Der Kohlenstoffkreislauf

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1 Didaktische FWU-DVD Biologie Chemie Geographie Klasse 8 13 Klasse 8 13 Klasse 8 13 Trailer ansehen

2 Schlagwörter Assimilation; Atmosphäre; Biosphäre; Calcit; Calciumhydrogencarbonat; CO 2 ; Dissimilation; Durchschnittstemperatur; Erde; fossile Brennstoffe; Fotosynthese; Glukose; Hydrogencarbonat; Hydrosphäre; Industrielle Revolution; Kalk; Kalkgestein; Klimaerwärmung; Klimawandel; Kohlensäure; Kohlenstoff; Kohlenstoffdioxid; Kohlenstoffkonzentration; Kohlenstoffkreislauf; Kohlenstoffverbindungen; Kreislauf; Lithosphäre; Meer; menschlicher Einfluss; Methan; Nahrungskette; Ökosysteme; Ozean; Pedosphäre; Photosynthese; Phytoplankton; Planeten; Sedimentschichten; Teilkreislauf; Treibhausgas; Versauerung; Wasser Systematik Chemie Biologie Geographie Umweltgefährdung Allgemeine Chemie Chemisches Gleichgewicht und seine Beeinflussung Anorganische Chemie Elemente, Verbindungen, Säure-Base- Reaktionen Organische Chemie Kohlenwasserstoffe Biochemie Stoffwechselvorgänge Ökologie Stoffkreisläufe Ökologie Ökosysteme Geologie Tektonik, Vulkanismus Hydrographie Meer Klimageographie Klima Geoökologie Ökosystem Geoökologie Umweltprobleme Wasser 2

3 Zum Inhalt (Film 15 min) Der globale Kohlenstoffkreislauf ist von zentraler Bedeutung, da alle biologischen Organismen kohlenstoffhaltige Verbindungen für ihr Überleben benötigen. Der Film zeigt, dass der Kohlenstoffkreislauf hauptsächlich ein Kohlenstoffdioxidkreislauf ist, der aus vielen Teilschritten besteht: Die wichtigsten sind die Assimilation von CO 2 durch Pflanzen in der Fotosynthese und der entgegengesetzte Vorgang, also die Rückführung von Kohlenstoffdioxid, die Zellatmung des von den Pflanzen produzierten Sauerstoffs zu CO 2. Der Film gibt einen Überblick über die Bedeutung von Kohlenstoff im Allgemeinen und gibt einen Einblick in den Ablauf des Kohlenstoffkreislaufs. Dabei werden die einzelnen Prozesse zur Umwandlung, Weitergabe und Wiederaufbereitung des Kohlenstoffs anschaulich erklärt und es wird verdeutlicht, wie die verschiedenen Teilkreisläufe ineinandergreifen. Erst die Kenntnis dieser Kreisläufe ermöglicht es, die Eingriffe des Menschen in den Kohlenstoffkreislauf zu verstehen und deren Auswirkungen auf die globale Klima veränderung abzuschätzen und zu bewerten. Filmsequenzen und seine Teilkreisläufe (3:00 min) Die Filmsequenz zeigt, dass der Kohlenstoffkreislauf in mehrere Teilkreisläufe unterteilt werden kann. Dabei laufen manche Prozesse schnell und andere sehr langsam ab. In diesen Kreisläufen wird der Kohlenstoff von fünf großen Teilsystemen aufgenommen, getauscht und gespeichert. 99,95 Prozent des gesamten Kohlenstoffvorkommens befinden sich in der Gesteinshülle der Erde. Biologischer Kreislauf (2:40 min) Das CO 2 aus der Atmosphäre ist die erste Station des biologischen Kohlenstoffkreislaufs. Während der Fotosynthese wandeln Pflanzen das Kohlenstoffdioxid und Wasser mithilfe von Lichtenergie in Glukose um. Diesen Prozess nennt man Assimilation. Der dazu gegenläufige Prozess ist die Zellatmung oder auch Dissimilation. Die Filmsequenz verdeutlicht, dass der biologische Kohlenstoffkreislauf eng mit dem Wachstum von Pflanzen verbunden ist. Dadurch lassen sich auch die jahreszeitlichen Schwankungen der CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre erklären. 3

