Projekttag 31.05.03
Projektleitung: Mag. Helga Stadler (Inst. f. Theoretische Physik, Universität Wien),
Prof. Dr. Regina Hitzenberger (Inst. für Experimentalphysik, Universität Wien)
Studierende LA Physik: Martina Fiedler, Peter Jirak, Monika Navratil, Christian
Primetshofer Ursula Schmitzer, Andrea Tollay
Lehrerin: Mag. Katharina Pleskac
Schüler/innen der 4C des BRG Laaerbergstraße, Wien 10
1
Projektpraktikum „Global Change“ Universität Wien & BG Laaerbergstraße , Mai 03
Projektmappe „Global Change“
Name:______________________________
Programm:
8:00
Einleitung, Vorstellung, Ablauf, Einstimmung mit Video
Ablaufplan vom Stationenbetrieb, Gruppeneinteilung
08:15
Stationenbetrieb (incl. 5 Minuten Pause) in Kleingruppen (je 20
Minuten)
09:40
09:55
10:15
15 Minuten Pause 09:40 – 09:55
5te Station
Beginn mit der Ausarbeitung einer Präsentation der Station,
bei der man am Ende sich befindet
Präsentation
Ende des Projekttages
10:55
11:45
Stationen:
1. Station
Glashaus
2. Station
Wärmespielereien
3.Station
Wetter in der Flasche
4. Station
Lichtspiele
5. Station
Zentralheizung
Europas
-
Glashaus
Mini – Glashaus
Wärmeströmung
Verdunstungskälte
Schachteln3
Der strahlende Becher
Wolken in der Plastikflasche
Die frierende Flasche
Ozon
Absorption und Emission
Spektrum des Lichtes
Golfstrom
2
Projektpraktikum „Global Change“ Universität Wien & BG Laaerbergstraße , Mai 03
Inhalt
global change
Informationsblätter
Theorie zu Station 1
Theorie zu Station 2
Theorie zu Station 3
Theorie zu Station 4
Theorie zu Station 5
Natürlicher Treibhauseffekt ….5
Wärmespielereien ….6
Absorption und Emission ….7
Latente Wärme …10
Strahlungsbilanz ...10
Wetter in der Flasche ...12
Ozon …13
Lichtspiele …14
Treibhausgase …15
Zentralheizung Europas …16
Auswirkungen …17
Global Change (Begriffserläuterung) …19
3
Projektpraktikum „Global Change“ Universität Wien & BG Laaerbergstraße , Mai 03
Inhalt
global change
Arbeitsblätter
1.Station
Glashaus
2.Station
Wärmespielereien
3.Station
Wetter in der
Flasche
4.Station
Lichtspiele
5.Station
Zentralheizung
Europas
•
•
•
•
•
•
Glashaus
Mini-Glashaus
Wärmeströmung
Schachteln3
Verdunstungskälte
Der strahlende Becher
• Die frierende Flasche
• Wolke in der
Plastikflasche
• Ozon
• Absorption und
Emission einer
Natriumdampflampe
• Spektrum des Lichts
einer Halogenlampe
• Golfstrom
….21
….22
….23
….24
….26
….27
….28
….29
….31
….32
….33
….34
4
Projektpraktikum „Global Change“ Universität Wien & BG Laaerbergstraße , Mai 03
Theorie
global change
Theorie zu Station 1: Glashaus
Natürlicher Treibhauseffekt
Der
Treibhauseffekt
ist
absolut notwendig für das
Leben auf der Erde. Die
durchschnittliche Temperatur an der Erdoberfläche
beträgt +15°C; ohne den
natürlichen Treibhauseffekt
läge sie bei -18°C.
Strahlung, die von einem
heißen Körper wie der
Sonne ausgegeben wird, ist
kurzwellig. Diese kurzwellige
Strahlung durchdringt relativ
ungehindert die Atmosphäre
der Erde und tifft auf die Erdoberfläche auf. Diese kurzwellige Strahlung wird beim
Auftreffen auf der Erdoberfläche absorbiert, in Wärme umgewandelt und als
langwellige Wärmestrahlung wieder ausgestrahlt. Diese langwellige Wärmestrahlung
kann die Atmosphäre nicht wie die kurzwellige Strahlung durchdringen. Sie wird
absorbiert und wieder in alle Richtungen emittiert. Ein Teil davon wird zur Erde
zurückgestrahlt und erwärmt dabei die Oberfläche zusätzlich.
Es befinden sich bestimmte Gase, die so genannten Treibhausgase, in der
Erdatmosphäre. Diese Treibhausgase lassen zwar die kurzwellige Strahlung der
Sonne relativ ungehindert durch, jedoch nicht die langwellige Strahlung der
Erdoberfläche. Sie strahlen die langwellige Strahlung teilweise zurück zur
Erdoberfläche. Deshalb liegt die Temperatur nahe am Erdboden durchschnittlich bei
+15°C. Das ist ein Temperaturunterschied von 33°C, der durch den natürlichen
Treibhauseffekt zustande kommt.
Was hat der Treibhauseffekt mit dem Gewächshaus zu tun?
Ursache für den Treibhauseffekt sind die bereits erwähnten Treibhausgase. Sie
funktionieren wie eine Membran, die die kurzwelligen Strahlen der Sonne nahezu
ungehindert passieren lässt und die langwellige Strahlung der Erdoberfläche
teilweise zurückhält. Das Prinzip funktioniert hier ähnlich wie beim Gewächshaus
bzw. Treibhaus. Dieses hat eine Glashülle, die ebenfalls kurzwelliges Licht passieren
lässt und die langwellige Wärmestrahlung sozusagen gefangen hält.
Ein Beispiel, das jeder von uns kennt, ist die unerträgliche Hitze wenn man an einen
heißen Sommertag in ein Auto einsteigt. Die Sonnenstrahlen dringen durch die
Verglasung ins Wageninnere ein und werden in Wärme umgewandelt. Beim
Treibhauseffekt der Erde übernehmen die Treibhausgase die Funktion der
Glasscheibe. Deshalb werden diese Gase auch Treibhausgase genannt.
