helium. Diese dünnen Dunstschleier kann man bis in eine Entfernung von rund 10.000 km von der Erde noch deutlich messen. Danach werden die Dunstschleier aber so dünn, dass sie sich kaum noch von der üblichen Materiendichte im All groß unterscheiden. Aber auch hier gibt es nirgends eine harte Grenze, auch hier sind alle Übergänge fließend.
Hallo, auch dir vielen Dank für diese extrem ausführliche Antwort!
Irgendwie gibt es scheinbar viele verscheidene Antworten darauf aber keine macht für mich so richtig Sinn?!
Ich glaube das was du geschrieben hast ist die 'offizielle Meinung' wenn man das so sagen kann, weil du viele Zahlen und Daten hast. Aber ich verstehe einfach nicht das ich schon als kleines Kind die Gravitation so leicht überwinden konnte indem ich springe oder auch nur was aufhebe, und das sogar dort wo sie in dieser Schicht wo ich bin am allerstärksten ist wie du schreibst.
Und ein Vakuum hat doch so viel Kraft! Selbst ein kleines. Es gab doch da schonmal so ein Experiment wo Pferde so einen leergepumpten Ball versucht haben auseinander zu ziehen. Da steckt doch Kraft dahinter! Bestimmt viele PS!
Und ein Teilchen ist doch ganz leicht, also kann die Gravitation doch gar nicht so stark wirken wie z.b. auf mich oder einen Elefant. Irgendwo in einer Schicht der Atmosphäre muss ja das vakuum beginnen, es geht ja nicht anders, wenn es sich immer mehr steigert zu einem unglaublich starken extremen Hochvakuum wie ich auf Wikipedia gelesen habe. Und trotzdem ist also jede Stufe des vakuums schwächer also die sogar immer schwächer werdenede Wirkung der Gravitation auf ein winzigges Gasteilchen Kilometer von der Erdoberfläche entfernt.
Ich verstehe das einfach nicht.
Hallo Francis,
euch wurde also beigebracht, dass das Vakuum Luft bzw. Gas ansaugt. Folglich sollte das Vakuum des Weltraums die Luft der Erde ansaugen. So weit, so falsch.
Ich behaupte, das Vakua nicht saugen können. Um zu überprüfen wer nun recht hat, Lehrer oder ich, kannst du dir die Frage stellen, wie ein Vakuum gas ansaugen sollte.
Ein Vakuum ist ein Volumen ohne irgendetwas darin. Welche Kraft sollte also wirken, dass sich die Teilchen eines Nichtvakuums zum Vakuum hinbewegen? Die Antwort lautet: Es gibt keine. Wenn da nichts ist, dass eine Kraft ausüben kann, gibt es auch keinen Grund für die Teilchen, der nichtvorhandenen Kraft zu folgen.
Nun habt ihr ein Experiment gemacht, bei dem (vermutlich?) Luft in das Vakuum geströmt ist (oder bei dem der Luftdruck die Glocke fixiert hat). Wie das also möglich? Das Vakuum kann nicht saugen, da es keine Kraft ausüben kann. Allerdings kann die Luft drücken (woher sonst mag wohl der Begriff Luftdruck kommen?).
Der Grund, warum sie das kann ist der, dass jedes einzelne Teilchen Bewegungsenergie besitzt, welche wiederum von der Temperatur abhängig ist.
Die Tatsache, dass da nichts ist, was die Bewegung der Teilchen aufhalten könnte, wenn sie auf ein Vakuum treffen, jedoch innerhalb eines Nichtvakuums die teilchen ständig aufeinander prallen führt dazu, dass sich die Teilchen zum Vakuum bewegen. Dabei nehmen Druck und Temperatur ab.
Im Übrigen ist der Druckgradient (also der Unterschied zwischen hohem und niedrigem Druck) nicht so hoch wie du denkst. Der Druck an der Erdoberfläche beträgt ca. 1 bar, der Druck in einem idealen Vakuum genau 0 bar, in einem technischen Vakuum 0,001 bar. Tatsächlich ist der Druckunterschied zwischen einem Tal und der Spitze eines hohen Berges größer als der zwischen eines menschengemachten Vakuums und dem Vakuum des Weltraums.
Da Vakua wie gesagt nicht saugen, sondern die Teilchen der Luft pressen, müsste zur Verstärkung des Effekts der Druck der Luft selbst erhöht werden.
