Unterrichtsstunde 5a (fakultativ): Wie funktioniert ein Treibhaus?
| Autoren: | |
| Publikation: | 15.12.2008 |
| Lernstufe: | 3 |
| Ziele: | Verstehen, wie ein Treibhaus funktioniert. |
| Angestrebte Kenntnisse: |
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| Wortschatz: | Gewächshaus, Treibhaus |
| Dauer: | 1 Stunde |
| Material: |
Für die ganze Klasse:
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| Herkunft: | La main à la pâte, Paris |
Pädagogische Anmerkungen
Wozu sollte man sich mit einem Treibhaus beschäftigen?
Sowohl in den vorhergehenden als auch in den folgenden Unterrichtsstunden ist immer wieder vom Treibhauseffekt oder von Treibhausgasen die Rede. Dieser Begriff entstammt einer Analogie zwischen dem Geschehen in einem Gewächshaus (Treibhaus) und in der Atmosphäre. Man muss sich zwar nicht unbedingt mit dem Gewächshaus beschäftigen, um den Treibhauseffekt zu verstehen (dazu ist die Unterrichtsstunde 6 vermutlich besser geeignet), aber wenn man versteht, was in einem Treibhaus passiert und dass ein (Glas-)Fenster eine ähnliche Wirkung hat wie die Atmosphäre, schafft man eine konkretere Grundlage für die kommenden, abstrakteren Unterrichtsstunden.
Die Unterrichtsstunden 5a, 5b, 5c sind alle drei fakultative Stunden, in deren Verlauf ein Treibhaus entworfen, gebaut und getestet wird.
Sollte man gleich ein Treibhaus bauen oder sich zunächst mit einem fertigen Treibhaus beschäftigen?
Beide Möglichkeiten sind im Hinblick auf ein selbständiges Erkunden seitens der Schüler gleich fruchtbar:
- Ein vorhandenes Treibhaus untersuchen und die dabei gemachten Beobachtungen für den Bau eines eigenen Treibhauses nutzen.
- Ein Treibhaus bauen – allein aufgrund der in den vorausgegangenen Unterrichtseinheiten gesammelten Kenntnisse.
In diesem Modul beschreiben wir die erste Variante, also die Untersuchung eines vorhandenen Treibhauses, weil sie uns sowohl leichter als auch weniger zeitaufwendig erscheint. Die zweite Variante ist durchaus durchführbar, aber der Lehrer muss sich darauf gefasst machen, dass mehr Zeit aufgewendet werden muss (5-6 Unterrichtsstunden), es sei denn, er hat es mit Schülern zu tun, die sich bereits mit Gewächshäusern auskennen, wie das in ländlicher Umgebung der Fall sein mag. Wenn man noch nie eins gesehen hat, braucht die Konstruktion eines Treibhauses mehr Zeit, weil man nach der "trial and error"-Methode vorgehen muss. Diese zweite Variante wird am Ende der Unterrichtsstunde kurz beschrieben.
Vorbereitung der Unterrichtsstunde
Der Lehrer stellt ein Minitreibhaus her (oder kauft eins in einem Gartengeschäft für etwa 10 Euro).
Ein Minitreibhaus lässt sich auf viele verschiedene Weisen herstellen, zum Beispiel mit einem großen Glas (einem großen Gurkenglas), mit einem Aquarium, mit einer Salatschüssel aus Glas usw. Man kann auch Plexiglas verwenden. Falls man Pflanzen ziehen möchte, müssen Bewässerung und Belüftung bedacht werden, andernfalls kann man auf beides verzichten.
Abb. 1: Beispiel für ein selbst gebautes Treibhaus
Pädagogische Anmerkung
Anstatt ein "Demonstrationstreibhaus" herzustellen, kann der Lehrer mit seiner Klasse auch ein richtiges Treibhaus besichtigen, oder auch nur Fotos von Gewächshäusern in einer Gärtnerei zeigen.
Wissenschaftliche Anmerkungen
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Leider baut man nur allzu leicht ein Treibhaus ohne "Treibhauseffekt". In
einem "richtigen" Treibhaus bewirken zwei Mechanismen den
Temperaturanstieg:
- Der erste hat mit dem Treibhauseffekt nichts zu tun und besteht einfach nur darin, dass die Luft in einem geschlossenen Raum "eingesperrt" wird. Weil der Raum geschlossen ist, kann die von der Sonne erwärmte Luft nicht entweichen und durch kalte Luft ersetzt werden. Die Temperatur im Treibhaus steigt.