4 Prozesse im Meer (2:20 min) Ozeane können fünfzigmal mehr Kohlenstoff speichern als die Atmosphäre und zwanzigmal mehr als die Biosphäre. Sie wirken somit als Kohlenstoffsenke und spielen im globalen Kohlenstoffkreislauf eine wichtige Rolle. Anders als andere Gase kann Kohlenstoffdioxid mit Wasser reagieren. Das verleiht den Ozeanen ihre enorme Speicherkraft. Der Kohlenstoffaustausch kann allerdings nur an der Wasseroberfläche stattfinden. Dadurch passt sich der Kohlenstoffgehalt nur relativ langsam an. In den oberflächennahen Bereichen der Meere betreibt außerdem das Phytoplankton Fotosynthese. Es kann dadurch Kohlenstoffdioxid aufnehmen und zu organischen Molekülen umwandeln. So wird der Kohlenstoff im Ozean Teil der Nahrungskette. Langsamer Kohlenstoffkreislauf (2:50 min) In der Erdkruste vor allem im Kalkgestein findet man den größten Anteil an Kohlenstoff auf der Erde. Über Zersetzungsprozesse an Land (Stichwort Verkarstung ) gelangen Hydrogencarbonatund Calcium-Ionen bis ins Meer. Hier bauen viele Meeresbewohner mit ihrer Hilfe ihre Schalen oder Skelette auf. Sterben die Lebewesen, löst sich ein großer Teil des eingebauten Kalks auf und dient weiteren Organismen als Baumaterial. Aber ein kleiner Teil sinkt bis zum Meeresboden ab und wird mit der Zeit zu Kalksedimenten verfestigt. Bis ein Kohlenstoffatom den gesamten langsamen Kohlenstoffkreislauf durchlaufen hat, kann es manchmal Millionen von Jahren dauern. Die Einflüsse des Menschen (3:20 min) Die verschiedenen langsamen und schnellen Teilkreisläufe des Kohlenstoffs bilden ein gut aufeinander abgestimmtes System. Die Kohlenstoffkonzentration in den einzelnen Speichern bleibt eigentlich relativ konstant. Doch vom Menschen verursachte Einflüsse bringen den sensiblen Kohlenstoffkreislauf immer mehr aus seinem natürlichen Gleichgewicht. Auch wenn die Kohlenstoffvorkommen in Wasser, Luft und Lebewesen mit 0,05 Prozent sehr unbedeutend zu sein scheinen, ist besonders der Kohlenstoff in der 4

5 Atmosphäre vor allem als Kohlenstoffdioxid von großer Bedeutung für das Klima auf der Erde: Das CO 2 sorgt neben anderen Treibhausgasen für einen Anstieg der Durchschnittstemperatur auf der Erde. Seit Beginn der Industriellen Revolution ist diese bereits um 0,8 Grad Celsius gestiegen. Ein großes Problem ist auch die Versauerung der Ozeane. Rund 30 Prozent des freigesetzten Kohlenstoffdioxids werden von den Ozeanen aus der Atmosphäre aufgenommen. Dies wirkt sich auf den ph-wert aus. In den Ozeanen hat sich dieser in den letzten Jahrzehnten bereits um etwa 0,1 gesenkt. Dadurch werden die Schalen und Skelette der Tiere dünner und zerbrechlicher und besonders die Korallenriffe bleichen aus und sterben ab. Grafiken und seine Teilkreisläufe (Grafik) Die Grafik zeigt in vereinfachter Form den Kohlenstoffkreislauf mit ungefähren Angaben zu den Kohlenstoffmengen in den einzelnen Teilsystemen in Gigatonnen (GT). Zusätzlich können die Kohlenstoffumsätze und -flüsse (in GT/a) in seinen Teilkreisläufen eingeblendet werden. Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der Atmosphäre (2 Grafiken) Die erste Grafik zeigt den Anstieg der Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der Atmosphäre seit Christi Geburt. Diese war über zwei Jahrtausende fast konstant gleich und es gab sogar einige Phasen, in denen sie rückläufig war. Aber 5

6 deutlich wird auch, dass sich die Kohlenstoffdioxid-Konzentration seit Beginn der Industriellen Revolution ab Ende des 18. Jahrhunderts stetig erhöht hat. Diesen Umstand verdeutlicht die zweite Grafik zur Kohlenstoffdioxid-Konzentration noch einmal. Diese Konzentration wird hier für den Zeitraum von kurz vor 1960 bis heute gezeigt. Dabei wird sowohl ein gemittelter Wert als auch der tatsächliche Wert mit seinen jahreszeitlichen Schwankungen dargestellt. Abweichung der globalen Lufttemperatur (Grafik) Die Darstellung zeigt den aus dem anthropogenen Treibhauseffekt resultierenden Temperaturanstieg seit 1850 etwa seit Beginn der modernen Wetterbeobachtung bzw. -aufzeichnung. Dabei entspricht die Nulllinie dem globalen Temperaturdurchschnitt der Jahre 1961 bis Dieser liegt bei 14,0 C. Der globale Temperaturdurchschnitt im Jahr 2016 lag bei rund 14,8 C und der Temperaturanstieg somit bei etwa 0,8 C. Versauerung der Ozeane (Grafik) Als Versauerung der Ozeane wird die Abnahme des ph-wertes des Meerwassers bezeichnet. Der Vorgang zählt neben der globalen Erwärmung zu den Hauptfolgen der menschlichen Emissionen von Kohlenstoffdioxid. Das Meerwasser ist leicht basisch. Durch die Versauerung wird es nicht sauer, sondern weniger basisch (= ph-wert um 8). Infolge des menschlichen Kohlenstoffdioxid aus stoßes, der zu etwa einem Viertel von den Weltmeeren aufgenommen wird, stieg der Säuregrad der Ozeane seit Beginn der Industrialisierung um knapp 30 Prozent. Dies hat weitreichende Folgen für Tiere mit Skeletten oder Gehäusen aus Kalk oder beispielsweise die Korallenriffe (Stichwort Korallenbleiche ). Im ROM-Teil der Produktion stehen zwei weitere Grafiken bereit: Steckbrief Kohlenstoff (Grafik) Das Periodensystem der Elemente (Grafik) Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards (Biologie B, Chemie C, Geographie G) Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Kohlenstoffkreislauf aus biologischer und chemischer Perspektive (B/C); 6

