Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase

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1 WISSENSCHAFTLICHE ARBEIT FÜR DAS STAATSEXAMEN IM FACH PHYSIK Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase - Experimente für den Physikunterricht vorgelegt von STEFAN SIRTL angefertigt bei PROF. DR. HORST FISCHER 12. November 2010 PHYSIKALISCHES INSTITUT ALBERT-LUDWIGS-UNIVERSITÄT FREIBURG

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3 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1 2. Physikalische Grundlagen Thermische Strahlung Strahlungsleistung und Leistungsdichte Der Schwarze Körper als ideale thermische Strahlungsquelle Strahlungsgesetze Absorption von Strahlung durch atmosphärische Gase IR-Absorption Treibhausgase Der Treibhauseffekt Ein Klimamodell ohne Atmosphäre Ein einfaches Klimamodell mit Atmosphäre Strahlungsbilanz der Erdatmosphäre Der anthropogene Treibhauseffekt Das Experiment Der Versuchsaufbau Durchführung des Experiments Analyse der Absorptionseigenschaften atmosphärischer Gase Analyse der Absorptionseigenschaften von Kohlendioxid, Stickstoff, Luft und Atemluft Beobachtung der Strahlungsabsorption mit einer Wärmebildkamera Die Einbindung in den Schulunterricht Einsatz im Fach Physik Einsatz im Fach NwT Versuchsanleitung für das Demonstrationspraktikum Zusammenfassung 69 A. Gebrauchsanleitung der Thermosäule 71 B. Sicherheitsdatenblätter der Gase 75 Literaturverzeichnis 111

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5 1. Einleitung Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines physikalischen Schulversuchs zur phänomenologischen Untersuchung der Absorption thermischer Strahlung durch verschiedene atmosphärische Gase. Das Experiment ermöglicht damit Schülerinnen und Schülern der Oberstufe einen experimentellen Zugang zu den grundlegenden physikalischen Ursachen des Treibhauseffekts - eines Themas, dem im naturwissenschaftlichen Unterricht zunehmende Bedeutung beigemessen wird. Als klimatologischer Effekt spielt der Treibhauseffekt eine bedeutende Rolle für den Wärmehaushalt der Erde. Seit Beginn der Industrialisierung wird dieser lebenswichtige Effekt möglicherweise durch einen steigenden Ausstoß klimarelevanter Gase verstärkt. Dieser sogenannte anthropogene Treibhauseffekt steht heute als Ursache für einen möglichen globalen Temperaturanstieg in reger öffentlicher Diskussion. Der in dieser Arbeit vorgestellte Versuch vermittelt die physikalischen Grundlagen des Treibhauseffekts und ermöglicht letztlich eine Sensibilisierung des Schülers 1 hinsichtlich der Auswirkungen seines eigenverantwortlichen Handelns auf Natur und Umwelt, einem der Leitgedanken der Bildungsstandards für den naturwissenschaftlichen Unterricht in Gymnasien Baden-Württembergs 2. Insgesamt eignet sich das Experiment hervorragend als experimenteller Zugang zum Verständnis der grundlegenden physikalischen Vorgänge des Treibhauseffekts. Das zum Verständnis dieser Vorgänge, der Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase, notwendige molekülphysikalische Wissen kann so phänomenologisch, auch ohne quantenmechanische Hintergründe nachvollzogen werden. Aus den Absorptionsverhalten verschiedener Gase können Treibhausgase ausgemacht und mögliche molekülstrukturelle Ursachen für das unterschiedliche Verhalten der Gase herausgefunden werden. Desweiteren ermöglicht das Experiment die Beobachtung der Thermalisation von Wärmestrahlung durch Gase, also der Temperaturerhöhung aufgrund zunehmender Absorption, und kann hinsichtlich des anthropogenen Treibhauseffekts diskutiert werden. Die Arbeit beginnt mit einem einführenden theoretischen Teil, in welchem das notwendige physikalische Wissen für ein tieferes Verständnis des Experiments sowie dessen 1 Aus sprachlichen Gründen wird im Folgenden nur die männliche Form verwendet. Weibliche Leser bitte ich dafür um Verständnis. 2 Grundsätzlich ist der Einsatz des Experiments in vielen Schulformen möglich. Da diese Arbeit eine Abschlussarbeit für das Lehramt an Gymnasien darstellt, bezieht sich die Diskussion nur auf den Einsatz an allgemein bildenden Gymnasien in Baden-Württemberg. 1

6 1 Einleitung konzeptionelle Vorüberlegungen zusammengestellt ist (Kapitel 2). In der anschließenden Dokumentation der Entwicklung des Experiments (Kapitel 3) sind zunächst die einzelnen Komponenten des Versuchsaufbaus und ihre Funktionsweise erläutert. Im Zuge dessen werden auch mögliche Alternativen in der Wahl dieser Komponenten vorgestellt und hinsichtlich ihrer Eignung für das Experiment diskutiert. Die eigentliche Durchführung des Experiments beginnt mit der Beschreibung eines erweiterten Versuches, in welchem die Absorption mehrerer atmosphärischer Gase untersucht wird. Auf dessen Grundlage wurde eine für den Schulunterricht besser geeignete reduzierte Variante mit weniger Gasen entwickelt, die im Anschluss beschrieben ist. Zusätzlich ist eine eindrückliche Form des Versuchs unter Verwendung einer Wärmebildkamera vorgestellt. Die didaktische Einordnung des Experiments in den Schulunterricht ist schließlich in Kapitel 4 diskutiert. Das im Zuge dieser wissenschaftlichen Arbeit entwickelte Experiment soll in einem Praktikum des Physikalischen Instituts der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg zum Einsatz kommen. In diesem Kurs zur Durchführung von Demonstrationsexperimenten lernen Studierende eine Vielzahl physikalischer Schauversuche kennen und erproben deren Durchführung auf der Grundlage aktueller Physikdidaktik. Die Umsetzung dieses Experiments im Praktikum entspricht der für den schulischen Einsatz vorgeschlagenen vereinfachten Version und ist im Laufe der Arbeit explizit beschrieben. Eine genauere Beschreibung des Praktikums sowie die Versuchsanleitung für die Durchführung im Praktikum finden sich in Kapitel 5. Die Gebrauchsanweisung einer Thermosäule sowie die Sicherheitsdatenblätter aller verwendeten Gase sind im Anhang angefügt. 2

7 2. Physikalische Grundlagen 2.1. Thermische Strahlung Jeder Körper sendet thermische Strahlung in Form elektromagnetischer Wellen aus. Diese Strahlung, auch Wärmestrahlung genannt, zählt damit neben der Wärmeleitung und der Konvektion zu den drei Arten der Übertragung thermischer Energie. Zum Energietransport mittels Wärmestrahlung wird jedoch keine Materie benötigt, weshalb sie die einzige Möglichkeit zum Austausch thermischer Energien im Vakuum darstellt. In Thermoskannen beispielsweise wird der Energieaustausch durch Wärmeleitung und Konvektion durch einen Vakuumbereich innerhalb der Flaschenwand unterbunden. Zur vollständigen Unterdrückung der Wärmeübertragung aufgrund von Strahlung müssen zusätzlich die Innenwände des Vakuumtanks verspiegelt werden. Abb. 2.1.: Die Wärmestrahlung im Spektrum der elektromagnetischen Strahlung [1]. Wie die Einordnung in das elektromagnetische Spektrum aus Abb. 2.1 zeigt, besteht thermische Strahlung zum größten Teil aus Infrarotstrahlung. Diese langwellige Strahlung ist für das menschliche Auge unsichtbar, kann jedoch mit infrarotempfindlichen Wärmebildkameras in sogenannten Thermogrammen eindrücklich sichtbar gemacht werden. Erst ab einer Temperatur von 525 C können wir einen Teil der Strahlung mit unseren Augen als Dunkelrotglut wahrnehmen. Die thermische Strahlung spielt unter den Wärmeübertragungsmechanismen die entscheidende Rolle zum Verständnis des Wärmehaushalts der Erde. Dass die Erde überhaupt durch die Sonne erwärmt wird, bestätigt schon die Existenz einer materiefreien Übertragung thermischer Energie, da sich im Weltraum zwischen Sonne und Erde kaum Materie befindet. 3

8 2 Physikalische Grundlagen Abb. 2.2.: Thermogramm des Physikalischen Instituts der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Strahlungsleistung und Leistungsdichte Eine wichtige Größe im Bereich der Strahlungsphysik ist die Leistungsdichte S: S = P A [ W m 2 ] Sie gibt die Strahlungsleistung P pro Fläche A an, ist also ein Maß für die auf eine Oberfläche auftreffende Energie pro Zeit. Beispielsweise wird eine senkrecht zur ungeschwächten Sonnenstrahlung ausgerichtete Fläche eines Quadratmeters am Rand der Erdatmosphäre pro Sekunde von der Energie 1,37 kj durchsetzt. Somit ergibt sich als Leistungsdichte der ungeschwächten extraterrestrischen Solarstrahlung, die sogenannte Solarkonstante, der Wert S E = 1, 37 kw/m 2. Aufgrund der Einflüsse der Atmosphäre findet man auf der Erdoberfläche bei klarem Himmel nur noch 0,8 kw/m 2 bis 1 kw/m 2. Die Leistungsdichte sinkt quadratisch mit dem Abstand zu einer punktförmigen Strahlungsquelle. Wird dieser beispielsweise verdoppelt, so verteilt sich die Leistung auf die vierfache Fläche und führt so zu einer vierfach kleineren Leistungsdichte an der Empfängeroberfläche. Die Strahlungsleistung thermischer Strahlung hängt neben der Temperatur des emittierenden Körpers (siehe Abschnitt 2.1.3) auch von der Beschaffenheit seiner Oberfläche ab. Dieser Effekt kann mit einem Leslieschen Würfel 1 demonstriert werden: ein mit heißem Wasser gefüllter Hohlwürfel aus Blech mit verschieden behandelten Oberflächen strahlt je nach Beschaffenheit unterschiedlich ab. Mit einer Thermosäule (siehe Abschnitt 3.1) misst man die größte Strahlungsleistung an der schwarzen, den niedrigsten Wert an der verspiegelten Würfelseite. 1 Sir John Leslie: , schottischer Mathematiker und Physiker. 4

9 2.1 Thermische Strahlung Der Schwarze Körper als ideale thermische Strahlungsquelle Unter einem Schwarzen Körper versteht man einen hypothetischen Körper, welcher elektromagnetische Strahlung bei jeder Wellenlänge vollständig absorbiert. Da nach dem Gesetz von Kirchhoff 2 das Absorptions- und Emissionsvermögen bei jeder Wellenlänge für alle Körper proportional zueinander sind, besitzt dieser idealisierte Körper auch ein maximales Emissionsvermögen und sendet ein charakteristisches, nur von der Temperatur abhängiges Spektrum aus, welches oft als Grundlage für theoretische Betrachtungen, sowie als Referenz für praktische Untersuchungen elektromagnetischer Strahlung verwendet wird. Experimentell kann ein Schwarzer Körper in guter Näherung durch einen Hohlraum mit absorbierenden Wänden realisiert werden, der eine im Vergleich zur gesamten Innenfläche des Hohlraums kleine Öffnung besitzt. Strahlung, welche durch die Öffnung in den Hohlraum eintritt wird so oft im Innenraum reflektiert und jeweils teilweise absorbiert bevor sie wieder zur Öffnung gelangt, dass die gesamte einfallende Strahlung absorbiert wird. Das Absorptionsvermögen A = absorbierte Strahlungsleistung auftreffende Strahlungsleistung eines solchen Hohlraumes nimmt also näherungsweise den Wert eines idealen Strahlers mit A = 1 an. Die aus der Öffnung austretende Strahlung ist charakteristisch für die Temperatur der Wände des Hohlraums und stellt näherungsweise einen schwarzen Strahler mit maximalem Emissionsvermögen dar. Abb. 2.3.: Prinzip eines Hohlraumstrahlers. In guter Näherung stellen Sonne und Erde Schwarze Körper dar (siehe Abschnitt 2.2). Im Hinblick auf die Untersuchung des Strahlungshaushaltes der Erde sollen im Folgenden Eigenschaften der Schwarzkörperstrahlung näher dargestellt werden. 2 Gustav Robert Kirchhoff: , deutscher Physiker. 5

10 2 Physikalische Grundlagen Strahlungsgesetze Verschiedene Quellen strahlen in gleichen Wellenlängenbereichen unterschiedlich intensiv. Dieses Verhalten wird für schwarze Körper in guter Übereinstimmung mit experimentellen Befunden durch die berühmte Plancksche 3 Strahlungsformel beschrieben [2]: B T (λ) = 2πhc2 1 λ 5 e hc/kλt 1 Die sogenannte spektrale spezifische Ausstrahlung B T (λ) gibt diejenige Strahlungsleistung an, die von einem Flächenstück eines Quadratmeters in einem Wellenlängenbereich eines Mikrometers bei einer Temperatur T abgestrahlt wird. Dabei bezeichnet λ die Wellenlänge, h = 6, Js das Plancksche Wirkungsquantum, c = m/s die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und k = 1, J/K die Boltzmann 4 - Konstante. Abb. 2.4.: Spektrale spezifische Ausstrahlung B T (λ) eines schwarzen Körpers bei verschiedenen Temperaturen. Die Ortskurve der Intensitätsmaxima ist rot gekennzeichnet. Charakteristisch ist die Verschiebung der maximalen Strahlungsleistung zu kleinen Wellenlängen mit wachsender Temperatur. Dessen Ortskurve lässt sich über die Bedingung δb T (λ) = 0 mit T = const bestimmen. Man erhält für die Lage des Maximums auf einer δλ Isotherme das sogenannte Wiensche 5 Verschiebungsgesetz: λ max = 2897, 8 µmk (2.1) T 3 Max Planck: , deutscher Physiker und Nobelpreisträger für Physik. 4 Ludwig Boltzmann: , österreichischer Physiker und Philosoph. 5 Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien: , deutscher Physiker. 6

11 2.1 Thermische Strahlung In Abb. 2.5 ist die spektrale spezifische Ausstrahlung logarithmisch aufgetragen und der Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts farbig gekennzeichnet. Das solare Strahlungsspektrum entspricht näherungsweise dem eines schwarzen Strahlers bei 5777 K 6. Dieses besitzt sein Strahlungsmaximum gerade innerhalb des sichtbaren Bereichs, das menschliche Auge hat sich also dem solaren Strahlungsspektrum angepasst. Abb. 2.5.: Spektrale spezifische Ausstrahlung B T (λ) eines schwarzen Körpers in logarithmischer Auftragung. Der gefärbte Wellenlängenbereich entspricht dem des sichtbaren Lichts Durch Integration von B T (λ) bei fester Temperatur erhält man die spezifische Ausstrahlung S(T ), also die Leistungsdichte eines schwarzen Körpers. Setze dazu dλ = c 2 T dx und erhalte: S(T ) = 0 B T (λ)dλ = c 2 T 4 0 B T (x) dx = c 1 T 5 c 4 2 T x 5 (e 1/x 1) dx Das bestimmte Integral hat den Wert π 4 /15 und somit folgt für die spezifische Ausstrahlung S(T ) pro Flächeneinheit das Stefan-Boltzmann-Gesetz S(T ) = σt 4 (2.2) mit der Stefan 7 -Boltzmann-Konstante σ = 2π5 k 4 15c 2 h 3 = 5, W m 2 K 4. 6 Mit der Solarkonstante S E = 1, 37 kw/m 2 ergibt sich aus geometrischen Überlegungen für die spezifische Ausstrahlung der Sonne der Wert S S (T S ) = 63, 16 MW/m 2. Ein Schwarzer Körper mit dieser spezifischen Ausstrahlung hat nach dem Gesetz von Stefan-Boltzmann (2.2) die Temperatur T S = ( S S σ ) 1/4 = 5777 K. 7 Josef Stefan: , österreichischer Mathematiker und Physiker. 7

