V. Nr. 5 Habitable Zone Klasse 7 Damit auf einem
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V. Nr. 5 Habitable Zone Klasse 7 Damit auf einem Planeten Leben möglich ist, muss vom Stern, um den er kreist, genügend Energie ankommen, sodass der Motor des Lebens“ in Gang gesetzt wird. In dem nachfol” genden Experiment wird der Planet durch die Solarzelle und der Stern durch die Lampe und das Leben durch den Motor dargestellt. Lernziele: Die Schülerinnen und Schüler sollen • Einen qualitativen Zusammenhang zwischen Leuchtkraft eines Sterns (abgestrahlter Wärmemenge) und der Abstand bei welchem prinzipiell Leben auf einem Planeten möglich ist, ohne weitere Faktoren zu berücksichtigen, erkennen. Schülerfähigkeiten: • Grundlagen des Experimentierens • Modellbildung Benötigte Materialien: • Lampe • Dimmer • Solarzelle mit Elektromotor • Meterstab Versuchsaufbau: 1. Stecke die Lampe in den Dimmer und den Dimmer in die Steckdose. Abbildung 1: Versuchsaufbau (Quelle: Marco Türk, Photographie des Prototyps) 1 Versuchsdurchführung: 1. Schalte die Lampe ein und miss den Abstand, bei welchem der Elektromotor sich zu drehen beginnt. 2. Führe diese Messung für verschiedene Helligkeiten der Lampe durch, indem du Helligkeit der Lampe am Dimmer regelst. Aufgabe 1: Halte deine Beobachtungen für die verschiedenen Helligkeiten der Lampe fest. Der benötigte Abstand, bei dem sich der Elektromotor zu drehen beginnt, ist bei gedimmter Lampe geringer als bei der ungedimmten Lampe. Aufgabe 2: Wir sagen, in unserem Modell ist auf der Erde (Solarzelle) nur dann Leben möglich, wenn sich der Motor zu drehen beginnt. Wie kann man die Beobachtungen auf Planeten in einem Sonnensystem übertragen? Befindet sich ein Planet in einem Sonnensystem, deren Sonne eine geringere Leuchtkraft als unsere Sonne besitzt. So muss sich dieser, damit Leben überhaupt möglich ist, näher an der Sonne befinden. Aufgabe 3: Darf der Planet in diesem Modell beliebig nahe an die jeweilige Sonne kommen? Nein, denn mit kleinerem Abstand nimmt auch die Energie, die pro Fläche auf der Erde ankommt zu und damit ist auch die Durchschnittstemperatur auf dem Planeten größer. Da ab einer bestimmten Durchschnittstemperatur das Leben für den Menschen unmöglich ist, gibt es somit auch einen kleinstmöglichen Abstand, bei welchen Leben gerade noch möglich ist. Exkurs: Habitable Zone Dieser Abstand, bei welchem Leben dauerhaft möglich ist, nennt man die Habitable Zone. Dies ist der Bereich um einen Stern, in welchem sich ein Planet befinden muss, damit Wasser dauerhaft in flüssiger Form vorhanden sein kann. Damit ist die Grundvoraussetzung gegeben, damit prinzipiell Leben auf diesem Planeten möglich sein kann. Ist der Abstand des Planeten zum Stern zu groß, so ist die Durchschnittstemperatur des Planeten zu gering und das Wasser gefriert. Ist der Abstand zum Stern zu gering, so ist die Durchschnittstemperatur des Planeten zu hoch und das Wasser verdampft. 2 Abbildung 2: Habitable Zone vergleich wärmere, sonnenähnliche, kältere Sterne (Quelle: NASA/Kepler Mission/Dana Berry, http://kepler.nasa.gov/multimedia/artwork/diagrams/?ImageID=29) In der obenstehenden Abbildung sieht man jeweils die Habitable Zone (in grün) bei verschiedenen Sternen. Der Stern in der Mitte entspricht sonnenähnlichen Sternen darüber ein heißerer, darunter ein kühlerer Stern. Der blaue Bereich um den Stern deutet an, dass es in diesem Bereich zu kalt und im roten Bereich zu heiß für ein Überleben ist. Aufgabe 4: Von welcher Eigenschaft der Sterne hängt die Habitable Zone ab? Nutze hierbei Abbildung 2 zur Erklärung. Die Lage der Habitablen Zone hängt von der Leuchtkraft eines Sterns ab, da die abgestrahlte Leistung mit der Temperatur zunimmt (Stefan-Boltzmann Strahlungsgesetz). Bei, im Vergleich zur Sonne, leuchtkräftigeren Sternen, liegt die Habitable Zone in größerer Entfernung zum Stern, da bei gleichem Abstand mehr Leistung pro Quadratmeter auf dem Planeten ankommt. Hierdurch ist die Durchschnittstemperatur des Planeten größer. Bei Sternen mit geringerer Leuchtkraft hingegen muss die Habitable Zone näher am Stern liegen, da bei gleichem Abstand, im Vergleich zu unserer Sonne, weniger Leistung pro Quadratmeter auf dem Planeten ankommt. 3 Aufgabe 5: In einem Modell gilt für die Beziehung zwischen der Temperatur eines Planeten und seinem Abstand von der Sonne eines Planeten zur Sonne die folgende Formel: r(T ) = 83 000 K2 · AE T2 Die Temperatur des Planeten ist in Kelvin einzusetzen. Der Abstand wird dann in Astronomischen Einheiten angegeben. a) Wähle für dich sinnvolle Temperaturgrenzen, für welche in deinen Augen auf einem Planeten noch Leben möglich sein könnte. Bestimme hieraus die Größe der Habitablen Zone um unsere Sonne. Sinnvolle Grenzen für die Oberflächentemperatur des Planeten wären Tu = 0 °C, da dies die Temperatur ist, bei welcher Wasser zu gefrieren beginnt und flüssiges Wasser eine notwendige Voraussetzung für Leben auf einem Planeten ist. Als obere Grenze wählt man To = 40 °C, da oberhalb dieser Temperatur ein Leben für den Menschen schwierig ist. Damit erhält man für die Grenzen der habitablen Zone Werte von: Temperatur in °C Temperatur in K Abstand in AE 0 273 1,073 15 (Erde) 288 0,965 40 313 0,817 Tabelle 1: Randwerte für die Habitable Zone b) Bei der eingesetzten Temperatur handelt es sich um die Durchschnittstemperatur, könnte trotz deiner gewählten Grenzen Leben auf dem Planeten möglich sein? Da es sich, wie in der Aufgabenstellung erwähnt, bei der Temperatur um eine Durchschnittstemperatur handelt, bilden sich auf dem Planeten durch den Einfallswinkel der Sonnenstrahlung zur Erde bedingt, Klimazonen aus. Dies bedeutet, dass es bei einem scheinbar zu kalten Planeten, zum Beispiel mit einer Durchschnittstemperatur von 0 °C am und um den Äquator Zonen mit einer Temperatur oberhalb der Durchschnittstemperatur ausbilden. Bei einem zu heißen Planeten, zum Beispiel mit einer Durchschnittstemperatur von 40 °C, können sich an den Polen Zonen mit einer Temperatur unterhalb der Durchschnittstemperatur ausbilden. Damit ist die genaue Wahl dieser Grenzen nicht ohne weiteres möglich. 4
