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Klima |
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Klaus Morgenstern, Bernd Blume IG Kiel-Friedrichsort
Naturwissenschaftliche Experimente und Modellversuche zum Thema
"Klima und Klimaproblematik"
Es werden Experimente zu vier Themenbereichen angeboten, a. Versuche zur Frage: Gibt es Beweise zum Treibhauseffekt? c. Der Mensch verstärkt den natürlichen Treibhauseffet. d. Mögliche Auswirkungen eines natürlichen Treibhauseffektes.
Ziel der Experimente ist es, einige fundierte Kenntnisse zu den Wechselwirkungen zwischen menschlichem Handeln und klimatischen Wirkungen zu vermitteln. Die Experimente beschränken sich auf Darstellung und Beweise qualitativer
Zusammenhänge (also ja/nein-Aussagen). Quantitative (zahlenmäßige) Aussagen lassen sich
mit den gegebenen Möglichkeiten nicht durchführen, entsprechende Aussagen wären
unseriös. Inhalt:
1.Versuch: Ein lichtdurchlässiges Haus sammelt Wärme Versuchsmaterial: Kleines Gewächshaus (Glas- oder Acrylglaswanne, dünnwandig) 2 Quecksilberthermometer; 1°-Teilung (oder genauer) ebener einfarbiger Untergrund; Farbe beliebig direkte Sonneneinstrahlung oder diffuses Tageslicht als Strahlungsquelle. Das Glashaus wird auf die einfarbige Unterlage gestellt. In das Haus wird (auf die Unterlage) ein Thermometer gelegt. Neben das Haus wird auf dieselbe (d.h. gleichfarbige) Unterlage ein zweites Thermometer gelegt. Als Strahlungsquelle eignet sich direkte Sonneneinstrahlung besser als diffuses Licht. Es sollte ein Quecksilberthermometer verwendet werden, weil dieses störende Direkteinstrahlung reflektiert und nur die zu messende Lufttemperatur gemessen wird. Beobachtet werden der Temperaturanstieg und die Endtemperatur beider Thermometer. Die Temperatur im Gewächshaus steigt wesentlich schneller als außerhalb des
Hauses. Die Endtemperatur im Haus stellte sich wesentlich höher (D
T » 8 K) ein als außerhalb des Hauses. Besonderheiten: Dieser Versuch wurde auch hinter einem isolierverglasten Fenster bei verschiedenen Wetterlagen durchgeführt. Es zeigten sich selbst dort bei diesigem Wetter noch deutliche Temperaturdifferenzen (D T » 2 K) Verschiedene Farben absorbieren und emittieren Licht- und Wärmestrahlung verschieden stark. Dieser Versuch schließt - wie auch der Gewächshaus-Versuch - an eine mehr oder weniger bewußt wahrgenommene Alltagserfahrung an. 3 verschiedenfarbige Bogen Papier, (in unserem Versuch: schwarz, grün, weiß) 3 Thermometer gleicher Sorte Beleuchtung: diffuses Tageslicht oder direkte Sonneneinstrahlung Versuchsaufbau: Drei Thermometer werden auf drei verschiedenfarbige Unterlagen gelegt. Meßergebnis: Je nach Helligkeit der Unterlage zeigen die Thermometer unterschiedliche Temperaturen an. Schwarz zeigt die höchste, weiß zeigt die niedrigste Temperatur. Die Thermometerflüssigkeiten müssen gleiche Färbung haben, um Absorptionsfehler zu vermeiden.
3. Versuch:
CO2 -Gas absorbiert Wärmestrahlung stärker als
'normale' Luft bzw.: CO2-Gas ist 'thermisch dunkler' als normale Luft.