5
Projektpraktikum „Global Change“ Universität Wien & BG Laaerbergstraße , Mai 03
Theorie
global change
Theorie zu Station 2: Wärmespielereien
Schachteln3
Elektromagnetische Strahlung (sichtbares und unsichtbares „Licht“)
wird von Materie je nach Material und Oberflächenbeschaffenheit
verschieden stark reflektiert und teilweise absorbiert. Das schwarze Papier absorbiert
die IR-Strahlung stärker als das weiße und die Alufolie. Die absorbierte Strahlung
wird vom Material wieder an die Umgebung als Wärmestrahlung abgegeben
(emittiert), dadurch kommt es zur Temperaturerhöhung in den Schachteln. Da das
schwarze Papier die meiste Energie absorbiert hat, ist in der Schachtel darunter die
Temperatur am höchsten.
Verdunstungskälte
Die Energie, die beim Aufbrechen der Bindungsenergie zwischen
Flüssigkeitsmolekülen (verdunsten) investiert wird, wird im Dampf der Substanz als
„verborgene“ Energie (latente Wärme) gespeichert. Beim Verdunsten wird die
Verdunstungswärme der Umgebung entzogen (denke an die Abkühlung der Haut,
wenn du im nassen Badegewand herumläufst). Kondensiert die
Substanz wieder und kehrt damit in den flüssigen Zustand zurück,
wird die Energie, die jetzt beim Binden der Moleküle frei wird, wieder
an die Umgebung abgegeben. Dieser Vorgang führt zur Erhöhung
der Umgebungstemperatur.
Der strahlende Becher
Das warme Wasser im Becher führt zu einer Temperaturerhöhung
des Bechers. Die vom Becher dabei aufgenommene Energie wird als
Wärmestrahlung an die Umgebung abgegeben (emittiert). Du kannst
feststellen, dass es sich dabei nicht um Übertragung der Wärme
durch Luftströmung handelt, indem du ein Stück Seidenpapier
zwischen Becher und Wange der Versuchsperson hältst und
beobachtest, ob sich das Seidenpapier bewegt.
Die Energie, die die Treibhausgase in der Atmosphäre absorbiert haben, wird von
diesen in alle Richtungen wieder abgegeben (emittiert).
6
Projektpraktikum „Global Change“ Universität Wien & BG Laaerbergstraße , Mai 03
Theorie
global change
Absorption und Emission
„Bekanntlich sendet Materie elektromagnetische Strahlung aller Wellenlängen in
Form von Photonen aus (Emission), und zwar umso mehr je wärmer der
emittierende Körper ist. So sorgt z.B. die Emission elektromagnetischer Strahlung
an der (heißen) Sonnenoberfläche für Energie in Form des sichtbaren Lichtes auf
der Erde. Einfallende elektromagnetische Strahlung wird aber auch von Materie
verschluckt (Absorption) und trägt dadurch zur Energieerhöhung der Umgebung
bei, die sich meist in einer Erwärmung ausdrückt. Das geschieht z.B. mit dem
Licht der Sonne in der irdischen Atmosphäre und am Erdboden, was die
Voraussetzung für das Leben auf diesem Planeten darstellt.
Bei den Temperaturen des irdischen Klimasystems findet die Emission
elektromagnetischer Strahlung durch Erdboden und/oder
Atmosphärenbestandteile überwiegend im so genannten thermischen Bereich
des Spektrums (zwischen etwa 3 und 100 µm) statt, weshalb man auch oft von
Wärmestrahlung spricht. […]
Wichtig ist auch, dass Emission und Absorption vor allem bei Gasen sehr stark
von der Wellenlänge abhängen können, weshalb oft von Emissionslinien oder –
banden (Ansammlungen von Linien) die Rede ist. Insbesondere bei den beiden
wichtigen Treibhausgasen Wasserdampf und CO2 finden die wesentlichen
Absorptions- und Emissionsvorgänge in solchen Banden statt. Dagegen besitzen
gerade die beiden Hauptgase der Atmosphäre Sauerstoff (O2) oder Stickstoff (N2)
im energetisch wichtigen Bereich des Spektrums keine wesentliche Emission und
Absorption“ 1
1
Max-Planck-Institut, zit. nach http://www.treibhauseffekt.com, Abruf: 21. Mai 2003
7
Projektpraktikum „Global Change“ Universität Wien & BG Laaerbergstraße , Mai 03
Theorie
global change
Absorption
Bild 1: Kurzwellige Strahlung von der Sonne trifft auf die Erde 2
Emission
Die kurzwellige Strahlung wird von der Erdoberfläche absorbiert und als
3
Bild 2: Langwellige Strahlung
von der
Erdoberfläche
emittiert
langwellige Wärmestrahlung
emittiert.wird
Diese
langwellige
Wärmestrahlung
kann die Atmosphäre nicht wie die kurzwellige Strahlung durchdringen. Sie wird
teilweise wieder zur Erde zurückgestrahlt und erwärmt dabei die Erde
zusätzlich.
2
3
Quelle: http://www.treibhauseffekt.com, Abruf: 21. Mai 2003
Quelle: http://www.treibhauseffekt.com, Abruf: 21. Mai 2003
8
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Theorie
global change
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Projektpraktikum „Global Change“ Universität Wien & BG Laaerbergstraße , Mai 03
Theorie
global change
Latente Wärme
Die Energie, die beim Aufbrechen der Bindungsenergie von Flüssigkeiten
(Verdampfen) investiert wird, wird im Dampf der Substanz als „verborgene“ (latente)
innere Wärme gespeichert. Beim Verdampfen wird die Verdampfungswärme der
Umgebung entzogen (denke an die Abkühlung der Haut, wenn du im nassen
Badegewand herumläufst). Kondensiert die Substanz wieder und kehrt damit in den
flüssigen Zustand zurück, wird die Energie, die jetzt beim Binden der Moleküle frei
wird, wieder an die Umgebung abgegeben. Dieser Vorgang führt zu Erhöhung der
Umgebungstemperatur.