12 2 Physikalische Grundlagen 2.2. Absorption von Strahlung durch atmosphärische Gase Das Absorptionsverhalten atmosphärischer Gase trägt maßgeblich zur Erklärung des Treibhauseffektes und damit des Strahlungshaushaltes der Erde bei. Vergleicht man beispielsweise das in Abb. 2.6 dargestellte theoretische Spektrum der Schwarzkörperstrahlung bei 5777 K mit den tatsächlich aufgenommenen Spektren 8 der solaren Strahlung am Rand der Atmosphäre sowie dem am Erdboden detektierten Spektrum, so weist letzteres in bestimmten Wellenlängenbereichen starke Einschnitte auf. Abb. 2.6.: Gemessene solare Strahlungsspektren im Vergleich zum theoretischen Spektrum der entsprechenden Schwarzkörperstrahlung. Messdaten von NREL s Electricity, Resources & Building Systems Integration Center [3]. In guter Übereinstimmung mit Absorptionsspektren verschiedener molekularer Bestandteile der Atmosphäre lassen sich diese Abweichungen durch das Absorptionsverhalten atmosphärischer Gase erklären 9. Die kurzwellige Strahlung wird bei Wellenlängen unter 0,3 µm fast vollständig von Ozon O 3 absorbiert und damit das organische Leben auf der Erde von der kurzwelligen schädlichen UV-Strahlung geschützt. Im sichtbaren 8 Die Luftmasse AM bezeichnet ein relatives Maß für die Länge des Weges, den die Strahlung eines Himmelskörpers durch die Atmosphäre der Erde zurücklegt. Dementsprechend steht AM0 für das extraterrestrische, AM1,5 für das terrestrische Strahlungsspektrum. 9 Genauer wird die Solarstrahlung durch Absorption und Streuung an atmosphärischen Gasen, Aerosolen und Wolken geschwächt [4]. 8

13 2.2 Absorption von Strahlung durch atmosphärische Gase Spektralbereich von 0,4 µm bis 0,78 µm findet nur eine relativ geringe Strahlungsabsorption durch atmosphärische Gase statt, so dass in diesem Bereich die kurzwellige Strahlung fast ungehindert bis zum Erdboden durchdringen kann, erst dort absorbiert wird und zur Erwärmung der Erdoberfläche beiträgt. Dieser besonders durchlässige Bereich wird auch als atmosphärisches Fenster im sichtbaren Licht bezeichnet [4]. Im nahen Infrarot absorbiert neben Wasserdampf H 2 O vor allem Kohlendioxid CO 2. Entscheidend für den Wärmehaushalt der Erde ist jedoch vor allem die Absorption im mittleren und ferninfraroten Spektralbereich, eben des Wellenlängenbereichs der von der Erde abgegebenen Wärmestrahlung. Dadurch entweicht nicht die gesamte Wärmeleistung in das Weltall, sondern es kommt in der Atmosphäre zu einer Reemission von Thermostrahlung, deren auf die Erde gerichteter Teil als sogenannte atmosphärische Gegenstrahlung die Erdoberfläche zusätzlich zur Solarstrahlung erhitzt. Allein durch diesen Effekt wird die Temperatur der unteren Atmosphäre von -18 C um 33 K auf +15 C im globalen Mittel angehoben (siehe Modellrechnung in Abschnitt 2.3.2). Im Folgenden sind die theoretischen Grundlagen der Absorption von thermischer Strahlung im Infrarotbereich durch Moleküle zusammengefasst und das Absorptionsverhalten atmosphärischer Gase dargestellt. Dabei soll auf eine tiefergehende quantenmechanische Behandlung verzichtet werden, da diese den Rahmen dieser Arbeit sprengen würde und nur bedingt zum Verständnis beiträgt IR-Absorption Moleküle können Energie aufnehmen indem sie ihren quantenmechanischen Zustand ändern. Dies kann zum einen wie bei Atomen durch elektronische Anregung geschehen, oder durch eine Änderung des Schwingungs- oder Rotationszustandes des Moleküls. Infrarotstrahlung liegt energetisch im Bereich von Schwingungsübergängen von Molekülen, also zwischen dem optischen Bereich, in dem elektronische Anregungen stattfinden, und dem oberen Mikrowellenbereich, in dem Rotationen von Molekülen angeregt werden. Das Schwingungsverhalten von Molekülen wird durch sogenannte Normalschwingungen charakterisiert. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass alle Kerne des Moleküls gleichzeitig durch die Ruhelage gehen und dass Gesamtimpuls und Gesamtdrehimpuls des Kerngerüsts Null sind [5]. Eine Molekülschwingung kann dann als eine Überlagerung von Normalschwingungen beschrieben werden. In einem aus N Atomen bestehenden Molekül besitzt jedes Atom drei Freiheitsgrade der Translation. Von den insgesamt 3N Freiheitsgraden entfallen im Molekül jedoch drei Freiheitsgrade für die Translation des Schwerpunktes, sowie im Fall von nichtlinearen Molekülen drei Freiheitsgrade für die Rotation um die drei Hauptträgheitsachsen durch den Molekülschwerpunkt. N-atomige Moleküle besitzen also im Allgemeinen 3N 6, im Fall von linearen Molekülstrukturen 3N 5 Freiheitsgrade. 9

14 2 Physikalische Grundlagen Eine Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Molekülen, und somit Absorption infraroter Strahlung, kann jedoch nur stattfinden, falls sich durch die Schwingung das elektrische Dipolmoment ändert. Molekülschwingungen mit dieser Eigenschaft werden IR-aktiv genannt. Damit sind symmetrische Schwingungen, bei welchen der Ladungsschwerpunkt stets erhalten bleibt IR-inaktiv. Zweiatomige homonukleare Moleküle können nur symmetrische Schwingungen ausführen und somit keine Infrarotstrahlung absorbieren. Abb. 2.7.: Normalschwingungen von Kohlendioxid und Wasser. In Abb. 2.7 sind die Normalschwingungen für lineare dreiatomige Moleküle am Beispiel von Kohlendioxid CO 2 und für gewinkelte dreiatomige Moleküle am Beispiel von Wasser H 2 O dargestellt. Allgemein unterscheidet man zwischen Valenzschwingungen (Streckschwingungen), bei denen das Molekül entlang der Kernverbindungsachse schwingt, und Deformationsschwingungen (Biege- bzw. Beugeschwingungen), welche sich durch eine Deformation des Bindungswinkels auszeichnen. Den Schwingungstypen lassen sich Schwingungsfrequenzen ν 1, ν 2 bzw. ν 3 zuordnen. Im Fall von CO 2 lässt sich jede Schwingung durch eine Überlagerung der dargestellten vier Normalschwingungen darstellen, wobei die Biegeschwingung hier zweifach entartet auftritt, weil die Deformation in zwei Ebenen zu berücksichtigen ist. Es ist ersichtlich, dass nur im Falle der symmetrischen Streckschwingung der Ladungsschwerpunkt erhalten bleibt, diese also die einzige IR-inaktive Normalschwingung von Kohlendioxid darstellt. Den jeweiligen Schwingungen lassen sich Wellenzahlen 10 zuordnen: die asymmetrische 10 In der Spektroskopie bezeichnet die Wellenzahl ν den Kehrwert der Wellenlänge: ν = ν c = 1 λ. 10

15 2.2 Absorption von Strahlung durch atmosphärische Gase Streckschwingung besitzt mit ν 3 = 2349 cm 1 die größte Wellenzahl. Die symmetrische Streckschwingung hat eine Wellenzahl von ν 1 = 1337 cm 1, die Biegeschwingung von ν 2 = 667 cm 1. Generell sind die Wellenzahlen von Streckschwingungen größer als diejenigen von Biegeschwingungen [6]. Auch im Fall von Wasser besitzt die Biegeschwingung, welche hier nicht entartet vorliegt, mit ν 2 = 1595 cm 1 die kleinste Wellenzahl. Die Wellenzahlen der Valenzschwingungen liegen mit ν 1 = 3657 cm 1 und ν 3 = 3756 cm 1 dicht beieinander. Außerdem ändert sich das Dipolmoment bei allen Normalschwingungen periodisch, sie sind also alle IR-aktiv. Elektromagnetische Strahlung kann von Molekülen absorbiert werden, falls die Energie der Strahlung der Energiedifferenz zwischen quantenmechanischen Zuständen des Moleküls entspricht und der Übergang bestimmten quantenmechanische Auswahlregeln genügt. Im Infrarotbereich fallen die Absorptionslinien somit mit den Schwingungswellenzahlen der Moleküle zusammen. Genauer findet man in den Absorptionsspektren breite Bereiche von hohem Absorptionsvermögen um die Wellenzahl einer Normalschwingung, sogenannte Absorptionsbanden. Diese Verbreiterungen entstehen infolge der Kopplung von elektrischer Schwingungs- und Rotations-Anregung in Molekülen, so dass keine einzelne Energiedifferenz absorbiert wird, sondern ein ganzes Spektrum von Energiewerten, je nach Anregung der Moleküle. Abb. 2.8.: IR-Absorptionsspektren von Kohlendioxid und Wasserdampf. Daten von NIST Standard Reference Database 69: NIST Chemistry WebBook [7]. Abb. 2.8 zeigt die IR-Absorptionsspektren von Kohlendioxid und Wasser. Darin erkennt man deutlich die Absorptionsbanden um die jeweiligen Schwingungsfrequenzen der beschriebenen Normalschwingungen. Da beide Gase Bestandteile des atmosphärischen Gasgemisches sind (siehe Abschnitt 2.2.2) spielen deren Absorptionsverhalten eine wichtige Rolle für die Absorption von Wärmestrahlung durch die Atmosphäre. Im Folgenden sollen neben Wasser und Kohlendioxid weitere atmosphärische Gase vorgestellt und hinsichtlich ihrer Treibhauswirkung diskutiert werden. Es sei angemerkt, dass zu den Daten aus Abb. 2.8 keine Information über die jeweilige Konzentration des Gases vorliegt, ein quantitativer Vergleich der Absorptionseigenschaften somit nicht möglich ist. 11

16 2 Physikalische Grundlagen Treibhausgase Die Atmosphäre der Erde besteht aus einem Gemisch verschiedener Gase, deren Volumenanteile für die molekularen Hauptbestandteile in nachstehender Tabelle 2.1 für trockene und feuchte Luft in Bodennähe aufgelistet sind. Demnach bilden die Gase Stickstoff, Sauerstoff, Argon und Kohlendioxid mit insgesamt 99,986 Volumenprozent den wesentlichen Anteil der Atmosphäre. Weitere Gase fasst man wegen ihres geringen Anteils unter dem Begriff Spurenstoffe zusammen. Dazu zählen unter anderen Neon Ne, Helium He, Methan CH 4, Krypton Kr, molekularer Wasserstoff H 2, Distickstoffoxid N 2 O und Ozon O 3. Zwar machen Spurenstoffe insgesamt nicht einmal 0,01 Volumenprozent aus, doch sind einige von ihnen für die Treibhauswirksamkeit der Atmosphäre von großer Bedeutung. So auch der Wasserdampf, welcher durch die Verdunstung von Wasseroberflächen und Transpiration von Pflanzen in die Atmosphäre gelangt [4]. Name Chemisches Symbol Trockene Luft Feuchte Luft [Vol%] [Vol%] Stickstoff N 2 78,08 77,0 Sauerstoff O 2 20,94 20,7 Argon Ar 0,93 0,9 Kohlendioxid CO 2 0,036 0,03 Spurenstoffe Ne, He, CH 4, Kr, H 2, N 2 O, O 3, u.a.m. <0,01 <0,01 Wasserdampf H 2 O - 1,3 Tab. 2.1.: Volumenanteile molekularer Hauptbestandteile trockener und feuchter Luft. Infrarotstrahlung absorbierende Moleküle sind rot gekennzeichnet. Tabelle ergänzt und angepasst nach Malberg [8]. Wie bereits im vorigen Abschnitt theoretisch motiviert wurde, können zweiatomige homonukleare Moleküle keine Infrarotstrahlung absorbieren. Anders jedoch mehratomige Moleküle: sie besitzen charakteristische Absorptionsbanden im Infrarotbereich und werden im Hinblick auf ihre Treibhauswirksamkeit als Treibhausgase bezeichnet. Deren wichtigste Vertreter sind in Tab. 2.1 rot gefärbt. Die Erde kann als schwarzer Körper aufgefasst werden, der bei einer Temperatur von 288 K strahlt (siehe Abschnitt 2.3.3). Nach dem Planckschen Strahlungsgesetz strahlt die Erde somit den größten Anteil ihrer Energie im mittleren und fernen Infrarot zwischen 5 µm und 20 µm ab. Die IR-Absorptionspektren treibhausrelevanter Gase aus Abb. 2.9 zeigen im Wellenlängenbereich der Erdstrahlung, wie auch bei der Absorption solarer Strahlung im nahen Infrarot, das große Absorptionsvermögen von Wasserdampf 12

17 2.2 Absorption von Strahlung durch atmosphärische Gase Abb. 2.9.: IR-Absorptionspektren wichtiger atmosphärischer Gase. Daten von NIST Standard Reference Database 69: NIST Chemistry WebBook [7]. über breite Wellenlängenbereiche. Auch CO 2 absorbiert in breiteren Banden als dies bei den übrigen Treibhausgasen Ozon O 3, Distickstoffoxid N 2 O und Methan CH 4 der Fall ist. Auch sind Bereiche auszumachen, in welchen vor allem im Falle trockener Luft nur sehr wenig absorbiert wird. Der breite Bereich geringer Absorption zwischen 8 µm und 13 µm wird großes atmosphärisches Fenster genannt und spielt für die Meteorologie und Fernerkundung eine wesentliche Rolle, da in diesem Bereich Strahlung fast ungeschwächt empfangen, und umgekehrt auch ausgesandt werden kann. Insgesamt ergibt sich nun gemäß der atmosphärischen Zusammensetzung ein gesamtes Absorptionsspektrum der Atmosphäre. Aufgrund der unterschiedlichen Konzentrationen der Treibhausgase hängt dieses aber stark vom Abstand zum Erdboden 11, der geographischen Lage und dem Wetterstand ab. Abb zeigt das mit dem Programm MODTRAN [9] der University of Chicago simulierte Emissionsspektrum der Erdstrahlung in 70 km Höhe unter Verwendung der in Tabelle 2.1 aufgeführten mittleren Anteile der Treibhausgase für die US Standard Atmosphere bei wolkenlosem Himmel. Als 11 Beispielsweise beschränkt sich fast der gesamte Wasserdampfanteil auf die bodennahe Troposphäre bis in 18 km Höhe. Demgegenüber steigt das Mischungsverhältnis von Ozon erst in der anschließenden Stratosphäre bei 40 km auf nennenswerte Größen an. Generell ist die Gesamtdichte atmosphärischer Gase in niedrigen Atmosphärenschichten größer, daher wird der Großteil der Strahlung bereits in Troposphäre und Stratosphäre absorbiert [4]. 13