Versuchsmaterial: CO2-Gas 2 gleichfarbene Luftballons (Kondome eignen sich sehr gut), Thermosäule, Meßverstärker Ein luftgefüllter Luftballon wird (um Reflexionen zu vermeiden) direkt an die Thermosäule gedrückt. Die Hand ist gleichzeitig der Wärmestrahler. Wärmestrahler und Thermosäule müssen sich auf gegenüberliegenden Seiten des Ballons befinden. Abb.: Versuch zur Absorption von Wärmestrahlung durch CO2-Gas Danach wird ein mit CO2-Gas gefüllter Ballon gleichen Durchmessers in gleicher Art plaziert. Beobachtet wird der Zeigerausschlag des angeschlossenen Meßgerätes. Der CO2-gefüllte Ballon zeigt eine deutlich stärkere Absorption, d.h. es kommt weniger Wärmestrahlung hindurch. Der CO2-Ballon ist thermisch 'dunkler'. Zum Verständnis sei gesagt: Dieser Versuch zeigt nur die stärkere Absorption. Er ist noch kein Nachweis, daß sich gleichzeitig eine Erwärmung des Gases ereignet. Falls dem Leser dieses unlogisch erscheint, möge er sich der Wärmezuführung des schmelzenden Eises erinnern, dem man jede Menge Wärme zuführen kann, ohne daß das Eis (bzw. das entstehende Wasser) seine Temperatur erhöht. Grundsätzlich könnte es möglich sein, daß die Wärmeabsorption andere physikalische oder chemische Reaktionen auslöst als eine Temperaturerhöhung. Ein weiterer Versuch wird die erwartete Temperaturerhöhung zeigen.
Absorption von Wärmestrahlung in CO2 -Gas führt zu einer Erhöhung der Temperatur des CO2 -Gases. Versuchsmaterial: Zweistöckiges Biochorion (gewächs-hausähnliches Versuchshaus aus Acrylglas) Styropor-Trennschicht 2 Thermometer; 1°-Einteilung (oder genauer) Wärmestrahler (hier: Quarzstrahler); rotglühend CO2-Gas Versuchsaufbau: Zwei Biochorien werden aufeinandergestellt, so daß ein zweietagiges Biochorion entsteht. Beide Etagen werden durch eine Styroporplatte (waagerecht) thermisch voneinander getrennt. 1. Versuch: Beide Etagen sind luftgefüllt und werden durch seitliches Anstrahlen erwärmt. 2. Versuch: Die untere Etage wird mit CO2 gefüllt. Beide Etagen werden wieder gleichstark angestrahlt. Anstelle der hier verwendeten Biochorien lassen sich auch andere Behälter verwenden. Die Behälterwand sollte allerdings senkrecht durchstrahlt werden können (ein Rohr ist also ungeeignet), und sie sollten eine möglichst geringe Wandstärke besitzen. Die Strahlungsabsorption der durchstrahlten Wand ist nicht vernachlässigbar gegenüber dem im Behälter absorbierenden Gas. Es versteht sich, daß der Behälter nicht zu klein sein darf und längs durchstrahlt werden muß. Unser Biochorion hatte die Maße LxBxH = 60x40x40 cm³. Sollte dieser Text nicht vielleicht erhalten bleiben? Abb. Messung der Temperaturdifferenz bei CO2 - Anreicherung: Meßergebnis: Im ersten Versuch (nur Luft) zeigt sich eine gleichstarke Erwärmung beider Etagen. Ersetzen durch "übereinstimmende"? Temperaturangabe dürfte uninteressant sein (am Thema vorbei). Im zweiten Versuch (unten CO2) zeigt sich in der CO2-Etage eine um ca. 1,5° C höhere Temperatur. Die Ergebnisse werden nach etwa 10 bis 30 min sichtbar. Dieser Versuch beweist, daß die Absorption im nahen Infrarot tatsächlich zu einer Erhöhung der Gastemperatur führt. Die Styroporplatte sorgt für eine thermische Trennung der beiden Gasschichten, sie steht stellvertretend für eine isolierende dicke Luftschicht. Ohne diese Trennung würde die stärkere Erwärmung des unten befindlichen CO2-Gases zuzüglich zur Diffusion zu einem 'Kochplatteneffekt' führen; d.h. die CO2-Schicht würde sofort die obere, auf ihr liegende Luftschicht erwärmen. 5.Versuch: In Erdnähe erwärmt sich eine CO2-Schicht stärker als in höheren Bereichen der Lufthülle.
