Klaus Morgenstern, Bernd Blume
IG Kiel-Friedrichsort
Naturwissenschaftliche Experimente und Modellversuche zum Thema "Klima und Klimaproblematik"

 
 

Inhalt:
   
1.Versuch:
Ein lichtdurchlässiges Haus ‘sammelt’ Wärme
       
      Dieser Versuch schließt an die Alltagserfahrung an, daß geschlossene (unbeheizte!) Räume grundsätzlich Wärmefänger sind. Die deutlichsten Erfahrungen stammen sicher aus dem Gewächshaus und dem unerträglich heißen Auto im Sommer. Der Versuch soll helfen, diese oft nur unbewußte Erfahrung in die bewußte Wahrnehmung zu rücken.

       Versuchsmaterial:

      Kleines Gewächshaus (Glas- oder Acrylglaswanne, dünnwandig)

      2 Quecksilberthermometer; 1°-Teilung (oder genauer)

      ebener einfarbiger Untergrund;

      Farbe beliebig

      direkte Sonneneinstrahlung oder diffuses Tageslicht als Strahlungsquelle.

       
      Versuchsaufbau:

      Das Glashaus wird auf die einfarbige Unterlage gestellt. In das Haus wird (auf die Unterlage) ein Thermometer gelegt. Neben das Haus wird auf dieselbe (d.h. gleichfarbige) Unterlage ein zweites Thermometer gelegt. Als Strahlungsquelle eignet sich direkte Sonneneinstrahlung besser als diffuses Licht. Es sollte ein Quecksilberthermometer verwendet werden, weil dieses störende Direkteinstrahlung reflektiert und nur die zu messende Lufttemperatur gemessen wird.

       
      Versuchsdurchführung und Messung:

      Beobachtet werden der Temperaturanstieg und die Endtemperatur beider Thermometer.

       
      Meßergebnis:

      Die Temperatur im Gewächshaus steigt wesentlich schneller als außerhalb des Hauses. Die Endtemperatur im Haus stellte sich wesentlich höher (D T »  8 K) ein als außerhalb des Hauses.
       

      Besonderheiten:

      Dieser Versuch wurde auch hinter einem isolierverglasten Fenster bei verschiedenen Wetterlagen durchgeführt. Es zeigten sich selbst dort bei diesigem Wetter noch deutliche Temperaturdifferenzen (D T » 2 K)

       

       2.Versuch:
        Verschiedene Farben absorbieren und emittieren Licht- und Wärmestrahlung verschieden stark.
 
   

 

3. Versuch:
CO2 -Gas absorbiert Wärmestrahlung stärker als 'normale' Luft bzw.: CO2-Gas ist 'thermisch dunkler' als normale Luft.
 
   
 
 4.Versuch:
      Absorption von Wärmestrahlung in CO2 -Gas führt zu einer Erhöhung der Temperatur des CO2 -Gases.

      Versuchsmaterial:

      Zweistöckiges Biochorion (gewächs-hausähnliches Versuchshaus aus Acrylglas)

      Styropor-Trennschicht

      2 Thermometer; 1°-Einteilung (oder genauer)

      Wärmestrahler (hier: Quarzstrahler); rotglühend

      CO2-Gas
       

      Versuchsaufbau:

      Zwei Biochorien werden aufeinandergestellt, so daß ein zweietagiges Biochorion entsteht. Beide Etagen werden durch eine Styroporplatte (waagerecht) thermisch voneinander getrennt.

      1. Versuch: Beide Etagen sind luftgefüllt und werden durch seitliches Anstrahlen erwärmt.

      2. Versuch: Die untere Etage wird mit CO2 gefüllt. Beide Etagen werden wieder gleichstark angestrahlt.

      Anstelle der hier verwendeten Biochorien lassen sich auch andere ‘Behälter’ verwenden. Die Behälterwand sollte allerdings senkrecht durchstrahlt werden können (ein Rohr ist also ungeeignet), und sie sollten eine möglichst geringe Wandstärke besitzen. Die Strahlungsabsorption der durchstrahlten Wand ist nicht vernachlässigbar gegenüber dem im Behälter absorbierenden Gas. Es versteht sich, daß der Behälter nicht zu klein sein darf und längs durchstrahlt werden muß. Unser Biochorion hatte die Maße LxBxH = 60x40x40 cm³. Sollte dieser Text nicht vielleicht erhalten bleiben?

