Treibhauseffekt
Treibhauseffekt
Treibhauseffekt
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Studienseminar Koblenz<br />
<strong>Treibhauseffekt</strong><br />
Ein Thema für fachübergreifendes<br />
und fächerverbindendes Arbeiten<br />
Alle reden vom <strong>Treibhauseffekt</strong><br />
• Lehrpläne<br />
• Tagespresse<br />
• Schulbücher<br />
• didaktische Veröffentlichungen<br />
• Institutionen<br />
• alle “Fächerübergreifenden”
Der <strong>Treibhauseffekt</strong><br />
• ist ein Thema für alle Schulstufen und alle<br />
Klassenstufen<br />
• ist ein Thema für alle Unterrichtsformen<br />
• kann kurz oder lang, einfach oder komplex,<br />
laienhaft oder wissenschaftlich unterrichtet<br />
werden<br />
<strong>Treibhauseffekt</strong><br />
Das Thema für fachübergreifendes<br />
und fächerverbindendes Arbeiten
Gliederung<br />
• Ein fiktives Gespräch mit einem Laien zum<br />
<strong>Treibhauseffekt</strong> in 9 Bildern<br />
• Fachliches zum <strong>Treibhauseffekt</strong><br />
• <strong>Treibhauseffekt</strong> in der Schule<br />
• <strong>Treibhauseffekt</strong> für den Laien im<br />
interaktiven Bildschirmszenario<br />
• <strong>Treibhauseffekt</strong> für den Laien im<br />
Bildschirmvideo<br />
Ein fiktives Gespräch mit einem Laien<br />
zum <strong>Treibhauseffekt</strong> in 9 Bildern
1 2<br />
Unsere<br />
Atmosphäre ist<br />
sehr dünn<br />
und ist unser<br />
behagliches<br />
Treibhaus.<br />
4 5 6<br />
und wir heizen<br />
es immer<br />
weiter auf.<br />
Wir verfeuern<br />
fossile<br />
Brennstoffe,<br />
7 8 9<br />
und versprühen<br />
selbstgemachte<br />
Treibhausgase,<br />
die sich schnell<br />
27.4.1986<br />
global<br />
verteilen.<br />
3<br />
Im natürlichen<br />
Treibhaus<br />
entstand Leben<br />
betreiben<br />
intensivste<br />
Landwirtschaft,<br />
Wir gefährden<br />
uns selbst, da<br />
wir zuviele sind.<br />
• Man kann den <strong>Treibhauseffekt</strong> auf jedem<br />
Niveau verständlich machen,<br />
• aber man muss dabei in Zusammenhängen<br />
denken<br />
• und eine ganze Menge wissen oder glauben.
Fachliches zum <strong>Treibhauseffekt</strong><br />
• Strahlungsgesetze und<br />
Absorptionsverhalten<br />
• Ein einfaches Klimamodell<br />
• Das 6-Effekte-Modell<br />
• Die CO2-Dynamik<br />
• Experimente zum <strong>Treibhauseffekt</strong><br />
• Fragezeichen<br />
Strahlungsgesetze und Absorptionsverhalten<br />
• Die Gesetze der Temperaturstrahlung und des<br />
Absorptionsverhaltens der Treibhausgase bilden die<br />
physikalischen Grundlagen des <strong>Treibhauseffekt</strong>es.<br />
• Alle Sachverhalte kann man anhand von Diagrammen<br />
verstehen.