Wasserdampf ist auch ein Treibhausgas. Er trägt am meisten zum Treibhauseffekt
bei. Von den 33° C, die die Erdoberfläche durch den natürlichen Treibhauseffekt
erwärmt wird, liefert der Wasserdampf einen Anteil von ungefähr zwei Drittel. Der
Rest wird von den Spurengasen Kohlendioxid, Methan und geringen Mengen
anderer verursacht.4
Strahlungsbilanz der Erde
In der Energiebilanz der Erde ist der bedeutendste Posten die Wärmespeicherung in
der Atmosphäre. Etwa 30 % der einfallenden Sonnenenergie werden von den
Wolken und den Partikeln der Atmosphäre sowie von der Erdoberfläche reflektiert
(im Bild 3: Strahlungsbilanz der Erde links). Die verbleibenden 70 % werden
zunächst absorbiert; der von der Erdoberfläche eingefangene Anteil wird durch
Strahlung und atmosphärische Prozesse wie Konvektion und Wolkenbildung in die
Atmosphäre transportiert. Letztlich wird die absorbierte Energie im infraroten Bereich
in den Weltraum abgestrahlt (ersichtlich im Bild 3: Strahlungsbilanz der Erde Mitte).
Da der überwiegende Teil der vom Erdboden kommenden Strahlung zuvor von den
Wolken und den Treibhausgasen absorbiert und zum Erdboden zurückgestrahlt wird
(im Bild 3: Strahlungsbilanz der Erde rechts), ist die Erdoberfläche um ca. 33°C
wärmer als sie ohne diesen Treibhauseffekt wäre.5
4
5
Quelle: http://www.treibhauseffekt.com, Abruf: 21. Mai 2003
Science Week Austria, Broschüre im Rahmen der LV Global Change, SS 2002
10
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Theorie
global change
Natürlicher Treibhauseffekt
Der Treibhauseffekt entsteht, weil die Lufthülle Wärme über der Erdoberfläche
festhält. Kohlendioxid, Wasserdampf und andere Gase sind verhältnismäßig
durchlässig für Strahlung im sichtbaren und im kurzwelligeren Infrarot-Bereich, die
die meiste Sonnenenergie transportiert. Hingegen absorbieren diese Gase (ähnlich
wie eine Glasplatte beim Gewächshaus- daher der Name des Effektes) einen großen
Teil des Infrarot, das die Erde ausstrahlt (Wärmestrahlung). Diese Energie kehrt als
Strahlung zur Erdoberfläche zurück (siehe Bild 2: Langwellige Strahlung wird von der
Erdoberfläche emittiert ) Dadurch wärmen die Treibhausgase die Erdoberfläche auf.6
Bild 3: Strahlungsbilanz der Erde 7
6
Science Week Austria, Broschüre im Rahmen der LV Global Change, SS 2002
Quelle: http://www.g-o.de/geobin/frameset.pl?id=00001&frame1=titelgo.htm&frame2=menue04.htm&frame3=kap4b/40de0040.htm,
Abruf: 25.5.03
7
11
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Theorie
global change
Theorie zu Station 3: Wetter in der Flasche
Die frierende Flasche
•
•
Was passiert?: Flasche zieht sich beim Abkühlen mit dem Wasser
zusammen.
Warum?: Der Grund für dieses Kleinerwerden der Flasche ist die
Veränderung der Dichte der Luft. Bei Kälte ist die Dichte höher, d.h. in diesem
Experiment, dass die Luftteilchen in der Flasche enger aneinander rutschen,
wodurch der Druck in der Flasche kleiner wird als der äußere Luftdruck, der
die Flasche dann zusammenquetscht.
Da warme Luft weniger „dicht“ ist als kalte Luft, steigt sie auf. Sie trifft in
höheren Schichten der Atmosphäre auf kältere Luft, dort kondensiert der in der
Luft enthaltene Wasserdampf. Die beim Kondensieren freiwerdende
Wärmeenergie wird an die Umgebung abgegeben => Erwärmung der
Atmosphäre.
Die Wolke in der Plastikflasche
•
•
•
•
Was passiert?
Durch
Kompression und
Dekompression
kommt es zur
Erwärmung bzw.
Abkühlung der mit
Wasserdampf
gesättigten Luft in der Flasche und in der Folge zur Kondensation an den
Kondensationskernen (Rauchteilchen).
Wolkenbildung: Es bedarf in ausreichendem Maß vorhandenen
„Schmutzteilchen“, an denen sich die Wasserdampfmoleküle anlagern können
(Kondensationskerne). Außerdem muss gesättigter Dampf vorhanden sein,
der durch die (adiabatische) Abkühlung beim Dekomprimieren der Flasche
entsteht. Daraus sieht man, dass eine Zunahme des Schmutzes in der
Atmosphäre (durch menschliche Einflüsse verursacht) und eine Zunahme an
Feuchtigkeit zu erhöhter Wolkenbildung führen könnte, was wiederum den
Treibhauseffekt verstärkt.
Schütteln: Durch das Schütteln werden die Wassertröpfchen zu den
Kondensationskernen (Rauchteilchen) transportiert. Dann kondensiert der
Wasserdampf an den Rauchteilchen und durch diese Kondensation entstehen
Wolkentröpfchen.
Rauch: Im Rauch sind jede Menge Kondensationskerne (Schmutzteilchen)
enthalten, die zur Wolkenbildung notwendig sind.
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Projektpraktikum „Global Change“ Universität Wien & BG Laaerbergstraße , Mai 03
Theorie
global change
Was hat die Ozonschicht mit dem Treibhauseffekt zu tun?
Prinzipiell betrachtet man den UV– Schutz– Effekt der Ozonschicht und den
Treibhauseffekt als zwei unterschiedliche Phänomene. Es bestehen aber einige
gegenseitige Einflüsse.
Bei beiden
Effekten spielt die
Absorption eine
große Rolle.
In der
Ozonschicht
werden die
hochfrequenten,
ultravioletten
Anteile aus der
Sonnenstrahlung
in den äußeren
Schichten der
Atmosphäre vom
Ozon absorbiert.