18 2 Physikalische Grundlagen Referenz ist das theoretische Emissionsspektrum eines planckschen Strahlers zu einer Temperatur von 288 K aufgetragen, welches in guter Näherung dem Spektrum der Erdstrahlung am Boden entspricht. Abb : Erdstrahlung an der Erdoberfläche und nach Absorption durch die Atmosphäre in 70 km Höhe. Daten simuliert mit MODTRAN. Vergleicht man die Spektren aus Abb mit den Absorptionsspektren aus Abb. 2.9, so ist der Einfluss der Treibhausgase auf die Wärmestrahlung der Erde offensichtlich: bei kleinen Wellenlängen bis 8 µm dominiert Wasserdampf die Absorption, neben kleineren Einflüssen durch Methan und Distickstoffoxid. Der Einschnitt im Wellenlängenbereich zwischen 9 µm und 10 µm lässt sich auf das Absorptionsverhalten von Ozon, die Breite Bande zwischen 13 µm und 17 µm auf die Absorption durch Kohlendioxid zurückführen. Für eine durchgehende Absorption im fernen Infrarot ist wieder vorwiegend Wasserdampf verantwortlich. Auch das große atmosphärische Fenster ist deutlich sichtbar. 14

19 2.3 Der Treibhauseffekt 2.3. Der Treibhauseffekt Bereits 1824 formulierte Jean-Baptiste Fourier 12 in seiner Veröffentlichung Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires [10] eine physikalische Abhandlung über den globalen Wärmehaushalt und gilt seither als Entdecker des von ihm als effet de serre, zu deutsch Glashauseffekt, bezeichneten Phänomens. Heute meist als Treibhauseffekt bekannt, spiegelt der Begriff die physikalischen Hintergründe des klimatischen Effekts gut wieder: kurzwellige Solarstrahlung tritt nahezu ungehindert durch das Glasdach, wird im Innern des Hauses je nach Oberfläche zu unterschiedlichen Teilen absorbiert beziehungsweise reflektiert 13, und als langwellige Wärmestrahlung wieder abgestrahlt. Diese entweicht nun jedoch nicht zurück ins Freie, sondern wird fast vollständig durch das Glas absorbiert und nach außen wie zurück ins Innere des Glashauses reemittiert. Somit bleibt ein Teil der Wärmeenergie im Glashaus gewissermaßen eingeschlossen, was zu einer Erhöhung der Temperatur im Innern führt. Dies geschieht so lange, bis die Wärmestrahlung im Innern des Treibhauses die Strahlungsleistung der einfallenden Strahlung von aussen erreicht und sich ein Strahlungsgleichgewicht eingestellt hat. Dieser Vorgang ist schematisch im linken Bild nachstehender Abb dargestellt. Abb : Strahlungsvorgang im Treibhaus und in der Erdatmosphäre im Vergleich. Im Treibhaus Erde nimmt die Atmosphäre die Rolle des Glases ein. Auch hier trifft die Solarstrahlung nahezu ungehindert auf die Erdoberfläche und erwärmt diese. Je nach Temperatur der Oberfläche strahlt diese nun aber langwellige Wärmestrahlung 12 Jean Baptiste Joseph Fourier: , französischer Mathematiker und Physiker. 13 Die Albedo (lateinisch: Weißheit) ist ein Maß für das Rückstrahlvermögen diffus reflektierender, also nicht selbst strahlender Oberflächen. Sie berechnet sich als Quotient aus reflektierter zu eingefallener Lichtmenge. 15

20 2 Physikalische Grundlagen ab, welche von der Atmosphäre teilweise absorbiert wird. Genauer absorbiert nur der kleine Teil der Treibhausgase in bestimmten Wellenlängenbereichen, wie in vorigem Kapitel ausführlich beschrieben. Durch die Erwärmung der Atmosphäre strahlt diese nun ihrerseits wieder Wärmestrahlung ab, welche zum Teil in den Weltraum entweicht, zum anderen als atmosphärische Gegenstrahlung auf die Erdoberfläche trifft und diese zusätzlich zur Solarstrahlung erwärmt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Wärme stauende Effekt im Treibhaus natürlich überwiegend auf der Unterbindung der Konvektion durch die Glaswände beruht. Die Analogie zwischen Treibhaus und Erdatmosphäre besteht aber nur in den beschriebenen Strahlungsvorgängen. Zur Zeit Fouriers waren die physikalischen Hintergründe des Treibhauseffekts jedoch noch lange nicht bestätigt und seine Ausführungen über einen wärmenden atmosphärischen Effekt somit reine Spekulation. Nachdem Gustav Kirchhoff im Jahr 1859 die Spektralanalyse zur Begründung seiner Strahlungsgesetze entwickelte, beschäftigte sich als erster der Ire John Tyndall 14 mit dem Absorptionsverhalten verschiedener atmosphärischer Gase und bestätigte mit seinem Differenzspektrometer Fouriers Behauptung, dass Gase in der Atmosphäre die Wärme absorbieren können. Erst 1890 begann der schwedische Physiker Svante Arrhenius 15 zu untersuchen, wie die mittlere Erdtemperatur von wärmeabsorbierenden Gasen abhängt [11]. Damit war er der erste Wissenschaftler, der sich mit der Frage beschäftigte, wie sich eine Erhöhung der CO 2 -Konzentration auf das Erdklima auswirkt. Die systematische Erforschung des atmosphärischen Treibhauseffekts begann schließlich 1958 durch Charles D. Keeling 16, welcher eine Vielzahl von Messstationen für Kohlendioxid errichten ließ. Die bekannteste befindet sich auf dem Mauna Loa auf Hawaii. Die durch den Menschen verursachte Zunahme der Treibhausgaskonzentrationen in der Erdatmosphäre durch die Industrialisierung und die einhergehende zusätzliche Erwärmung der Erdatmosphäre, als anthropogener Treibhauseffekt bezeichnet, beschäftigt die Menschheit seitdem in zunehmenden Maße. Mit dem Kyoto-Protokoll aus dem Jahr 1997 verpflichteten sich schließlich 128 Industrieländer der Einhaltung festgelegter Zielgrößen der Emission von Treibhausgasen ab 2005 bis Auf der UN-Klimakonferenz im Jahr 2009 konnten sich die beteiligten Industrienationen jedoch auf keine fortführende verbindliche Richtlinie zur Treibhausgasemission einigen. Ob sich auf der im November 2010 stattfindenden nächsten Klimakonferenz in Cancun geeinigt werden kann bleibt fraglich. Im Folgenden sollen die Auswirkungen des Absorptionsverhaltens der Atmosphäre auf den Strahlungshaushalt der Erde anhand einer mathematischen Modellierung quantitativ untersucht und erläutert werden. Ergänzend ist die Problematik des anthropogenen Treibhauseffektes näher ausgeführt. 14 John Tyndall: , irischer Physiker. 15 Svante August Arrhenius: , schwedischer Physiker und Chemiker, Nobelpreisträger für Chemie. 16 Charles David Keeling: , US-amerikanischer Chemiker und Klimaforscher. 16

21 2.3 Der Treibhauseffekt Ein Klimamodell ohne Atmosphäre Der Einfluss des Treibhauseffekts auf das Klima der Erde lässt sich bereits anhand sehr einfacher mathematischer Modelle aufzeigen. Es sei dazu zuerst angenommen, die Erde besitze keine Atmosphäre und eine Oberflächenhälfte des Erdballes empfange somit die verlustfreie Solarstrahlung. Dabei entspricht die aufgenommene Strahlungsleistung derjenigen einer mit der Solarkonstante S E = 1, 37 kw/m 2 bestrahlten Kreisfläche mit Erdradius R E = 6371 km, wie folgende Abb veranschaulicht. Abb : Sonnenstrahlung trifft auf Oberflächenhälfte der Erde, welche Infrarotstrahlung isotrop abstrahlt. Für die aufgenommene Strahlungsleistung ergibt sich also P auf = A S E = π R E2 S E. Die im Vergleich zur Kreisscheibe viermal größere Erdoberfläche O = 4π R E 2 empfängt nur die Strahlungsdichte S E /4 = 342 W/m 2 und strahlt nun ihrerseits gemäß ihrer Temperatur Infrarotstrahlung in alle Richtungen aus. Deren Leistung hängt über das Gesetz von Stephan-Boltzmann aus Gleichung (2.2) mit der mittleren Temperatur T 1 zusammen: P ab = σ O T 1 4 = σ 4πR E2 T 1 4 = σ 4A T 1 4. Nun müssen sich aber aufgenommene und abgegebene Strahlungsleistung entsprechen P auf = P ab und man erhält A S E = σ 4A T 1 4. Letztlich ergibt sich für die mittlere Temperatur der Erde T 1 = 4 SE 4σ = 278 K. Ohne die Atmosphäre hätte die Erdoberfläche also im Mittel eine Temperatur von lediglich +5 C. Aktuellen Messungen zufolge liegt das heutige Temperaturmittel jedoch bei +15 C, was die schützende Wirkung der Atmosphäre belegt. 17

22 2 Physikalische Grundlagen Ein einfaches Klimamodell mit Atmosphäre Um nun die Erdatmosphäre in die mathematische Modellierung mit einzubeziehen, sind viele atmosphärische Einflüsse, wie Reflexion von Strahlung sowohl an der Atmosphäre wie an der Erdoberfläche wie auch die für den Treibhauseffekt maßgebliche Absorption von Strahlung in der Atmosphäre zu berücksichtigen. Auch weitere Wärmeübertragungsmechanismen wie die Konvektion tragen zur Strahlungsbilanz der Erde bei. Im Folgenden sollen maßgebliche Faktoren schrittweise in ein einfaches Modell einbezogen werden, um deren Einfluss auf die Oberflächentemperatur der Erde aufzeigen zu können. 1. Schritt: Berücksichtigung der Reflexion Abb : Stark vereinfachter Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre unter Berücksichtigung der Reflexion an Atmosphäre und Erdoberfläche. Zahlenwerte prozentual bezogen auf die einfallende Solarstrahlungsdichte von 342 W/m 2 nach Klose [12]. Um den Einfluss des Absorptionsverhaltens der Treibhausgase auf den Wärmehaushalt der Erde abzuschätzen, soll zunächst lediglich die Reflexion berücksichtigt werden. Der vereinfachte Strahlungsprozess ist in Abb schematisch dargestellt. Die mittlere Albedo der Erde liegt bei ungefähr α E = 0, 3, es wird also ein wesentlicher Teil der Sonnenstrahlung wieder in das Weltall zurück reflektiert. Davon entfällt mit 26 % der größte Teil auf die Reflexion an Wolken, Aerosole und sonstige atmosphärische Bestandteile, 4 % werden im Mittel von der Erdoberfläche selbst reflektiert. Insgesamt erreicht die Erde von den ungeschwächten 342 W/m 2 letztlich nur noch eine Leistungsdichte von S E = (1 α E ) 342W/m 2 = 239 W/m 2. Da die Erde diese wieder abgeben muss, lässt sich wieder über das Gesetz von Stefan- Boltzmann die Temperatur der Erde berechnen: T 2 = 4 S E σ = 255 K. 18

23 2.3 Der Treibhauseffekt Ohne die Absorption thermischer Strahlung durch die Atmosphäre und unter Vernachlässigung weiterer Wärmeverluste befände sich die Erde also bei einer Temperatur von nur -18 C. Menschliches Leben wäre auf der Erde also überhaupt nicht möglich. 2. Schritt: Berücksichtigung der Absorption einfallender Solarstrahlung Abb : Vereinfachter Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre unter Berücksichtigung von Reflexion an Atmosphäre und Erdoberfläche und der atmosphärischen Absorption der einfallenden Solarstrahlung. Alle Angaben prozentual bezogen auf die einfallende Solarstrahlungsdichte von 342 W/m 2 nach Klose [12]. Berücksichtigt man nun zusätzlich die Absorption der einfallenden Solarstrahlung, durch die Treibhausgase Ozon O 3 und Wasserdampf H 2 O vorwiegend bestimmt, so reduziert dieser Effekt die auf vom Erdboden aufgenommene Leistungsdichte um weitere 19%. Dieser Teil wird durch die Atmosphäre thermalisiert und zu gleichen Teilen zurück ins Weltall wie in Richtung Erdboden wieder ausgestrahlt. Die Erde absorbiert letztlich nur noch die Strahlungsleistungdichte S E = (1 α E 0, 1) 342 W/m 2 = 205 W/m 2. Hier würde sich somit eine im Vergleich zu Schritt 1 noch tiefere mittlere Oberflächentemperatur der Erde von T 2 = 245 K, also -28 C ergeben. 3. Schritt: Berücksichtigung der Absorption der Erdstrahlung In diesem letzten Schritt soll nun durch die Berücksichtigung der Absorption langwelliger Erdstrahlung der maßgebliche Einfluss des Treibhauseffekts auf die Oberflächentemperatur der Erde aufgezeigt werden. Ausgehend von dem Ergebnis aus Schritt 2 berücksichtigen wir hier zusätzlich, dass die Erdstrahlung nicht vollständig durch die Atmosphäre absorbiert, sondern ein Anteil von 12 % durch atmosphärische Fenster ungenutzt in das Weltall abstrahlt. Auch eine Hälfte des absorbierten Anteils wird in 19

24 2 Physikalische Grundlagen Richtung All reemittiert, die andere Hälfte gelangt aber als atmosphärische Gegenstrahlung zurück zur Erde und sorgt für deren zusätzliche Erwärmung. Mathematisch lässt sich dies wie folgt formulieren: Mit der Bedingung S E + S A (1 0, 12) S E = S E = 2 S A erhält man durch Einsetzen in obige Gleichung für die Oberflächentemperatur der Erde S T 3 = 4 E 0, 56 σ = 283 K Nach diesem physikalischen Modell bewirkt die atmosphärische Gegenstrahlung also eine erhebliche Temperaturerhöhung der Erdoberfläche von 38 K, von lebensfeindlichen -28 C auf 10 C, und macht damit Leben auf der Erde erst möglich. Der große Einfluss des Absorptionsverhaltens von Treibhausgasen auf das Erdklima macht aber auch die Gefahr deutlich, die der anthropogene Treibhauseffekt durch Erhöhungen der Konzentrationen von beispielsweise Kohlendioxid bedeutet. Würde auch nur 1 % der Erdstrahlung mehr absorbiert, so stiege die Erdtemperatur bereits um mehr als ein halbes Grad an. In der folgenden Abb sind die aus dem vorgestellten Modell resultierenden Zahlenwerte graphisch dargestellt. Abb : Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre nach einfacher physikalischer Modellierung. Alle Zahlenwerte prozentual bezogen auf die einfallende Solarstrahlungsdichte von 342 W/m 2. Es sei erwähnt, dass es sich bei dem vorgestellten Modell lediglich um eines einer Vielzahl von Modellierungsversuche handelt. Es findet sich in ähnlicher Form in gängigen Schulbüchern [13] und wurde im Hinblick auf den schulischen Einsatz des Gegenstands dieser Arbeit gewählt. 20