Spektrale Verteilung der Sonneneinstrahlung (T=5785K)<br />
an der Obergrenze der Atmosphäre und am Erdboden<br />
Plancksches Strahlungsgesetz<br />
E ? , T?? 2 c2 h? ? 5<br />
h c<br />
? kT<br />
e ? 1<br />
Spektrale Verteilung schwarzer Strahler<br />
(Erdtemperatur T=288K = 15°C)<br />
Plancksches Strahlungsgesetz<br />
E ? , T?? 2 c2 h? ? 5<br />
h c<br />
? kT<br />
e ? 1<br />
Wiensches Verschiebungsgesetz<br />
? max? T ? b
Vergleich der spektralen<br />
Ein- und Abstrahlung<br />
Durchlässigkeit der Atmosphäre für IR-Strahlung
Ein einfaches Modell zum <strong>Treibhauseffekt</strong><br />
Stefan-Boltzmann-Gesetz:<br />
S ? ? • T 4 ? ? 5,7 • 10 ? 8 W<br />
m 2 K 4<br />
Solarkonstante:<br />
Eine 1 m 2 große Fläche, die senkrecht zur<br />
Sonneneinstrahlung steht, empfängt die<br />
Leistung 1,37 kW. Ihre Leistungsdichte<br />
S E =1,37 kW/m 2 heißt Solarkonstante.<br />
Leistungsaufnahme und Leistungsabgabe der Erde<br />
Leistungsaufnahme der Erde im sichtbaren Bereich<br />
A ? ? R 2<br />
P a u f ? A • S E<br />
Leistungsabgabe der Erde im infraroten Bereich<br />
S<br />
P ab ? O • S *<br />
O ? 4? R 2 * ? S E<br />
P auf = P ab<br />
4
Abstrahlung der Erde ohne Atmosphäre<br />
von der<br />
Sonne<br />
100% 100%<br />
Erdoberfläche<br />
IR<br />
Leistungdichte der Erde:<br />
S * ? ? • T 4<br />
T ?<br />
S *<br />
4<br />
?<br />
?<br />
S<br />
E<br />
4 ? 278 K ? 5,3 C o<br />
4?<br />
Wenn alle Sonnenenergie thermalisiert und als IR abgestrahlt würde,<br />
läge die mittlere Temperatur der Erdoberfläche bei T=5,3C°.<br />
Abstrahlung der Erde mit Atmosphäre ohne <strong>Treibhauseffekt</strong><br />
100%<br />
von der<br />
Sonne<br />
70%<br />
50%<br />
IR<br />
10%<br />
30%<br />
Atmosphäre IR<br />
10%<br />
S * ? 0,6 • S E • 0,25 ? 0,15 • S E<br />
0,15 • S E<br />
T ? 4 ? 245 K ? ? 28 C o<br />
?<br />
Erdoberfläche<br />
30% der einfallenden Sonnenstrahlung werden in den Weltraum<br />
reflektiert.<br />
Von den restlichen 70% thermalisiert die Atmosphäre 20%.<br />
Auf der Erdoberflächen werden 60% thermalisiert und die mittlere<br />
Temperatur der Erdoberfläche läge bei T= -28C°.
Abstrahlung der Erde mit Atmosphäre mit <strong>Treibhauseffekt</strong><br />
100%<br />
von der<br />
Sonne<br />
70%<br />
50%<br />
Erdoberfläche<br />
S * ? (0,5 ? 0,1 ? 0,54) • S E • 0,25 ? 0,29 • S E<br />
IR<br />
30% 10%<br />
Atmosphäre<br />
IR<br />
10%<br />
? P<br />
54%<br />
54%<br />
T ?<br />
0,29 • S E<br />
4 ?<br />
?<br />
? 288 K ? 14,5 C o<br />
Zwischen den Treibhausgasen der Atmosphäre kreist IR-Strahlung<br />
mit der Strahlungsleistung ? P von 54% der eingestrahlten Leistung.<br />
Obwohl nur 60% der Sonnenleistung thermalisiert werden, ist die<br />
mittlere Erdtemperatur höher als ohne Atmosphäre.<br />
Das 6-Effekte-Modell
Charakteristika der Treibhausgase<br />
S purengase C O 2 C H 4 N 2 O O 3 FC KW<br />
11, 12<br />
Konz entration<br />
in der<br />
Troposphäre<br />
V erw eildauer<br />
in der<br />
Troposphäre<br />
Treibhauspote<br />
ntial<br />
346 ppm 1,65 ppm 0.31 ppm 0,02 ppm 0,0004<br />
ppm<br />
5-10 a 4-10 a 150-200<br />
a<br />
30-90 d 50-120 a<br />
1 32 150 200 14000-<br />
17000<br />
Anteil am 50% 19% 4% 8% 5-10%<br />
Treibhauseffe<br />
kt<br />
FC K W 11 = C FC l 3 / FC K W 12=C F 2 C L 2<br />
CO 2 -Dynamik
CO 2 -Dynamik - ein fächerübergreifendes Thema<br />
PHYSIK MATHEMATIK INFORMATIK<br />
BIOLOGIE<br />
GEOGRAFIE<br />
CHEMIE<br />
Biologie<br />
• Fotosynthese und Atmung von Pflanzen und Tieren<br />
• Geschichte der Atmosphäre und die Geschichte des Stoffwechsels<br />
