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Charakterisierung und Molekülbewegung von Fluiden

Die innere Struktur bei Fluiden ist im Gegensatz zu Festkörpern gekennzeichnet von Molekülbewegungen innerhalb der Materie (siehe Abbildung). Hierbei können dreidimensionale Bewegungen der Moleküle und Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Molekülen stattfinden. In Flüssigkeiten dominieren hier intermolekulare Vorgänge die Wechselwirkung der Fluidmoleküle, welche z.B. bei polaren Molekülen wie Wasser zu nennenswerten Bindungskräften führen. In Gasen sind die Zwischenräume zwischen den Molekülen im Vergleich zu Flüssigkeiten deutlich größer und die Molekülbewegung ist noch deutlich stärker ausgeprägt. Hierbei dominieren Stoßvorgänge zwischen den Molekülen.

Skizze zur Molekülanordnung in Solid, Flüssigkeit und Gas

Charakterisierung und Molekülbewegung von Fluiden

Für ein ideales Gas bei Normbedingungen beträgt die Molekülanzahl ca. 2.687·1025 m−3. Dieser Wert wird als Loschmidt-Konstante Nbezeichnet und ist über das molare Volumen eines Gases unter Normbedingungen mit der Avogadro-Konstanten NA= 6.022·1023 mol−1 verknüpft:

Loschmidt-Konstante

Im Vergleich ergibt sich bei Wasser für die größte Dichte bei T = 3.98 °C eine Molekülzahl von ca. 3.3427 ·1028 m−3. Dies sind mehr als drei Größenordnungen Unterschied. Die Strecke, welche Fluid-Moleküle im statistischen Mittel zwischen zwei Stoßvorgängen zurücklegen, bezeichnet man als mittlere freie Weglänge λ. Zur Charakterisierung einer Strömung dient die dimensionslose Knudsen-Zahl Kn als das Verhältnis von λ und einer charakteristischen Abmessung der Strömung (z.B. Rohrdurchmesser):

Knudsen-Zahl

Man unterscheidet in Bereiche entsprechend der Knudsen-Zahl, wobei im Folgenden von der Erfüllung der Kontinuumshypothese ausgegangen wird:

Kontinuumshypothese

Atmosphäre

Die Kontinuumshypothese ist erfüllt für Kn < 0.01 und somit stellt sich die Frage, in welchem Bereich unserer Atmosphäre diese Bedingung gültig ist. Unsere Atmosphäre hat im Schnitt eine Dicke von ca. 640 km bei einem mittleren Erddurchmesser von 12713 km. Jedoch ist sowohl der Erddurchmesser als auch die Atmosphäre am Äquator gemessen größer als an den Polen. Die prinzipielle Einteilung in die unterschiedlichen Schichten nach Abb. 2.3 bleibt jedoch erhalten. Dementsprechend ist die unterste Schicht die sogenannte Troposphäre, welche mit der Tropopause zur Stratosphäre abschließt. Die Dicke der Troposphäre beträgt am Äquator ca. 17–18 km und nimmt zu den Polen hin auf eine Dicke von 8–10 km ab und ist sehr stark von der geographischen Breite sowie der Jahreszeit abhängig. Die Troposphäre enthält ca. 80% der Masse sowie auch fast den gesamten Wasserdampf der Atmosphäre.In der Troposphäre sinkt die Temperatur linear mit der Höhe bis auf knapp T= −60°C ab.

Einteilung, Druck und Temperaturverlauf nach „Standardatmosphäre 1976“

Atmosphäre

An die Troposphäre schließt die Stratosphäre an. Diese erstreckt sich bis auf ca. 50 km. In der Stratosphäre ist die Temperatur bis knapp 20 km Höhe konstant bei ca. T = −57 ◦C und
steigt mit zunehmender Höhe aufgrund der steigenden Ozonkonzentration (Ozon adsorbiert den kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung) wieder bis auf knapp T = 0 ◦C an. Dieser Tem- peraturanstieg mit der Höhe unterbindet analog zur Inversionswetterlage auch den vertikalen Austausch innerhalb der Stratosphäre. Aufgrund der extrem niedrigen Temperaturen ist der Wasserdampfgehalt so gering, dass in der Stratosphäre praktisch keine Wolkenbildung mehr stattfindet. Innerhalb der Stratosphäre konzentriert sich bis auf ca. 30 km Höhe auch nahezu
99% der Atmosphärenmasse.
Die Grenze zwischen Stratosphäre und Mesosphäre wird Stratopause genannt. Die Mesosphäre erstreckt sich zwischen 50 km und 80–90 km Höhe und schließt mit der Mesopause zur Thermo-
sphäre ab. In der Mesopause nimmt die Temperatur wieder ab auf minimal T = −86 ◦C.
In der darüberliegenden, bis ca. 500 km reichenden, Thermosphäre ist die Teilchendichte bereits so gering, dass sich nur noch Strahlungsenergien bestimmen lassen. Die hohen Temperaturen bis

zu 2 000 Kelvin in 500 km Höhe resultieren hierbei aus der Absorption von solarem UV-Licht und variieren somit stark mit der Tageszeit. Die Exosphäre schließlich reicht je nach Definition in den Bereich 500–1 000 km und der Druck ist dort bereits so gering, dass man von einem Vakuum sprechen kann.
Des Weiteren kann die Atmosphäre noch aufgrund ihrer Zusammensetzung oder dem Ionisie- rungsgrad (Neutrosphäre bis ca. 80 km, darüber bis ca. 1000-2000 km die Ionosphäre) unterteilt werden.
Die Unterscheidung auf Basis der Zusammensetzung gliedert sich in die sogenannte Homosphäre bis in eine Höhe von 80–100 km und die darüberliegende Heterosphäre. Die Homosphäre ist auf- grund von horizontalen und vertikalen Austauschprozessen gut durchmischt. In der Heterosphäre erfolgt eine Ausrichtung nach dem Molekulargewicht, wobei dieses mit der Höhe abnimmt. Hier liegt in 100 km Höhe die international anerkannte Grenze zwischen Erdatmosphäre und Welt- raum, die sogenannte Kármán-Linie.

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