2. Physikalischer Hindergrund

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1 2. Physikalischer Hindergrund 2.1. Das globale Energiegleichgewicht Treibhauseffekt In Abb. 2.1 ist die globale mittlere Energiebilanz im System Atmosphäre-Erdoberfläche schematisch dargestellt. Betrachtet man nur die thermische Abstrahlung der Erdoberfläche, die wie hier dargestellt im Mittel etwa 390 W/m 2 beträgt, im Vergleich zur auf der Erdoberfläche ankommenden solaren Energie von etwa 160 bis 170 W/m 2, so scheint sich ein Widerspruch zu ergeben. Die thermische Abstrahlung der Erdoberfläche ist selbst noch höher als die solare Einstrahlung an der Atmosphärenobergrenze ( 342 W/m 2 ). Damit scheint das Gleichgewicht zwischen Energiezufuhr und Energieentzug auf der Erdoberfläche verletzt und die Durchschnittstemperatur der Erde müsste bei etwa -18 C liegen. Abbildung 2.1. Der globale Energiehaushalt aus [Heb07] nach [KT97] 3

2 2. Physikalischer Hindergrund 2.1. Das globale Energiegleichgewicht Dieser Widerspruch wird jedoch dadurch aufgelöst, dass die Atmosphäre im IR-Bereich Strahlung absorbiert und deswegen einen Großteil der ihr zugeführten Energie als thermische Gegenstrahlung wieder zur Erdoberfläche zurückstrahlt, wodurch in der unteren Atmosphäre im globalen Mittel eine Temperatur von etwa +15 C herrscht. Diese abschirmende Wirkung der Atmosphäre wird häufig mit einem Glashaus verglichen, welches kurzwelliges Sonnenlicht durchlässt, die Wärmestrahlung, die vom Boden bzw. den Pflanzen ausgeht, jedoch zurückhält. Deswegen wird diese Abschirmwirkung auch natürlicher Treibhauseffekt genannt (vgl. [RW10]). Der Grund, dass die Atmosphäre vor allem IR-Strahlung absorbiert, ist, dass ihre Bestandteile charakteristische Absorptionsbänder im IR-Bereich besitzen. Infrarotstrahlung befindet sich energetisch im Bereich der Rotations- bzw. Schwingungsübergänge von Molekülen. Das Schwingungsverhalten von Molekülen wird durch Normalschwingungen beschrieben, d.h. durch Schwingungen, bei denen alle Kerne des Moleküls gleichzeitig durch die Ruhelage gehen und für welche sowohl der Gesamtimpuls als auch der Gesamtdrehimpuls des Kerngerüsts null ist. Jedes Atom eines Moleküls besitzt 3 Freiheitsgrade der Translation und somit verfügt jedes Molekül aus N Atomen über 3N Freiheitsgrade. Aufgrund der Translation des Schwerpunkts entfallen jedoch im Molekül drei Freiheitsgrade. In nichtlinearen Molekülen werden außerdem noch weitere drei Freiheitsgrade für die Rotation um die drei Hauptträgheitsachsen durch den Schwerpunkt benötigt. Somit verbleiben für ein nichtlineares Molekül 3N - 6 Schwingungsfreiheitsgrade (vgl. [Dem16]). Lineare Moleküle besitzen 3N - 5 Freiheitsgrade, da es für diese aufgrund der Symmetrie nur zwei Freiheitsgrade der Rotation gibt. Abbildung 2.2. Normalschwingungen a eines nichtlinearen und b eines linearen dreiatomigen Moleküls; entnommen aus [Dem16] 4