• Evolution der Biosphäre
Chemie<br />
• Chemie der fossilen Brennstoffe<br />
• Stoffkreisläufe unter Kohlendioxidbeteiligung<br />
• Fotosynthese und Atmung von Pflanzen und Tieren<br />
• Ozean als Kohlendioxidspeicher (Sedimentation)<br />
• Kohlenmonoxid und Kohlendioxid in der Atmosphäre<br />
Geografie<br />
• Geschichte der Erdatmosphäre<br />
• Vulkanismus und die Kohlenstoffkreislauf<br />
• Globale und regionale Veränderungen<br />
• Weltbevölkerung und Kohlendioxid-Probematik<br />
• Fossile Energiereserven
Physik<br />
• Periodische Schwankungen der Erdbahn (Eiszeiten)<br />
• Statellitenerkundungen<br />
• Physikalische Methoden der Kohlenstoffkonzentration<br />
in der Erdgeschichte<br />
Mathematik<br />
x: CO 2<br />
in der Atmosphäre<br />
y: CO 2<br />
in der Biosphäre<br />
f: fossile Brennstoffemission<br />
DGL der CO 2 - Dynamik:<br />
dx/dt = f +c•y - p•a•u<br />
dy/dt = p•a•x - c•y<br />
df/dt = r•f•(1 - f/k)<br />
a: Pflanzenfläche<br />
p: Nettoprimärproduktiuon<br />
c: Zersetzungsrate<br />
r: Wachstumsrate des Brennstoffverbrauchs<br />
k: Sättigungswert des Brennstoffverbrauchs
Informatik<br />
• Modellierung der CO 2 - Dynamik mit einem<br />
Modellbildungssystem (z.B. STELLA)<br />
• Simulation<br />
• Qualität von Modellen<br />
STELLA-Modell der CO 2 -Dynamik
Simulation der CO 2 -Dynamik mit verschiedenen Startwerten
Experimente zum <strong>Treibhauseffekt</strong><br />
Qualitative Demonstration des Zusammenhangs<br />
zwischen Temperatur und bevorzugter<br />
Wellenlänge der Abstrahlung<br />
(Wiensches Verschiebungsgesetz)
Quantitative Demonstration des<br />
Wienschen Verschiebungsgesetzes<br />
Thermosäule<br />
Modellversuch zum <strong>Treibhauseffekt</strong>
Oxidation von Kohlenstoff<br />
Oxidation von Kohlenstoff
Verbrennung von Erdgas, Benzin, Zucker<br />
Kohlendioxidbildung bei der Pflanzenatmung
Messung der Wärmestrahlung von Wasser verschiedener<br />
Temperatur (Stefan-Boltzmann-Gesetz)<br />
Absorption der Wärmestrahlung durch Treibhausgase
Absporption der Wärmestrahlung durch Kohlendioxid<br />
Infrarotabsorption verschiedener Gase
Fragezeichen ???<br />
• Was ist überhaupt dran an dem <strong>Treibhauseffekt</strong><br />
(Skeptiker)?<br />
• Ist das Thema nicht zu schwer für Lehrer und für<br />
Schüler?<br />
• Horrorszenarien und kein Ende - Wo bleibt das<br />
Aufbauende?<br />
• Überschätzen wir nicht die Wirkung der Thematik?<br />
• Können wir wirklich zum Wahrnehmen, Wissen,<br />
Beurteilen, Handeln beitragen?<br />
<strong>Treibhauseffekt</strong> in der Schule
Der Weg zum Klimaschutz<br />
• Wahrnehmen: Symptome<br />
• Wissen: Fakten, naturwissenschaftl. Gesetze,<br />
Szenarien, Strategien, Vor- und Nachteile,<br />
• Beurteilen: basierend auf quantitativen<br />
Argumenten, ethischen Kategorien<br />
• Handeln: Konsensfindung, nachhaltige<br />
Entwicklung, schnell, effizient, mit<br />
Zuversicht<br />
Was könnte die Schule tun?<br />
• Informieren: alle Informationsquellen<br />
nutzen<br />
• Sachwissen lehren: im Fachunterricht<br />
• Zusammenhänge herstellen: durch<br />
Fachübergreifendes und fächerverbindendes<br />
Arbeiten<br />
• Raum für eigenes Tun bieten: in Projekten
Drei Arten des “Fächerübergreifenden” in der Schule<br />
fachübergreifend fächerverbindend fächerübergreifend<br />
fachübergreifendes<br />
Thema<br />
Fach<br />
Drei Arten des “Fächerübergreifenden” in der Schule<br />
fachübergreifend fächerverbindend fächerübergreifend<br />
fachübergreifendes<br />
Thema<br />
gemeinsames Thema<br />
