Ar­beits­blatt: At­mo­sphä­ren­ga­se und Ab­sorp­ti­on von Strah­lung

Kom­pe­ten­zen:

Vor­aus­set­zun­gen:

BNT 3.1.4 (9) Auf­nah­me von Wär­me­strah­lung

3.2.3 (3) Spei­che­rung von En­er­gie

3.2.3 (10) Um­wand­lung in ther­mi­sche En­er­gie

Ziele:

• Ex­pe­ri­men­tel­len Auf­bau ent­wi­ckeln
• Koh­len­stoff­di­oxid ab­sor­biert Wär­me­strah­lung
• Koh­len­stoff­di­oxid ab­sor­biert Wär­me­strah­lung aber kein Licht
• Die Tem­pe­ra­tur des Koh­len­stoff­di­oxids er­höht sich durch die Ab­sorp­ti­on von Wär­me­strah­lung
• Dia­gram­me dazu aus­wer­ten
• Kon­se­quen­zen für die Erd­ober­flä­che ab­schät­zen

Hin­wei­se:

Es emp­fiehlt sich, den Strah­ler min­des­tens 15 Mi­nu­ten vor Un­ter­richts­be­ginn schon ein­zu­schal­ten, damit das Gas und die Röhre ein ther­mi­sches Gleich­ge­wicht ein­neh­men kann. An­de­ren­falls gibt es eine lang­sa­me aber ste­ti­ge Ver­grö­ße­rung der Gas­tem­pe­ra­tur. Dies ist zwar gut zu er­klä­ren, lenkt je­doch von dem ei­gent­li­chen Ef­fekt der Tem­pe­ra­tu­rä­de­rung durch Koh­len­stoff­di­oxid auf die Gas­tem­pe­ra­tur ab. Eine kurze Un­ter­bre­chung durch den Trans­port in den Klas­sen­raum macht dann nur sehr wenig aus.

Ein Gas­beu­tel mit Hahn (Vo­lu­men 1 L) wurde aus einer CO₂-Gas­fla­sche prall ge­füllt. Durch den etwas er­höh­ten Druck im Beu­tel strömt das CO₂ durch den ge­öff­ne­ten Stop­fen schnell in das Rohr ein. Dabei soll­te man den Beu­tel ganz zu­sam­men­drü­cken.

Hin­weis zum Gas­beu­tel: z. B. bei Fa. Rutka La­bor­be­darf GmbH, In­fu­si­ons-Gas­beu­tel 1000 mL, Drei­we­ge­h­ahn, evtl. Schlauch­ver­län­ge­rung

Hin­weis zum CO₂: Ent­we­der in der Che­mie in Gas­beu­tel ab­fül­len oder z. B. ein So­da­St­ream-Gerät nut­zen (der Gas­beu­tel bzw. der Schlauch wird di­rekt auf den Gas­aus­lass ge­steckt)

Um das CO₂ wie­der aus dem Rohr zu ent­fer­nen, eig­net sich ent­we­der ein Kom­pres­sor oder (etwas un­be­que­mer) eine ganz nor­ma­le Luft­pum­pe. Damit wird bei ge­öff­ne­ten Stop­fen das CO2 aus­ge­spült. Bei er­neu­ter Be­leuch­tung soll­te man je­doch wie­der etwa 15 Mi­nu­ten war­ten bis zur er­neu­ten Ein­stel­lung des ther­mi­schen Gleich­ge­wichts.

Pro­blem­stel­lung:

Wie stark ab­sor­biert das Gas Koh­len­stoff­di­oxid (CO2) sicht­ba­re Strah­lung (Licht) und wie stark Wär­me­strah­lung (IR-Strah­lung) und wel­che Aus­wir­kun­gen haben die Ab­sorp­tio­nen auf die Gas­tem­pe­ra­tur?

Ver­such:

Im die­sem Mo­del­l­ex­pe­ri­ment wird im ers­ten Ver­such Licht zu­sam­men mit Wär­me­strah­lung (In­fra­rot IR) durch ein zu­nächst mit Luft ge­füll­tes Kunst­stoff­rohr ge­lei­tet. Die seit­li­chen Enden sind durch Frisch­hal­te­fo­lie und Gum­mi­rin­ge ver­schlos­sen. Die obere Öff­nung wird mit einem durch­bohr­ten Stop­fen ver­schlos­sen. Der Stop­fen trägt zur Mes­sung der Gas­tem­pe­ra­tur ein Ther­mo­me­ter.

