Die CTD - Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe. Lehrerhandreichung

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1 Die CTD - Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe Lehrerhandreichung Dieses Heft wurde von FSJlern erstellt. (Freiwilliges Soziales Jahr in Wissenschaft, Technik und Nachhaltigkeit)

2 Anmerkungen zu den Aufgabenblättern: Bearbeitungszeit: ca. ein bis eineinhalb Stunden (nicht in der Zeit enthalten ist die Zeit, die für den Experimentaufbau in Experiment 2 Schulversion). Der kursiv gedruckte Text befindet sich nur auf diesem Blatt, nicht auf den Aufgabenblättern der Schüler. Lösungen für Schülerfragen sind zudem unterstrichen. Die Experimente sind in zwei verschiedenen Versionen verfügbar: Die erstgenannte Version ist diejenige, die im Schülerlabor ausgeführt wird und die teilweise auch speziellere Materialien erfordert. Die zweite Version hingegen sollte an jeder Schule durchführbar sein. Bei größeren Gruppen und mehr als einem Betreuer ist es sinnvoll die Schüler in zwei Gruppen aufzuteilen (z.b. die Mannschaftsaufteilung aus dem Spiel beibehalten). Dabei bearbeitet eine Gruppe das Experiment 1 und das Arbeitsblatt über die elektrische Leitfähigkeit. Die zweite Gruppe bearbeitet Experiment 2 (eventuell auch noch die Zusatzaufgabe). Die Schüler sollten ihr Wissen vor der Erklärung der CTD austauschen. Die CTD - Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe Lehrerhandreichung 2/16

3 Spiel: Material: Bälle (ungefähr halb so viele Bälle wie Schüler, wir empfehlen die Größe von (Tisch-)Tennisbällen.), Uhr Die Schüler bilden zwei gleich große Gruppen. Start und Ziel einer Strecke werden festgelegt und wenn nötig markiert. Die Länge einer Strecke sollte so bemessen sein, dass ein Team hintereinander eine Armlänge voneinander entfernt stehen kann. Ein Ball darf nur übergeben werden, indem sich der Schüler, der den Ball hat, vorbeugt und zwischen den Beinen nach hinten zu seinem Mitspieler übergibt. Der Ball darf dabei nicht geworfen oder gerollt werden. Der Spieler, der in Ballbesitz ist, darf nicht laufen. Er darf auch nicht mehr als einen Ball haben. Die gegnerischen Spieler dürfen versuchen die andere Gruppe an der Ballübergabe zu hindern, die eigenen Spieler dürfen versuchen ihren Ball zu beschützen. Der Ball darf aber nur von der Gruppe verwendet werden, die den Ball vom Betreuer erhalten hat. Dabei sollen möglichst viele Bälle innerhalb von einer Minute im Ziel ankommen. Die Bälle, die im Ziel angekommen sind, dürfen zurückgerollt werden. Dabei dürfen sie nicht von der eigenen oder gegnerischen Mannschaft abgefangen werden. 1. Durchgang: Es gibt keine Bälle. 2. Durchgang: Beide Gruppen erhalten jeweils einen Ball. 3. Durchgang: Beide Gruppen erhalten jeweils die Anzahl der Bälle, die der Hälfte ihrer Spieler entspricht. (Falls nicht so viele Bälle zur Hand sind, deutlich mehr als im zweiten Durchgang) Das Spiel dient zur Erklärung des Leitfähigkeitsexperiments. Die Bälle sollen die im Wasser gelösten Ionen darstellen: Also je weniger Bälle im Spiel sind, desto weniger Salz ist gelöst. Die Leitfähigkeitsmessung wird durch das Zählen der Bälle, die im Ziel angekommen sind, symbolisiert. Egal wie schnell die Schüler arbeiten, bei weniger Bällen im Spiel kommen auch weniger ins Ziel und deshalb ist die gemessene Leitfähigkeit auch geringer als bei vielen Bällen. Das lässt sich auch auf die Leitfähigkeitsmessung des Salzwassers übertragen. (Eine Veränderung der Strecke würde einer Veränderung der Zellkonstanten entsprechen, die für jedes Messgerät bestimmt wird und durch den Abstand zwischen den Elektroden und die Größe derselben beeinflusst wird.) Die CTD - Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe Lehrerhandreichung 3/16