Fach Fach 1 Fach 2 Fach 3
Drei Arten des “Fächerübergreifenden” in der Schule<br />
fachübergreifend fächerverbindend fächerübergreifend<br />
fachübergreifendes<br />
Thema<br />
gemeinsames Thema<br />
allgemeineThemen<br />
Probleme<br />
Vorhaben<br />
Fach Fach 1 Fach 2 Fach 3 integrierte Fächer<br />
Formen fächerübergreifenden Arbeitens in der Schule<br />
Art: fachübergreifend fächerverbindend fächerübergreifend<br />
Lerngruppe: Klasse/Kurs neue Lerngruppe<br />
Unterrichtsform: Projekt Gespräch<br />
Organisationsform: Unterricht Projekttag(e) AG<br />
Freiblock<br />
Form: verpflichtend freiwillig
<strong>Treibhauseffekt</strong> in einer Klima-AG<br />
Art: fachübergreifend fächerverbindend fächerübergreifend<br />
Lerngruppe: Klasse/Kurs neue Lerngruppe<br />
Unterrichtsform: Projekt Gespräch<br />
Organisationsform: Unterricht Projekttag(e) AG<br />
Freiblock<br />
Form: verpflichtend freiwillig<br />
Projektverlauf<br />
September<br />
Oktober<br />
Projektidee<br />
Projektskizze<br />
• fachübergreifendes, fächerverbindendes Thema mit<br />
physikalischem Schwerpunkt<br />
• Klimaprojekt - Treibhauseffket als Einschränkung<br />
Oktober<br />
April<br />
Juli<br />
Projektdurchführung<br />
Dokumentation<br />
Projektplan<br />
Projektergebnis<br />
Projektende<br />
Präsentation<br />
• Literaturstudium<br />
• WWW-Recherchen<br />
• Modellexperiment<br />
• STELLA-Programm<br />
• Wochenendseminar<br />
• Folienerstellung<br />
• Homepageerstellung<br />
• Hypercard-Stack<br />
• Projektbericht<br />
• WWW-Seiten<br />
• Austellung<br />
• Unterricht in Klassen
Projektergebnisse<br />
Projektbericht<br />
WWW-Seiten<br />
Ausstellung<br />
Unterricht in Klassen<br />
<strong>Treibhauseffekt</strong> im Grundkurs Physik<br />
Art: fachübergreifend fächerverbindend fächerübergreifend<br />
Lerngruppe: Klasse/Kurs neue Lerngruppe<br />
Unterrichtsform: Projekt Gespräch<br />
Organisationsform: Unterricht Projekttag(e) AG<br />
Freiblock<br />
Form: verpflichtend freiwillig
<strong>Treibhauseffekt</strong> im Lehrplan Physik SII<br />
Projektthemen:<br />
• Der <strong>Treibhauseffekt</strong> in der Tagespresse -<br />
Vergleichende Sichtung, Gemeinsamkeiten,<br />
Widersprüche, Ungereimtheiten<br />
• <strong>Treibhauseffekt</strong> für jeden verständlich -<br />
Experimente, Broschüren, Filme, Plakate, Vorträge, ...<br />
• Wir unterrichten unsere Prallelklasse zum<br />
Thema <strong>Treibhauseffekt</strong>
Projektthemen:<br />
• Der “Hamburger” - ein Klimaproblem.<br />
Die Treibhausgasbilanz eines Fast-Food-Produktes<br />
• Der Jogurt auf Reisen - ein subventioniertes<br />
Klimaproblem.<br />
Die Treibhausgasbilanz eines Fast-Food-Produktes<br />
• Holzschnitzelheizung und alternative<br />
Heizsysteme.<br />
CO2 neutrale Heizung in der Schule<br />
Ein Paradoxon:<br />
Fächerverbindender und fachübergreifender<br />
Unterricht braucht den Fachunterricht um<br />
ihn gleichzeitig zu transzendieren.
• Das Handeln in dieser komplexen Welt ist<br />
nicht "gefächert".<br />
Das legitimiert und fordert bildungs- und<br />
lerntheoretisch den fächerverbindenden und<br />
fachübergreifenden Unterricht.<br />
• Das Lernen über diese hochkomplexe Welt<br />
ist vielschichtig und verzweigt.<br />
Das legitimiert und fordert lernökonomisch<br />
und lernpsychologisch den strukturierenden<br />
Fachunterricht.<br />
• Wir brauchen beides:<br />
den Fachunterricht und den<br />
fächerübergreifenden Unterricht.<br />
• Der <strong>Treibhauseffekt</strong> ist ein geeignetes<br />
Thema dazu.