7 nennen und beschreiben die Eigenschaften (z. B. Aggregatzustand, Ordnungszahl, Vorkommen und Nutzung) von Kohlenstoff und kohlenstoffhaltigen Verbindungen (C); leiten Reaktionsgleichungen zu einzelnen chemischen Prozessen im Kohlenstoffkreislauf und seinen Teilkreisläufen her und beschreiben diese (C); schließen aus der Eigenschaft und Rolle von Kohlenstoffverbindungen für Pflanzen auf die Bedeutung des Kohlenstoffs für das Leben auf der Erde (B/C/G); gewinnen Einblicke in Ökosysteme am Beispiel des Kohlenstoffkreislaufs und der Nahrungskette (B); beschreiben die Rolle und Bedeutung des Kohlenstoffs bei Assimilation und Dissimilation (B); erörtern den Eingriff des Menschen in die Natur und den damit einhergehenden Einfluss auf den Kohlenstoffgehalt insbesondere in der Atmosphäre (B/G); strukturieren sukzessive visualisierte Inhalte und Texte in den Arbeitsmaterialien (B/C/G); leiten aus grafischen Darstellungen (z. B. Diagramme) Aussagen ab (B/C/G); kommunizieren und argumentieren die Prozesse im Kohlenstoffkreislauf in Einzel- und/oder Gruppenarbeit (B/C/G); erklären das biologische Phänomen zur Bedeutsamkeit von Kohlenstoff (dioxid) (B); interpretieren und beschreiben themenbezogene Diagramme unter Verwendung von Fachsprache (B/C/G); recherchieren die Eigenschaften von Kohlenstoff selbstständig in unterschiedlichen Medien und stellen ihre Ergebnisse fachgerecht dar (B/C/G); verfügen über die Fähigkeit, thematische Karten zu lesen, zu analysieren und zu interpretieren (B/C/G); können relevante Informationen aus dem Film herausarbeiten und gliedern (B/C/G); strukturieren fachlich relevante Informationen aus verschiedenen Informationsquellen (Film, Text), erarbeiten und verknüpfen Einsichten und organisieren diese (B/C/G); üben sich in der Partner- und Gruppenarbeit und zeigen Präsentationstechniken vor der Klasse (B/C/G); formulieren Fragestellungen zum Eingriff des Menschen in den natürlichen Kohlenstoffkreislauf (B/C/G); können nachvollziehen, welche Be- 7