4 Einfluss des Salzes Alle Lebewesen sind auf einen bestimmten Salzgehaltsbereich angepasst. Auch Menschen sind davon nicht ausgeschlossen. So können wir nur Wasser trinken, dessen Salzgehalt eher gering ist. Salzwasser führt beispielsweise schnell zu Erbrechen. Überlebende eines Schiffunglücks, die trotz dieses Effekts Salzwasser trinken, verdursten zudem schneller, als hätten sie überhaupt nichts getrunken. Der Salzgehalt wirkt sich natürlich besonders stark auf Wasserlebewesen aus. So würde z.b. eine Qualle keinen Aufenthalt in Leitungswasser überstehen, weil dieses nicht genug Salz enthält. In der Ostsee zeigt sich der Einfluss des Salzgehalts auch durch die Ausbildung der Haloklinen (Salzgehaltssprungschicht) als Ergebnis eines starken Salzgradienten. Aber wie wird der Salzgehalt im Wasser überhaupt gemessen? Experiment 1: Die Mischung macht s (Schulversion) Geräte: Becherglas, Alufolie, 3 Kabel, Lämpchen mit Fassung, 4 Krokodilklemmen, 4,5V Blockbatterie, Teelöffel oder Spatel Chemikalien: destilliertes Wasser, Speisesalz Durchführung: Falte dir aus der Alufolie zwei relativ stabile Streifen. Baue folgende Schaltung auf: Abbildung 1: Schaltplan, statt Kondensator die Aluminiumstreifen einbauen. Halte beide Alustreifen an das trockene Salz. Die Streifen dürfen sich dabei nicht berühren. Notiere deine Beobachtung Befestige die Alustreifen am Rand des Becherglases. Vermeide dabei Berührungen zwischen den Streifen. Fülle das Becherglas mit destilliertem Wasser. Notiere deine Beobachtung Entferne die Streifen, gib 1-2 TL Salz zum Wasser, rühre um, befestige die Streifen wieder und notiere deine Beobachtung. Notiz: Sollte die Lampe am Ende nicht leuchten, kann man entweder mehr Salz hinzufügen oder muss eine andere Sorte Lampe benutzen. Da beim Experiment gasförmiges Chlor und Wasserstoff entstehen können, sollte der Stromkreis nur für ein paar Minuten geschlossen werden. Die CTD - Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe Lehrerhandreichung 4/16

5 Experiment 1: Die Mischung macht s (Laborversion) Geräte: Leitfähigkeitsmessgerät, Waage, 200-ml-Becherglas, kleines Becherglas (für die Waage), Glasstab, Spatel Chemikalien: Destilliertes Wasser, Speisesalz Durchführung: Lies dir zuerst die vollständige Versuchsdurchführung durch. Notiere dir jeden Messwert! Beachte dabei die Einheit. Miss die Leitfähigkeit des trockenen Salzes. Spüle die Sonde mit destilliertem Wasser ab. Fülle ein Becherglas mit 200 ml destilliertem Wasser. Miss die Leitfähigkeit des Wassers. Gib Salz in 2 g Schritten hinzu und rühre vorsichtig um. Miss nach jeder Zugabe. Nach jeder Messung sollte die Sonde abgespült werden. Messwerte: Leitfähigkeit des trockenen Salzes: 0 ms/cm Gelöstes Salz in g Leitfähigkeit in 0, , , ,7479 ms/cm 1 1 Bei 20 C und 0 dbar (auf Meereshöhe); Berechnung nach Formeln des Teos-10. Die CTD - Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe Lehrerhandreichung 5/16

6 Die elektrische Leitfähigkeit Die elektrische Leitfähigkeit ist ein Begriff, der im Zusammenhang mit elektrischem Strom auftaucht. Sie gibt an, wie gut ein bestimmter Stoff den elektrischen Strom leitet. Dieser ist gekennzeichnet dadurch, dass sich geladene Teilchen, also Ladungsträger, entlang eines Ladungsgefälles, einer Spannung, bewegen. Dazu müssen natürlich freie Ladungsträger vorliegen. Salze sind aus geladenen Teilchen aufgebaut, die Ionen. Im festen Zustand sind diese in einem Ionengitter gebunden. Wasser ist aus Molekülen aufgebaut, die sich praktisch nicht in einen einzelnen positiven und einen einzelnen negativen Teil auftrennen und deshalb nach außen hin neutral wirken. Kannst du dir die Beobachtungen im Experiment erklären? Reines Wasser: Keine Ladungsträger verfügbar, da Wasser ein neutrales Molekül. Also auch kein Stromfluss. Reines Salz: Ionen sind zwar geladenen Teilchen und damit potentielle Ladungsträger, aber im Ionengitter nicht beweglich; also keine Bewegung von Ladungsträgern (kein Strom). Salzwasser: Ionen werden im Wasser gelöst. Dadurch wird das Ionengitter zerstört und geladene Teilchen, die frei beweglich sind, sind verfügbar. Dadurch wird Strom geleitet, der wiederum gemessen wird. Leider hängt die Leitfähigkeit nicht nur vom Salzgehalt ab. Was könnte deiner Meinung nach noch Einfluss haben? Einfluss haben die Temperatur, der Druck und die Art der Ionen. (Die Zusammensetzung der Salze im Meer ist jedoch immer etwa die gleiche.) Die CTD - Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe Lehrerhandreichung 6/16