       Abb. Messung der Temperaturdifferenz bei CO2 - Anreicherung:

      Meßergebnis:

      Im ersten Versuch (nur Luft) zeigt sich eine gleichstarke Erwärmung beider Etagen. Ersetzen durch "übereinstimmende"? Temperaturangabe dürfte uninteressant sein (am Thema vorbei).

      Im zweiten Versuch (unten CO2) zeigt sich in der CO2-Etage eine um ca. 1,5° C höhere Temperatur.

      Die Ergebnisse werden nach etwa 10 bis 30 min sichtbar.

       
      Hinweise:

      Dieser Versuch beweist, daß die Absorption im nahen Infrarot tatsächlich zu einer Erhöhung der Gastemperatur führt. Die Styroporplatte sorgt für eine thermische Trennung der beiden Gasschichten, sie steht stellvertretend für eine isolierende dicke Luftschicht. Ohne diese Trennung würde die stärkere Erwärmung des unten befindlichen CO2-Gases zuzüglich zur Diffusion zu einem 'Kochplatteneffekt' führen; d.h. die CO2-Schicht würde sofort die obere, auf ihr liegende Luftschicht erwärmen.

       

       5.Versuch:
      In Erdnähe erwärmt sich eine CO2-Schicht stärker als in höheren Bereichen der Lufthülle.

       

      Dieser Versuch beschäftigt sich mit der Kernfrage der ganzen Klimaproblematik, nämlich ob die ganzen klimarelevanten Faktoren überhaupt im erdnahen Bereich zum Tragen kommen. Er ist vor allem deshalb interessant, weil er sich mit verblüffend einfachen Mitteln darstellen läßt und zusammen mit einer relativ einfachen Erklärung eine hohe Überzeugungskraft hat.

       
      Versuchsmaterial:

      Wanne (zur Vermeidung von Zugluft)

      Schwarze Pappe (simuliert die Erdoberfläche)

      Acrylglas ca. 5mm (simuliert CO2-haltige Luft)

      2 Thermometer (1/10°-Teilung)

      Leuchtstofflampe (weiß) als Kaltlichtstrahler

       
      Versuchsaufbau:

      In den Wannenboden wird schwarze Pappe ausgelegt. Ein Thermometer wird auf die Pappe gelegt. Dessen Ausdehnungsbehälter (also der Quecksilberbehälter) des Thermometers) darf nicht den Boden berühren. Auf das Thermometer gibt man eine Lage Acrylglas. Oben auf dem Acrylglas liegt das zweite Thermometer. Abb. 5 zeigt den Aufbau.

       
      Versuchsdurchführung:

      Der beschriebene Meßaufbau wird senkrecht von oben mit dem Kaltlichtstrahler (Leuchtstofflampe in hinreichender Entfernung) bestrahlt. Beobachtet werden der Temperaturanstieg beider Thermometer und die Endtemperaturen.

       

      Meßergebnis:

      Ein stabiler Zustand stellte sich nach ca. 20 bis 30 Minuten ein. Das untere Thermometer zeigte einen um 0,2 bis 0,4 K höheren Wert!

       
      Analogiebetrachtung und Versuchserklärung:

      Acrylglas läßt Licht durch (was man leicht sieht!). Wärmestrahlung läßt es nur in geringem Maße durch. Man kann dieses leicht überprüfen, indem man Acrylglas zwischen einen Wärmestrahler (z.B. Bügeleisen) und die angestrahlte Wange hält. Acrylglas hat damit ähnliche Eigenschaften wie CO2-Gas, wir können es im Modellversuch anstelle von CO2-Gas verwenden.

       
      Die Atmosphäre (Acrylglas) läßt eintretendes Sonnenlicht (also die sichtbaren Anteile) nahezu ungehindert durch. Licht gelangt auf die Erde (schwarze Pappe). Ein Teil wird als Lichtstrahlung von dort wieder reflektiert. Ein Teil wird absorbiert und erwärmt die Erdoberfläche.