Die In­ten­si­tät der durch­ge­las­se­nen Wär­me­strah­lung der Licht­quel­le wird mit einer Ther­mo­säu­le nach Moll als Span­nung (Ther­mo­span­nung) in mV ge­mes­sen. Je höher die Ther­mo­span­nung, desto in­ten­si­ver ist die an­ge­kom­me­ne Wär­me­strah­lung.

Im Ver­such 1 wird zu­sam­men mit der sicht­ba­ren Strah­lung (Licht) auch Wär­me­strah­lung durch das Rohr in die Ther­mo­säu­le ge­schickt. Nach 100 s wird die Luft­fül­lung des Roh­res durch Koh­len­stoff­di­oxid­gas von Raum­tem­pe­ra­tur er­setzt.

Beim Ver­such 2 wird die Wär­me­strah­lung der Licht­quel­le weit­ge­hend durch ein Wär­me­schutz­glas blo­ckiert, so dass fast aus­schließ­lich nur noch sicht­ba­re Strah­lung durch das Rohr in die Ther­mo­säu­le ge­lang­te. Hier wurde nach 1620 s die Luft­fül­lung des Roh­res durch Koh­len­stoff­di­oxid­gas von Raum­tem­pe­ra­tur er­setzt.

Ver­such 1:

Das zu­nächst luft­ge­füll­te Rohr wurde nach einer Zeit von 100 s mit Koh­len­stoff­di­oxid ge­füllt

Die Er­geb­nis­se sind in Ab­bil­dung 1 dar­ge­stellt. Die Gas­tem­pe­ra­tur in °C bzw. die durch­ge­las­se­ne Strah­lung (Span­nung in mV an der Ther­mo­säu­le) sind in Ab­hän­gig­keit vom Füll­gas auf­ge­tra­gen.

Auf­ga­ben:

1. Be­schrei­be zu­nächst die Ver­läu­fe der Strah­lungs­in­ten­si­tät und der Gas­tem­pe­ra­tur. Ver­wen­de dabei je-desto-Aus­sa­gen.
2. Er­läu­te­re den Ef­fekt des Füll­ga­ses Koh­len­stoff­di­oxid.
3. Gib eine be­grün­de­te Ver­mu­tung dazu an, wel­cher Ef­fekt durch eine immer grö­ße­re Kon­zen­tra­ti­on von CO₂ in der At­mo­sphä­re zu er­war­ten ist.

Ver­such 2:

Das fol­gen­de Ex­pe­ri­ment wurde mit der glei­chen Lampe durch­ge­führt. Dies­mal wurde aber die Wär­me­strah­lung durch ein Wär­me­schutz­glas (IR-Fil­ter) blo­ckiert, so dass (fast) nur noch sicht­ba­res Licht durch die Röhre fiel. Das zu­nächst luft­ge­füll­te Rohr wurde nach einer Zeit von 1620 s mit Koh­len­stoff­di­oxid ge­füllt.

Auf­ga­ben:

1. Brin­ge die Er­geb­nis­se nach Abb. 2 in Zu­sam­men­hang mit dem Ab­sorp­ti­ons­ver­mö­gen von CO₂ bei Wär­me­strah­lung.
2. Er­läu­te­re die Kon­se­quen­zen die­ser Er­geb­nis­se auf die En­er­gie­bi­lanz der von der Sonne als sicht­ba­res Licht ein­ge­hen­den Strah­lung und der von der Erde ab­ge­ge­be­nen Wär­me­strah­lung.
3. Stel­le eine Hy­po­the­se auf, wel­che Kon­se­quen­zen ein hö­he­rer Ge­halt an CO₂ in der At­mo­sphä­re auch für die Erd­ober­flä­che hätte.

Ar­beits­blatt: At­mo­sphä­ren­ga­se und Ab­sorp­ti­on von Strah­lung: Her­un­ter­la­den [docx][854 KB]

Wei­ter zu Na­tür­li­cher Treib­haus­ef­fekt