25 2.3 Der Treibhauseffekt Strahlungsbilanz der Erdatmosphäre Die im vorigen Abschnitt dargestellte physikalische Modellierung der atmosphärischen Strahlungsflüsse spiegelt zwar die lebenswichtige Wirkung des Treibhauseffekts gut wider, wird der Komplexität des Strahlungssystems aber nur bedingt gerecht. Aktuellen Messungen zufolge liegt die mittlere Oberflächentemperatur der Erde nicht bei den rechnerisch bestimmten 10 C, sondern um 5 C höher. Gründe hierfür sind unter anderem eine Vernachlässigung weiterer Wärmeübertragungen durch Wärmeleitung L zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre Aggregatzustandsänderungen des Wassers und damit verbundener Transport latenter Wärme (Evaporation) V Wärmeleitung zwischen dem Erdinneren und der Erdoberfläche, sog. Bodenwärmestrom B Photosynthese der Pflanzen P Tatsächlich strahlt die Atmosphäre entgegen den Werten des Modells mit 95 % der einfallenden Solarstrahlung weitaus mehr in Richtung Erde ab. Die Strahlungsbilanz Q zwischen solarer Einstrahlung und terrestrischer Ausstrahlung muss durch obige nichtradiative Wärmeübertragungsmechanismen ausgeglichen werden, so dass der Energieerhaltungssatz erfüllt ist [14]: Q + L + V + B + P = 0 In Abb ist der Strahlungshaushalt unter Vernachlässigung von Photosynthese und Bodenwärmestrom mit aktuellen Literaturwerten dargestellt. Abb : Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre. Alle Angaben prozentual bezogen auf die einfallende Solarstrahlungsdichte von 342 W/m 2 nach Klose [12]. 21

26 2 Physikalische Grundlagen Der anthropogene Treibhauseffekt In den vorigen Abschnitten wurde dargestellt, wie Treibhausgase durch ihre absorbativen Eigenschaften zum natürlichen Treibhauseffekt und damit zu einer lebenswichtigen Erhöhung der Erdoberflächentemperatur beitragen. Auch wurde im Modell aufgezeigt, wie sensitiv die Erdtemperatur auf Konzentrationsänderungen dieser Gase reagiert. Seit langem wird daher die ansteigende Entwicklung einiger atmosphärischer Gaskonzentrationen verfolgt. Wie die auf dem Mauna Loa auf Hawaii aufgenommenen Daten aus Abb zeigen, wuchs das atmosphärische Kohlendioxidvorkommen allein seit 1978 um 15 % an. Ebenso weisen die Darstellungen für Distickstoffoxid und Methan in den letzten Jahren drastische Konzentrationsanstiege auf. Diese Entwicklungen sind vermutlich menschlicher Ursache, der klimatische Effekt wird daher als anthropogener Treibhauseffekt bezeichnet. Abb : Konzentrationsentwicklungen der wichtigsten Treibhausgase auf dem Mauna Loa auf Hawaii seit Daten von NOAA/ESRL Global Monitoring Division [15]. Kohlendioxid, nach Wasserdampf zweitwichtigstes Treibhausgas, gelangt neben natürlichen Prozessen wie der Photosynthese 17, durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe 17 Der periodisch ansteigende Verlauf der CO 2 -Konzentration erklärt sich durch den vegetativen Jahreszyklus: im Sommerhalbjahr nimmt die Vegetation über die Photosynthese viel CO 2 auf und der atmosphärische Anteil sinkt etwas. Im Winter steigt er wieder an, da der Atmosphäre dann über die Oxidation der absterbenden Biomasse wieder CO 2 zugeführt wird. 22

27 2.3 Der Treibhauseffekt in Industrie, Verkehr und Heizungen in die Atmosphäre [4]. Diesen Zusammenhang bestätigt der Konzentrationsanstieg von Kohlendioxid seit Beginn der Industrialisierung von 290 ppm im Jahr 1850 um rund 25 % auf derzeit ungefähr 390 ppm. Das Treibhausgas Methan CH 4 ist ein Faulgas, welches in Feuchtgebieten und Naßkulturen, wie beispielsweise riesigen Reisfeldern, freigesetzt wird. Auch Wiederkäuer, insbesondere Rinder und Schafe, produzieren in ihren Mägen Methangas. Dessen Konzentrationsanstieg lässt sich auf einen erhöhten Nahrungsmittelbedarf aufgrund einer anwachsenden Weltbevölkerung zurückführen: seit 1640, als die Weltbevölkerung noch 500 Mio. Menschen betrug (heute: 6,9 Mrd.), hat sich der Methangehalt der Luft fast vervierfacht. Auch die Zunahme von Distickstoffoxid, das als chemisches Umwandlungsprodukt bei der Humusbildung sowie von Stickstoffdünger in die Luft gelangt, hat ihre Ursache im Bevölkerungswachstum. Eine weitere Gruppe von anthropogen erzeugten Treibhausgasen sind die Fluorchlorkohlenwasserstoffe, kurz FCKW. Sie werden technisch hergestellt und finden vorwiegend als Kältemittel in Kältemaschinen oder als Treibgas für Sprühdosen Verwendung. Trotzdem sie vergleichsweise wenig Infrarotstrahlung absorbieren, wird ihre Treibhauswirksamkeit aufgrund ihrer chemischen Stabilität und somit einer langen Verweildauer in der Atmosphäre als sehr hoch eingeschätzt. Wie in Abb unten rechts für die FCKW CF C 11 und CF C 12 zu erkennen ist, stieg auch deren atmosphärischer Anteil mit zunehmender Industrialsierung stark an. Mit dem Montrealer Protokoll von 1987 [16], einem industriellen Abkommen zum Schutz der Ozonschicht 18, konnte deren Ausstoß aber eingedämmt werden. Ein Maß für die Treibhauswirksamkeit einzelner atmosphärischer Gase ist das relative Treibhausgaspotential GWP (Global Warming Potential). Zu dessen Bestimmung wird neben dem Absorptionsverhalten im Spektralbereich der Erdstrahlung auch die Verweildauer in der Atmosphäre berücksichtigt. Die Zahlenwerte stellen Vergleichswerte zur Treibhauswirksamkeit einer äquivalenten Menge an Kohlenstoffdioxid CO 2 dar. So hat beispielsweise Methan ein relatives Treibhauspotenzial von 25, d.h. 1 kg Methan hat die gleiche Treibhauswirkung wie 25 kg Kohlenstoffdioxid. In nachstehender Tabelle sind die Treibhausgaspotentiale der wichtigsten Treibhausgase, bezogen auf 100 Jahre, zusammengefasst. Treibhausgas GWP Kohlendioxid CO 2 1 Methan CH 4 25 Distickstoffoxid N 2 O 298 Fluorchlorkohlenwasserstoffe < Tab. 2.2.: Treibhausgaspotentiale nach dem vierten Zustandsbericht des IPCC von 2007 [17]. 18 FCKW schaden der Ozonschicht, da sie in der Stratosphäre zersetzt werden und Chlor-Radikale entstehen, welche wiederum eine katalytische Eigenschaft besitzen und somit die Zerstörung des Ozons in der Luft fördern. 23

28 2 Physikalische Grundlagen Abb : Entwicklung der Temperaturanomalie seit Daten (Global Annual Mean Surface Air Temperature Change) von GISS [18]. Trotz der alarmierenden Konzentrationsanstiege klimarelevanter Gase und einer zeitgleichen Erhöhung der mittleren Erdtemperatur um ungefähr 0,8 K (siehe Abb. 2.18) ist der Einfluss des anthropogenen Treibhauseffekts auf die globale Erwärmung umstritten. Weitgehend herrscht jedoch wissenschaftlicher Konsens über Existenz und Beitrag des anthropogenen Treibhauseffekts. So korrigierte das IPCC 19 seine Einschätzung über den anthropogenen Einfluss auf die festgestellte Erwärmung im neuen Sachstandsbericht von 2007 von wahrscheinlich auf sehr wahrscheinlich [19]. Stieg die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde in den letzten hundert Jahren noch um ungefähr 0,8 K an, so rechnet das IPCC in seinem aktuellen Bericht mit einem durchschnittlichen Temperaturanstieg, je nach Reduzierung des Treibhausgasausstoßes, zwischen 1,1 K und 6,4 K bis zum Jahr mit nicht absehbaren klimatologischen Folgen. 19 Das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) fasst im Abstand von etwa 6 Jahren die weltweiten Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Klimaveränderung zusammen und bildet damit den aktuellen Stand des Wissens in der Klimatologie ab. 24

29 3. Das Experiment Diese Arbeit stellt einen, für den schulischen Physikunterricht entwickelten Versuch zur Untersuchung der Absorption von Wärmestrahlung durch atmosphärische Gase vor. Ziel der Analyse der Absorptionsverhalten verschiedener Gase und deren Vergleich ist das Verstehen der grundlegenden physikalischen Prozesse des Treibhauseffektes und letztlich eine Sensibilisierung des Schülers hinsichtlich der Auswirkungen seines eigenverantwortlichen Handelns auf das Erdklima. Bereits 1860 befasste sich der Londoner Physiker John Tyndall als erster mit der Wärmeabsorption verschiedener Stoffe, unter anderem von Gasen, und bestätigte in seinen Experimenten beispielsweise die verstärkte Absorption durch Kohlendioxid. Seine Messungen stellten jedoch einfache Grundlagenforschung dar und standen nicht im, wie von Fourier schon 1824 vorgeschlagenen, Zusammenhang zur Erklärung des Treibhauseffektes. Abb. 3.1.: Erste Versuchsanordnung Tyndalls zur Messung der Wärmeabsorption von Gasen [20]. Abb. 3.1 zeigt eine erste experimentelle Anordnung Tyndalls: ein Lesliescher Würfel (C) strahlt Wärmestrahlung in Richtung eines Messzylinders aus Zinn (AB) ab, in welchem sich das Experimentiergas befindet. Um das Gas vor dem Austritt aus dem Rohr zu hindern, die Wärmestrahlung aber trotzdem durch das Rohr zu lassen, verschloss Tyndall die Rohröffnungen mit Steinsalzplatten. Nun wird die Luft aus dem Zylinder (c) gepumpt und der Blechschirm (T) so weit zur Seite gezogen, dass das Galvanometer einen Ausschlag bewirkt. Anschließend strömt die Luft durch zwei U-Rohre (U und 25

30 3 Das Experiment U ), die zur Filterung des Kohlendioxid- und Wasserdampfgehalts aus Luft dienen 1. Als Folge der Filterung von Kohlendioxid und Wasserdampf schlägt das Galvanometer stärker aus. Damit konnte Tyndall die Absorptionsfähigkeit von Gasen bestätigen. Damit Tyndall jedoch wirklich messbare Ablenkungen des Galvanometers erreichte, waren noch zahlreiche Verbesserungen der Apparatur nötig. Letztlich schrieb er über seine Beobachtungen: "Welchen außerordentlichen Unterschied in der Beschaffenheit und dem Wesen der letzten Theile der verschiedenen Gase enthüllen die obigen Versuche!"[20] Tyndalls Versuchsanordnung ist dem in dieser Arbeit vorgestellten Experiment sehr ähnlich, jedoch wurden einzelne Komponenten dem fortgeschrittenen Stand der Technik entsprechend ersetzt. Diese sollen im Folgenden vorgestellt und ihre Funktionsweise erläutert werden, um anschließend den Versuchsaufbau als Ganzes darzustellen. In der anschließenden Beschreibung der Versuchsdurchführung ist zunächst das Hauptexperiment zur Analyse der Absorptionseigenschaften mehrerer atmosphärischer Gase unter Verwendung verschiedener Strahlungsquellen dargestellt, wobei an dieser Stelle auch ausführlich auf die Problematik der Temperaturmessung bei Verwendung eines Aluminiumrohrs eingegangen wird. Anschließend ist eine vereinfachte Variante des Experiments, nur unter Verwendung der Gase Kohlendioxid und Stickstoff vorgestellt, die aufgrund ihres erheblich geringeren Aufwandes eine gute Alternative für den Schulunterricht darstellt und auch im Demonstrationspraktikum verwendet wird. Desweiteren ist ein weiterer Versuch zur eindrücklichen Beobachtung der IR-Absorption von Kohlendioxid unter Verwendung einer Wärmebildkamera beschrieben Der Versuchsaufbau Der Versuchsaufbau besteht prinzipiell aus einer Wärmestrahlungsquelle, einem Messrohr und einem Detektor zur Messung der transmittierten Strahlungsintensität. Die in dieser Arbeit vorgestellte technische Umsetzung, die Wahl von Strahlungsquelle und -empfänger sowie die Bauart des Messrohrs, stellt eine bewährte Möglichkeit unter vielen Variationsmöglichkeiten dar. Im Hinblick auf den Einsatz in der Schule, und den eventuell begrenzten Bestand technischer Mittel, sollen im Folgenden, neben den letztlich verwendeten Komponenten, auch Alternativen und deren Vor- und Nachteile diskutiert werden. Da zur Wahl der Strahlungsquelle bereits Testmessungen unter Verwendung der übrigen Komponenten durchgeführt wurden, sei diese Diskussion hinten angestellt, und zunächst das Messrohr, der Detektor und die Art der Datenaufnahme erläutert. 1 Die Röhre U enthält kaustisches Kali (Kaliumhydroxid). In der Röhre U befindet sich mit Schwefelsäure angefeuchtete Bimssteinstücke, um Wasserdampf aus der Luft zu filtern. 26

31 3.1 Der Versuchsaufbau Messrohr: Plexiglasrohr Das Messrohr ist aus Plexiglas gefertigt, ist 20 cm lang und hat einen Durchmesser von 7 cm. Um das Gas im Innern der Röhre zu halten, und gleichzeitig die Transmission der Infrarotstrahlung zu garantieren, sind die beidseitigen Rohröffnungen mit infrarotdurchlässiger Folie überzogen, welche mit O-Ringen am Rohr befestigt ist. Spätere Versuche zeigen, dass dünne PET-Folie aufgrund ihrer Reißfestigkeit zwar sehr gut für eine Durchführung des Experiments mit Kohlendioxid geeignet ist, sie aber aufgrund ihrer eigenen selektiven Absorptionseigenschaften die Absorption von Methan stark abschwächt. Für die Untersuchung mehrerer atmosphärischer Gase wurde daher eine dünne PE-Folie verwendet. Diese absorbiert nicht so stark wie die PET-Folie, ist aber auch weniger hitzebeständig und weniger reißfest. Prinzipiell kann auch handelsübliche Haushaltsfolie zum Abdichten der Rohröffnungen verwendet werden, jedoch wurde bei Langzeitmessungen mit absorbierenden Gasen eine Abnahme der Absorption festgestellt. Dies deutet darauf hin, dass die Gase durch die dünne Folie hindurch diffundieren können. Das Experimentiergas kann über zwei verschließbare Ventile einund ausströmen. Zum Einführen eines Thermofühlers, zur Messung der Temperatur im Innern der Messröhre, dient eine kleine Einführöffnung auf der Oberseite des Rohrs, welche mit einem Pfropfen aus Hartgummi abgedichtet ist. Man beachte, dass der Temperaturfühler tatsächlich die Temperatur des Gases, und nicht wie die Thermosäule, die auftreffende Strahlungsleistung misst. Abb. 3.2.: Das Messrohr im Demonstrationspraktikum. Einige Quellen beschreiben ähnliche Experimente mit metallischen Rohrmaterialien, beispielsweise aus Aluminium oder einfachen Blechdosen. Durch die Verspiegelung im 27