      Die erwärmte Erdoberfläche strahlt nun als Wärmestrahler mit anderer Frequenz. Die Wärme würde wieder in den Weltraum abgestrahlt, wenn da nicht die CO2-haltige Atmosphäre wäre.

      Die CO2-haltige Atmosphäre absorbiert diese Wärmestrahlung und erwärmt sich.

      Was tut ein warmer Körper (auch wenn er aus Gas besteht)? - Er strahlt in alle Richtungen Wärme ab. Nach oben in den Weltraum und nach unten zur Erde - die wiederum wärmer wird.

       
      Unter der CO2-Schicht strahlt jetzt also die Erde Wärmestrahlung nach oben (in die CO2-Schicht hinein) und die CO2-Schicht nach unten (also zur Erde hin). Über der CO2-Schicht strahlt nur die CO2-Schicht nach oben (weil die CO2-Schicht die Wärmestrahlung der Erde absorbiert, also nicht hindurchlässt.

       
      Es ist einzusehen, daß es unter der CO2-Schicht (im Versuch unter der Acrylglasplatte) wärmer wird, als über dieser Platte.

       
      Dieser Versuch sollte zum Staunen und Nachdenken anregen, widerspricht er doch vollkommen unseren Alltagserfahrungen, nach denen ein Gegenstand dort heißer wird, wo wir ihn direkt anstrahlen - aber eben mit Wärmestrahlung. Das ist der Unterschied!

       



       

      Die folgenden Versuche setzen das Wissen der Treibhauseigenschaft des CO2-Gases voraus und beschäftigen sich mit den Quellen dieses Gases.

      Die These zu diesen Versuchen lautet:

      Die Ökosysteme erzeugen einen (naturverträglichen) Kohlendioxidgehalt der Luft. Der Mensch vergrößert den Kohlendioxidgehalt der Luft und verstärkt somit den Treibhauseffekt.

       

       6.Versuch:
      Das Auto ....... ein Klimaproblem!

       

      Versuchsmaterial:

      PKW, 4 Müllsäcke, Gasspürgerät von Dräger, Teströhrchen für CO und CO2

       
      Versuchsdurchführung:

      1. Zwei Personen lassen sich in einem VW-Bus (Dieselmotor) 10m fahren.

      2. Beide schieben anschließend den Bus die gleiche Strecke.

      Mittels eines Müllsackes wird die ausgeatmete Luft der Schüler und das ausgestoßene Abgas des Autos aufgefangen und das Volumen mit einer geeichten Saugpumpe bestimmt. Dabei ist zu beachten, daß sich das Fahrzeug bei Versuchsbeginn bereits in Fahrt befinden muß! Der Kohlendioxid- und Kohlenmonoxidgehalt der Abgase wird anschließend mit dem Gasspürgerät bestimmt.

       
      Messungen und Berechnungen:

      Für 10 m zurückgelegten Weg ergeben sich beispielsweise folgende Abgasmengen und -verhältnisse:

       
      VW-Bus: 60 l Abgas mit ca. 3,3 % CO2 und 0,03 % CO.

      Schüler: 20 l ausgeatmete Luft mit ca. 0,8 % CO2 (ohne CO)

       Davon abgezogen muß der Grundumsatz von 17,2 l ausgeatmeter Luft (bei über die gleiche Zeit stehenden Schülerinnen und Schülern) mit 0,8 % CO2. Es verbleiben somit nur 2,8 l beim Schieben zusätzlich geatmete Luft.

       Die (CO2)-Berechnung ergibt somit: für den VW-Bus 3,89 g Kohlendioxid und für die Schüler 0,044 g Kohlendioxid, d.h. eine 88fache Kohlendioxid-Freisetzung beim Fahren mit dem Auto gegenüber dem Schieben desselben Autos.

      Angemerkt sei, daß dieser Versuch keinen großen Anspruch bezüglich der Genauigkeit der Ergebnisse erhebt. Dennoch begründet er in anschaulicher Weise die Ermahnung, auf das Auto weitestgehend zu verzichten.

       
      Wertung:

      Wer stabiles Klima liebt, der schiebt.