Dieser Versuch beschäftigt sich mit der Kernfrage der ganzen Klimaproblematik, nämlich ob die ganzen klimarelevanten Faktoren überhaupt im erdnahen Bereich zum Tragen kommen. Er ist vor allem deshalb interessant, weil er sich mit verblüffend einfachen Mitteln darstellen läßt und zusammen mit einer relativ einfachen Erklärung eine hohe Überzeugungskraft hat. Wanne (zur Vermeidung von Zugluft) Schwarze Pappe (simuliert die Erdoberfläche) Acrylglas ca. 5mm (simuliert CO2-haltige Luft) 2 Thermometer (1/10°-Teilung) Leuchtstofflampe (weiß) als Kaltlichtstrahler In den Wannenboden wird schwarze Pappe ausgelegt. Ein Thermometer wird auf die Pappe gelegt. Dessen Ausdehnungsbehälter (also der Quecksilberbehälter) des Thermometers) darf nicht den Boden berühren. Auf das Thermometer gibt man eine Lage Acrylglas. Oben auf dem Acrylglas liegt das zweite Thermometer. Abb. 5 zeigt den Aufbau. Der beschriebene Meßaufbau wird senkrecht von oben mit dem Kaltlichtstrahler (Leuchtstofflampe in hinreichender Entfernung) bestrahlt. Beobachtet werden der Temperaturanstieg beider Thermometer und die Endtemperaturen. Meßergebnis: Ein stabiler Zustand stellte sich nach ca. 20 bis 30 Minuten ein. Das untere Thermometer zeigte einen um 0,2 bis 0,4 K höheren Wert! Acrylglas läßt Licht durch (was man leicht sieht!). Wärmestrahlung läßt es nur in geringem Maße durch. Man kann dieses leicht überprüfen, indem man Acrylglas zwischen einen Wärmestrahler (z.B. Bügeleisen) und die angestrahlte Wange hält. Acrylglas hat damit ähnliche Eigenschaften wie CO2-Gas, wir können es im Modellversuch anstelle von CO2-Gas verwenden. Die erwärmte Erdoberfläche strahlt nun als Wärmestrahler mit anderer Frequenz. Die Wärme würde wieder in den Weltraum abgestrahlt, wenn da nicht die CO2-haltige Atmosphäre wäre. Die CO2-haltige Atmosphäre absorbiert diese Wärmestrahlung und erwärmt sich. Was tut ein warmer Körper (auch wenn er aus Gas besteht)? - Er strahlt in alle Richtungen Wärme ab. Nach oben in den Weltraum und nach unten zur Erde - die wiederum wärmer wird.
