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7. Kapitel: Die Klimamaschine Erde
Physik, Geographie und Geschichte
Die Sonne, Quelle allen Lebens
1 DIE SONNE, QUELLE ALLEN LEBENS
1.1 Zur Entstehung unseres Sonnensystems
!
Die ungewisse Unendlichkeit des Universums übte schon immer Faszination auf die Menschen aus. Diese Faszination der
gewaltigen und geheimnisvollen Phänomene können wir als Einstieg nutzen, um sie dann gemeinsam mit den Schülern zu
ergründen. Auch alltägliche Erscheinungen, wie der Wind, die Jahreszeiten und das ständige Nachwachsen der Vegetation,
sind solche Phänomene. Sie sind Teil unserer Lebensrealität; eine Begeisterung für die Erkundung dieser Phänomene lässt sich
dadurch leicht wecken.
Lange Zeit war über die Entstehung des Universums nichts Näheres bekannt. In Mythen und Religionen versuchten sich die
Menschen ein Bild davon zu machen, was zur Entstehung unserer Welt geführt haben könnte und wie dies geschah. Naturwissenschaften und Technik lieferten immer präzisere Möglichkeiten und Methoden zur Erforschung unserer Welt. Heute können
wir Messungen anstellen und interpretieren, was wir sehen. Über
die großen Zusammenhänge können wir allerdings nur Mutmaßungen anstellen.
Für viele Geheimnisse unseres Universums konnten bereits Erklärungen gefunden werden, trotzdem wirft es nach wie vor
viele Fragen auf. Vor etwa 13,7 Milliarden Jahren soll sich der
Urknall ereignet haben. Der Urknall beschreibt keine Explosion, sondern das Entstehen von Materie, Zeit und Raum aus
einer ursprünglichen Einheit. Durch den Urknall sollen nur die
leichtesten Elemente, wie Wasserstoff und Helium, entstanden
sein, die sogenannte Urwolke. Das Universum dehnt sich seit
diesem Ereignis aus, weshalb die Urwolke in viele Teile zerrissen wurde. Die Zentren der neuen Wolken hatten eine höhere
Dichte als ihre Umgebung, weshalb sich durch die wirkenden
Gravitationskräfte (gegenseitige Anziehung von Massen; auch
Schwerkraft) die Materie an diesen Stellen verdichtete. Sobald
ein gewisses Niveau erreicht war, startete in den Zentren der
Wolken die Kernfusion: So entstanden die ersten Sterne. Durch
diese Kernfusionen (das Verschmelzen atomarer Teilchen) sind
in diesen Sternen auch die schweren Elemente entstanden. Ist
der Brennstoff im Kern verbraucht, kommt es zum Kollabieren
des Sterns. Das Sterben eines Sterns wird Supernova genannt.
Seine Leuchtkraft kann für kurze Zeit stark ansteigen und so hell
wie eine ganze Galaxie sein. Die schweren Elemente sollen beim
Sterben von Sternen in den Kosmos gelangt sein und zur Bildung
unseres Sonnensystems beigetragen haben.
Heute glauben wir zu wissen, dass unser Sonnensystem vor etwa
4,6 Milliarden Jahren entstanden ist. Nach der am weitesten
verbreiteten These befand sich an dessen heutiger Stelle eine
ausgedehnte Materiewolke aus Gas und Staub. Die Druckwellen
einer relativ nahen Supernova sollen der Auslöser dafür gewesen
sein, dass schwere Elemente und Verbindungen aus dem Kern
des gestorbenen Sterns in unsere Wolke gelangten. Es entstanden viele tausende Gravitationszentren, in denen sich die Ma-
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ABBILDUNG 417: Supernova (heller Punkt links unten) - BILD: NASA/ESA
terie verdichtete. Eines davon war der Sonnennebel. Durch die
Gravitation verdichtete sich die Materiewolke und begann, um
ein gemeinsames Zentrum zu rotieren. Die Zentrifugalkraft des
Systems flachte den Sonnennebel ab, wobei sich alle Materie
dieses Systems in das Zentrum stürzte und zur Protosonne verdichtete. Im Inneren dieses Gaskörpers stiegen Temperatur und
Druck immer mehr an, bis es vermehrt zu Kernfusionen kam; das
Wasserstoffbrennen (die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium
im Inneren von Sternen) in der Sonne wurde gezündet. Die dabei
freigesetzte Energie wirkte als Strahlungsdruck der Gravitation
entgegen und führte dadurch zu einer Stabilisierung der Materie.