Okay, nun sollte klar sein, wie das mit dem Luftdruck und dem Vakuum ist, und die nächste logische Frage lautet, warum sollten die Teilchen der Luft nicht in den Weltraum entkommen, wenn dort doch weniger Widerstand ist, als hier zwischen den Teilchen der Erdatmosphäre?
Und die Antwort lautet: Genau das tun sie. Eigentlich müsste man aber fragen, warum hat die Erde überhaupt eine Lufthülle? Dein Vater lieferte bereits die richtige Antwort darauf: Wegen der Gravitation. Die Gravitation ist eine Kraft, die Jede Form von Materie anzieht, Unabhängig, ob dies nun Felsen, Menschen oder eben auch Luft ist.
Gäbe es keine Gravitation, würde sich die Lufthülle komplett auflösen (tatsächlich würde sich der ganze Planet ohne Gravitation auflösen, aber das lassen wir an dieser Stelle mal außen vor), so aber wird die Luft wie alles andere von der Erde angezogen.
Wie bereits geschrieben wurde, nimmt der Luftdruck kontinuierlich ab und geht dann fließend ins Vakuum des Weltraums über. Wie geht das? Nun, wie ich bereits sagte, zieht die Gravitation alles an. Am Boden ist der Luftdruck am stärksten, weil die Teilchen am stärksten komrimiert werden. Dies geschieht deshalb, weil die Massen an Teilchen der darüberliegenden Atmosphärenschichten nach unten drücken, in Richtung Zentrum der Gravitation.
Die Teilchen in 1 km Höhe werden nicht so stark komprimiert, weil ja ein Teil der Atmosphäre bereits unter ihr liegt, und deswegen nichts mehr zum Druck in 1 km Höhe beitragen. In 2 km ist der Druck wieder geringer als in 1 km Höhe, weil nun die Teilchen von Erdboden bis 1 km und von 1 km bis 2 km unter ihnen liegen. das setzt sich immer weiter fort. Je höher du kommst, desto mehr Teilchen befinden sich bereits unter dir.
Mit immer weniger Teilchen nimmt natürlich auch der Druck ab. Es sind aber immer noch ein paar teilchen vorhanden. deswegen ist der Übergang ins Vakuum des Weltraums fließend.
Und wie ich bereits schrieb, können die Teilchen der Hochatmosphäre durchaus in den Weltraum entkommen, wenn die freie Weglänge gering genug ist. Allerdings muss gesagt werden, dass die Energie der Teilchen im Vergleich zur Schwerebeschleunigung der Erde meißt nicht sehr hoch ist, weswegen auch größtenteils leichte Stoffe entkommen, und dies auch nur mit einer ziemlich geringen Rate.
Denn während das Gas unter eurer Glock ja einfachnur in den freien Raum eindringen musste, ist die Schwerebeschleunigung der Erde eine Kraft, die aktiv überwunden werden muss. Hat ein teilchen nicht genug Energie, fällt es einfach wieder zurück, selbst wenn genug freie Weglänge vorhanden ist.
LG, NA
Blumen wachsen überall, aber geschenkt kriegt man sie nicht ohne Grund.
Wenn du schon seit einem halben Jahr dabei bist, kennst du die Kompetenz der Experten hier.
Zumindest ist klar, dass Fehler selten durchgehen. Da kannst du auf der anderen Seite ein Lob einfach mal annehmen.
Da kannst du auf der anderen Seite ein Lob einfach mal annehmen
Das tue ich. Ich bedanke mich schließlich nicht ohne Grund. Also nochmal danke.
Erstmal vielen vielen Dank für deine Mühe und die ausführliche Antwort, da hast du bestimmt lange dran gesessen :)
Aber ich habe Fragen dazu:
Du schreibst ein Vakuum saugt nicht. Aber wenn ich mit dem mund ein kleines vakuum erzeuge an einer Plastikflasche dann wird doch sobald ich aufhöre sofort versucht das ein Druckausgleich passiert?
Und die Teilchen bewegen sich doch immer vom Unterdruck ausgleichend in den überdruck, aklso doch eindeutig vom Vakuum in das nichtvakuum. Ein vakuum versucht doch immer sich auszugleichen deswegen passiert es ja nie natürlich sondern muss künstlich erzeugt werden.