Beim
Treibhauseffekt
werden aber
niederfrequente,
infrarote Strahlungsanteile der Wärmestrahlung der Erde in den niederen Schichten
der Atmosphäre von den Treibhausgasen absorbiert.
Beide Luftschichten werden durch diese Strahlungsaufnahme erwärmt und strahlen
gemäß ihrer Temperatur diese aufgenommene Energie nach unten und oben wieder
ab.
Die von der Ozonschicht nach unten abgegebene Strahlung kann aber nicht bis zum
Erdboden gelangen, da sie am Weg dorthin vom Wasserdampf wieder absorbiert
wird. Dadurch kann die Ozonschicht keinen Einfluss auf den Treibhauseffekt
ausüben. Sie ist zu weit weg.
Es gibt allerdings auch bodennahes Ozon, welches meist durch menschliche
Einflüsse erzeugt wird. Dieses trägt dann als Treibhausgas auch zum
Treibhauseffekt bei.
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Projektpraktikum „Global Change“ Universität Wien & BG Laaerbergstraße , Mai 03
Theorie
global change
Theorie zu Station 4: Lichtspiele
Absorption und Emission von Licht einer Natriumdampflampe
In einer Natriumdampflampe wird Natriumdampf dazu gebracht (angeregt), Licht
einer bestimmten Farbe (Wellenlänge) auszusenden (zu emittieren). Streut man in
die Flamme eines Bunsenbrenners Salz, so entsteht wie in der Lampe
Natriumdampf, der einerseits das Licht der Lampe aufnimmt (absorbiert) und es dann
wieder in alle Richtungen abgibt (emittiert).
Durch das Absorbieren des Lichtes entsteht am Schirm ein Schatten; das Emittieren
sieht man, da die Flamme mit derselben Farbe wie die Natriumdampflampe zu
leuchten beginnt.
Spektrum
Ein Geradsichtprisma spaltet das weiße Licht einer
Halogenlampe in verschiedene Farben auf; die
färbige Erscheinung nennt man Spektrum. Jede
dieser Farben hat eine andere Wellenlänge. Die
Energie, die in den einzelnen
Wellenlängenbereichen von der Lampe abgestrahlt
wird, ist nicht überall gleich. Dies merken wir zwar
nicht, wenn wir z. B. mit der Hand das Spektrum
abtasten, aber mit der Thermosäule kann man diesen Effekt sehr schön zeigen, da
sie die kleinen Unterschiede verstärkt und so für uns sichtbar macht. Der Bereich
nach Rot (Infrarot) ist für das menschliche Auge nicht sichtbar, aber trotzdem
erhalten wir dort einen ZeigerausschlagÆ es gibt Licht, das wir nicht sehen können,
aber in Form von Wärme spüren (Wärmestrahlung). Vielleicht kennst du auch Bilder,
die mit einer Infrarotkamera gemacht wurden?
In der Atmosphäre passiert Ähnliches:
Die Erde sendet wie die Halogenlampe auch eine Form von Licht aus, das man
jedoch nicht sehen, sondern nur spüren kann (Infrarot). Man nennt dieses „Licht“
Wärmestrahlung. Treibhausgase in der Atmosphäre (z. B.: CO2, Methan, Lachgas,
FCKWs) wirken nun ähnlich, wie der Natriumdampf, der in der Flamme entsteht: Die
Treibhausgase nehmen die Wärmestrahlung auf und schicken sie dann in alle
Richtungen weiter. Dadurch gelangt etwa die Hälfte der Strahlung wieder zurück zur
Erde statt hinaus ins Weltall und daher ist die Temperatur am Erdboden höher als
wenn es keine Treibhausgase in der Luft gäbe..
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Projektpraktikum „Global Change“ Universität Wien & BG Laaerbergstraße , Mai 03
Theorie
global change
Die häufigsten Treibhausgase und ihre Herkunft:
Das Gas, das am meisten zum (natürlichen) Treibhauseffekt beiträgt, ist der
Wasserdampf. Von den 33°C, die die Erdoberfläche durch den natürlichen
Treibhauseffekt erwärmt wird, liefert er einen Anteil von etwa zwei Drittel. Der Rest
wird von den Treibhausgasen Methan, Kohlendioxid und einigen anderen
verursacht.
Nun wollen wir betrachten, wie wir Menschen durch unser Verhalten in das
natürliche Gleichgewicht eingreifen:
-
CO2 (Kohlendioxid):
Die Freisetzung von Kohlendioxid ist die Hauptursache des von Menschen
verursachten Treibhauseffekts.
Pflanzen nehmen zur Energiegewinnung Kohlendioxid auf, das bei ihrer
Verrottung unter Luftzufuhr wieder freigesetzt wird (natürlicher Kreislauf). Ein Teil
der Pflanzen wurde im Laufe der Zeit in der Erde in Form von Kohle, Erdöl und
Erdgas eingelagert. Durch Verbrennung dieser Stoffe wird jetzt zusätzliches CO2
frei. Auch durch Brandrodung der Regenwälder werden große Mengen an CO2
frei.
-
CH4 (Methan):
Methan entsteht bei Verrottung von organischen Abfällen und bei Gärvorgängen
unter Luftabschluss.
Quellen: Landwirtschaft (In den Mägen von Wiederkäuern, also z. B. Kühe, wird
aufgrund von Gärung Methan produziert), Reisfelder (Reis wächst auf zeitweise
überschwemmten Feldern, bei denen es zur Gärung kommt), Verrottung von
organischem Material auf Müllhalden. Methan wird auch aus Lecks in
Erdgasleitungen frei (Erdgas ist Methan)
-
N2O (Lachgas)
Entsteht bei der Verwendung von Stickstoffdüngern und beim Pflügen von
gedüngten Böden.
Quellen: Landwirtschaft
-
FCKWs (Fluor Chlor Kohlenwasserstoffe)
Wurden künstlich erzeugt und fanden ihre Anwendung in Spraydosen oder als
Kühlmittel. Sie sind heute bereits verboten, aber werden noch etliche
Jahrzehnte in der Atmosphäre bleiben.