8 deutung das Element Kohlenstoff für das Leben auf der Erde hat (B/C); diskutieren und bewerten die steigende Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Atmosphäre aus biologischer, chemischer und geographischer Perspektive (B/C/G); beschreiben den Stoffkreislauf des Kohlenstoffs und seine Teilkreisläufe (B/C); erörtern die Rolle von Kohlenstoffverbindungen im Kreislauf des Kohlenstoffs in der Natur (B/C); diskutieren und bewerten die Auswirkungen des Eingriffs des Menschen in den natürlichen Kohlenstoffkreislauf (B/C/G). Didaktische Hinweise Die vorliegende Produktion zum Kohlenstoffkreislauf ist für den Biologie- und Chemieunterricht in der Sekundarstufe I (ab Klasse 8) ausgelegt und kann parallel dazu im Geographieunterricht eingesetzt werden. Die Inhalte bilden vielseitige Anknüpfungspunkte für einen fächerübergreifenden Unterricht, sowohl in den besagten Fächern als auch zu politischen, wirtschaftlichen oder umweltrelevanten Themen. Die Schülerinnen und Schüler erhalten die Möglichkeit, sich insbesondere aus biologischer und chemischer Perspektive ein vertieftes Verständnis zu den Prozessen, der Funktion und der Bedeutung des Kohlenstoffkreislaufs zu erarbeiten. Die Einsatzmöglichkeiten des Films sind flexibel. So kann der Film sowohl als Einstieg in die Thematik als auch als stückweise Begleitung zu den einzelnen Teilen einer entsprechenden Unterrichtseinheit verwendet werden, oder aber als Abschluss und grundlegende Zusammenfassung der Behandlung des Themas im Unterricht. Die Produktion eignet sich für die Vermittlung folgender Lehrplaninhalte: Denken in Systemen Element Kohlenstoff Chemische Prozesse bei der Fotosynthese Assimilation und Dissimilation Kohlenstoffkreislauf und seine Teilkreisläufe Kohlenstoffsenken und Kohlenstoffquellen Klimaveränderung auf der Erde und deren Ursachen Versauerung der Meere und ihre Ursachen Moderne Lebens- und Arbeitswelt 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM- Teil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen als PDF- und Word-Dateien vor: Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen) Grafiken Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz des Films, der Filmsequenzen, der Grafiken, und der ergänzenden Arbeitsmaterialien 1) Das Element Kohlenstoff 2) 3) Biologischer Kohlenstoffkreislauf 4) Versauerung der Ozeane 5) Klimawandel und seine Teilkreisläufe Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der Atmosphäre (2 Grafiken) Abweichung der globalen Lufttemperatur Versauerung der Ozeane Steckbrief Kohlenstoff Das Periodensystem der Elemente Filmtext zum Film als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9

10 Programmstruktur Hauptmenü Untermenü und seine Teilkreisläufe Film 15 min Sequenzen Grafik und seine Teilkreisläufe Biologischer Kreislauf Prozesse im Meer 3:00 min 2:40 min 2:00 min Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der Atmosphäre 2 Grafiken Abweichung der globalen Lufttemperatur Grafik Langsamer Kohlenstoffkreislauf Die Einflüsse des Menschen 2:50 min 3:20 min Versauerung der Ozeane Grafik Arbeitsmaterial Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 5 Arbeitsblätter (mit Lösungen) 8 Grafiken Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben 10

11 Produktionsangaben (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2017 DVD-Konzept Manfred Rank DVD-Authoring und Design TV Werk GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2017 Karten & Grafiken Karin Commettant / CIPICS.COM Grafik & Design Anika Krings Bildnachweise FWU Institut für Film und Bild Arbeitsmaterial Gerrit Anke Rau Begleitheft Manfred Rank Pädagogische Referenten im FWU Manfred Rank, Svenja Weiß Produktionsangaben zum Film Produktion Michael Tewiele im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2017 Drehbuch Gerrit Anke Rau, Manfred Rank, Michael Tewiele Regie, Kamera und Schnitt Michael Tewiele Sprecherin Brigitte Assheuer 2D-/3D-Animation Michael Tewiele Musik und Mastering Florian Bodenschatz Sounddesign und Voice Editing Florian Bodenschatz Fachberatung Gerrit Anke Rau Redaktion Manfred Rank, Svenja Weiß Danke für die Unterstützung Daniel Schaub, Christine Tewiele Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2017 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Kohlenstoff ist für das Leben auf der Erde von großer Bedeutung. Entsprechend ist der natürliche Kohlenstoffkreislauf einer der wichtigsten Stoffkreisläufe. Die Produktion stellt diesen mit seinen vielen Teilkreisläufen vor. Vor dem Hintergrund der Diskussion darüber, welchen Einfluss der Mensch auf das Klima hat, wird auch der Anstieg der Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der Atmosphäre seit Beginn der Industrialisierung thematisiert. Laufzeit 15 min Klasse 8 13 Sprache Film 1 Filmsequenzen 5 Arbeitsblätter 5 DE Grafiken 7 Kompetenzerwerb: Die Schülerinnen und Schüler schließen aus der Eigenschaft und Rolle von Kohlenstoffverbindungen für Pflanzen auf die Bedeutung für das Leben auf der Erde (B/C/G); erörtern den Eingriff des Menschen in die Natur und den damit einhergehenden Einfluss auf den Kohlenstoffgehalt in der Atmosphäre sowie auf den natürlichen Kohlenstoffkreislauf (B/C/G); recherchieren die Eigenschaften von Kohlenstoff in unterschiedlichen Medien und stellen ihre Ergebnisse dar (B/C/G); bewerten die steigende Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Atmosphäre aus unterschiedlichen Perspektive (B/C/G). Ausführliche didaktische Hinweise finden Sie im Arbeitsmaterial. Themen Klasse 8 10 Klasse und seine Teilkreisläufe Biologischer Kreislauf Prozesse im Meer Langsamer Kreislauf Die Einflüsse des Menschen Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG GEMAFREI FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht ggmbh Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de