Wirklich? Du saugst an der Falsche, wodurch in ebendieser Flasche ein Unterdruck erzeugt wird (Vakuum wäre hier das falsche Wort).
Nun nimmst du den Mund von der Flasche. Die Teilchen aus der Plastikflasche strömen nun an die Luft? Wie soll das gehen? Wenn du den Flaschenhals öffnest, wird die Plastikflasche dann kleiner oder größer?
Nach allem, was ich erlebt habe, wird das Volumen größer, und zwar weil die teilchen aus der Luft in die Flasche strömen. Das ist auch logisch, denn du hast ja zuvor die Teilchen aus der Flasche rausgesaugt, und nun haben die Teilchen der Luft die Möglichkeit, diesen Platz einzunehmen.
Ich schlage vor, Du gehst mal mit einem Sauerstoffanzug in eine grosse Vakuumkammer und ziehst dort den Helm ab und schaust was passiert. Lange dazu hast Du aber nicht.... Doch, ein Vakuum hat Gasen gegenüber eine saugende Kraft, inkl. der Luft in Deinen Lungen.
Hallo Francis
Das ist sozusagen eine 1-Trillionen-Dollar-Frage und zudem eine sehr Gute.
Ich kann Dir keine abschliessende Antwort liefern, ich möchte aber einmal die sogenannten "Fakten", welche uns in den Lehrmitteln präsentiert werden beleuchten.
Wie Du weisst, hat ja der gute Newton einen Apfel fallen lassen und daraus die Kraft formuliert, welche den Apfel gegen die Erde beschleunigt. Ohne Zweifel ein mathematisches Modell, dass innerhalb der Erdatmosphäre funktioniert und uns in der Statik, Aviatik sowie in anderen Disziplinen hilft.
Einstein (oder aber wahrscheinlich eher mehrheitlich seine Frau) hat dann die allgemeine und spezielle Relativitätstheorie formuliert, in welcher sich das 3. Newtonsche Gesetz einfügt. Seine Beobachtungen und Berechnungen können z.B. anhand dem Einfluss des Mondes auf die Erde (Gezeiten aufgrund der Fernwirkungskraft) nachgeprüft werden. Aber auch hier handelt es sich schlussendlich auch "nur" um - jedoch beeindruckende - mathematische Modelle, welche die Raum-Zeit-Krümmung miteinschliesst (Anm.: Modell der Planeten und Monde und deren Umlaufbahnen).
So, das hat jetzt Deine Frage auch noch nicht genauer beleuchtet, deshalb nun folgendes: Die wirkliche Ursache für Gravitation kann man bis heute nicht erklären, deshalb sucht man nach einem hypothetischen Teilchen "Graviton" innerhalb der Quantenmechanik, das bis heute nicht gefunden wurde. Man ist auch der Meinung, dass es ein Anti-Graviton geben müsste (Vakuum?).
Deine Überlegungen sind aber trotzdem richtig. Warum bleibt die Atmosphäre auf der Erde? Zudem rotiert die Erde scheinbar am Äquator noch mit 465 m/s (1674 km/h)!. Also ganz zu schweigen davon, dass die Atmosphäre eigentlich aufgrund der Zentrifugalkraft ins Weltall hinausgeschleudert werden sollte!
Raum-Krümung? Wirklich Gravitation resp. was ist Gravitation? Die Beantwortung dieser Frage beantwortet Deine. Und: Ja, das Vakuum im Weltall müsste eigentlich die Atmosphäre, inkl. Bäume etc. absaugen. So wie es einem Astronauten die Luft aus den Lungen saugen würde, wenn er den Helm im Weltraum öffnen würde. Der Mond hat scheinbar keine Atmosphäre und das Mondgestein und der Mondstaub bleibt dort ja auch liegen. Also ist die Antwort "Gravitation" nicht ganz falsch, sie klärt aber Deine Frage nicht. Die korrekte Antwort ist also: Keine Ahnung! (Einstein, Newton, Deine Lehrerin, Dein Papa und alle scheinbar soooo intelligenten Starphysiker mit unendlichem IQ.....hust ;-).