Alle diese Treibhausgase verstärken den natürlichen Treibhauseffekt, wodurch es
auf der Erdoberfläche immer wärmer wird. Man nennt diesen von Menschen
verursachten Teil des Treibhauseffekts auch „anthropogener Treibhauseffekt“.
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Theorie
global change
Theorie zu Station 5: Zentralheizung Europas
Der Golfstrom...
...und seine Auswirkungen
Allgemeines zum Golfstrom:
Das Wasser des "Großen marinen Förderbands" wird in den niederen Breiten des
Atlantiks an der Oberfläche stark erwärmt, verlässt als Golfstrom die Karibik und
bringt, getrieben durch (süd-) westliche Winde, als Nord - Atlantikstrom warmes
Wasser bis in die Breiten von Norwegen und Island. Infolgedessen liegen hier die
Durchschnittstemperaturen um einige Grad höher als in vergleichbaren Gebieten des
Pazifiks und sorgen für Europas mildes Klima.
Motor des Golfstromes:
Aufgrund der hohen Verdunstung im Bereich der Karibik (subtropisches HochdruckGebiet) steigt der Oberflächensalzgehalt des Golfstromwassers und damit seine
Dichte. Im Nordatlantik wird die Dichte zusätzlich durch eine Abkühlung durch die
kalten arktischen Winde erhöht, was das relativ schwere Wasser rasch absinken
und von Süden warmes Wasser nachströmen lässt.
Auswirkungen des Golfstromes:
In der Klima-Forschung wird gegenwärtig diskutiert, ob diese Warmwasserheizung Europas durch den
anthropogenen Treibhauseffekt abgeschwächt werden könnte:
•
Eine globale Erwärmung führt zu einer erhöhten Verdunstung. Die Folge sind verstärkte
Niederschläge u.a. im Nordatlantik und damit eine Verringerung des Salzgehaltes, die
zusammen mit der Erhöhung der Temperatur die Dichte des Golfstromwassers herabsetzt.
Dadurch würden die Absinkvorgänge und der Zustrom des Wassers aus dem Golf von Mexiko
in den Nordatlantik geschwächt.
•
Andererseits ist zu berücksichtigen, dass eine erhöhte Verdunstung den Salzgehalt und die
Dichte des Golfstromwassers in seinem Herkunftsgebiet erhöht und damit einer Schwächung
der nordatlantischen Zirkulation entgegenwirkt.
16
Projektpraktikum „Global Change“ Universität Wien & BG Laaerbergstraße , Mai 03
Theorie
global change
Auswirkungen des Treibhauseffektes...
Wissenschaftler prognostizieren unter anderem,
dass der Treibhauseffekt und die dadurch
verursachte Erwärmung zu einer Veränderung der
Niederschlagsmuster auf der Erde führt.
Realistische Klimamodelle nehmen an, dass die
Niederschlagszunahme in den Tropen geringer, in
den höheren Breitengraden aber stärker als im
globalen Durchschnitt sein wird. Ein regional
verschobener Wasserkreislauf würde an den
meisten Orten eine einschneidende Folge einer
Klimaänderung
sein.
(Schwächung
des
Golfstromes, Ausbreitung der Wüste, Verschiebung
der Klimazonen,...)
Die Ausdehnung der Eisflächen hat ebenfalls
Auswirkungen auf das Klima. Schrumpfen die
Eisflächen und dehnen sich die Wassermassen aus,
so wird weitaus weniger Sonnenstrahlung reflektiert
und dadurch die Erwärmung wiederum verstärkt.
Breiten sich die Eisflächen aus, so geschieht das
Gegenteil: Es wird mehr Sonnenstrahlung reflektiert.
Ein Ansteigen der Oberflächen-temperatur und damit
der Verdunstungsrate wird die Wolken-bildung
verstärken. Der Effekt der Wolken ist noch nicht
genau vorhersagbar. Einerseits ist der Wasserdampf
der Wolken ein Treibhausgas. Andererseits wirkt der
Schatten der Wolken wiederum kühlend. Welcher
Effekt nun stärker ist, hängt u. a. von der Höhe der
Wolken ab.
Mit der Erwärmung der Meeresoberfläche könnte auch eine Zunahme der Häufigkeit
und Intensität von tropischen Stürmen verbunden sein. Zusätzlich sieht es so aus,
als würden sich die Gebiete, in denen tropische Stürme entstehen, verlagern und
möglicherweise ausweiten.
Vor allem durch die thermische Ausdehnung des Wassers bei Erwärmung wird der
Meeresspiegel weiter ansteigen. Während der letzten 100 Jahre wurde bereits ein
Anstieg von etwa 15 cm gemessen. Derzeit aktuelle Voraussagen errechnen einen
Anstieg des Meeresspiegels um weitere 34 cm bis zum Jahr 2050, welches
besonders Tiefländer wie Bangladesh sowie kleine Inselstaaten wie die Malediven
beträfe und das Risiko von Sturmfluten erhöhen würde.
17
Projektpraktikum „Global Change“ Universität Wien & BG Laaerbergstraße , Mai 03
Theorie
global change
...und was ich dagegen tun kann
Energiesparen in unserem täglichen Leben (z. B.: statt Auto ⇒ Fahrrad bzw. Öffis) ist ein erster
wichtiger Schritt, der allerdings die Auswirkungen des Treibhauseffektes nur verzögern kann.
Unumgänglich ist der Umstieg auf alternative Energieträger (Sonnenenergie, Windenergie,
Wasserkraft,...), die unter anderem einen wesentlich geringeren oder sogar keinen CO2 Ausstoß
aufweisen. Nur so können wir auf Dauer und wirkungsvoll den Ursachen für die globale
Erderwärmung entgegenwirken. Und eines dürfen wir dabei nicht vergessen: Wir sind die
Hauptschuldigen dieses ganzen Dilemmas. Rund 70% der für die Klimaänderungen verantwortlichen
Emissionen werden von uns in den Industriestaaten produziert. 50% davon resultieren aus der
Verbrennung fossiler Brennstoffe, insbesondere sei hier der KfZ-Verkehr zu erwähnen.