3 2. Physikalischer Hindergrund 2.1. Das globale Energiegleichgewicht In Abb. 2.2 sind Normalschwingungen von Molekülen an Hand eines nichtlinearen dreiatomigen Moleküls (H 2 O mit3 3 6 = 3 Schwingungsfreiheitsgraden) und eines linearen dreiatomigen Moleküls (CO 2 mit = 4 Schwingungsfreiheitsgraden) dargestellt. Die Schwingungen des nichtlineare Molekül bestehen aus eine Überlagerung von drei Arten von Normalschwingungen, der symmetrischen Streckschwingung ν 1, der Knickschwingung ν 2 und der asymmetrischen Streckschwingung ν 3. Die Schwingungen des lineare Moleküls aus einer Überlagerung von vier Arten von Normalschwingungen, da es zwei Arten von Knickschwingungen mit gleicher Frequenz ν 2 ausführen kann. Eine Wechselwirkung zwischen der IR-Strahlung und den Molekülen findet jedoch nur statt, falls sich durch die Schwingungen auch das elektrische Dipolmoment des Moleküls ändert. Nur dadurch kann Strahlung absorbiert werden. Solche Schwingungen werden als IR-aktiv bezeichnet. Weshalb symmetrische Schwingungen, deren Ladungsschwerpunkt immer erhalten bleibt, IR-inaktiv sind. Das heißt, dass zweiatomige homonukleare Moleküle, wie O 2, keine IR-Strahlung absorbieren können. Die Moleküle in Abb. 2.2 dagegen sind, bis auf CO 2 im Ruhezustand und in symmetrischer Streckschwingung, IR-aktiv. Das hat zur Folge, dass die von der Erde abgestrahlte Wärmestrahlung in der Atmosphäre absorbiert und damit ein Teil der Wärmeenergie sozusagen im "Glashaus Erdoberfläche- Atmosphäre" zurückgehalten wird. Dies führt zu einer Erwärmung im Inneren und geschieht solange, bis sich ein Strahlungsgleichgewicht eingestellt hat. Wichtige Gase für diesen Effekt sind abgesehen von den in Abb. 2.2 dargestellten H 2 O und CO 2 auch noch N 2 O und CH 4. Anhand von CO 2 wird dieser Effekt in Kapitel 3 in einem Experiment veranschaulicht. 5

4 3. Experimente 3.1. CO 2 -Treibhaus-Experiment Nach Kapitel 2 ist bekannt, dass Spurengase, wie H 2 O, CO 2, N 2 O und CH 4 starke IR-Bänder besitzen. Weshalb sie sich unter Bestrahlung von Licht im Bereich von IR- Strahlung stärker erwärmen als Luft. In folgendem Experiment soll dies anhand von CO 2 veranschaulicht werden. Dieses Experiment war bereits am IUP Heidelberg vorhanden und mit einer Kurzdokumentation von Herrn Aeschbach-Hertig (siehe [AH]) versehen. Im Laufe meiner Arbeit habe ich versucht den ursprünglichen Aufbau zu verbessern. Dies ist im Folgenden beschrieben. Verwendetes Material Grundplatte aus Kunststoff mit Alufolie abgedeckt, darauf Stativaufbau mit Lampenfassung Lichtquelle: PAR-Hochvolt-Halogenlampe geschlossen, 240 V, 50 W Plexiglasrohr: Länge 20 cm, ID 10 cm, Wandstärke 5 mm, seitlich mit kleinem Loch zum Einführen des Thermometers Klarsichtfolie und Klebeband Gasbeutel: Tedlar (PVF) Beutel zur Gasprobenahme 1 dünner Schlauch (passend zur Öffnung des Gasbeutels) Thermometer: Greisinger ( GMH Software: EBS9M Schreiber Software von Greisinger zum Auslesen und Darstellen der Temperaturdaten. 3 Ventilator (einfacher Standventilator genügt) evtl. zusätzliches (analoges) Thermometer 1 z.b. 2 High Precision Digitalthermometer mit GTF401 Sensor (Pt 100). Inkl. USB-Schnittstelle an Computer 3 Für mehr als einen Sensor parallel besteht am IUP Heidelberg eine selbstprogrammierte Labview Software (PlotTemp, Ronny Friedrich), welche die Datenfiles von EBS9M lesen und darstellen kann (auch während der Messung, wenn die.dat Files geschrieben werden) 9