7 Druck und Wassertiefe Jeder kennt das Phänomen: Je tiefer man ins Wasser taucht, desto stärker wird der Druck den man auf die Ohren bekommt. Aber warum eigentlich? Experiment 2: Da ist ganz schön Druck dahinter! (Schulverion) 2 Geräte: 2 Luftballons, Dichtband, 4 gleiche Plastikflaschen, Knete, 2 kurze Schläuche (ca. 5 cm lang), Schere, 2 Wäscheklammern, 1 kleine Wanne, Gießkanne Chemikalien: Wasser Durchführung: Zuerst vollständige Versuchsanleitung durchlesen Die Flaschen laut Abbildung zuschneiden. Die vier Flaschen so zusammenstecken, dass sich eine Art Riesenflasche bildet (ungefähre Höhe 1m) und dann mit Dichtband abdichten. Am oberen und unteren Ende der zusammengesetzten Flasche jeweils ein Loch schneiden, durch das der Schlauch gesteckt werden kann. Das eine Ende der Schläuche jeweils ca. 2cm tief in ein Loch der Flasche stecken und das Loch mit Knete abdichten. Die Luftballons aufblasen, die Enden verdrehen und mit den Wäscheklammern verschließen. Die Ballons danach über das andere Ende der Schläuche stülpen und festkleben. Die Flasche in die Wanne stellen und mithilfe der Gießkanne mit Wasser füllen, sodass der Wasserstand etwa 10cm über dem oberen Luftballon liegt. Zuerst die Klammer am oberen Luftballon öffnen, danach die am unteren. Notiz: Nach der letzten Beobachtung sollte der unterste Ballon wieder verdreht werden, anderenfalls kann er platzen. Wenn die Ergebnisse beim oberen und unteren Luftballon gleich sind, versuchen Sie es mit mehr Luft im unteren Ballon oder einer höheren Wassersäule. Fragen: 1. Was hast du beobachtet? 2. Was lässt sich daraus folgern? Abbildung 2: Skizze zum Zerschneiden der Flaschen 2 Vgl. Anonym unter dem youtube-nutzernamen SoCoolScienceShow (2012) Die CTD - Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe Lehrerhandreichung 7/16

8 Experiment 2: Da ist ganz schön Druck dahinter! (Laborversion) Geräte: 2 Luftballons, Zylinder mit etwa 1,25 m Länge und zwei (oder mehr) Tüllen an beiden Enden, 2 (oder mehr) Wäscheklammern Chemikalien: Wasser Durchführung: Zuerst vollständige Versuchsanleitung durchlesen Die Luftballons aufblasen, die Enden verdrehen und mit den Wäscheklammern verschließen. Die Ballons danach über das andere Ende der Schläuche stülpen. Den Zylinder mit Wasser füllen Zuerst die Klammer am oberen Luftballon öffnen, danach die am unteren. Fragen: 1. Was hast du beobachtet? 2. Was lässt sich daraus folgern? Antworten zu den Fragen von Experiment 2 Zu Frage 1: Der obere Luftballon entleert sich nach dem öffnen der Klammer, der untere Luftballon füllt sich weiter mit Wasser auf. Zu Frage 2: Die Luftballonhaut versucht sich stets zusammenzuziehen. Solange die beiden Ballone geschlossen sind, wirkt dem der Luftdruck innerhalb des Ballons entgegen. Sobald die Luftballone geöffnet sind, kommt es zu einem Druckausgleich durch die Öffnung des Luftballons. Beim oberen Luftballon ist der Gegendruck des Wassers so gering, dass die Luft dabei entweicht und der Luftballon sich entleert. Beim unteren Luftballon ist der Druck dagegen so groß, dass das Wasser sogar noch in den Luftballon einfließt. Die CTD - Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe Lehrerhandreichung 8/16