- Der zweite Mechanismus, der eigentliche Treibhauseffekt, besteht darin, dass die der Sonne ausgesetzte Wand (das Fenster) das sichtbare Licht durchlässt, aber nicht die Infrarotstrahlung. Das sichtbare Licht fällt in das Treibhaus und erwärmt die Innenwände und den Boden (besonders wenn sie dunkel sind). Wenn die Wände und der Boden sich erwärmt haben, senden sie Infrarotstrahlung aus. Diese kann das Treibhaus nicht verlassen, weil sie vom Glas absorbiert wird. Das Treibhaus "verliert" diese Energie also nicht und die Temperatur steigt. Dieser Effekt ist in Realität nur sehr klein, siehe Fußnote 1.
- Oft sieht man "Treibhäuser", die nicht mit Glas (oder Plexiglas) abgedeckt sind, sondern mit einem Stück Klarsichtfolie. Klarsichtfolie ist sowohl für sichtbares Licht als auch für Infrarotstrahlen durchlässig, bewirkt also keinen Treibhauseffekt. Diese "Treibhäuser" wärmen zwar praktisch genauso gut wie ein "richtiges" Treibhaus mit Glasfenstern (siehe den oben erwähnten ersten Mechanismus), sind aber eigentlich nicht dazu geeignet, den Treibhauseffekt zu veranschaulichen. Auch hier sei noch einmal auf die Fußnote 1 verwiesen.
- Geeignete, im sichtbaren Bereich transparente und im infraroten (teilweise oder ganz) undurchlässige Materialien sind Glas, Plexiglas sowie in der Regel auch die anderen starren "transparenten" Plastikmaterialien, die um uns herum zu finden sind: All diese Materialien können Sie hier also verwenden.
- Es gibt auch Materialien, die im sichtbaren Bereich undurchlässig und im infraroten transparent sind: Das sind dann "Anti-Treibhauseffekt"-Materialien (zum Beispiel schwarze Müllsäcke).
Ein Treibhaus erkunden
Der Lehrer zeigt den Schülern das von ihm vorbereitete oder gekaufte Treibhaus und fragt: "Was ist das? Wozu dient es? Ist es drinnen wärmer oder draußen? Wie funktioniert es?"
Die verschiedenen Bestandteile eines Treibhauses erkunden
Die in kleine Gruppen aufgeteilten Schüler zeichnen das Treibhaus, benennen die verschiedenen Bestandteile und sagen, wozu sie gebraucht werden. In einem Treibhaus gibt es in der Regel:
- ein "durchsichtiges" Fenster, das das Sonnenlicht durchlassen soll, für Infrarotstrahlung jedoch undurchlässig ist;
- stabile Wände, die die Luft im Treibhaus einsperren und dem Wind standhalten sollen;
- einen Boden, auf dem ein Messgerät (Thermometer) liegt. Der Boden sollte so dunkel wie möglich sein, damit er möglichst viel Sonnenenergie absorbiert. Man kann natürlich auch Erde nehmen und Pflanzen ziehen.
Gemeinsame Besprechung
Die gemeinsame Besprechung findet an der Tafel statt. Jede Gruppe bestimmt einen Berichterstatter. Der Lehrer achtet darauf, dass über Meinungsverschiedenheiten in der Klasse diskutiert wird, bis alle Unstimmigkeiten aus dem Weg geräumt sind.
Jetzt sind die Schüler an der Reihe, nach ihren Vorstellungen ein Treibhaus zu bauen. Dieses muss nicht unbedingt demjenigen gleichen, das ihnen vorgestellt wurde. Jede Gruppe kann ein eigenes bauen. Die erste Frage, die sich stellt, ist: "Welche Materialien brauchen wir? Durch welche können wir sie ersetzen, wenn diese nicht zur Verfügung stehen?"
Ein Treibhaus entwerfen
Die in Gruppen aufgeteilten Schüler müssen sich also überlegen, welches Material sie brauchen, damit das Treibhaus richtig funktioniert. Der Lehrer kann sie ermutigen, Materialien zu verwenden, die in der Klasse nicht vorhanden sind – sofern sie ungefährlich sind und von zu Hause mitgebracht werden können. Alle Fragen, die sich im Zusammenhang mit nicht vorhandenen Materialien stellen, sollten mit der ganzen Klasse besprochen werden.