        


      Es gibt einen natürlich verursachten Kohlendioxidgehalt der Luft und somit einen natürlichen Treibhauseffekt.

       7.Versuch:
      Menschen und somit auch Tiere geben CO2 ab und tragen damit zum natürlichen Treibhauseffekt bei.

       
      Versuchsmaterial:

      2 Gaswaschflaschen mit kurzem Schlauch und Glasrohr, 2 Stative mit Universalklemmen, frisch bereitete gesättigte Calciumhydroxidlösung, Ethanol.

         
      Versuchsaufbau:
         
      Die Gaswaschflaschen werden jeweils mit einem Schlauch und mit einem durch Ethanol entkeimten Glasrohr versehen und an jeweils einem Stativ befestigt. Anschließend werden sie ca. 3 cm hoch mit der Calciumhydroxidlösung gefüllt.
       
       

      Versuchsdurchführung:

      Vorsicht! Ätzende Lösungen! Ein Schüler atmet zweimal durch eine der Gaswaschflaschen aus und zweimal durch die andere Gaswaschflasche ein.

       
      Beobachtung:

      In der ersten Gaswaschflasche bildet sich ein weißer, milchiger Niederschlag, in der zweiten dagegen nur eine schwache weiße Trübung.

       
      Ergebnis:

      Eine Calciumhydroxidlösung ist ein Reagenz auf Kohlendioxid, indem es mit dem Gas zu weißem Calciumcarbonat reagiert. Wir geben somit mehr Kohlendioxid ab als wir aufnehmen und tragen so zum natürlichen Treibhauseffekt bei.

       

       8.Versuch:
      Pflanzen beeinflussen den natürlichen Treibhauseffekt.

       

      Versuchsmaterial:

      2 Efeupflanzen (aufgrund des niedrigen Kompensationspunktes besonders geeignet),

      1 dunkle und eine farblose Plastiktüte, Bindfaden, 1 Leuchtstofflampe, 1 Dräger-Gaspürgerät mit CO2-Teströhrchen.
       

      Versuchsdurchführung:

      Der Kohlendioxidgehalt der Luft in einer mit Bindfaden verschlossenen dunklen Plastiktüte, in der sich eine Efeupflanze mindestens eine Stunde befindet, wird mittels eines Dräger-Gasspürgerätes gemessen (1). Das gleiche gilt für die Luft in einer farblosen Plastiktüte mit einer Efeupflanze, die aber mindestens eine Stunde mit einer Leuchtstofflampe belichtet wurde (2).
       

      Meßergebnisse:

      Kohlendioxidgehalt:

      dunkle Tüte (1): 0,1%,

      helle Tüte (2): 0,01%

      "Normal"-Luft: 0,03%

       
      Deutung:

      Pflanzen photosynthetisieren und "atmen". Beim Photosynthetisieren nehmen sie Kohlendioxid auf und wandeln dieses durch Reduktion in Traubenzucker um:

      Licht

      6CO2 + 12H2O ® C6H12O6 + 6H2O + 6O2

       
      Sie wirken dabei als Kohlendioxidsenke. Bei Lichtmangel überwiegt die CO2-Freisetzung durch die Zellatmung:

      C6H12O6 + 6O2 ® 6CO2 + 6H2O

       
      Der aufmerksame (nachrechnende) Leser wird bemerken, daß die Tageszeit (CO2-Abnahme um 0,02%) 3,5 mal so lang sein muß, wie die Dunkelzeit (CO2-Erhöhung um 0,07%), was natürlich den Gegebenheiten widerspricht. Ursachen sind im Kondensatniederschlag usw. zu suchen. Der Versuch kann wegen seiner vereinfachenden Durchführung nur qualitativ ausgewertet werden. Schüler haben den Widerspruch nicht bemerkt.

     
     9.Versuch:
Ökosysteme beeinflussen den natürlichen Treibhauseffekt.
Versuchsmaterial:

2 Bechergläser (500 ml), 1 dunkle und 1 farblose Plastiktüte, Bindfaden, 1 Leuchtstofflampe, 1 pH-Meter, Teichwasser mit Algen und Wasserpest.