Einige aktuelle Auswirkungen:
•
Der kleine südpazifische Inselstaat Tuvalu zwischen Hawaii und Australien
musste evakuiert werden. Ca. 11000 Menschen sind gezwungen, ihre neun
Korallen - Atolle, deren höchste Erhebungen gerade noch 2 Meter aus dem
Wasser ragen, zu verlassen - ohne zu wissen wohin.
•
Ein Tornado wütete durch die südpanische Stadt Motril. Ein plötzlicher
Klimaumschwung überzog Spanien im Herbst 2001 mit ungewohnt rauhem
Wetter.
•
Das britische Wirtschaftsministerium arbeitet an einer zukünftigen
Energiepolitik. Die an der Studie beteiligten Wissenschaftler beschreiben die
Erderwärmung als "die größte Bedrohung, der sich die Menschheit gegenüber
sieht." 61 Prozent des ertragreichsten Agrarlandes seien akut gefährdet. Ein
Großteil der betroffenen Gebiete liegt im Großraum London - sollten diese
Gebiete regelmäßig von verheerenden Fluten betroffen sein, hätte dies
unabsehbare Folgen für die Wirtschaft.
•
"Wir wollen keine Panik machen, aber wir sind alarmiert," sagt Richard
Ostfeld, der am Institute of Ecosystem Studies in Millbrook, New York, forscht.
"Die Klimaveränderungen verbessern die Lebensbedingungen für
Infektionskrankheiten," ergänzt der Epidemiologe Andrew Dobson von der
Princeton University. Das erhöhe auch das Infektionsrisiko für den Menschen, da
viele Erreger, die üblicherweise Pflanzen und Tiere befallen, auch für den
Menschen gefährlich werden können. Mücken, Zecken, Nagetiere, Viren, Pilze
und Bakterien reagieren stark auf Änderungen der Temperatur und Feuchtigkeit.
Vermehrung, Wachstum und Infektionsraten stünden in direktem Zusammenhang
mit dem Klimawandel, der sich auch in milden Wintern und längeren Sommern
äußere, so die Wissenschaftler.
18
Projektpraktikum „Global Change“ Universität Wien & BG Laaerbergstraße , Mai 03
Theorie
global change
Global Change – Globaler Wandel
Unser Erdsystem befindet sich in einem Zustand ständiger Veränderungen, die aus
komplexen Wechselwirkungen einer Vielzahl von natürlichen und vom Menschen
beeinflussten Faktoren resultieren. Vor der landwirtschaftlichen und industriellen
Revolution traten über mehrere tausend Jahre hinweg nur natürliche Veränderungen
auf, die über relativ kurze Zeiträume von Jahrzehnten bis Jahrhunderten zwar klein
waren, aber dennoch schon einen wesentlichen Einfluss auf die Zivilisation zeigten.
Dies änderte sich mit dem Eingriff des Menschen in die Umwelt, wobei sich heute
erstmals in der Geschichte menschliches Handeln auf die Erde als Ganzes auswirkt.
Die daraus folgenden globalen Umweltveränderungen bestimmen das Verhältnis der
Menschen zu ihren natürlichen Lebensgrundlagen völlig neu. Dieser in seiner
Geschichte einzigartige, vielfach bedrohliche Transformationsprozess, der als
Globaler Wandel (Global Change) bezeichnet wird, kann nur verstanden werden,
wenn die Erde als ein System begriffen wird. Kenntnisse über zukünftige
Entwicklungen zu erlangen, stellt wegen der hohen Komplexität für die Wissenschaft
eine große Herausforderung dar.
Die Ursachen der zunehmenden Umweltveränderungen auf der Erde werden im wesentlichen durch
das Bevölkerungswachstum, den steigenden Bedarf an Ressourcen, den Technologiewandel sowie
durch soziale und politische Strukturen verursacht.
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Arbeitsblätter
global change
Arbeitsblätter
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Projektpraktikum „Global Change“ Universität Wien & BG Laaerbergstraße , Mai 03
Arbeitsblätter
global change
GLASHAUS
Glashaus – Wie kommt die Feuchte in die Luft?
Material:
Glasbehälter
Wasser
Wattebausch
Heizlampe
Versuchsdurchführung:
1. Befeuchte den Wattebausch
2. Lege ihn in den Glasbehälter
3. Schließe den Glasbehälter
4. Stelle diesen auf dem Kopf unter eine Heizlampe
Was kannst du in dem Glas beobachten?
Warum?
Erklärung:
21
Projektpraktikum „Global Change“ Universität Wien & BG Laaerbergstraße , Mai 03
Arbeitsblätter
global change
Das Mini – Glashaus
Material:
Infrarotlampe
Plexiglas (ca. 5mm dick)
Versuchsdurchführung:
1. Setze dich neben die Lampe, so dass du ihre
Wärmestrahlung auf deiner Wange fühlst.
2. Halte nun das Plexiglas zwischen dein Gesicht und die Lampe.
Was spürst du?
Warum ist das so?
3. Halte das Stück Plexiglas etwa eine Minute lang neben die Lampe, ohne
gleichzeitig deine Wange zu bestrahlen.
4. Schalte dann die Lampe aus.
5. Halte das Plexiglas gleich nach einander mit beiden Seiten dicht an deine
Wange, aber berühre sie nicht damit.
Was spürst du?
Warum ist das so?
Vergleiche beide Experimente; worin liegt der Unterschied und warum ist das
so?
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Arbeitsblätter
global change
Wärmeströmung in Flüssigkeiten
Material:
2 Bechergläser
Pipette (Glasröhre)
Tinte
Teelicht
Luftzugschutz (gefalteter Karton)
Wasser
Versuchsdurchführung:
1. Fülle die beiden Bechergläser mit Wasser.
2. Dann saug mit der Pipette Tinte auf und drücke sie am Boden eines
Becherglases vorsichtig heraus, so dass sie ganz unten im Wasser schwebt.