32 3 Das Experiment Innern des Rohres lässt sich zwar eine weitaus höhere Strahlungsleistung mit der Thermosäule detektieren, jedoch offenbahrt die später näher ausgeführte Durchführung mit einem solchen Aluminiumrohr, dass Metalle aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit dem Gas zu viel Wärmeenergie entziehen. Dieser Effekt verleitet zu einer Fehlinterpretation des Temperaturverlaufs und zu einer verfälschten Darstellung der wirklichen physikalischen Vorgänge, wie später näher ausgeführt ist. Als einfache und kostengünstige Alternative zur Demonstration der Absorptionseigenschaften ohne eine Untersuchung der Temperatur des Gases können als Gasbehälter auch (gleichfarbige) Luftballons verwendet werden [21]. Detektor: Thermosäule Mit einer Thermosäule kann elektromagnetische Strahlung, also auch Wärmestrahlung, über einen breiten Wellenlängenbereich nachgewiesen, und der Strahlungsfluss gemessen werden. Hauptbestandteil einer Thermosäule bilden mehrere hintereinander angeordnete Thermoelemente, also zwei unterschiedliche, an einem Ende miteinander verbundene Metalle, deren eine Verbindungsstelle geschwärzt und der einfallenden Strahlung ausgesetzt ist, während die anderen Leiterenden vor Strahlung abgeschirmt und auf fester Temperatur gehalten werden. Gemäß der einfallenden Strahlungleistung befinden sich die beiden Enden nun auf unterschiedlicher Temperatur, was aufgrund des Seebeck-Effekts 2 zu einer, der einfallenden Strahlungsleitstung proportionalen, sogenannten Thermospannung führt. Durch die Hintereinanderschaltung vieler Thermoelemente gemäß nachstehender Abbildung wird das Signal zur Messung verstärkt. Abb. 3.3.: Schematische Darstellung der Funktionsweise einer Thermosäule und Thermosäule der Firma Kipp & Zonen. Im Versuch wird das Modell CA2 der Firma Kipp & Zonen verwendet, in der 16 Thermoelemente aus Konstantan- und Manganinbändchen in Reihe geschaltet sind. Diese deckt bei abgenommenem Schutzfenster einen Spektralbereich von 150 nm - 15 µm ab, und ist daher für die Messung von Wärmestrahlung sehr gut geeignet [22]. 2 Thomas Seebeck: , deutsch-baltischer Physiker. 28

33 3.1 Der Versuchsaufbau Messwerterfassung mit Cassy Zur Aufzeichnung und Analyse der Messwerte von Thermosäule und Temperaturfühler wird das Sensor-Cassy der Firma Leybold verwendet, welches über den USB-Anschluss mit einem Laptop verbunden wird, und über die Software Cassy-Lab ausgelesen werden kann (siehe Abb. 3.8). Diese Art der Messwerterfassung bietet sich an, da dieses System mittlerweile in den meisten Schulen vorhanden ist und es einige Vorteile in Aufzeichnung und Auswertung bietet. Über die Software können die Spannungs- und Temperaturdaten gemeinsam im Zeitdiagramm dargestellt und unmittelbar während der Durchführung des Experiments verfolgt werden. Desweiteren bietet die Software die Möglichkeit, über einfache integrierte Funktionen, die Daten direkt auszuwerten und zu analysieren. Natürlich können die Daten auch mit einem Millivoltmeter angezeigt und per Hand aufgezeichnet werden. Wahl der Strahlungsquelle Als Strahlungsquelle kann prinzipiell jede Wärmequelle, beispielsweise eine Kerze, ein Bunsenbrenner oder auch eine Baulampe mit hoher Leistung verwendet werden. Entsprechend der Temperatur und Art dieser Wärmequellen strahlen diese aber Spektren ab, welche unterschiedlich gut für den Versuch geeignet sind. Allgemein sei darauf hingewiesen, dass eine Simulation der Erdstrahlung nicht hinreichend realisierbar ist. Entsprechend der Erde müsste die Quelle bei einer Temperatur von 15 C abstrahlen, und aufgrund der einhergehenden, geringen Strahlungsleistung vollständig gegen die weitaus größeren Strahlungseinflüsse der Umgebung abgeschirmt sein. Da dies nicht hinreichend realisierbar ist, muss im Experiment ein Strahler verwendet werden, dessen Temperatur deutlich über der Umgebungstemperatur liegt, und dessen Spektralverteilung folglich zu kürzeren Wellenlängen hin verschoben ist. Dieser Umstand verhindert einen quantitativen Rückschluss aus den Messdaten auf die Absorptionseigenschaften der Gase im Spektralbereich der Erdstrahlung, und damit einen Rückschluss auf die Treibhauswirksamkeit der Gase 3. Beispielsweise absorbiert Kohlendioxid nur im Infrarotbereich, würde also unter Bestrahlung mit vorwiegend sichtbarem Licht nur eine geringe Absorption aufweisen. Für das Experiment soll daher ein thermischer Strahler verwendet werden, welcher zumindest ähnlich der Erdstrahlung, im mittleren Infrarot abstrahlt. Diesbezüglich wurden verschiedene Strahler in Testmessungen untersucht. Die zur Wahl stehenden Strahlungsquellen sind zwei keramische Strahler von unterschiedlicher Leistung, die üblicherweise zum Erwärmen von Terrrarien verwendet werden, eine Bau- und eine Infrarotlampe, sowie ein Bunsenbrenner. Unter Ausnahme des Bunsenbrennerspektrums lassen sich deren Emissionsspektren durch Plancksche Strahlungsverteilungen nähern. Diese sind unter Normierung des Strahlungsmaximums 3 Wie bereits erwähnt, wird eine quantitative Analyse der Treibhauswirksamkeit der verschiedenen Gase schon aufgrund der selektiven Absorptionseigenschaften des Folienmaterials verhindert. 29

34 3 Das Experiment Abb. 3.4.: Erprobte Strahlungsquellen: Keramische Infrarot-Einschraubstrahler mit 150 und 60 Watt, Infrarotlampe, Baulampe und Bunsenbrenner. in logarithmischem Maßstab in Abb. 3.5 dargestellt, und offenbaren die spektralen Unterschiede der zur Wahl stehenden thermischen Strahler: während die Baulampe vorwiegend im sichtbaren Bereich abstrahlt, ist das Spektrum der Infrarotlampe etwas zu größeren Wellenlängen hin verschoben. Ein roter Farbfilter beschränkt deren Emission jedoch auf den sichtbaren, sowie den nahen Infrarotbereich. Diese beiden Strahlungsquellen eignen sich daher eher weniger zur Simulation der Erdstrahlung. Mit der Infrarotlampe ist sogar überhaupt keine Absorption messbar, da die untersuchten Gase in deren Spektralbereich keine Absorptionsbanden aufweisen. Besser geeignet sind hingegen die beiden keramischen Strahler, die einen breiten Emissionsbereich im mittleren Infrarot besitzen. Das Bunsenbrennerspektrum lässt sich nicht so einfach als Plancksche Verteilung nähern, da diese von zahlreichen Emissionslinien angeregter Luftbestandteile überlagert ist 4. Zur experimentellen Bestätigung der abgestrahlten Strahlungsspektren im infraroten Bereich wurde die Strahlungsquelle mit einer Plexiglasplatte abgeschirmt, und die so detektierte Strahlungsleistung mit derjenigen ohne Plexiglasplatte verglichen. Da Plexiglas ab einer Dicke von 3 mm im infraroten Spektralbereich zwischen 2,8 µm und 25 µm vollständig absorbiert, konnte so der jeweils in diesem Spektralbereich abgestrahlte Anteil abgeschätzt werden [23]. Die ermittelten Werte bestätigten die theoretisch genäherten Spektralverteilungen für die elektrischen Strahler. Mit rund 98 % strahlt auch der Bunsenbrenner den größten Anteil seiner Energie im mittleren Infrarotbereich ab. Auch die Aufheizdauer, also die Zeit bis zur Detektion annähernd konstanter Strahlungsleistung, wurde jeweils mit einer Thermosäule gemessen. Die Spannungsverläufe nach dem Einschalten bzw. Entzünden sind in Abb. 3.6 dargestellt. Darin wird deutlich, dass die keramischen Strahler im Vergleich zu den übrigen Quellen eine sehr lange Aufheizdauer besitzen, ein Nachteil, der jedoch gegenüber der langen Dauer bis zur Detektion 4 Leider ließen sich keine geeigneten spektroskopischen Methoden finden, um das Infrarotspektrum des Bunsenbrenners aufzunehmen. Gängige FTIR-Spektrometer, wie sie in der chemischen Forschung verwendet werden, erlauben lediglich die Aufnahme von Transmissionspektren eingebrachter Proben. 30

35 3.1 Der Versuchsaufbau einer konstanten Temperatur nicht ins Gewicht fällt. Deren vergleichsweise geringe emittierte Strahlungsleistung kann wiederum für einen platzsparenden Aufbau mit kleinerem Abstand zwischen Strahler und Messrohr genutzt werden. Abb. 3.5.: Strahlungsspektren verschiedener Strahlungsquellen im Vergleich zur Strahlungsverteilung der Erdstrahlung in planckscher Näherung. Verteilungen gemäß der Normierung des Strahlungsmaximums angepasst und in logarithmischem Maßstab dargestellt. Abb. 3.6.: Mit der Thermosäule aufgenommene Spannungsverläufe nach Einschalten, bzw. Entzünden, der verschiedenen Strahlungsquellen in 40 cm Abstand. 31

36 3 Das Experiment Strahlungsquelle Spektralbereich (in 3-25 µm) Vorteile Nachteile Keramischer 2-25 µm Nahezu Schwarzkörperspektrum Aufheizdauer: 14 min Infrarotstrahler (99,2 %) Nur MIR und FIR Kleine Strahlungsleistung 60W Platzsparender Aufbau Lange Lebensdauer Keramischer 2-25 µm Nahezu Schwarzkörperspektrum Aufheizdauer: 11 min Infrarotstrahler 150W (99,4 %) Nur MIR und FIR Lange Lebensdauer Baustrahler 500W 0,2-10 µm Hohe Strahlungsleistung Sehr lange Aufheizdauer (33,4 %) Grösse Blendet stark Unregelmäßige Abstrahlung Infrarotlampe 150W 0,6-3 µm Keine Absorption messbar, da (33,9 %) Spektrum nur sichtbares Licht und NIR Bunsenbrenner (97,79 %) Starke Absorption mit CO2 Entzündungsgefahr brennbarer Gase (siehe 3.2.1) Unregelmäßige Abstrahlung Tab. 3.1.: Vorteile und Nachteile der erprobten Wärmestrahlungsquellen. 32

37 3.1 Der Versuchsaufbau Die Ergebnisse obiger Untersuchungen sind in Tab 3.1 nochmals zusammengefasst, und als Vor- und Nachteile hinsichtlich der Verwendung im Experiment gegenübergestellt. Demnach ist der keramische 60W-Infrarotstrahler am Besten für den Einsatz im Experiment geeignet. Dieser besitzt zwar mit ungefähr 14 Minuten die längste Aufheizdauer, ist aber aufgrund seines mittelinfraroten Spektrums am besten zur Untersuchung der Absorptionsverhalten geeignet, und ermöglicht darüber hinaus den platzsparendsten Aufbau. Gegen den Einsatz des Bunsenbrenners spricht die Entzündungsgefahr bei der Verwendung brennbarer Gase. Das im Folgenden dargestellte Experiment zur Demonstration der unterschiedlichen Absorptionseigenschaften mehrerer Gase ist zum Vergleich mit einer Auswahl verschiedener Strahler, dem keramischen 60W-Infrarotstrahler, der Baulampe mit 500 Watt, und dem Bunsenbrenner durchgeführt und dokumentiert (siehe 3.2.1). Experimentiergase Als Experimentiergase liegen mehrere atmosphärische Gase vor, welche in Druckgasflaschen aufbewahrt werden, und über einen Schlauch in das Messrohr geleitet werden können. Neben den Treibhausgasen Kohlendioxid CO2, Methan CH4, und Distickstoffoxid N2 O, stehen auch nicht IR-absorbierende Gase wie Stickstoff N2, Argon Ar und Sauerstoff O2 zu Verfügung. Es ist darauf zu achten, die Gase entsprechend den Sicherheitsbestimmungen zu verwenden und zu lagern. Im schulischen Gebrauch ist abzuwägen, inwiefern mit brennbaren Gasen wie Methan oder Distickstoffoxid experimentiert werden kann. Gegebenenfalls kann das Experiment auch auf die Untersuchung der Absorptionseigenschaft des nicht entzündbaren Treibhausgases Kohlendioxid reduziert werden. Auch im Demonstrationspraktikum wird die Analyse auf Kohlendioxid beschränkt. Abb. 3.7.: Verwendete Druckgasflaschen von links: Kohlendioxid, Stickstoff, Methan, Argon, Distickstoffoxid und Sauerstoff. 33

38 3 Das Experiment Der Versuchsaufbau im Demonstrationspraktikum Nachfolgend ist der gesamte Versuchsaufbau abgebildet wie er im Demonstrationspraktikum zum Einsatz kommt und für den schulischen Einsatz vorgeschlagen wird. Die beschriebenen Komponenten, der keramische Strahler, das Messrohr und die Thermosäule sind der einfachen Handhabung halber auf einer optischen Bank angebracht. So lassen sich Abstände einfach variieren und fest einstellen, was beim Öffnen und Schließen der Ventile am Messrohr von Vorteil ist. Die Thermosäule und der Temperaturfühler, hier über ein zusätzliches Stativ befestigt, sind schließlich über das Cassy-Modul mit dem Laptop verbunden. Als Experimentiergase liegen das Treibhausgas Kohlendioxid und das Nicht-Treibhausgas Stickstoff in großen, mit Druckminderern ausgestatteteten Druckgasflaschen vor. Die Gase können so mit einem Druck zwischen 2 und 5 bar über einen 6 mm dicken Schlauch in das Messrohr eingelassen werden. Dabei ist darauf zu achten, das strahlerferne Ventil als Einlassventil zu nutzen, da die stark erhitzten Rohrmaterialien auf der dem Strahler zugewandten Seite das Gas sonst gleich beim Einströmen stark erhitzen würden. Zum Einbringen von Umgebungsluft in das Messrohr liegt eine Handpumpe bei. Abb. 3.8.: Versuchsanordnung im Demonstrationspraktikum. 34

