Übersicht über die Experimente
Übersicht
Die im 5. Abschnitt zusammengestellten Experimente sollen es Schülerinnen und Schülern der Sekundarstufe 1 ermöglichen, die oben genannten Vorgänge nachzuvollziehen; sie sind entsprechend einem möglichen Unterrichtsgang geordnet.
Die beiden Experimente 5.1.1 und 5.1.2 zeigen zunächst die Existenz von kurzwelligem Infrarotlicht aus einer Quelle von knapp 3.000 K Oberflächentemperatur und seine Eigenschaft, genauso wie sichtbares Licht Energie zu transportieren und einen Absorber zu erwärmen. Außerdem wird erkennbar, dass unterschiedliche Materialien sichtbares Licht und Infrarotlicht unterschiedlich gut durchlassen bzw. absorbieren, während eine Silizium-Solarzelle beide Arten Strahlung in elektrische Energie umwandeln kann.
Allerdings ist es nicht die hierbei benutzte Infrarotstrahlung nahe des sichtbaren Spektralbereichs bei Wellenlängen < 1 µm, die den Treibhauseffekt bewirkt, sondern die langwelligere Infrarotstrahlung der Erdoberfläche mit ihrer Temperatur von knapp 300K, deren Intensitätsmaximum nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz (siehe Abschnitt 1) bei max = 10 µm liegt. Den Übergang zu dieser Strahlung soll der Versuch 5.1.3 erleichtern, der mit sichtbarem Licht qualitativ die Wiensche Verschiebung demonstriert. Im folgenden Freihandversuch 5.2.1 benutzen die Schüler ihre Gesichtshaut als Empfänger dieser langwelligen Infrarotstrahlung und erfühlen qualitativ den Zusammenhang, den das Stefan-Boltzmann-Gesetz (siehe Abschnitt 1) beschreibt. Mit Hilfe einer Thermosäule und eines empfindlichen Spannungsmessgerätes lassen sich im Versuch 5.2.2 die Wärmeempfindungen der Haut durch objektive Messwerte ersetzen, die das Stefan-Boltzmann-Gesetz bei geeigneter Auswertung quantitativ bestätigen.
Sowohl an der Erdoberfläche als auch in der Atmosphäre wird Infrarotstrahlung absorbiert und anschließend reemittiert; dieser Vorgang wird häufig mit der Reflexion verwechselt. Ein wichtiger Unterschied besteht darin, dass die reemittierte Strahlung im Gegensatz zur reflektierten in einem anderen Wellenlängenbereich liegen kann als die empfangene, und die Reemission kann auch deutlich später erfolgen als die Absorption. Dies zeigen die Versuche 5.3.1 und 5.3.2.
Die beiden Versuche 5.4.1 und 5.4.2 zur Bestimmung der Solarkonstanten liefern den wohl wichtigsten Messwert für den Energiehaushalt der Erde, nämlich die Leistung der Sonnenstrahlung, die unmittelbar oder mittelbar fast alle Klimavorgänge auf der Erde antreibt. Ein Vergleich mit der von der Menschheit umgesetzten Leistung zeigt, dass nur ein sehr kleiner Teil der auf der Erde ankommenden Sonnenenergie genutzt werden müsste, um die Menschheit mit ausreichend Energie zu versorgen.
Im Abschnitt 2 wurde dargestellt, dass die Strahlungsströme an der Erdoberfläche bei ausgeglichener Energiebilanz ein stabiles System stationärer Flüsse bilden, das bei einer Störung einem neuen stabilen Zustand zustrebt. Dieses soll der letzte Versuch 5.5 veranschaulichen, in dem Wasserströme anstelle der Strahlungsströme fließen und Wasser in zwei Behältern anstelle von Energie an der Erdoberfläche und in der Atmosphäre gespeichert wird.
Keiner der aufgeführten Versuche zeigt die klimawirksamen Eigenschaften von Treibhausgasen wie z.B. Wasserdampf und Kohlendioxid. Der Grund dafür liegt darin, dass diese Gase im Klassenraum nur verpackt untersucht werden können, die Verpackung im allgemeinen aber eine wesentlich höhere Wärmekapazität aufweisen dürfte als die zu untersuchende Gasmenge selbst. Wärmeverluste aufgrund von Wärmeleitung durch die einschließende Hülle und Konvektion in der umgebenden Luft bringen weitere Probleme; gerade diese Phänomene unterscheiden den tatsächlichen Treibhauseffekt in irdischen Glashäusern deutlich vom sogenannten Treibhauseffekt in der Erdatmosphäre. [2]
Ferner hat ein Klassenraum bereits die Temperatur von knapp 300K der Erdoberfläche, strahlt also mit seinen Wänden und allen darin befindlichen Gegenständen entsprechend dieser Temperatur, wahrend der Himmelshintergrund als "Wand" des Labors, in dem das Experiment "irdischer Treibhauseffekt" abläuft, mit lediglich 3K, also nur 10-8-mal so intensiv strahlt. Zwangsläufig muss also im Klassenraum eine Strahlungsquelle mit einer Temperatur merklich oberhalb 300K verwendet werden. Deren Strahlung reagiert aber anders mit den Treibhausgasen als die Strahlung der kühleren Erdoberfläche; z. B verringert sich bei dieser "wärmeren" Strahlung durch die Verschiebung des Spektrums zu kleineren Wellenlängen ungünstiger Weise der ohnehin kleine Anteil der Strahlungsleistung, der in die Absorptionsbanden des CO2 fällt, so dass es mit Schulmitteln bereits nicht ganz einfach ist, allein die Absorption von Infrarotstrahlung durch CO2 zu demonstrieren. [3]
Dies ist aber nur ein erster Schritt: Nun wäre zu zeigen, dass das absorbierende CO2 sich erwärmt, seinerseits strahlt und infolgedessen die Quelle zusätzlich heizt; dabei müsste die Versuchsanordnung zweifelsfrei ausschließen, dass die beobachteten Wirkungen andere Ursachen haben als die genannten. Der dazu nötige Aufwand erscheint für den Unterricht in der Sekundarstufe 1 nicht realistisch.
Aus den angeführten Gründen sind scheinbar einfache Experimente mit Vorbehalt zu betrachten. [4]