Die Schüler fertigen eine Zeichnung ihres geplanten Treibhauses an. Falls sie nicht an die Dimensionen ihres Treibhauses gedacht haben, macht der Lehrer sie darauf aufmerksam (zum Beispiel muss es so groß sein, dass man ein Thermometer hineinlegen kann).
Abb. 2: Zeichnung eines Treibhauses [1]
Pädagogische Anmerkungen
- Manche Kinder möchten vielleicht Klarsichtfolie für ihr Treibhaus verwenden. Sollte man sie daran hindern, weil man weiß, dass das Treibhaus dann nicht aufgrund des Treibhauseffektes funktioniert (siehe die wissenschaftliche Anmerkung weiter oben und die Fußnote 1)? Nein, denn ihr "Treibhaus" wird trotzdem funktionieren (es wird innen wärmer sein als draußen), und zwar praktisch genauso gut wie ein Treibhaus aus Glas oder Plexiglas.
- Manche Schüler könnten auf den Gedanken kommen, ein extrem einfaches, aber sehr wirksames Treibhaus zu bauen: Eine Salatschüssel aus Glas oder ein großes Glas (ein Einweckglas zum Beispiel) wird umgedreht und auf einen dunklen Untergrund gestellt. In diesem Fall ist die technologische Komponente der Arbeit minimal. Es bleibt dem Lehrer überlassen, ein solches Vorhaben anzunehmen oder abzulehnen.
Variante
Zu Anfang der Unterrichtsstunde wurde darauf hingewiesen, dass man auch die Schüler ein Treibhaus bauen lassen kann, ohne ihnen vorher ein Muster gezeigt zu haben.
1. Schritt
Die Schüler vergegenwärtigen sich alles, was sie bereits über das Klima (Wärme, Feuchtigkeit, Sonneneinstrahlung, Einfluss dieser Faktoren auf die Landschaft, ...), den Klimawandel und den Treibhauseffekt (Rolle der Atmosphäre, Unterschied zwischen natürlichem und von Menschen gemachtem Treibhauseffekt, Folgen des Klimawandels, ...) gelernt haben.
2. Schritt
Die Schüler tragen alles zusammen, was sie über Treibhäuser wissen (in einem Treibhaus wachsen schon im Frühjahr, wenn es draußen noch kalt ist, Früchte und Gemüse; es ist ein geschlossener Raum, mit vielen Fenstern). Sie zeichnen ein Treibhaus, wie sie es sich vorstellen.
3. Schritt
Die Herkunft des Begriffs "Treibhauseffekt" wird besprochen, und die Klasse versucht zu verstehen, inwiefern ein Gewächshaus als Modell für die Erde und ihre Atmosphäre herhalten kann. Der Boden im Gewächshaus stellt die Erdoberfläche dar, das Gießen den Regen, usw.
Es stellt sich die Frage: "Was entspricht im Gewächshaus der Atmosphäre?" Die erste, naheliegende Reaktion wird wahrscheinlich sein, dass die Schüler vermuten, die Luft im Treibhaus stelle die Atmosphäre dar. Der Lehrer kann einen Hinweis geben, indem er fragt: "Welches Material lässt Sonnenlicht durch und schließt gleichzeitig einen Raum ab?". Daraufhin erkennen die Schüler, dass beim Treibhaus das Glasfenster die Rolle der Atmosphäre übernimmt.
4. Schritt
Der Bau des Treibhauses wird geplant. Es stellen sich folgende Fragen:
- Welches Material soll man für das Fenster nehmen (Glas, Plastik, ...)?
- Woraus soll der Boden bestehen, welche Farbe soll er haben?
- Was kommt in das Treibhaus hinein?
5. Schritt
Bau des Treibhauses.
6. Schritt
Die verschiedenen Konstruktionen werden vorgestellt und im Hinblick auf ihre Wirksamkeit verglichen.
Wenn diese zweite Vorgehensweise gewählt wird, ersetzen diese sechs Schritte natürlich die jetzige Unterrichtsstunde sowie die beiden folgenden.
Fußnote 1 (von den Übersetzern hinzugefügt)
Der Begriff "Treibhauseffekt" ist in mancher Beziehung etwas unglücklich gewählt, denn für das Funktionieren eines Treibhauses spielen zwei Effekte eine Rolle, von denen aber gerade der als "Treibhauseffekt" bezeichnete nur einen relativ geringen Beitrag bewirkt. Tatsächlich funktioniert ein Treibhaus auch ganz gut, wenn man es nicht aus Glas baut (das Infrarotstrahlung absorbiert), sondern aus einem anderen durchsichtigen Material, z. B. Klarsichtfolie, das auch Infrarotstrahlung durchlässt.