3. Mach das gleiche mit dem zweiten Becherglas.
4. Jetzt zünde die Kerze an und stell den Luftzugschutz auf.
5. Dann halte eines der Bechergläser vorsichtig und ruhig über die Flamme.
Wie verhält sich die Tinte in dem Becherglas über der Kerze (Stichworte)?
Was ist mit der Tinte im Glas, das nur so am Tisch steht?
Was glaubst du, passiert mit der Tinte im Becherglas über der Kerze?
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Arbeitsblätter
global change
WÄRMESPIELEREIEN
Schachteln^3
Material:
3 Schachteln
Alufolie
schwarzes Papier
weißes Papier
3 Thermometer
Stativ, Stangen, Klemmen
Heizlampe
Styroporstückchen
Stift
Schere
Versuchsdurchführung:
1. Wenn nötig, schneide das schwarze und das weiße Papier so zu, dass man
es einfach auf die Schachteln legen kann. Dazu die Schachtel auf die Ecke
eines Blattes legen, kurz mit einem Stift die Kanten entlangfahren und dann
etwas größer ausschneiden.
2. Notiere die Temperatur, die die Thermometer anzeigen in der Tabelle auf der
nächsten Seite.
3. Lege ein Styroporstückchen in die Schachtel und stecke ein Thermometer
vorsichtig durch das Loch an der Seite und schiebe das Styroporstückchen in
der Schachtel darunter.
4. Das mache dann auch mit den anderen beiden Schachteln.
5. Jetzt stell die Schachteln so wie oben aufgezeichnet auf.
6. Auf eine der Schachteln lege das weiße, auf die zweite das schwarze Papier,
auf die dritte Schachtel kommt ein Stück Alufolie. In der Tabelle auf der
nächsten Seite trägst du bei jedem Thermometer ein, was du auf die
Schachtel gelegt hast.
7. Lege auch außen je ein Styroporstückchen unter die Thermometer (die
Styroporstücke schützen die Thermometer vor dem Abbrechen).
8. Jetzt schiebe die Heizlampe an ihrem Stativ so über die Schachteln, dass sie
die Mitte beleuchtet.
Beobachte, wie sich die Temperatur in den Schachteln verändert und
notiere das in der Tabelle unten. Mach bitte alle 3 Minuten eine Eintragung.
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Arbeitsblätter
global change
Nach 12
Min
Nach 9 Min
Nach 6 Min
Temperatur
nach 3 Min
Bemerkungen
_____________
_
_____________
_
_____________
__
Thermometer 2
Thermometer 3
Thermometer 1
Anfangstemperatur
Temperaturmessung
Bei welchem Thermometer hast du am Ende der Messungen die höchste
Temperatur abgelesen?...............................................................................................
Was lag auf der Schachtel mit dem Thermometer?...............................................
Bei welchem hast du die zweithöchste Temperatur gemessen?.........................
Was lag auf dieser Schachtel?................................................................................
Die niedrigste Temperatur hast du bei Thermometer ………… gemessen.
Was lag auf der Schachtel mit diesem
Thermometer?.........................................................................................................
Wie erklärst du dir die verschiedenen Temperaturen in den Schachteln?
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global change
Verdunstungskälte
Material:
2 Thermometer
Wattebausch
Gummiring
Aceton
Stativ, Klemme, Stange
Christbaumhaken
Fön
Versuchsdurchführung:
1. Schreibe die Temperaturen, die die Thermometer anzeigen auf das Arbeitsblatt.
Häng eines der Thermometer mit einem Christbaumhaken auf die Stange.
2. Den Vorratsbehälter vom anderen Thermometer packe in Watte und befestigen
diese mit einem Gummiring.
3. Tauche das Thermometer mit der Watte vorsichtig in Aceton und häng es dann
mit einem Christbaumhaken an die Stange.
4. Notiere welches Thermometer die Watte mit dem Aceton trägt.
5. Blase mit dem Fön beide Thermometer an, dabei den blauen Knopf drücken
(blauer Knopf bläst kühl)
6. Notiere alle 3 Minuten die Temperaturen, die auf den Thermometern angezeigt
werden.
meter 1
_________
meter 2
________
Thermo-
Thermo-
Nach 12
Min
Nach 9 Min
Nach 6 Min
Temperatur
nach 3 Min
Anfangstemperatur
Temperaturmessung
Bemerkungen
Welches Thermometer zeigt am Ende der Messungen die niedrigste
Temperatur?............................................................................................................
Erkläre in Stichworten, was deiner Meinung nach passiert ist:
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global change
Der Strahlende Becher
Für diesen Versuch brauchst du eine zweite Person, die nur mit geschlossenen
Augen dasitzen und berichten muss, was sie empfindet.
Material: zwei gleiche Becher
kaltes Wasser
heißes Wasser
Versuchsdurchführung:
1. Fülle einen Becher mit kaltem und einen Becher mit heißem Wasser
2. Halte deiner Versuchsperson die beiden Becher nacheinander nahe an die
Wangen, bewege sie vor ihrem Gesicht hin und her, aber schön langsam und
vorsichtig.
3. Lass deine Versuchsperson erzählen, was sie spürt.
Wie hängt die Wärmeempfindung auf der Haut von der Temperatur des
Bechers ab? Schreibe deine Beobachtungen in Stichworten auf!
Wird die Wärme von der Quelle zur Haut durch strömende Luft übertragen?
Überlege dir, wie du das herausbekommen kannst!
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global change
WETTER IN DER FLASCHE
Die frierende Flasche
Material:
leere Plastikflasche (leicht drückbares Material)
Fön
Wasser
Versuchsdurchführung:
1. Blase ein paar Minuten lang mit dem Fön warme Luft in die Flasche.
2. Verschließe die Flasche und halte sie dann unter sehr kaltes Wasser
(Wasserleitung).
Was kannst du beobachten?
Warum kommt es zu diesem Versuchsergebnis?
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global change
Die Wolke in der Plastikflasche
Material:
Größere Plastikflasche (1,5 - 2 l) mit Schraubverschluss
Wasser
Räucherstäbchen
Feuerzeug
Versuchsdurchführung:
1. Fülle ein wenig kaltes Wasser in die Plastikflasche.
2. Verschließe die Flasche und schüttle sie.
3. Drücke die Flasche etwas zusammen und löse wieder den Druck.
Kannst du etwas innerhalb der Flasche beobachten?