39 3.2. Durchführung des Experiments 3.2 Durchführung des Experiments Im Folgenden ist zunächst die Durchführung des Hauptexperiments zur Untersuchung der Absorptionseigenschaften verschiedener Gase beschrieben. Auf dessen Grundlage wurde ein reduzierter Versuch zur Durchführung im Demonstrationspraktikum entwickelt, dessen Durchführung im Anschluss ausführlich diskutiert ist. Für diese Versuchsteile zur Untersuchung der Absorptionseigenschaften verschiedener Gase empfiehlt es sich, den keramischen Strahler gleich zu Beginn des Aufbaus einzuschalten und wie in Abb. 3.8 auf der optischen Bank neben dem Messrohr zu platzieren, da sich der Strahler nur langsam auf seine Betriebstemperatur erwärmt und erst nach ungefähr 14 Minuten in voller Leistung abstrahlt. Währenddessen können die übrigen Komponenten angeschlossen werden und auf dem Monitor des Laptops im Programm CASSY-Lab der Spannungsverlauf und der Temperaturverlauf verfolgt werden. Dabei sind die Messbereiche für Spannung und Temperatur, sowie eine geeignete Taktung (hier 500 ms) im Programm einzustellen. Zeigt die Anzeige stabile Messwerte an, so kann mit der Durchführung des eigentlichen Experiments begonnen werden. Dazu wird im Programm die Messung gestartet und die Gase aus den Druckgasflaschen nacheinander über einen Schlauch in das, zunächst mit Umgebungsluft gefüllte, Messrohr geleitet. Um dabei jeweils sicher zu gehen, dass die Absorption gesättigt ist, wird bei geöffneten Ventilen so lange Gas in das Messrohr eingelassen, bis keine Veränderung der detektierten Spannung mehr zu erkennen ist. Wichtig zu bemerken ist, dass dies nicht unbedingt bedeutet, dass das Messrohr vollständig mit dem Gas gefüllt ist. Man spricht dann von einer Sättigung der Absorptionsbanden. Erst nachdem sich der Spannungs- und Temperaturverlauf stabilisiert haben, in den folgenden Messungen jeweils 5 Minuten, wird das nächste Gas zugeführt Analyse der Absorptionseigenschaften atmosphärischer Gase In diesem ersten Versuchsteil werden die Absorptionseigenschaften einer Vielzahl atmosphärischer Gase untersucht. Entsprechend der zeitlichen Entwicklung des Experiments ist zunächst eine Messung unter Verwendung eines Aluminiumrohrs diskutiert, welche die Problematik der Temperaturmessung mit metallischen Rohrmaterialien darstellt. Dieser Umstand erforderte letztlich die Herstellung eines neuen Rohres aus einem schlechter wärmeleitenden Material und erneute Durchführungen des Experiments. Die mit einem Plexiglasrohr aufgenommenen Messungen sind im zweiten Abschnitt ausführlich diskutiert. Zur Demonstration der Abhängigkeit der gasspezifischen Eigenschaften vom eingestrahlten Spektrum, also von der verwendeten Strahlungsquelle, wurde die Messung zusätzlich unter Verwendung verschiedener thermischer Strahler, des keramischen Strahlers, der Baulampe und des Bunsenbrenners durchgeführt. 35

40 3 Das Experiment Durchführung mit einem Aluminiumrohr Abb. 3.9.: Messung zur Analyse der Absorptionseigenschaften verschiedener atmosphärischer Gase mit dem Aluminiumrohr und dem keramischen 60W-Strahler als Strahlungsquelle. Abb. 3.9 zeigt das aufgezeichnete Cassy-Lab-Diagramm unter Verwendung des keramischen 60W-Strahlers. Die Achsen, links für die schwarz dargestellte Spannung der Thermosäule in mv und rechts für die rot gefärbte Temperatur des Temperaturfühlers in C, sind den aufgezeichneten Messwerten angepasst. Senkrechte Linien kennzeichnen die Zeitpunkte, zu denen neues Gas in das Messrohr eingeführt wurde. Der schwarz dargestellte Spannungsverlauf zeigt je nach Experimentiergas deutliche Unterschiede in der detektierten Strahlungsleistung. Betrug die Spannung mit Umgebungsluft noch ungefähr 15 mv, so sinkt dieser Wert beim Befüllen mit Kohlendioxid um fast ein Millivolt ab. Erst mit dem Einbringen von Stickstoff steigen die Spannungswerte wieder an und übersteigen sogar den mit Luft gemessenen Wert. Auch nach dem Befüllen mit Argon pendeln sich die Spannungswerte auf einem ähnlich hohen Spannungsniveau ein, fallen aber mit dem Einbringen der Gase Methan sowie Distickstoffoxid aprupt auf viel niedrigere Werte ab. Dabei wird mit Distickstoffoxid die niedrigste Strahlungsleistung gemessen. Wird schließlich mit der Handpumpe wieder Umgebungsluft in das Messrohr gepumpt, so pendelt sich der Spannungsverlauf wieder auf dem anfänglichen Wert von rund 15 mv ein. Der aufgezeichnete Spannungsverlauf verdeutlicht den unterschiedlichen Einfluss der atmosphärischen Gase auf die empfangene Strahlungsleistung auf eindrucksvolle Weise. Es wird deutlich, 36

41 3.2 Durchführung des Experiments dass die Gase Stickstoff und Argon ähnlich geringe Absorptionseigenschaften besitzen. Aufgrund dieser Gemeinsamkeit, trotz unterschiedlicher molekularer Strukturen, kann vermutet werden, dass diese Gase keine Infrarotstrahlung absorbieren, und somit auch keine Treibhauswirksamkeit besitzen. Die Gase Kohlendioxid, Methan und Distickstoffoxid absorbieren jedoch, und zwar unterschiedlich stark. Demnach liegt der Schluss nahe, dass die chemische Struktur der Moleküle zumindest einen Einfluss auf die Absorptionseigenschaft des Gases hat. So ist zu erkennen, dass die zweiatomigen (homonuklearen) Moleküle nicht absorbieren, während mehratomige Moleküle dies mit unterschiedlicher Stärke tun. Allein aus dem aufgezeichneten Spannungsverlauf können somit molekülphysikalische Ursachen für die Treibhausaktivität einiger Gase vermutet werden. Der rot dargestellte Temperaturverlauf im Innern des Messrohrs zeigt ebenfalls eine deutliche Abhängigkeit vom verwendeten Experimentiergas. Liegt die Temperatur mit Luft noch bei rund 33 C, so steigt sie mit Kohlendioxid nach einer anfänglichen Abkühlung aufgrund der kühleren Temperatur des eingefüllten Gases auf über 34 C an. Diese Beobachtung entspricht den Erwartungen einer Erwärmung aufgrund der zunehmenden Absorption thermischer Strahlung durch das Gas, und wird in einschlägiger Literatur auch gerne als experimenteller Beleg für die Erwärmung der Atmosphäre als Folge eines CO 2 -Konzentrationsanstiegs angeführt [13]. Auch der Temperaturabfall nach Einbringen des nicht absorbierenden Gases Stickstoff passt gut ins Bild. Es ist durchaus richtig anzunehmen, dass eine zunehmende Absorption thermischer Strahlung zu einer Temperaturerhöhung führt, geringere Absorption folglich zu einer Abnahme der Temperatur, jedoch darf der aufgenommene Temperaturverlauf keinesfalls als Bestätigung dieses atmosphärischen Effekts interpretiert werden. Entsprechend der Theorie müsste demnach mit Methan eine hohe Temperatur im Innern des Rohres vorliegen, mit Argon eine ähnlich tiefe wie mit dem ebenfalls nicht absorbierenden Stickstoff. Die Messung zeigt hier jedoch einen widersprüchlichen Temperaturverlauf: mit Methan sinkt die Temperatur ab, während sie mit Argon sogar auf einen höheren Temperaturwert als mit Kohlendioxid ansteigt. Der Grund für diesen, den Erwartungen widersprechenden Verlauf, liegt in den unterschiedlichen thermodynamischen Eigenschaften der Gase. Gase besitzen neben verschiedenen Wärmekapazitäten auch spezifische Wärmeleitfähigkeiten, leiten thermische Energie also unterschiedlich gut. Die Wärmeleitfähigkeit eines Gases bestimmt damit die Fähigkeit, Wärme in Richtung eines kühleren Feststoffes abzuführen. Diese Fähigkeit wird durch die, von der Wärmeleitfähigkeit λ des Gases und der charakteristischen Länge L (hier der Radius des Rohrs) abhängige Wärmeübergangszahl α = λ L beschrieben. Für den Wärmefluss Q von einem Gas mit der Temperatur T 1 zu einem Festkörper der Temperatur T 2 mit T 1 > T 2 über eine Fläche A, gilt der Zusammenhang: Q = α A (T 2 T 1 ) = λ A L (T 2 T 1 ) (3.1) Die Wärmeleitfähigkeiten der verwendeten Gase sind in Tab. 3.2 dargestellt. Der aufgezeichnete Temperaturverlauf lässt sich in erster Betrachtung gut mit den jeweiligen 37

42 3 Das Experiment Gas Wärmeleitfähigkeit λ [ ] 10 3 W m K Luft 26,2 Kohlendioxid CO 2 16,8 Stickstoff N 2 26,0 Methan CH 4 34,1 Argon Ar 17,9 Distickstoffoxid N 2 O 17,4 Sauerstoff O 2 26,3 Tab. 3.2.: Wärmeleitfähigkeiten der verwendeten Gase bei Atmosphärendruck und einer Temperatur von 300K [24]. Wärmeleitfähigkeiten begründen: die Gase mit großer Wärmeleitzahl führen thermische Energie leichter in Richtung der Umgebung ab, in diesem Fall die kühlere Innenwand des Aluminiumrohrs sowie die Umgebungsluft an den Rohröffnungen, und haben folglich eine tiefere Temperatur als Gase mit kleiner Wärmeleitfähigkeit. Dass die gemessenen Temperaturunterschiede maßgeblich von der jeweiligen Wärmeleitfähigkeit bestimmt sind, bestätigt die folgende Analyse 5. Dazu wurden die gemessenen Gastemperaturen zu jedem Gas mit Hilfe der Auswertungsfunktion im Programm Cassy-Lab auf den Temperaturplateaus gemittelt und zusammen mit den reziproken Wärmeleitfähigkeiten, auch Wärmeleitwiderstände genannt, im Diagramm aufgetragen. Die Daten sind im Diagramm in Abb als rote Punkte dargestellt 6. Die Verteilung der Messwerte läßt einen linearen Zusammenhang der Größen vermuten, was durch das reduzierte Bestimmtheitsmaß R 2 0, 92 des blau dargestellten linearen Fits bestätigt wird 7. Dieser lineare Zusammenhang zwischen der Temperatur des Gases und den reziproken Wärmeleitkoeffizienten bestätigt auch die Wärmeleitungsgleichung (3.1). Trotzdem darf hier nicht gefolgert werden, dass die gemessenen Temperaturwerte entsprechend der Gleichung lediglich durch den Effekt der Wärmeleitung bedingt sind. Zusätzlich beeinflussen der Effekt der Thermalisation sowie die Wärmeleitfähigkeit des Rohres die absolute Temperatur im Innern des Rohres. Die Analyse zeigt lediglich, dass die Temperaturunterschiede stark mit der Wärmeleitfähigkeit der Gase korreliert sind und diese den Einfluss der Absorption auf die Temperatur bestimmend überlagern. Das 5 Da es sich hierbei um eine rein qualitative Untersuchung zur Verbesserung des Versuchsaufbaus handelt, ist der Übersichtlichkeit halber auf eine explizite Angabe der Messwerte, sowie deren zugehörige Fehler, verzichtet. 6 Man beachte, dass die Achseneinstellungen in den Schaubildern entsprechend einer geeigneten Darstellung der Messwerte angepasst sind. 7 Das reduzierte Bestimmtheitsmaß R 2 dient als Maßzahl für die Güte einer linearen Regression. Je näher der Wert bei Eins liegt, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit für einen linearen Zusammenhang zweier Messgrößen. 38

43 3.2 Durchführung des Experiments Schaubild in Abb macht dies deutlich: hier sind die Temperaturwerte gegen die detektierte Spannung aufgetragen und mit der zugehörigen Fitgeraden abgebildet. Schon mit bloßem Auge ist erkennbar, dass die Messgrößen keinen der Theorie der Thermalisation entsprechenden Zusammenhang aufweisen. Dies wird durch den nahe bei Null gelegenen Wert des reduzierten Bestimmtheitsmaßes bestätigt. Abb : Schaubild der linearen Regressionsfunktion zu gemessenen Temperaturwerten und den Wärmeleitwiderständen unter Verwendung des Aluminiumrohrs. Abb : Schaubild der linearen Regressionsfunktion zu gemessenen Temperatur- und Spannungswerten unter Verwendung des Aluminiumrohrs. 39

44 3 Das Experiment Der Temperaturverlauf zu den Gasen Luft, Kohlendioxid und Stickstoff darf somit nicht so einfach auf die Thermalisation der Gase zurückgeführt werden. In Wirklichkeit fallen die Temperaturunterschiede durch Erhöhungen der Konzentrationen hier weitaus niedriger aus. Dies wird auch im Vergleich der Temperaturen von Distickstoffoxid und Argon deutlich: diese Gase besitzen einen ungefähr gleich großen Wärmeleitkoeffizienten, und trotzdem weist Distickstoffoxid keine wesentlich höhere Temperatur auf. Aufgrund der beschriebenen Problematik eines zu großen Wärmeentzugs durch das Aluminiumrohr, und der Gefahr einer fehlerhaften Interpretation des Temperaturverlaufs, wurde ein neues Messrohr aus schlecht wärmeleitendem und Infrarotstrahlung absorbierendem Material gefertigt. Mit diesem konnte eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der Verminderung von Wärmeleitungseinflüssen festgestellt werden, wie im folgenden Abschnitt beschrieben ist. Durchführung mit einem Plexiglasrohr Abb : Messung zur Analyse der Absorptionseigenschaften verschiedener atmosphärischer Gase mit dem Plexiglasrohr und dem keramischen 60W-Strahler als Strahlungsquelle. In Abb ist eine Messung unter Verwendung eines Plexiglasrohrs dargestellt. Sie zeigt einen ähnlichen, wenn auch aufgrund der absorbativen Eigenschaften von Plexiglas schwächer ausfallenden Spannungsverlauf wie mit dem Aluminiumrohr und 40

45 3.2 Durchführung des Experiments lässt diesbezüglich die selben Schlussfolgerungen wie in der mit dem Aluminiumrohr durchgeführten Messung zu. Der Temperaturverlauf weist hingegen bedeutende Unterschiede zu der vorigen Messung auf: während sich die Temperatur mit Luft und Kohlendioxid noch ähnlich verhält, pendelt sie sich mit Methan auf einem deutlich höheren, wenn auch den Wert von Luft nicht wesentlich übersteigenden Wert ein, als dies mit dem Aluminiumrohr der Fall ist. Auch die Temperatur von Argon fällt hier tiefer aus, und befindet sich auf einem ähnlichen Wert wie mit dem ebenfalls nicht absorbierenden Gasen Stickstoff und Sauerstoff. Die Temperatur von Distickstoffoxid entspricht wieder ungefähr dem Wert der vorigen Messung mit dem Aluminiumrohr. Insgesamt offenbart diese Messung einen deutlich stärkeren Zusammenhang zwischen der detektierten Spannung und den zugehörigen Temperaturwerten. Dieser Zusammenhang wird in einer, zur Messung mit dem Aluminiumrohr analogen Untersuchung der Messwerte deutlich: dazu wurden die gemittelten Temperaturwerte wieder gegen die Spannungswerte (Abb. 3.13), sowie gegen die reziproken Wärmeleitfähigkeiten (Abb. 3.14) aufgetragen und linear gefittet. Im Gegensatz zur Auswertung der Daten mit dem Aluminiumrohr sind die Temperaturwerte hier stärker mit den zugehörigen Spannungswerten korreliert, was durch den näher bei Eins gelegenen Wert des reduzierten Bestimmtheitsmaßes des linearen Fits R 2 0, 83 bestätigt wird. Entsprechend sind die gemessenen Temperaturwerte hier sehr viel schwächer, mit den Wärmeleitfähigkeiten der Gase korreliert (siehe Abb. 3.14). Abb : Schaubild der linearen Regressionsfunktion zu gemessenen Temperatur- und Spannungswerten unter Verwendung des Plexiglasrohrs. 41