Ein stabiler Stern entstand. Die Abbildung unten zeigt den Adlernebel, etwa 7.000 Lichtjahre von der Sonne entfernt: In ihm
wurden Staubsäulen beobachtet, an deren Spitzen sich relativ
ABBILDUNG 418: Adlernebel - BILD: NASA, ESA
PRÄSENTATION 1: Unser Sonnensystem und das Universum (26 Folien)
TEXT 1: „Am Anfang schuf Gott Himmel und Erde ...“ (2 Seiten)
7. Kapitel: Die Klimamaschine Erde
Die Sonne, Quelle allen Lebens
Die Planeten entstanden etwa zur selben Zeit. Staubteilchen
verklumpten, zogen sich gegenseitig an und bildeten größere Massen, die Protoplaneten. Durch den Strahlungsdruck des
jungen Sterns kondensierten die schwerflüchtigen Gase in Sonnennähe, während die leichtflüchtigen vom Sonnenwind (einem
Strom geladener Teilchen, der von der Sonne ins All strömt) weggeblasen wurden. Durch dieses Modell wird auch erklärt, warum
die inneren Planeten über feste Oberflächen verfügen, während
die Oberflächen der äußeren Planeten vermehrt aus flüchtigen
Elementen und Gasen bestehen: Mit steigender Entfernung
zur Sonne nimmt auch die Intensität des Sonnenwindes ab, die
Oberflächen der Planeten sind dem Sonnenwind deshalb weniger
stark ausgesetzt.
Physik, Geographie
junge Sterne befinden. Aufgenommen wurden die Bilder vom
Hubble-Weltraumteleskop. Abbildung rechts zeigt die Illustration einer protoplanetaren Scheibe. So könnte unser Sonnensystem in sehr jungen Jahren ausgesehen haben.
ABBILDUNG 419: Illustration Protoscheibe - BILD: ESO/L. Calçada
Die Erde ist der dritte von acht Planeten in unserem Sonnensystem. Lange zählte auch Pluto dazu, seit 2006 gelten allerdings
nur solche Himmelskörper als Planeten, die über eine eigene
Umlaufbahn verfügen. Pluto ist einer von fünf Himmelskörpern,
die derzeit die Definition des Zwergplaneten erfüllen und wird
deshalb nicht in den folgenden Modellen abgebildet.
ARBEITSAUFTRAG 1: Darstellungsmodelle des Sonnensystems
1
ABBILDUNG 420: Unsere acht Planeten - QUELLE und BILD: NASA
1.2 Aufbau der Sonne
!
Über 1.300-mal größer als die Erde, produziert die Sonne jede Sekunde eine Menge an Energie, die ausreichen würde, um
ganz Europa für 4 Millionen Jahre zu versorgen. Seit 4,7 Milliarden Jahren ist dieser Prozess bereits im Gang und wird noch
mehr als 5 Milliarden Jahre andauern, ehe der gesamte Brennstoff der Sonne verbraucht sein wird.
Die Sonnenmasse ist etwa 330.000-mal größer als die Masse der
Erde. Die Hälfte dieser Masse konzentriert sich im Kern der Sonne. Dort herrscht ein Druck von 200 Milliarden Bar bei über 15
Millionen Grad Celsius. Dieser Druck ist vergleichbar mit einem
Stecknadelkopf, auf dem das gesamte Gewicht der Cheops-Py-
ramide lastet. Die Temperatur beträgt etwa die 750.000-fache
Raumtemperatur. Nach außen, in Richtung Sonnenoberfläche,
nehmen Temperatur und Druck zunächst deutlich ab, bis dann
am Übergang zum Weltall in der Korona die Temperaturen wieder heftig ansteigen. Die Sonne ist wie alle Sterne eine Plas227
7. Kapitel: Die Klimamaschine Erde
Physik und Geographie
Beziehung zwischen Sonne und Erde
2
makugel; sie besteht aus leuchtendem Gas. Das Magnetfeld der
Sonne verhindert weitgehend, dass das Plasma in den freien
Weltraum austritt. Dennoch entweichen Teile des Plasmas entlang der Magnetfeldlinien als Sonnenwind. Pro Sekunde verliert
die Sonne auf diese Weise etwa eine Million Tonnen ihrer Masse. 2 % der Energie des Sonnenkerns werden durch Neutrinos
(elektrisch neutrale Elementarteilchen mit sehr geringer Masse)
abtransportiert. Sie erreichen die Oberfläche der Sonne in wenigen Sekunden und treten von dort mit Lichtgeschwindigkeit ihre
Reise in das Weltall an. Die Dichte der Materie im Sonnenkern ist
etwa 1.000-mal dichter als die von Wasser; die Teilchenkonzentration ist so enorm, dass ständig Kernfusionen stattfinden. In
jeder Sekunde verschmelzen 564 Millionen Tonnen Wasserstoff
zu 560 Millionen Tonnen Helium. Die Massedifferenz von 4 Millionen Tonnen ist die Energie, die durch die Sonne jede Sekunde
freigesetzt wird.