9 Weitere Erklärungen Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten den Druck zu messen. Dabei gibt es sowohl mechanische als auch elektrische Druckmessgeräte. Normalerweise arbeiten diese Messgeräte mit einer Membran oder einem anderen beweglichen Bauteil und einer Kammer in der Gas ist. Dieses hat bei einem bestimmten Druck ein bestimmtes Volumen. Durch eine Druckänderung außerhalb dieser Kammer verschiebt sich dieses Bauteil oder wird gedehnt. Auch das Volumen des Gases ändert sich. Je nach Messmethode wird dies in einen Druckwert übersetzt. Die Dehnung oder Stauchung einer Membran kann zum Bespiel mittels elektrischer Widerstände gemessen werden. Der Druck auf den Ohren beim Menschen kommt dadurch zustande, dass das Trommelfell auf den beiden Seiten einen unterschiedlichen Druck erfährt. Auf der Außenseite des Ohrs steigt dieser immer mehr an, wenn wir tauchen. Auf der Innenseite des Ohrs bleibt der vorher bestehende atmosphärische Druck erhalten. Dadurch wird auch das Trommelfell eingedrückt und dadurch gedehnt. Im Extremfall kann das Trommelfell dabei auch reißen. Bilder vom Experiment (Laborversion) Abbildung 3 (links): Experimentaufbau mit 3 Ballons, der rote Ballon entleert sich. Abbildung 4 (oben): Der grüne Ballon entleert sich auch Abbildung 5 (mittig): Der gelbe Ballon kurz nachdem die Klammer entfernt wurde. Abbildung 6 (unten): (Siehe Abb. 4) nach einer Weile. Die CTD - Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe Lehrerhandreichung 9/16

10 Zusatzaufgabe (für sehr schnelle Gruppen): Die Dichte ρ des Wassers beträgt circa kg/m³, die Fallbeschleunigung g circa 10 m/s². Die Wassertiefe ist h in m. Die Formel für den Druck lautet p = ρ g h wobei der Druck hierbei in der Einheit Pascal (Pa) errechnet wird. Berechnung des Drucks für h 1 = 1 m p 1 = Pa h 2 = 2 m p 2 = Pa h 3 = 10 m. p 3 = Pa Es gibt eine weitere Einheit für den Druck: 1 bar = Pa. Die gebräuchlichste Einheit in der Ozeanographie ist jedoch dbar (dezibar). Rechne die Drücke von oben in dbar um. p 1 = Pa = 0,1 bar = 1 dbar p 2 = Pa = 0,2 bar = 2 dbar p 3 = Pa = 1 bar = 10 dbar Kannst du dir denken, warum der Druck in der Ozeanographie normalerweise in dbar angegeben wird? Der Druck in dbar entspricht ungefähr der Wassertiefe. Welchen Einfluss hat eine Änderung der Dichte auf den Druck? Und welchen hat sie auf die Wassertiefe? Eine höhere Dichte führt zu einem höheren Druck. Auf die Wassertiefe hat sie aber keinen Einfluss. Dies ist auch der Grund warum der Druck nicht gleich der Wassertiefe ist. Die CTD - Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe Lehrerhandreichung 10/16

11 Die CTD Bei einer CTD handelt es sich um eine Sonde, die die Leitfähigkeit (englisch: Conductivity), die Temperatur (englisch: Temperature) und den Druck, also auch die Tiefe (englisch: Depth), misst. Diese Sonden messen meistens kontinuierlich, so dass man Temperatur- und Salzgehaltsprofile erstellen kann. Das heißt, dass die Temperatur- oder Salzgehaltswerte einer Tiefe zugeordnet werden. In der zentralen Ostsee könnten die Profile, je nach Jahreszeit, in etwa so aussehen: Profil A: Sommer Profil B: Winter Abbildung 7: Jahreszeitliche Darstellung der Temperatur und des Salzgehalts in der zentralen Ostsee 3 Abbildung 8:Jahreszeitliche Darstellung der Temperatur und des Salzgehalts in der zentralen Ostsee 4 Aufgaben: 1. Die Profile sollen den Zustand im Sommer und im Winter darstellen. Kannst du die Profile den Jahreszeiten zuordnen? Begründe deine Entscheidung. 2. Kennzeichne die Thermokline (Temperatursprungschicht) und die Halokline (Salzgehaltssprungschicht). 3 Vgl. Matthäus (1996) Abb a.a.o. Fn. 3 Die CTD - Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe Lehrerhandreichung 11/16