5 Versuchs-Aufbau Abbildung 3.1. Aufbau CO 2 -Treibhaus-Versuch Eine Lampe, welche hauptsächlich im IR-Bereich strahlt, wird oberhalb eines Plexiglasrohrs aufgehängt. Dadurch kann gezielt eine Gassäule bestrahlt werden. Das Plexiglasrohr wird auf Alufolie gestellt und mit einer Klarsichtfolie abgedeckt (vgl. Abb. 3.1), damit die Gassäule von der Umgebung isoliert werden kann. Der Schlauch, mit welchem später das CO 2 zugeführt wird, kann unterhalb der Klarsichtfolie eingeführt werden und mit Klebeband fixiert werden. Außerdem wird ein Ventilator benötigt, der das Plexiglasrohr von außen kühlt, um Temperaturschwankungen aufgrund der sich erwärmenden Umgebung (insbesondere des Plexiglases) zu vermeiden. Die Temperatur innerhalb der Röhre wird nahe am Boden gemessen. Dies kann mit Hilfe eines Thermometers mit USB-Anschluss geschehen, um den Temperaturverlauf über die Zeit aufzuzeichnen und über einen Computer mit angeschlossenem Beamers zu projizieren. 10

6 Ablauf Nachdem der Versuch aufgebaut ist, sollte zunächst das CO 2 in den Gasbeutel abgefüllt werden, damit dies bis zum Einfüllen in etwa Raumtemperatur angenommen hat. Anschließend sollte der Ventilator eingeschaltet werden, damit die Temperatur außerhalb des Rohrs trotz Bestrahlung konstant bleibt. Zu Beginn befindet sich Luft im Rohr. Wird die Lampe angeschaltet, steigt die Temperatur im Inneren des Rohres. Nach einiger Zeit stellt sich ein Temperaturgleichgewicht ein, dies kann jedoch ca. 30 Minuten dauern. Wenn sich das Gleichgewicht eingestellt hat, wird in die Säule das zuvor abgefüllte, reine CO 2 eingeleitet. Infolge der höheren Infrarotabsorption von CO 2 ist ein erneuter Anstieg, über das zuvor bei Luft erreichte Gleichgewicht hinaus, in der Temperatur-Zeit-Kurve zu erkennen. Kommentar Der ursprüngliche Aufbau, nach "Kurzdokumentation CO 2 -Treibhaus-Versuch" von Herrn [AH], ist in Abb. 3.2 zu sehen. Wie zu sehen ist, befand sich hier das Plexiglasrohr direkt Abbildung 3.2. Ursprünglicher Aufbau CO 2 -Treibhaus-Versuch entnommen aus [AH] 11

7 auf der schwarzen Kunststoffplatte des Stativaufbaus und war nicht durch die Klarsichtfolie abgedeckt. Ebenso wenig wurde ein Ventilator verwendet. Die Diagramme in Abb. 3.3 zeigen den Temperatur-Zeit-Verlauf des ursprünglichen Aufbaus (a) und des neuen, verbesserten Aufbaus (b). In beiden Diagrammen ist zu se- (a) Ursprünglicher Aufbau (b) Verbesserter Aufbau Abbildung 3.3. Temperatur-Zeit-Diagramme hen, dass es einige Zeit braucht, bis sich ein Temperaturgleichgewicht eingestellt hat, solange sich ausschließlich Luft im Rohr befindet. Nach Zufuhr des CO 2 wird viel schneller ein erneutes Temperaturgleichgewicht erreicht. Allgemein wird mit dem neuen Aufbau eine geringere Höchsttemperatur, sowohl bei Luft als auch bei CO 2, gemessen. Dies liegt daran, dass durch den Ventilator ein Anstieg der Temperatur aufgrund von Wärmeleitung über das Plexiglasrohr verringert wird. Außerdem ist zu erkennen, dass die Temperatur nach Zuführen des CO 2 beim alten Aufbau deutlich stärker (um etwa 6 C) ansteigt, als beim neuen Aufbau (etwa 1-2 C). Dieser stärkere Anstieg lässt sich dadurch erklären, dass im alten Aufbau die Luft im Rohr mit der aus der Umgebung im ständigen Austausch stand, weshalb immer wieder "neue", kältere Luft nach strömt, bis annähernd ein Gleichgewicht erreicht wird. Das CO 2 ist jedoch schwerer als Luft und sammelt sich unten am Boden des Rohrs in der Nähe des Temperaturfühlers des Thermometers. Da es dadurch nicht so stark im Austausch mit der Umgebung steht, erwärmt es sich stärker als Luft. Um diesen Effekt zu verringern wurde das Rohr im verbesserten Aufbau mit Klarsichtfolie abgedeckt, wodurch nicht ständig neue Luft von außen zuströmen kann. Durch die Alufolie statt der schwarzen Kunststoffplatte als Unterlage wird verhindert, dass sich der Boden erwärmt. Damit wird erreicht, dass die Temperaturkurve glatter verläuft, man also ausschließlich die Absorption der IR-Strahlung in der Gassäule misst. Denn die Alufolie reflektiert das eingestrahlte Licht im Gegensatz zur schwarzen Kunst- 12