4. Öffne die Flasche, zünde ein Räucherstäbchen an und halte es in die Flasche.
Lass etwas von dem Rauch des Räucherstäbchens in die Flasche strömen.
5. Verschließe die Flasche wieder und schüttle sie.
6. Drücke die Flasche wieder etwas zusammen und löse den Druck wieder.
Kannst du nun etwas innerhalb der Flasche beobachten?
Beschreibe was du beobachten konntest.
Weißt du oder kannst du auf Grund der Versuchergebnisse eine Vermutung
aufstellen, unter welchen Voraussetzungen es zu einer Wolkenbildung kommt?
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global change
Warum muss man die Flasche schütteln?
Warum verändert sich das Versuchsergebnis, wenn man Rauch in die
Flasche bläst?
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global change
OZON
Versuche mit Hilfe des vorgelegten Textes (findest Du bei der Station) folgende
Fragen zu beantworten!
Was ist Ozon?
Wie entsteht Ozon?
Was sind die Auswirkungen eines sich vergrößernden Ozonloches?
Warum ist das Ozonloch über den Polargebieten am größten?
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LICHTSPIELE
Absorption und Emission von Licht einer
Natriumdampflampe
Material:
Natriumdampflampe
Schirm
Bunsenbrenner, Feuerzeug
Salz
Versuchsdurchführung:
1. Betrachte zunächst das Licht der Natriumdampflampe!
Welche Farbe hat es?..............................................................................................
2. Wir stellen nun einen Bunsenbrenner in das Licht der Lampe. Wenn du Salz in die
Flamme des Bunsenbrenner streust entsteht Natriumdampf (wie in der Lampe).
Wie verändert sich dabei die Farbe der Flamme? Versuche diesen Effekt zu
erklären!
3. Wiederhole nun den Versuch und beobachte was am Schirm passiert während
Salz in die Flamme gestreut wird. Beschreibe die Veränderung und versuche sie
zu erklären!
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global change
Spektrum des Lichtes einer Halogenlampe
Material:
Halogenlampe
Spalt
Konvexlinse (f = +20)
Geradsichtprisma
Schirm
Optische Bank
Versuchsdurchführung:
1. Das Licht der Halogenlampe wird durch einen Spalt geschickt und dieser mittels
einer Konvexlinse scharf auf dem Schirm abgebildet.
2. Stelle nun ein Geradsichtprisma zwischen die Konvexlinse und den Schirm und
beschreibe, was du nun am Schirm siehst. Wie wird diese Erscheinung genannt?
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
3. Stelle nun die Thermosäule (das ist ein Gerät, das Wärme in Form von Strahlung
messen kann) zwischen das Geradsichtprisma und den Schirm und führe sie
langsam durch die einzelnen Farbbereiche (überprüfe dabei auch die Bereiche
außerhalb der sichtbaren Farben!) Betrachte dabei die Veränderungen am µVVerstärker und schreibe deine Beobachtungen auf!
Warum, glaubst du, erhält man im Bereich außerhalb des Spektrums auch
einen Zeigerausschlag des Verstärkers?
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global change
ZENTRALHEIZUNG EUROPAS
Golfstrom
Der
Wärmetransport an
der Erdoberfläche
von niedrigen zu
hohen
geographischen
Breiten erfolgt in
etwa
gleichem
Maße durch Luftund
Wasserströmungen
, die beide durch
Dichteunterschiede
angetrieben
werden.
Die
Wasserströmungen
werden zusätzlich durch oberflächlich angreifenden Wind angetrieben. Während die
Dichteunterschiede der Luft (bei gleichem Druck) nur auf Temperaturunterschieden
beruhen, werden sie im Meerwasser auch durch unterschiedlichen Salzgehalt
hervorgerufen. Dieser wird durch Verdunstung sowie Meereisbildung erhöht, und vor
allem durch Niederschlag aber auch durch Süßwassereinstrom von Land verringert.
Wärme wird zwischen der Atmosphäre und dem Meerwasser durch Strahlung,
Leitung und „Verdunstung“ ausgetauscht. In der Abbildung sind die Ursachen der
Meereszirkulation so eingezeichnet, dass sie die Strömung alle in derselben
Richtung antreiben.8
8
Vgl. Bernd Huhn, Kant – Gymnasium; Neumünster (Deutschland)
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global change
Demonstrationsbeispiel:
Anordnung:
Salz
(Eis)
Mit Hilfe von Tinte wird die Strömung
sichtbar gemacht. Nach einiger Zeit,
wenn das System stabil läuft, wird eine
Prise Salz auf der Seite des Eises
(Symbolisiert den Nordpol) eingestreut.
Deutlich ist eine Beschleunigung der
Zirkulation zu sehen.1
Anmerkung:
Obwohl den auftretenden Effekten zum
Teil andere bzw. abweichende Ursachen
zu Grunde liegen, lässt sich mit dieser
Demonstration, so fern auf die
Unstimmigkeiten (siehe Fußnote 2)
eingegangen wird, ein gutes Verständnis
des Antriebes des Golfstromes erzielen.
(Teelicht)
Bildmaterial:
9
10
11
1
Es muss unbedingt darauf eingegangen werden, dass in unserem Fall die Salzkörner absinken und somit die Zirkulation
beschleunigen. In der Realität sinkt eine Wasserschicht mit höherem Salzgehalt ab! Wird das Salz direkt auf das Eis gestreut,
so schmilzt es. Beim Golfstrom tritt aber der umgekehrte Effekt ein: Salzwasser friert und es bildet sich somit unter dem Eis
Wasser mit erhöhtem Salzgehalt.
9
www.grida.no/inf/staff/privtpgs/ akeprv/piol2/klimakurs10.ht
www.kerrygold.com/ german/gulf.htm
11
www.pik-potsdam.de/~stefan/ golfstrombild.html
10
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