46 3 Das Experiment Abb : Schaubild der linearen Regressionsfunktion zu gemessenen Temperaturwerten und den Wärmeleitwiderständen unter Verwendung des Plexiglasrohrs. Als ergänzende Form der Analyse des veränderten Temperaturverhaltens wurden die gemittelten Temperaturwerte für die beiden Rohre jeweils in einem dreidimensionalen Schaubild gegen die Spannungs- und die reziproken Wärmeleitfähigkeiten aufgetragen und eine multilineare Regression der Form T ( U, 1 ) = a U + b 1 λ λ + c durchgeführt. Die Daten samt Regressionsebene sind für das Aluminiumrohr in Abb und für das Plexiglasrohr in Abb in jeweils zwei Raumansichten dargestellt. Zudem sind die Werte der Fitparamter, deren Fehler, die Kovarianzmatrix 8 und das reduzierte multiple Bestimmtheitsmaß R 2 der Regression angegeben. In beiden Fällen bestätigt der sehr nahe bei Eins gelegene Wert der reduzierten Bestimmtheismaße das Regressionsmodell. Die Temperaturmesswerte sind also im Wesentlichen nur durch die Thermalisation der Strahlung und den Effekt der Wärmeleitung bestimmt. Die Regressionsanalyse aus Abb zeigt nochmals den dominierenden Einfluss der Wärmeleitung auf die Gastemperatur im Innern des Aluminiumrohrs. So steigt die Regressionsebene mit wachsendem Wärmeleitwiderstand deutlich an, während die Abhängigkeit von den Spannungswerten viel kleiner ausfällt. In Anbetracht des großen Fehlers auf den Regressionsparameter a kann, in Übereinstimmung mit der eindimensionalen Regressionsanalyse aus Abb. 3.11, eine lineare Abhängigkeit der Temperaturund Spannungsmesswerte sogar gänzlich ausgeschlossen werden. 8 Die Kovarianzmatrix, auch Fehlermatrix genannt, enthält die Kovarianzen der Fitparameter. Diese sind ein Maß für die paarweise Korrelation der Fitparameter. Die Werte auf den Hauptdiagonalen entsprechen den Fehlerquadraten der Fitparameter. 42

47 3.2 Durchführung des Experiments Abb : Darstellungen der Regressionsebene der Messdaten unter Verwendung des Aluminiumrohrs in zwei Raumansichten. 43

48 3 Das Experiment Abb : Darstellungen der Regressionsebene der Messdaten unter Verwendung des Plexiglasrohrs in zwei Raumansichten. 44

49 3.2 Durchführung des Experiments Die Schaubilder in Abb zeigen hingegen eine Verlagerung der Temperatureinflüsse unter Verwendung des Plexiglasrohrs zugunsten der Absorption der Gase. Entgegen der Messung mit dem Aluminiumrohr fällt die Ebene hier mit wachsender Spannung stark ab und zeigt eine deutlich geringere Abhängigkeit von den Wärmeleitfähigkeiten. Der große Fehler auf den Fitparameter b zeigt, dass die Temperaturwerte in diesem Fall nicht mit den Wärmeleitwiderständen korreliert sind. Das unterschiedliche Temperaturverhalten je nach Material des Rohres lässt sich letztlich auf dessen Wärmeleitfähigkeit zurückführen. Aluminium besitzt mit einem Wert von λ Alu = 236 W/mK eine sehr viel höhere Wärmeleitfähigkeit als Plexiglas mit λ P lexi = 0,19 W/mK und entzieht dem Gas damit deutlich mehr Wärmeenergie als Plexiglas. Die durch Thermalisation der Wärmestrahlung durch die Gase entstandene thermische Energie im Innern des Messrohrs wird im Falle des Aluminiumrohrs also verstärkt an die Umgebung abgegeben, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Gases diesen Wärmefluss maßgeblich beeinflusst. Entscheidend für die Temperatur des Gases ist letztlich das Verhältnis zwischen der durch Thermalisation aufgenommenen und der durch Wärmeleitung abgeführten Leistung. Aufgrund der IR-Absorptionsfähigkeit des Plexiglasrohrs wurde desweiteren vermutet, dass sich das Rohr dementsprechend stärker erwärmt und damit den Wärmefluss zusätzlich abschwächt. Testmessungen zeigten aber, dass in beiden Rohren eine Temperaturdifferenz von ungefähr 4 K zwischen Mitte und Innenwand des Rohrs vorliegt, ein solcher Einfluss also ausgeschlossen werden kann. Aufgrund der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit des Plexiglasrohrs konnte der störende Einfluss der Wärmeleitung auf die gemessene Gastemperatur deutlich reduziert werden. Der Temperaturverlauf ist nun fast ausschließlich durch den Effekt der Thermalisation absorbierter Wärmestrahlung bedingt und können in der experimentellen Beobachtung auf diese zurückgeführt werden. Dies zeigt, dass Plexiglas als Rohrmaterial zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Absorption von Wärmestrahlung durch Gase und der Temperatur derselben weitaus besser geeignet ist als metallische Materialen wie Aluminium. Durchführung mit alternativen Strahlungsquellen Wie bereits erwähnt, hat die Wahl der Strahlungsquelle einen erheblichen Einfluss auf das Experiment, sowohl auf die Absorptionsmessung der Strahlung als auch auf die Temperaturmessung des Gases. Dies zeigen die im Folgenden erläuterten Messungen mit einer Baulampe (Abb. 3.17) und einem Bunsenbrenner (Abb. 3.18). Die Baulampe strahlt mit wesentlich höherer Leistung als der keramische Strahler ab. Zu Beginn der Messung, also im Falle des mit Umgebungsluft gefüllten Plexiglasrohrs, zeigt die Thermosäule bei einem Abstand von 30 cm zwischen Baulampe und Messrohr noch eine Spannung von rund 14,5 mv an. Zudem weist der Spannungsverlauf über die gesamte Messung starke Schwankungen auf, die nicht auf das Absorptionsverhalten der 45

50 3 Das Experiment Abb : Messung zur Analyse der Absorptionseigenschaften verschiedener atmosphärischer Gase mit dem Plexiglasrohr und der 500W-Baulampe als Strahlungsquelle. Gase zurückzuführen sind, sondern ihre Ursache vermutlich in den Luftbewegungen zwischen Lampe und Messrohr haben. Trotzdem lassen sich beim Befüllen mit den Treibhausgasen Kohlendioxid, Methan und Distickstoffoxid wieder deutlich absinkende Spannungswerte beobachten. Der relative Vergleich der Spannungswerte zur Messung aus Abb zeigt aber, dass diese hier nicht so stark absinken, die Absorption also schwächer ausfällt. Dieser Unterschied lässt sich auf das Emissionsspektrum der Strahlungsquellen zurückführen: die Baulampe emittiert im Vergleich zum keramischen Strahler verhältnismäßig wenig im Infrarotbereich, weshalb die absorbierten Anteile der gesamten Strahlungsleistung insgesamt kleiner ausfallen. Doch auch eine Veränderung der absorbierten Strahlungsleistungsanteile im Einzelnen ist festzustellen. So absorbiert Distickstoffoxid nun, entgegen der Messung mit dem keramischen Strahler als Strahlungsquelle, leicht weniger als Methan. Im Spannungsverlauf der in Abb abgebildeten Messung unter Verwendung des Bunsenbrenners sinken die Werte beim Befüllen des Rohrs mit Kohlendioxid sogar fast um die Hälfte ab. Auch Distickstoffoxid absorbiert in größerem Maße als unter Verwendung der anderen Strahlungsquellen. Mit Methan ist nach einem anfänglichen leichten Rückgang der empfangenen Strahlungsleistung hingegen überhaupt keine Absorption festzustellen. Wie bereits in der Diskussion der Wahl der Strahlungsquellen aus Abschnitt 3.1 beschrieben, lässt sich das Emissionsspektrum des Bunsenbrenners nicht als Schwarzkörperspektrum nähern. Vielmehr ist ein solches mit Emissionsbanden angeregter Luftbestandteile überlagert. 46

51 3.2 Durchführung des Experiments Abb : Messung zur Analyse der Absorptionseigenschaften verschiedener atmosphärischer Gase mit dem Plexiglasrohr und dem Bunsenbrenner als Strahlungsquelle. Besonders in den Spektralbereichen der Absorptionsbanden von Kohlendioxid wird aufgrund des großen Vorkommens in Luft viel Strahlungsleistung frei. Dies erklärt die im Vergleich zu den anderen Strahlungsquellen viel stärker ausfallende Absorption von Kohlendioxid. Auffallend ist hier auch der über die gesamte Messung stetig abfallende Spannungsverlauf. Da sich die Spannungswerte jeweils asymptotisch des mit Luft gemessenen Spannungswertes zu nähern scheinen wurde zunächst vermutet, dass die PET-Folie undicht sei und Gas austreten könne. Mit einer anschließenden Messung unter Verwendung des keramischen Strahlers konnte dies aber ausgeschlossen werden, da diese Durchführung keinerlei Abfall der Spannungswerte zeigte. Eventuell ist dieser störende Effekt auf eine Veränderung der Mischungsverhältnisse im Gasgemisch des Bunsenbrenners zurückzuführen. Wie die Spannungsverläufe weisen auch die Temperaturverläufe der Messungen deutliche Unterschiede auf. Während die Temperaturwerte aus Abb einen ähnlichen Verlauf wie im Falle der Durchführung mit dem Plexiglasrohr und dem keramischen Strahler beschreiben, also die Theorie der Thermalisation auch weitgehend bestätigen, zeigt die Messung unter Verwendung der Baulampe aus Abb ähnliche Merkmale, wie die durch Wärmeleitungseffekte gestörten Temperaturmesswerte unter Verwendung des Aluminiumrohrs. Die erste Vermutung, dass sich dieser offensichtliche, trotz der Verwendung des Plexiglasrohrs, erneut große Einfluss der Wärmeleitung auf eine niedrigere Temperatur des Rohrs aufgrund einer schwächeren Erwärmung durch die Baulampe 47

52 3 Das Experiment zurückführen ließe, wurde durch mehrere Testmessungen widerlegt. So wurden in separaten Messungen mit allen Strahlungsquellen zwischen der mit Luft gefüllten Mitte und der Innenwand des Rohrs eine ungefähr gleich große Temperaturdifferenz von 6 K gemessen. Es wird daher angenommen, dass der Effekt der Thermalisation aufgrund der insgesamt schwächer ausfallenden Absorption im Falle der Baulampe so klein ausfällt, dass die durch Wärmeleitung abgeführte Energie die thermalisierte Energie aufgrund der Absorption einzelner Gase, beispielsweise Methan, übersteigt. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit von Argon begünstigt hingegen einen Aufstau thermischer Energie in der Mitte des Rohrs und führt so zu den hohen Temperaturwerten. Der vorangehende Vergleich der Messungen unter der Verwendung alternativer Strahlungsquellen macht den großen Einfluss der Wahl der Strahlungsquelle auf das Experiment deutlich. Sowohl die Stärke der Absorption insgesamt als auch die der Gase im Einzelnen weisen große, von der Art des Strahlerspektrums abhängige Unterschiede auf. Dieser Umstand erfordert einige Vorsicht in der Interpretation der Messwerte und verbietet einen quantitativen Rückschluss auf die Treibhauswirksamkeit der Gase. Auch die Temperatur im Innern des Rohres ist durch die Wahl der Strahlungsquelle beeinflusst und muss stets unter Beachtung möglicher Wärmeleitungseffekte interpretiert werden. Letztlich unterstreicht die Diskussion die besondere Eignung des keramischen Strahlers für das Experiment Analyse der Absorptionseigenschaften von Kohlendioxid, Stickstoff, Luft und Atemluft Dieser Abschnitt beschreibt den Versuch in vereinfachter Form, nur unter der Verwendung der Gase Kohlendioxid und Argon, sowie den natürlich vorliegenden Gasgemischen, Umgebungs- und Atemluft. Als Messrohr wurde wieder das Plexiglasrohr verwendet, dessen seitliche Öffnungen nun mit der reißfesteren, für den schulischen Einsatz besser geeigneten, PET-Folie überspannt wurden. Zwar kann so weniger Strahlungsleistung bis zur Thermosäule durchtreten, jedoch zeigen die Messwerte ansonsten keine Unterschiede zu den mit der dünneren PE-Folie aufgezeichneten Werten. Aufgrund eines vergleichbaren Erkenntnisgewinns, bei erheblich geringerem Aufwand und geringeren Kosten, stellt diese Form des Experiments eine gute Alternative zur bereits beschriebenen Durchführung mit mehreren Gasen dar. Auch im Demonstrationspraktikum wird das Experiment in dieser reduzierten Form durchgeführt. Wie in der ausführlichen Variante aus Abschnitt wurden die Gase nacheinander in Abständen von 5 Minuten in das Messrohr geleitet, und dabei die Spannungs- und Temperaturdaten mit dem Cassy-Modul aufgezeichnet, welche in Abb abgebildet sind. Wieder ist beim Befüllen des Messrohrs mit Kohlendioxid eine verstärkte Absorption der Wärmestrahlung in Form absinkender Spannungswerte festzustellen, verbunden mit einem deutlichen Anstieg der Gastemperatur im Innern des Messrohrs. In der ausgiebigen Regressionsanalyse aus Abschnitt wurde sichergestellt, dass diese Temperaturerhöhung auch wirklich auf die Thermalisation infraroter Strahlung 48

53 3.2 Durchführung des Experiments Abb : Messung zur Analyse der Absorptionseigenschaften von Kohlendioxid, Stickstoff, Luft und Atemluft mit dem Plexiglasrohr und dem keramischen 60W-Strahler als Strahlungsquelle. durch Kohlendioxid, und nicht auf dessen Wärmeleitungseigenschaften, zurückzuführen ist. Das Gas erwärmt sich also aufgrund der stärkeren Absorption der Wärmestrahlung. Mit Stickstoff steigt die Spannung auf einen leicht höheren Wert als mit Umgebungsluft an und die Temperatur fällt entsprechend ab. Stickstoff absorbiert demnach in geringerem Ausmaß als Luft. Wird nun Atemluft über den Schlauch zugeführt, so ist wieder ein deutlicher Rückgang der detektierten Strahlungsleistung und ein Anstieg der Gastemperatur zu erkennen. Ursache für diese verstärkte Absorption ist weniger der im Vergleich zu Umgebungsluft größere Anteil von Kohlendioxid als vielmehr der sehr viel größere Wasserdampfanteil von Atemluft. Ein Vergleich mit den Spannungswerten des vollständig mit Kohlendioxid gefüllten Messrohrs macht dies deutlich: wird davon ausgegangen, dass Stickstoff nicht absorbiert 9, müsste Atemluft ungefähr 80 % Kohlendioxid enthalten, was den tatsächlichen Wert von rund 4 % unverhältnismäßig weit übersteigt. Durch den Einfluss des Wasserdampfs auf die Absorption lässt sich auch der stetige Anstieg der Spannungswerte beim mit Atemluft gefüllten Messrohr erklären: der Wasserdampf kondensiert über die Messdauer zunehmend an den Innenwänden des Rohrs. Dadurch verringert sich seine Konzentration im Gasgemisch und die Absorption geht merklich zurück. Wird mit der Handpumpe wieder Umgebungsluft zugeführt, so pendeln sich die Spannungs- und Temperaturwerte wieder auf das anfängliche Niveau ein. 9 Dies darf hier nicht ohne Weiteres aus den Messwerten gefolgert werden. 49