Woran das genau liegt, kann man sich relativ einfach an einem Topf mit heißem Wasser klarmachen. Wenn Sie verhindern wollen, dass er sich schnell abkühlt, ist sicher Ihre erste Idee, einen Deckel darauf zu legen. Und das ist auch völlig korrekt, denn dadurch, dass nun die heiße Luft nicht mehr aus dem Topf entweichen und damit die Wärme abtransportieren kann, erreicht man den allergrößten Effekt.
Als Zweites würde man den Topf vielleicht in ein dickes Handtuch hüllen, um zu verhindern, dass am Topf entlangstreichende Luft sich erwärmt und so Wärme davonträgt. Das kann man mit einem Treibhaus natürlich nicht machen, insofern ist dieser Effekt bei unserer Betrachtung von untergeordneter Bedeutung.
Schließlich gibt der Topf aber auch Energie in Form von Wärmestrahlung ab (die von warmen Körpern ausgesandte Wärmestrahlung ist überwiegend infrarotes Licht, also Licht, das so "rot" ist, dass man es mit dem Auge nicht sehen kann). Diesen Energieverlust kann man zum Teil unterdrücken, indem man den Topf mit einem Deckel verschließt, der die Wärmestrahlung nicht nach außen durchlässt. Es macht also einen Unterschied, ob man einen Glasdeckel verwendet oder einen aus einem Material, das für Infrarotstrahlung durchlässig ist. Allerdings hat dies einen recht kleinen Einfluss (und den meisten wird das deshalb nicht bewusst sein). Dies ist aber gerade der sogenannte "Treibhauseffekt".
Damit stellt sich natürlich sofort die Frage, warum überhaupt so viel über den Treibhauseffekt und dessen Einfluss auf unser Klima geredet wird. Das liegt daran, dass auf unserer Atmosphäre ein "Deckel" liegt. Die Luft in der Atmosphäre kann nicht von der Erde entweichen, da sie durch die Schwerkraft der Erde festgehalten wird. Es kann also keine Wärme durch die Luft von der Erde abgeführt werden. Auch hat die Erde einen isolierenden "Mantel", nämlich – so seltsam das zunächst klingen mag – das sie umgebende Vakuum des Weltalls. Da dort keine Materie ist, die von der Erde erwärmt werden könnte und diese Wärme dann forttragen würde, ist die Erde auf diese Weise vor Energieverlusten geschützt.
Damit bleibt der Erde nur eine einzige Möglichkeit, sich abzukühlen: mittels Wärmestrahlung. Und genau die wird durch den eigentlich recht kleinen "Treibhauseffekt" beeinflusst. Man muss sich außerdem klarmachen, dass die Sonne riesige Mengen an Energie zur Erde schickt (winzige Bruchteile davon würden ausreichen, den Energiebedarf der gesamten Menschheit zu decken). Und beim Klimawandel geht es ja auch nicht um eine riesige Erwärmung in kürzester Zeit, sondern um einen Anstieg der mittleren Temperatur auf der Erde um wenige Grad im Laufe eines Jahrhunderts. Insofern kann der verhältnismäßig kleine Treibhauseffekt für die Menschheit große Folgen haben.
Aber zurück zum Gewächshaus als Modell für die Erdatmosphäre. Wie wir gesehen haben, ist der wichtigste Grund ein Gewächshaus zu bauen der Folgende: Die Wände des Gewächshauses verhindern, dass die Wärme durch entweichende warme Luft schnell abtransportiert wird. Aus durchsichtigem Material baut man ein Gewächshaus natürlich deshalb, weil anderenfalls das Licht der Sonne ja gar nicht erst hereinkäme. Es aus einem durchsichtigen Material zu bauen, das für Wärmestrahlung (bzw. Infrarotstrahlung) undurchlässig ist, ist dann nur noch das Sahnehäubchen auf dem Kuchen.
Wenn man zwei Treibhäuser bauen würde, eins aus Glas und das andere aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Material (die aber sonst völlig gleich sind), dann ist bestenfalls ein minimaler Unterschied zwischen den Temperaturen in beiden Treibhäusern zu erwarten. Dieser Unterschied rührt aber gerade vom "Treibhauseffekt" her.
Fußnote
1: 4. Klasse von Christelle Colombi, Meaux, Frankreich (angepasst)
Letzte Aktualisierung: 28.10.2021