 
Versuchsdurchführung

Ca. 1l Teichwasser mit Algen und Wasserpest werden mindestens eine Stunde in einer lichtundurchlässigen Plastiktüte abgedunkelt . Eine zweite Probe wird dagegen mit einer Leuchtstofflampe über den gleichen Zeitraum belichtet. Anschließend werden die pH-Werte beider Proben gemessen.

 
Meßergebnisse:

pH-Wert in abgedunkelter Probe: 6,91; in belichteter Probe: 6,98;

Die Tendenz ist in ähnlichen Differenzen reproduzierbar.

 
Erklärung:

Die Organismen des abgedunkelten Miniökosystems setzen Kohlendioxid durch ihre Zellatmung frei. (Erinnerung: Pflanzen nehmen ohne Lichtzufuhr Sauerstoff auf!) Durch die sich dabei bildende Kohlensäure (CO2 + H2O ® H2CO3) sinkt der pH-Wert. Im belichteten "Miniökosystem" nehmen die Pflanzen dagegen Kohlendioxid aus dem Wasser auf, wodurch der pH-Wert des Wassers ansteigt. Wie bei einer Gruppe ersichtlich, kann der pH-Wert-Anstieg auch in den alkalischen Bereich hineinreichen, wodurch eine verstärkte CO2-Aufnahme aus der Luft erreicht wird. Ökosysteme beeinflussen also das "Treibhaus Erde" ganz wesentlich. Dabei kann die CO2-Bilanz positiv oder negativ sein.

 

  10. Versuch:
Durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe, das Abbrennen von Feldern, sowie die Brandrodung von Wäldern setzen die Menschen zusätzliches CO2 frei!
Versuchsmaterial:

Glastrichter, 2 Stative mit Universalklemmen, 3 Gaswaschflaschen, Wasserstrahlpumpe, 2 Schlauchverbindungen, 2 Porzellanschalen, Uhr, Benzin, Holzspäne, gesättigte Calciumhydroxidlösung.

 
Versuchsaufbau:

Der Glastrichter wird umgekehrt am Stativ befestigt und mit einer Gaswaschflasche, in der sich ca. 3 cm hoch die Calciumhydroxidlösung befindet, verbunden. Die Gaswaschflasche wird an die Wasserstrahlpumpe angeschlossen.

 
Versuchsdurchführung:

Benzin sowie Holzspäne werden jeweils in einer Porzellanschale nacheinander unter dem Trichter entzündet und die entstehenden Verbrennungsgase mittels der Wasserstrahlpumpe durch eine der Gaswaschflaschen gesaugt. Messen der Versuchsdauer.

 
Beobachtung:

Wesentlich schnellere Bildung eines milchigen Niederschlages als in einem Blindversuch ohne Verbrennung.

 
Ergebnis und Wertung:

Beim Verbrennen von fossilen Brennstoffen sowie von Holz werden große Mengen CO2 freigesetzt. Somit wird der Treibhauseffekt verstärkt.

 
11. Versuch :
Stürme und Temperaturänderungen bedrohen eine bestehende Vegetation.
Versuchsmaterial:

Stativ mit Universalklemme, Haarfön, zwei Polster Kressepflanzen ca. 3 cm breit.

 
Versuchsdurchführung:

Eines der Polster wird in den warmen Luftstrom eines Haarföns gestellt.

 
Beobachtung:

Nach kurzer Zeit liegt die Kresse flach am Boden und erholt sich auch nach dem Gießen mit Wasser nicht mehr.

 
Wertung:

Dieser Versuch zeigt, das Kresse keine warme Luft verträgt. Die Pflanze kann mit einer drastischen Veränderung Ihrer Umweltbedingungen nicht leben. Deutliche Klimaänderungen werden aber für die Zukunft befürchtet. Mit aller gebotenen Vorsicht kann man aus dem Versuch folgern, daß Klimaänderungen eine Vegetation irreversibel verändern bzw. zerstören können.

 
 

 
12. Versuch:
 
   
Tips und Tricks
Das Materialproblem
 
 
    

                                                          Copyright: Klaus Morgenstern, Bernd Blume, August 1997