11/2 Klima und AtmosphäreThemenstruktur Physik für die projektvorbereitende Unterrichtsphase
Bericht über die HaupterprobungsgruppeBei der Umsetzung des BINGO-Themas des Halbjahres 11/2 standen insbesondere das Energieerhaltungskonzept und die Nutzbarmachung natürlicher Energieressourcen im Vordergrund der physikalischen Betrachtungen. Der zentrale Aspekt bei der Beschäftigung mit dem Thema Atmosphäre war daher die Bilanzierung der Strahlungsintensitäten zum Verständnis des Treibhauseffektes. Die Nutzung der in Sonne und Wind gespeicherten Energie wurde in der Projektphase an einzelnen technischen Umsetzungen (Versuche zur Photovoltaik, Sonnenkollektor, Windkraft) untersucht und dann im Rahmen einer Präsentation in der Schule vorgestellt und erklärt. Sonnenstrahlung auf der Erde (8 UE)Nach der Klärung des Zusammenhangs zwischen den Begriffen Energie und Strahlungsintensität konnten die Schüler selbst auf verhältnismäßig einfache Weise die Strahlungsintensität des auf den Erdboden fallenden Sonnenlichtes vor Ort messen. Dies gelang ihnen über eine Solarzelle, die über ein Amperemeter kurzgeschlossen wurde. Die hiermit meßbare Stromstärke ist nämlich proportional zur auf die Solarzelle fallenden Strahlungsintensität. Am 1.03.97, einem klaren, nahezu wolkenfreien Tag, bestimmten die Schüler bei einer Außentemperatur von ca. 3°C die maximal auf die Solarzelle fallende sichtbare Strahlungsintensität. Da die sichtbare Strahlung etwa 85% der Gesamtstrahlung ausmacht, konnten die Schüler ihre erhaltenen Werte auf die gesamte Strahlungsintensität bezogen auf ein Quadratmeter Fläche umrechnen. Die vom Boden absorbierte Strahlungsintensität wurde somit zu 325 W/m2 bestimmt. Zu diesem Meßergebnis wurde im folgenden Unterricht immer wieder ein Bezug hergestellt. Aus der von der Sonne emittierten Strahlungsleistung wurde die Solarkonstante auf der Erdbahn um die Sonne zu S0=1360 W/m2 bestimmt. Berücksichtigt man, daß die Erde eine Kugel ist und daß nur 51% der Sonnenstrahlen die Erdoberfläche erreichen, so erhält man hier im Jahresmittel eine Intensität von 342 W/m2 absorbierter Strahlung. Unter der Annahme, daß es ein Strahlungsgleichgewicht zwischen auf der Erde absorbierter und emittierter Strahlung gibt (die Erde als schwarzer Körper), errechneten die Schüler als Anwendung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes (S=5,67·10-8 W·T4/(m2·K) die mittlere Jahrestemperatur auf der Erde zu -18,25°C. Aus der selbst bestimmten Strahlungsintensität ergab sich über das Stefan-Boltzmann-Gesetz die auch zuvor gemessene Temperatur von 3°C. Dies war für die Schüler eine wichtige Bestätigung dafür, daß das Gesetz aussagekräftig ist. Die Diskrepanz zwischen der realen mittleren Jahrestemperatur von +15°C und der zuvor berechneten Temperatur von -18,25°C motivierte die Schülerinnen und Schüler, etwas genauer den Strahlungshaushalt der Erde zu betrachten. Zuvor mußte jedoch noch auf die unterschiedlichen Qualitäten der absorbierten und reflektierten Strahlung eingegangen werden. Dies geschah über einen Text zum Wienschen Verschiebungsgesetz und einen Versuch, bei dem die Schüler das optische Spektrum einer weniger intensiven "roten Lichtquelle" mit dem einer starken "blauen Lichtquelle" vergleichen konnten. Gemäß des Verschiebungsgesetzes Lambdamax=0,0029 m·K/T ließ sich feststellen, daß das Intensitätsmaximum bei der weniger starken Lichtquelle zum rötlichen, und damit zu einer größeren Wellenlänge, verschoben ist. Der natürliche Treibhauseffekt (3 UE)Das zentrale Medium in dieser Phase war eine OH-Folie zum Strahlungshaushalt des Systems Erde-Atmosphäre, in dem auch die unterschiedlichen Intensitätsanteile der von der Erde und der Atmosphäre absorbierten und emittierten Strahlung verzeichnet sind. Durch das ständige Wechselspiel der Thermalisierung an der Erdoberfläche und in der Atmosphäre erreichen demnach im stationären Zustand neben den 51% Strahlungsintensität durch Direkteinstrahlung weitere 95% durch den natürlichen Treibhauseffekt die Erdoberfläche. Mit diesem Wechselspiel im stationären Zustand, bei dem die Energiebilanz zwischen Einstrahlung und Abstrahlung ausgeglichen ist, mußten die Schüler sich intensiv beschäftigen, um den Zusammenhang zu verstehen. Die durch den natürlichen Treibhauseffekt erzeugte mittlere Jahrestemperatur von 14,8°C konnte wieder nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz über die 114% Abstrahlung von der Erde ermittelt werden. Der anthropogene Treibhauseffekt (2 UE)Ausgehend von einem Text zum Treibhauseffekt wurde mit den Schülerinnen und Schülern die Ursachen der seit dem Beginn der Industrialisierung festgestellten Erhöhung der Durchschnittstemperatur um etwa 0,5°C durch den Konzentrationsanstieg mehratomiger Spurengase in der Atmosphäre diskutiert. Eine Modellrechnung über das Stefan-Boltzmann-Gesetz ergibt eine Erhöhung um etwa 1°C. Der Aufbau der Atmosphäre (3 UE)Die Schichtung der Atmosphäre (Toposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre, Thermosphäre, Exosphäre) wurde im Zusammenhang mit dem Temperaturverlauf in diesen Schichten vorgestellt. Insbesondere wurde auf die Ursache des Temperaturanstiegs in der Stratosphäre aufgrund der Bildung und des Zerfalls von Ozon unter Einwirkung der UV-Strahlung eingegangen.
Last modifications made on October 26, 1999 by Horst Schecker |