Ökosysteme beeinflussen den natürlichen Treibhauseffekt. Versuchsmaterial: 2 Bechergläser (500 ml), 1 dunkle und 1 farblose Plastiktüte, Bindfaden, 1 Leuchtstofflampe, 1 pH-Meter, Teichwasser mit Algen und Wasserpest. Ca. 1l Teichwasser mit Algen und Wasserpest werden mindestens eine Stunde in einer lichtundurchlässigen Plastiktüte abgedunkelt . Eine zweite Probe wird dagegen mit einer Leuchtstofflampe über den gleichen Zeitraum belichtet. Anschließend werden die pH-Werte beider Proben gemessen. pH-Wert in abgedunkelter Probe: 6,91; in belichteter Probe: 6,98; Die Tendenz ist in ähnlichen Differenzen reproduzierbar. Die Organismen des abgedunkelten Miniökosystems setzen Kohlendioxid durch ihre Zellatmung frei. (Erinnerung: Pflanzen nehmen ohne Lichtzufuhr Sauerstoff auf!) Durch die sich dabei bildende Kohlensäure (CO2 + H2O ® H2CO3) sinkt der pH-Wert. Im belichteten "Miniökosystem" nehmen die Pflanzen dagegen Kohlendioxid aus dem Wasser auf, wodurch der pH-Wert des Wassers ansteigt. Wie bei einer Gruppe ersichtlich, kann der pH-Wert-Anstieg auch in den alkalischen Bereich hineinreichen, wodurch eine verstärkte CO2-Aufnahme aus der Luft erreicht wird. Ökosysteme beeinflussen also das "Treibhaus Erde" ganz wesentlich. Dabei kann die CO2-Bilanz positiv oder negativ sein. Durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe, das Abbrennen von Feldern, sowie die Brandrodung von Wäldern setzen die Menschen zusätzliches CO2 frei! Versuchsmaterial: Glastrichter, 2 Stative mit Universalklemmen, 3 Gaswaschflaschen, Wasserstrahlpumpe, 2 Schlauchverbindungen, 2 Porzellanschalen, Uhr, Benzin, Holzspäne, gesättigte Calciumhydroxidlösung. Der Glastrichter wird umgekehrt am Stativ befestigt und mit einer Gaswaschflasche, in der sich ca. 3 cm hoch die Calciumhydroxidlösung befindet, verbunden. Die Gaswaschflasche wird an die Wasserstrahlpumpe angeschlossen. Benzin sowie Holzspäne werden jeweils in einer Porzellanschale nacheinander unter dem Trichter entzündet und die entstehenden Verbrennungsgase mittels der Wasserstrahlpumpe durch eine der Gaswaschflaschen gesaugt. Messen der Versuchsdauer. Wesentlich schnellere Bildung eines milchigen Niederschlages als in einem Blindversuch ohne Verbrennung. Beim Verbrennen von fossilen Brennstoffen sowie von Holz werden große Mengen CO2 freigesetzt. Somit wird der Treibhauseffekt verstärkt.
Versuchsmaterial: Stativ mit Universalklemme, Haarfön, zwei Polster Kressepflanzen ca. 3 cm breit. Eines der Polster wird in den warmen Luftstrom eines Haarföns gestellt. Nach kurzer Zeit liegt die Kresse flach am Boden und erholt sich auch nach dem Gießen mit Wasser nicht mehr. Dieser Versuch zeigt, das Kresse keine warme Luft verträgt. Die Pflanze kann mit einer drastischen Veränderung Ihrer Umweltbedingungen nicht leben. Deutliche Klimaänderungen werden aber für die Zukunft befürchtet. Mit aller gebotenen Vorsicht kann man aus dem Versuch folgern, daß Klimaänderungen eine Vegetation irreversibel verändern bzw. zerstören können. Wasser ist ein Kohlendioxidpuffer. Die Ozeane wirken als "Kohlendioxidsenke", weil sie das Gas aus der Luft binden können. Versuchsmaterial: 250 ml Erlenmeyerkolben, pH-Meter, Kohlendioxidflasche, Meerwasser (dest. Wasser). In einen Erlenmeyerkolben wird Wasser (u.U. Meerwasser) mit bekanntem pH-Wert vorsichtig mit Kohlendioxid überschichtet. Anschließend wird fortlaufend der pH-Wert gemessen. Der pH-Wert sinkt fortlaufend ab. Ergebnis und Wertung: Kohlendioxid löst sich physikalisch im Wasser und wird dabei auch zu Kohlensäure umgesetzt. Die These "Ozeane wirken als CO2-Senke" ist also richtig,. Der weltweite Anstieg des Kohlendioxidgehaltes in der Atmosphäre zeigt jedoch, daß der Effekt hinsichtlich der drohenden Klimaänderung nicht ausreicht, also allenfalls eine dämpfende Wirkung erreicht. Ergänzender Versuch:
Versuchsmaterialien: 1 l Plastikflasche, Kohlendioxidflasche, Leitungswasser. Eine Plastikflasche wird zu etwa einem Drittel mit Wasser gefüllt und mit Kohlendioxid überschichtet. Die Flasche wird geschlossen und geschüttelt. Die Plastikflasche beult sich sehr stark ein. Ergebnis: Durch das Schütteln wird die benetzende Oberfläche des Wassers vergrößert. Das Wasser kann das Kohlendioxid schneller binden, es entzieht es also dem freien, gasförmigen Zustand. Der vom Gas beanspruchte Raum verschwindet. 13. Versuch: Mögliche Klimaveränderungen in Europa: Abkühlung! These: Uns droht eine Klimaveränderung (Abkühlung) durch eine Abschwächung des Golfstromes. Versuchsmaterialien: 2 Pneumatische Wannen (Glaswannen), 1 Glasstab, 1 Becherglas (250 ml), 1 Haarfön, Tinte, 1 Blatt Papier 0,5 kg billiges Speisesalz. In der pneumatischen Wanne befindliches und mit einem Blatt Papier abgedecktes Salzwasser wird vorsichtig mit gefärbtem Salzwasser gleicher Dichte überschichtet und nach vorsichtigem Entfernen des Papiers schräg mit einem Fön angeblasen. Das Wasser durchmischt sich vollständig (auch schon beim Überschichten). Salzwasser wird vorsichtig mit gefärbtem Süßwasser überschichtet und das Ganze schräg mit einem Fön angeblasen. Das Süßwasser durchmischt sich nicht mit dem Salzwasser. Die Vollzirkulation wird unterbunden. Süßwasser besitzt eine geringere Dichte als Salzwasser und "schwimmt" somit auf letzterem. Es könnte also sein, daß das bei einer weltweiten Temperaturerhöhung verstärkt schmelzende Eis der Polkappen als Süßwasser das Salzwasser der Nordmeere überschichtet und somit das Absinken des mit dem Golfstrom ankommenden Salzwassers beeinflußt, indem letzteres früher oder vermindert absinkt. Das könnte zur Folge haben, daß der Golfstrom seinen Einfluß auf das westeuropäische Klima weitgehend verliert, weil es der vom Äquator kommenden Warmwasserwalze an Nachschub von Tiefenwasser aus dem Norden fehlt. Die Folge könnte eine drastische Verringerung der Jahresmitteltemperatur in Westeuropa sein. Tips und
Tricks Das Materialproblem CO 2-Gas: Gasflasche; Syphon-CO2-Patronen. Für kleinste Mengen reicht es manchmal, eine Mineralwasserflasche zu schütteln.Biochorien: Variabler Acrylglaskasten mit abnehmbaren Boden und Deckel;
stapelbar. Abb.3 (Versuch 4) zeigt zwei Stück gestapelt ohne Dach (Walmdachform).
Konstruktion, Anwendungsvorschläge und Bezeichnung stammen von Dr. Christian Otzen / Uni
Kiel, Erz.Wiss. Fakultät, Abteilung Chemie. Der Lehrmittelhandel Urhammer in 24105 Kiel,
Brunswiker Str. 40, Tel 0431 561033. bemüht sich derzeit um einen neuen Hersteller. Thermometer: Achtung: für verschiedene Versuche sind Digitalthermometer nicht einsetzbar. Einige Versuche benötigen Quecksilberthermometer (wegen sonst störender Strahlungsabsorption in farbigen Alkoholthermometern). Diese Versuche müssen so aufgebaut werden, daß die Thermometer nicht hinunterfallen können. Quecksilber im Fußboden diffundiert als nicht zu unterschätzendes Nervengas hervor. Quarzstrahler: Heizstrahler, wie man ihn gelegentlich in Badezimmern findet. Entscheidend ist, daß er gerade ist und daß sich das Heizelement in einem elektrisch isolierenden Quarzrohr befindet. Gasspürgerät: An vielen Schulen (Gymnasien) vorrätig; Nachbarschulen fragen. Hersteller: Dräger-Werke, 23542 Lübeck, Moislinger Allee 53; Tel 0451-8820; Preis ca. 800.- DM Copyright: Klaus Morgenstern, Bernd Blume, August 1997
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