8 stoffplatte ausschließlich. Wird das CO 2 vor Beginn des Versuchs in den Gasbeutel abgefüllt, erreicht es in etwa Raumtemperatur. Damit wird verhindert, dass beim Einfüllen des CO 2 in das Plexiglasrohr die Temperaturkurve zunächst kurz absinkt, bevor sie, wie in den Diagrammen, erneut ansteigt. Es ist nicht klar, ob die hierdurch gemessene Erwärmung auf eine Reduktion der Infrarotabstrahlung der Oberfläche, wie beim atmosphärischen Treibhauseffekt,beruht oder darauf, dass die Infrarotstrahlung, welche direkt von der Lampe kommt vermehrt absorbiert wird. Dennoch können mit diesem Versuch die unterschiedlichen Absorptionseigenschaften von Luft und CO 2 gezeigt werden. Damit kann erklärt werden, wie wichtig die Atmosphäre für die Erde ist. Da sie für einen natürlichen Treibhauseffekt sorgt und damit verhindert, dass die Erde auskühlt. Aber es kann auch darauf hingewiesen werden, was zusätzliches, durch den Menschen "produziertes", CO 2 verursachen kann. Didaktische Variationen Der Versuch ist gut für Demonstrationszwecke in Vorlesungen oder Vorträgen geeignet. Am besten wird er dabei zu Beginn des Vortrags erklärt und gestartet, da es eine Weile dauert, bis das Temperaturgleichgewicht bei Luft eingestellt ist. Später kann dann der Effekt mit CO 2 gezeigt werden. Um den Temperaturanstieg nach Zufuhr des CO 2 nochmals genauer zu erklären eignet sich folgende Simulation: swf. Darin wird gezeigt, wie dreiatomige Moleküle (wie die oben genannten Treibhausgase) durch Wärmestrahlung zu Schwingungen angeregt werden, wohingegen zweiatomigen Molekülen (Luft: N 2, O 2 ) nicht durch Wärmestrahlung in Schwingung versetzt werden. Damit das Interesse der Studenten geweckt wird und diese zu eigenständigem Denken angeregt werden, lässt sich der Versuch auch etwas abgewandelt durchführen. Falls die Möglichkeit besteht, den Versuchsaufbau in der oben beschrieben Art und Weise zweifach aufzubauen, kann man für den einen Aufbau das abgefüllte CO 2 mit Raumtemperatur verwenden und für den anderen Aufbau CO 2, welches nach dem Abfüllen bis kurz vor Verwendung im Kühlschrank gekühlt wird. Den Studenten sollte jedoch nichts von der unterschiedlichen "Behandlung" des CO 2 berichtet werden. Misst man wiederum den Temperatur-Zeit-Verlauf so ergeben sich ähnliche Diagramme wie in Abb Man sieht dann im Diagramm des zweiten Aufbaus nach Hinzufügen des Kohlendioxids 4 Das in Abb. 3.4 (b) verwendete CO 2 wurde nicht im Kühlschrank gekühlt, sondern lediglich zügig (unter größerem Druck) abgefüllt und direkt danach dem Experiment zugeführt. 13

9 (a) mit CO 2 auf Raumtemperatur (b) mit gekühltem CO 2 Abbildung 3.4. Temperatur-Zeit-Diagramme zunächst einen Temperaturabfall. Auf diese Wiese können die Studenten dazu aufgefordert werden zu überlegen, was der Grund für diesen Unterschied sein könnte. Falls keine Möglichkeit für einen zweiten analogen Aufbau besteht, kann stattdessen im Anschluss an die Durchführung zum Vergleich das Diagramm aus Abb. 3.4 (b) gezeigt werden. Auch hiermit kann man auf die Unterschiede der Diagramme und die möglichen Gründe dafür zu sprechen kommen. 14