PRÄSENTATION 2: Vier Millionen Tonnen Energie (5 Folien)
ABBILDUNG 421: Aufbau der Sonne - QUELLE: NASA - BILD: NASA, Luc Viatour
Die Energie, die im Kern der Sonne entsteht, bewegt sich in Form
von Photonen mit Lichtgeschwindigkeit nach außen. Aufgrund
der hohen Dichte im Inneren der Sonne werden die Teilchen immer wieder abgelenkt, sodass es bis zu 10 Millionen Jahre dauern kann, bis sie die Oberfläche der Sonne erreichen. Von dort
können sie ungehindert in den Weltraum entweichen. Für den
Abstand von etwa 150 Millionen Kilometern bis zur Erde benötigen sie (mit Lichtgeschwindigkeit, also 300.000 Meter pro
Sekunde) nur acht Minuten. Zu Fuß wären wir auf dieser Strecke
über 4.500 Jahre unterwegs. Apollo 11 (der erste bemannte Flug
zum Mond) hat für 350.000 km, den Weg von der Erde zum
Mond, drei Tage benötigt. Ein Raumfahrzeug wie Apollo 11 würde mit einer konstanten Reisegeschwindigkeit von 39.000km/h
für den Weg zur Sonne (auf geradlinigem Weg) etwa 160 Tage
benötigen.
ABBILDUNG 422: Erde und Sonne im natürlichen Größenverhältnis (Abstand
nicht korrekt dargestellt) - QUELLE: NASA - BILD: NASA, Luc Viatour
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PRÄSENTATION 3: Die Sonne: Stern, von dem wir leben (17 Folien)
VIDEO 1: Protuberanzen: Stürme auf der Sonne (3 min)
1
2 BEZIEHUNG ZWISCHEN SONNE UND ERDE
2.1 Erdumlaufbahn
Die Erde benötigt für eine Umrundung der Sonne 365,2 Tage.
Im gregorianischen Kalender hat ein Jahr 365 Tage. Die Differenz von 0,2 Tagen wurde durch die Einführung der Schaltjahre
kompensiert. Alle vier Jahre, außer dreimal in 400 Jahren, gibt
es ein Schaltjahr, also ein Jahr, das über einen zusätzlichen Tag
verfügt, den 29. Februar. Die Umlaufbahn der Erde ist leicht elliptisch. Anfang Jänner steht sie der Sonne mit einer Entfernung
von etwa 147 Millionen Kilometer am nächsten, Anfang Juli erreicht die Entfernung zwischen Erde und Sonne mit etwa 152
Millionen Kilometer ihr Maximum. Die Jahreszeiten entstehen
nicht durch den unterschiedlichen Abstand der Erde zur Sonne,
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sondern durch die Neigung der Erdachse, um die sich die Erde
um sich selber dreht. Die Neigung bestimmt, welche Teile der
Erde zu welchem Zeitpunkt der Sonne zu- oder abgewandt sind.
!
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In einem Jahr legt die Erde auf ihrem Weg um die Sonne
etwa 940 Millionen Kilometer zurück, jeden Tag etwa 2,5
Millionen Kilometer. Ihre Geschwindigkeit beträgt über
100.000 km/h. Steht man am Äquator, dreht man sich mit
einer Geschwindigkeit von 1.666 km/h um die Erdachse. Je
weiter man zu den Polen kommt, desto geringer wird diese
Geschwindigkeit; an den Polen beträgt sie 0 km/h.
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