54 3 Das Experiment Beobachtung der Strahlungsabsorption mit einer Wärmebildkamera Abb : Thermogramme des keramischen Strahlers nach Befüllen des Messrohrs mit Kohlendioxid. Deutlich ist die Abnahme der transmittierten thermischen Strahlung vom mit Luft gefüllten Messrohr in Bild 1, zum vollständig mit Kohlendioxid gefüllten Messrohr in Bild 4 zu erkennen. Die Absorption thermischer Strahlung beispielsweise durch Kohlendioxid lässt sich auch mit einer Infrarotkamera eindrucksvoll demonstrieren. Dazu wird an Stelle der Thermosäule eine Infrarotkamera, hier das Modell T360 der Firma FLIR, auf das Messrohr mit dahinter angebrachtem keramischen Strahler ausgerichtet. Damit die Kamera die wirklichen Temperaturwerte anzeigt, sollte zunächst der Emissionsgrad auf ɛ = 1 sowie die Luftfeuchtigkeit und der Abstand zur Strahlungsquelle richtig eingestellt werden. Um beim Einbringen von Kohlendioxid in das Messrohr eine sichtbare Abnahme der von der Kamera empfangenen Strahlungsintensität zu garantieren, muss diese aber zunächst geeignet kalibriert werden. Zunächst wird die Temperaturskala auf den Manual- Modus eingestellt, um zu verhindern, dass sich die Temperaturskala automatisch dem sich verändernden Bild anpasst. Dies geschieht beim vorliegenden Modell durch Drücken der A/M-Taste, so dass rechts oben im Display ein M angezeigt wird. Nun muss der 50

55 3.2 Durchführung des Experiments Temperaturbereich auf die kleinstmögliche Breite eingestellt werden, um die geringe Strahlungsabnahme sichtbar zu machen, hier durch Drücken des Cursors nach links. Der richtige Temperaturbereich, praktischerweise der Bereich maximaler Temperatur, kann dann durch Drücken des Cursors nach oben eingegrenzt werden. Insgesamt stellte sich für den vorliegenden Versuchsaufbau eine Skaleneinstellung von 291 C bis 293 C als am Besten geeignet heraus. Durch Heranzoomen des Bildes des keramischen Strahlers kann die Darstellung noch verbessert werden. Lässt man nun Kohlendioxid in das Messrohr einströmen, so ist auf dem Display eine gut erkennbare Abnahme der empfangenen Strahlungsintensität auszumachen, bis schließlich fast kein Bild mehr sichtbar ist, wie in der Bildfolge in Abb zu sehen. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass dieser Effekt auch fälschlicherweise als eine Abnahme der Temperatur des keramischen Strahlers interpretiert werden kann, wie ja von der Kamera angezeigt. Es sollte daher sichergestellt sein, dass dem Schüler die Funktionsweise einer Wärmebildkamera bekannt ist. Diese empfängt aufgrund des eingebrachten Kohlendioxidgases eine geringere Strahlungsleistung, und stellt diese im Fehlschluss als eine Temperaturabnahme der Strahlungsquelle dar. Um dennoch die richtigen Temperaturwerte anzeigen zu lassen, müsste der Emissionsgrad je nach Kohlendioxidmenge angepasst werden. Dann wäre aber natürlich kein Rückgang der Strahlungsleistung zu beobachten. 51

56 3 Das Experiment 52

57 4. Die Einbindung in den Schulunterricht Der aktuelle Bildungsplan für Gymnasien in Baden-Württemberg beschreibt als grundsätzlichen Leitgedanken des naturwissenschaftlichen Unterrichts die Vermittlung einer fundierten naturwissenschaftlichen Grundbildung. Diese ist genauer beschrieben als "...die Fähigkeit, naturwissenschaftliches Wissen anzuwenden, naturwissenschaftliche Fragen zu erkennen und aus Belegen Schlussfolgerungen zu ziehen, um Entscheidungen zu verstehen und zu treffen, die die natürliche Welt und die durch menschliches Handeln an ihr vorgenommenen Veränderungen betreffen."[25] Demnach sollen Schüler in der Lage sein, ihr naturwissenschaftliches Wissen für ein verantwortungsvolles und folgenbewusstes Handeln zu nutzen. Damit spiegelt der aktuelle Bildungsplan das allgemein steigende Bewusstsein für die Notwendigkeit einer nachhaltigen Nutzung wissenschaftlicher Technologien wider, eine Entwicklung, die maßgeblich durch klimatologische Problematiken wie eine steigende Temperatur der Atmosphäre in den letzten Jahren erzwungen wird. Als mögliche Ursache für dieses globale Umweltproblem stellt der Treibhauseffekt einen physikalischen Effekt dar, dessen Verständnis für ein umweltbewusstes Handeln notwendig ist. Mittlerweile ist das Thema Treibhauseffekt ein fester Bestandteil gymnasialer Physiklehrpläne, wird aber auch in den Fächern Geographie und NwT (Naturwissenschaft und Technik) thematisiert. Der hier vorgestellte Versuch dient als motivierender Zugang zum tieferen Verständnis des Treibhauseffektes und zeigt dessen grundlegende physikalische Effekte phänomenologisch auf. Aufgrund der Interdisziplinarität des Themas Treibhauseffekt eignet sich dieses Experiment neben der üblichen Anwendung im Physikunterricht auch für den Einsatz im fächerübergreifenden Fach NwT. Sogar im Fach Geographie wäre ein Einsatz denkbar. Auf der Grundlage des aktuellen Bildungsplans für Physik ist im Folgenden der Einsatz des Experiments in diesem Fach diskutiert und das für die Durchführung des Versuchs notwenige physikalische Grundlagenwissen aufgeführt. Anschließend ist der Einsatz im Fach NwT diskutiert. 53

58 4 Die Einbindung in den Schulunterricht 4.1. Einsatz im Fach Physik Der aktuelle Bildungsplan für Physik ordnet die Behandlung des natürlichen und anthropogenen Treibhauseffekts ab Klasse 10 unter dem Apekt Technische Entwicklungen und ihre Folgen ein. Entsprechend der Einordnung in den meisten Lehrbüchern wird dieser jedoch erst in Klasse 11 tiefergehend thematisiert. In dieser Klassenstufe verfügen die Schüler bereits über ausreichend Kenntnisse aus dem Bereich der Strahlungsphysik und der Wärmelehre, um die Thematik physikalisch angemessen behandeln zu können. Entsprechend dieser Einordnung des Themas Treibhauseffekt eignet sich auch der Einsatz des vorgestellten Experiments besonders in dieser Klassenstufe. Auf der Grundlage des aktuellen Bildungsplans für Physik sowie des in Baden-Württemberg weit verbreiteten Lehrbuchs von Dorn-Bader wird die Einbindung des Themas Treibhauseffekt im Anschluss an den Themenkomplex der Strahlungsphysik vorgeschlagen, wie im Folgenden dargestellt: Strahlungsphysik Elektromagnetische Strahlung Absorption und Emission, Kirchoffsches Strahlungsgesetz, Schwarzer Körper Wärmestrahlung und Thermalisation Leistungsdichte Spektrale Verteilung der Strahlungsleistung eines Schwarzen Körpers Wiensches Verschiebungsgesetz und Stefan-Boltzmann-Gesetz Treibhauseffekt Die Erde als Schwarzer Strahler Absorption von Wärmestrahlung durch die Atmosphäre Treibhausgase Strahlungshaushalt der Erde Anthropogener Treibhauseffekt Die aufgeführten Grundlagen im Bereich der Stahlungsphysik sind für ein tieferes Verständnis des Treibhauseffekts notwendig und entsprechen inhaltlich den in Kapitel 2 beschriebenen theoretischen Grundlagen in reduzierter Form. Das Thema Absorption von Wärmestrahlung durch Gase steht in den meisten Lehrbüchern im direkten Bezug zum Treibhauseffekt und wird selten molekülphysikalisch behandelt. Damit fehlt meist eine tiefergehende theoretische Begründung für das unterschiedliche Absorptionsverhalten verschiedener Gase. Mit der Durchführung des hier vorgestellten Experiments 54

59 4.2 Einsatz im Fach NwT kann diese für den Treibhauseffekt grundlegende Ursache zumindest experimentell nachgewiesen und nachvollzogen werden. Dem Experiment kommt an dieser Stelle somit eine wichtige, die Existenz absorbierender Gase sowie den Effekt der Thermalisation rechtfertigende Bedeutung zu, auf dessen Grundlage die nachfolgende Behandlung des Treibhauseffekts aufgebaut werden kann. Mit den genannten Kenntnissen aus dem Bereich der Strahlungsphysik lässt sich das Experiment fachgerecht durchführen und auswerten. Zum Verständnis des Messvorgangs sollte dem Schüler desweiteren die prinzipielle Funktionsweise einer Thermosäule sowie eines Temperaturfühlers bekannt sein. Der beiden Messinstrumenten zugrundeliegende thermoelektrische Seebeck-Effekt wird im gymnasialen Physikunterricht im Allgemeinen aber nicht behandelt. Trotzdem sollte der Schüler verstanden haben, dass die Thermosäule ein, der empfangenen Strahlungsleistung proportionales Spannungssignal liefert, wohingegen der Temperaturfühler direkt die Temperatur des Gases aufnimmt. Die Durchführung des eigentlichen Experiments, dessen Aufbau und die Messwerterfassung, ist auf einen zeitlichen Rahmen ungefähr einer Stunde angelegt. Es empfielt sich daher mindestens eine Doppelstunde für die Durchführung und eine angemessene Auswertung und Diskussion zu veranschlagen. Das Experiment eignet sich sowohl als Demonstrationsexperiment zur Durchführung durch den Lehrer, als auch zur eigenständigen Durchführung durch den Schüler. Der Umgang mit den Druckgasflaschen erfordert jedoch einige Vorsicht und sollte stets unter Aufsicht und Anleitung von Lehrpersonal stehen Einsatz im Fach NwT Das Fach NwT wurde im Schuljahr 2007/2008 landesweit eingeführt. Es wird bereits in den Klassen 8,9 und 10 vierstündig, also mit gleicher Stundenzahl wie die Basiswissenschaften Biologie, Chemie, Geographie und Physik unterrichtet und stellt in der Oberstufe das Profilfach 1 des naturwissenschaftlichen Profils dar. Im Fach NwT werden Themenstellungen, die sich an der Erfahrungs- und Gedankenwelt der Schüler orientieren, aus den Blickwinkeln aller Naturwissenschaften fächervernetzend betrachtet. Dabei werden die in den Basisfächern erworbenen Kenntnisse in einem praxisorientierten, schülerzentrierten Unterricht vertieft. Aufgrund der Interdisziplinarität des Themas Treibhauseffekt, eignet sich dieses Fach sehr gut zur Durchführung des hier vorgestellten Experiments. So können die physikalischen Ursachen des Treibhauseffekts untersucht werden, und die Ergebnisse schließlich hinsichtlich des anthropogenen Treibhauseffekts und dessen Auswirkung auf Natur und Umwelt biologisch und geowissenschaftlich diskutiert werden. 1 Ein Profilfach ist ein im jeweiligen Profil zusätzlich angebotenes Unterrichtsfach. Beispielsweise wird im sprachlichen Profil eine dritte Fremdsprache als Profilfach gewählt. 55

60 4 Die Einbindung in den Schulunterricht 56

61 5. Versuchsanleitung für das Demonstrationspraktikum Seit 2001 schreibt die Prüfungsordnung des Bundeslandes Baden-Württemberg für Lehramtsstudierende mit Hauptfach Physik die erfolgreiche Teilnahme an einem Kurs zur Durchführung von Demonstrationsexperimenten vor. Darin sollen die fachdidaktischen Grundlagen der Durchführung von Schulversuchen vermittelt und anhand ausgewählter Experimente aus verschiedenen Bereichen der Schulphysik angewandt und diskutiert werden. Das Physikalische Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg bietet ein solches Praktikum seit dem Wintersemester 2008/2009 an. Dazu stellten drei Lehramtstudenten im Rahmen ihrer Abschlussarbeit insgesamt 27 Experimente aus den Bereichen Mechanik, Elektrizitätslehre, Optik, Akustik, Wärmelehre, Atomphysik und Kernphysik zusammen und entwickelten gemeinsam mit den betreuenden Dozenten die Umsetzung im Praktikum [26][27][28][29]. Die Veranstaltung ist so angelegt, dass die Studenten im Laufe des Kurses jedes Experiment einmal durchführen, jeweils in Zweiergruppen mit einem zeitlichen Umfang von ungefähr einer Stunde. Desweiteren präsentiert jede Gruppe einen ausgewählten Versuch in einem separaten Seminartermin, woran sich eine Diskussion über die fachdidaktische Umsetzung des Experiments anschließt. Der in dieser Arbeit vorgestellte Versuch zur Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase soll das bestehende Angebot des Praktikums erweitern und ergänzend im Bereich der Wärmelehre durchgeführt werden. Bisher besteht dieser lediglich aus dem Versuch Infrarotstrahlung, in welchem die von einem Leslieschen Würfel abgestrahlte Wärmestrahlung mit einer Thermosäule untersucht wird. In diesem Experiment soll erkannt werden, dass die Strahlungsleistung neben der Temperatur der emittierenden Oberfläche auch von seiner Beschaffenheit abhängt. Der hier beschriebene Versuch stellt hingegen die klimatologische Bedeutung der Wärmestrahlung heraus und offenbart die grundlegenden physikalischen Ursachen des Treibhauseffekts. Indem die Absorptionseigenschaften verschiedener atmosphärischer Gase untersucht werden, können absorbierende Treibhausgase ausgemacht und deren Treibhauswirksamkeit diskutiert werden. Damit stellt dieser Versuch einen experimentellen Zugang zu einem Thema dar, welchem im naturwissenschaftlichen Fächerverbund zunehmend Bedeutung beigemessen wird. In der Konzeption des Versuchs wurde darauf geachtet, bereits vorhandene Instrumente 57

62 5 Versuchsanleitung für das Demonstrationspraktikum zu verwenden. So sind die Thermosäule, der Temperaturfühler, das Cassy-Modul samt Laptop und die optische Bank bereits im Praktikum vorhanden. Im Folgenden findet sich die Versuchsanleitung für die Durchführung des Experiments im Demonstrationspraktikum. Darin sind in zusammengefasster Form die theoretischen Grundlagen zusammengestellt, der Versuchsaufbau beschrieben und Fragestellungen zum Experiment aufgeführt. Dabei wurde die Anleitung in Form und inhaltlichem Aufbau an die vorliegenden Versuchsanleitungen angeglichen. Insgesamt ist das Experiment so konzipiert, dass es sich im zeitlichen Umfang gut in den Ablauf des Praktikums einpasst. 58

63 Versuch 29 Absorption von Wärmestrahlung durch atmosphärische Gase In diesem Versuch soll die physikalische Ursache für den Treibhauseffekt, die Absorption von Wärmestrahlung durch atmosphärische Gase, mit Hilfe einer Thermosäule untersucht werden. 59