12 Lösungen: 1. Begründung: Die Sonne erwärmt das Wasser im Sommer stärker als im Winter. Deshalb sind die Temperaturen an der Oberfläche um einiges höher. Dieses bleibt aufgrund seiner niedrigeren Dichte oben. Aus diesem Grund bilden sich auch eine Thermokline und darunter eine kalte Zwischenschicht aus. 2. (Siehe Abbildung) Die CTD - Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe Lehrerhandreichung 12/16

13 Die CTD kommt bei fast jeder Art von Messung in der Meeresforschung zum Einsatz, da es grundlegende hydrographische Gegebenheiten widerspiegelt. Aus diesem Grund gibt es auch, je nach Einsatzgebiet, verschiedene Arten von CTDs. Zum Beispiel gibt es kleine, tragbare Hand-CTDs, die nur jeweils einen Sensor je physikalischer Größe enthalten. An Bord der Forschungsschiffe werden diese meist doppelt gemessen. Die Schiffs-CTDs sind auch oft mit weiteren Sensoren, zum Beispiel für Sauerstoffkonzentrationen bestückt und befinden sich meist in einer Rosette aus Abbildung 9: CTD mit Wasserschöpfern, das sind Röhren die in einer Wasserschöpferrosette bestimmten Tiefe geschlossen werden und mit denen der FS Elisabeth Mann somit Wasser aus einer bestimmten Tiefe an die Borgese Oberfläche gebracht wird. Diese CTDs müssen aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts mittels einer Winde ins Wasser gelassen werden. Abbildung 10: beschriftete Hand-CTD 1.) Drucksensor von unten 2.) Leitfähigkeitssensor von unten 3.) Temperatursensor von unten 4.) Computerausgang 5.) Nr. 4 mit Dichtung 6.) Kontrolllämpchen 7.) Magnetschalter 8.) Auftriebskörper 9.) Sensoren 10.) Schutzkäfig 11.) Seil Die CTD - Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe Lehrerhandreichung 13/16

14 Auch bei der Langzeitbeobachtung werden CTDs eingesetzt. So wurde auch im Mai 2013 bei einer Monitoringfahrt bei Nord und Ost (siehe Karte) dieses Profil gemessen: Abbildung 12: Westliche Ostsee mit Station TF0213 Abbildung 11: Profil der Station TF0213 am Die CTD - Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe Lehrerhandreichung 14/16

15 Literaturverzeichnis: Printmedien: Erbrecht, R., König,H., Karlheinz Martin, K., Pfeil,W. und W. Wörstenfeld (1999). Das große Tafelwerk. Mechanik der Flüssigkeiten und Gase. 1. Auflage. Berlin. Volk und Wissen Verlag, S. 78, ISBN Matthäus, W. (1996). Temperatur, Salzgehalt und Dichte. In: Rheinheimer, G. (Hrsg.). Meereskunde der Ostsee, 2.Auflage. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag. S ISBN McDougall T.J. und P. M. Barker (2011).: Getting started with TEOS-10 and the Gibbs Seawater (GSW) Oceanographic Toolbox, SCOR/IAPSOWG127, 28 Seiten, ISBN Onlinemedien: Anonym unter dem youtube-nutzernamen SoCoolScienceShow (2012).!!!NEW WATERPRESSURE EXPERIMENT!!!. Zugriff am unter: Gumpert, N. (2014). Erbrechen auslösen. Wie oder wodurch kann man Erbrechen auslösen?. Zugriff am unter Rösch, N. Überarbeitet von Bickel, S., Fransbach, K. und K. Kiefer(2010). Wozu braucht man Wasser. Auch Tiere brauchen Wasser - Wassertiere. Zugriff am unter: _man_wasser/dateien/tier/tier.html Schaffner, T. Inhaltlich Verantwortlicher Burkacky, O. Im Wasser verdurstet. Zugriff am unter: Im+Wasser+verdurstet-15.html Schmidt, B. (2010). Drucksensoren. Zugriff am unter: Schmidt, M.(2001). Die elektrische Leitfähigkeit. Zugriff am unter: Die CTD - Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe Lehrerhandreichung 15/16

16 Spektrum Akademischer Verlag (2001). Osmoregulation. Zugriff am unter: Tillmann, A. (Red.)(2009). Elektrische Leitfähigkeit - Versuche mit Wasser und Kochsalz. Zugriff am unter: Wiegand, B. (2014). Risiken beim Tauchen. Zugriff am unter: Die CTD - Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe Lehrerhandreichung 16/16