Literatur<br />
[1] SCHÖNWIESE, C. D und B. DIEKMANN: Der <strong>Treibhauseffekt</strong>.<br />
Stuttgart: DVA 1988.<br />
[2] Verständliche Forschung: Atmosphäre, Klima, Umwelt.<br />
Heidelberg: Spektrum der Wissenschaften 1990.<br />
[3] Dossier: Klima und Energie. Heidelberg: Spektrum der<br />
Wissenschaften 1996.<br />
[4] GABER, H. und B. NATSCH: Gute Argumente: Klima. München:<br />
C.H. Beck. 1991.<br />
[5] WARNECKE, G., M. HUCH und K. GERMANN: Tatort Erde.<br />
Menschliche Eingriffe in Natrurraum und Klima. Berlin: Springer<br />
1992.<br />
Didaktische Literatur<br />
[1] SCHWARZE, H. (Hrsg.): Klima. Praxis der Naturwissenschaften/<br />
Physik. 6(1994).<br />
[2] GÖTZ, R. (Hrsg.): Handuch des Physikunterrichts. Sekundarbereich I.<br />
Band 7: Energie und Umwelt. S. 17-38.<br />
[3] KUHN W. (Hrsg.): Handbuch der experimentellen Physik.<br />
Sekundarbereich II. Band 12: Technische Physik. S. 347-353.<br />
[4] HEISE, Hans: Das CO2-Problem und der 'Glashauseffekt' aus<br />
physikalischer Sicht. Der mathematische und naturwissenschaftliche<br />
Unterricht 6 (1984), 347-354.<br />
[5] MORGENSTERN, K. und B. BLUME: Klimaprojekt. Unterricht<br />
Physik 7 (1996), 23-28.<br />
[6] HUHN, B.: Experimente zum Strahlunsghaushalt der Erde. Unterricht<br />
Physik 8(1997), 22-26.<br />
[7] LUFT UND KLIMA. Fächerbindendes Arbeiten im<br />
naturwissenschaftlichen Unterricht. Arbeitspapiere. Landesinstitut<br />
Schlewig-Holstein. Nr 5330/30.1<br />
IPTS-Zentrale, Schreberweg 5, 24119 Kronshagen,<br />
Tel. 0431-54030, Fax 5403200
WWW-Adressen<br />
http://www.uni-koblenz.de/~odseich/klima/<br />
http://info.dkrz.de/schule/Klimawandel/Kw-4.html<br />
http://www.wu-wien.ac.at/usr/h94/h9450485/know/kb-treib.html<br />
http://www.bybyte.de/nabu/position/klima/kl_abstr.html<br />
http://www.bmu.gv.at/bmu/bmu/fachinfo/klimastz.html<br />
http://www1.arcs.ac.at/fzs/bereiche/_m/treib_tx.html<br />
http://www.evs.de/schule/material/mat.html<br />
http://www.hu-berlin.de/forschung/umwelt/kap08/umwk08.html<br />
http://info.dkrz.de/schule/Klimawandel/Kw-4.html<br />
http://www.umweltbundesamt.de/uba-info-daten-t/daten-t/treibhauseffekt.htm<br />
Medien<br />
Video-Filme:<br />
• <strong>Treibhauseffekt</strong>, die Ursachen und Folgen. LMZ Nr. 42 51529<br />
• Das Klima der nächsten hundert Jahre. LMZ Nr. 42 01628<br />
• Der <strong>Treibhauseffekt</strong> LMZ Nr. 42 10255<br />
• Der <strong>Treibhauseffekt</strong>. Aus Forschung und Technik. ZDF Dez. 97<br />
CD-Rom:<br />
• Zukunft im Treibhaus, Ursachen und Folgen der<br />
Klimaveränderung. LMZ Nr. 66 44081
<strong>Treibhauseffekt</strong> für den Laien im<br />
interaktiven Bildschirmszenario<br />
<strong>Treibhauseffekt</strong> für den Laien im<br />
Bildschirmvideo<br />
• Wettermodelle<br />
• Klimamodelle<br />
• Plankton als biologische Pumpe in der CO2-<br />
Dynamik
Change language