Meine persönliche These: Materie besteht ja aus Atomen und Atome aus Elektronen, Protonen, Neutronen und im Kleineren aus Quarks, etc. Die Atome kommen bei tieferen Temperaturen immer mehr zur Ruhe, im Weltall und beim absoluten Nullpunkt fast zum Stillstand, dafür treten andere quantenmechanische Effekte auf wie beispielsweise beim Supraleiter, wo dann ein zum absoluten Nullpunkt hin gekühlter Gegenstand über einem Dauermagneten "schwerelos" schwebt. Fällt Dir etwas auf? Nehmen wir an, die Erde ist der Dauermagnet (was er ja auch ist) und alle bewegenden Atome selber sind auch magnetisch resp. elektromagnetisch. Also nicht nur die klassischen Magnete, sondern eben alles zu einem gewissen Teil (Haut, Haare, Wolken, etc.). Die Atome bewegen sich, weil die Erde aufgrund der Sonne aufgeheizt wird. D.h. der Sauerstoff, das Wasser und alles andere wird von einem grossen Elektromagneten angezogen, aber eben nur über eine gewisse Distanz, dann abnehmend magnetisch (Übergang Atmosphäre zu Weltall mit all ihren Schichten). Stell Dir vor Du bewegst ein Magnet von einem Stück Eisen langsam weg. Die Anziehung wird also auch immer weniger. Und ein Astronaut ist eigentlich, ähnlich wie Supraleiter, im Weltall schwerelos - wobei dieser Vergleich natürlich etwas hinkt. Das Weltall ist halt einfach kalt und nach meiner These weniger elektromagnetisch ggü. der Erde, obwohl dort ja hauptsächlich keine Materie vorkommt. Jetzt könnte man argumentieren, dass der Mond ja aber nicht mehr elektromagnetisch ist und dort trotzdem Menschen gelandet sind. Dann muss ich sagen, ich würde das lieber anders erklären.... Der hat immer noch Temperaturen zwischen 123 und -233 Grad, also sich bewegende Atome und wird gleichzeitig von der Erde angezogen. Wenn meine These richtig wäre, würde der Astronaut im Sonnenschatten (bei -233 Grad) praktisch davonfliegen, wobei aber davon ausgegangen werden kann, das der Boden wärmer ist.... Naja, wie gesagt, es ist eine These.
So, das gesuchte Graviton ist deshalb vielleicht viel eher der Elektromagnetismus der Erde, welcher auf alle sich bewegende Atome bis hin zu einer bestimmten Distanz (Orbit) wirkt. Deshalb hätte die Erdtemperatur wichtige Zusammenhänge mit der sogenannten "Gravitation".
Ich stelle also die These auf, dass Gravitation etwas mit Magnetismus, Elektromagnetismus oder aber auch Elektrostatik zu tun haben muss und dies selbst in den Erden-Atomen und deren Menge begründet sein muss.
Vielleicht war ja Tesla doch viel näher an der Wahrheit dran...
Anregungen, Meinungen und Nobelpreise ;-) sind herzlich Willkommen. Die Kopierrechte dieses Textes liegen bei mir (ThinkTrifold).
In meiner Kindheit sind die Menschen zum Mond geflogen, und da hab ich mir zwei Geschwindigkeiten gemerkt:
- Um in eine Erdumlaufbahn zu kommen, muss man 28.000 km/h haben, 8 km/s
- Um die Erde zu verlassen, muss man 40.000 km/h haben, 11 km/s
Die Teilchen in der Luft haben aber im Durchschnitt nur Schallgeschwindigkeit, nicht ganz zufällig, denn die Teilchen geben ja den Schall weiter.
Das sind dann ganz grob 1000 km/h oder 300 m/s. Ein Vierzigstel!
Selbst die schnellsten Luftteilchen fallen also ganz einfach wieder zurück auf die Erde, oder in die Luft.
Und die allerschnellsten Teilchen (was in Deutsch falsch ist) sind so wenige, dass es nicht drauf an kommt.
Vor allem, weil da der Sonnenwind wesentlich wichtiger ist.
Da ergibt mein Standardspruch
die schnellsten Antworten sind selten die besten
einen völlig neuen Sinn.
Wer mich kennt, der weiß, dass ich auch mal ausführlich werde, aber deine Antwort toppt alles!
Und @Francis0399: Meine Kinder sind inzwischen groß und widersprechen nicht bei meinem anderen Standardspruch:
Eltern sind zwar blöd, aber lang nicht so blöd, wie die Kinder denken!