1.8: Farbe und Temperatur – die Rolle des arktischen Meereises
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| Publikation: | 19.5.2017 |
| Lernstufe: | 3 |
| Übersicht: | Die Schüler stellen experimentell fest: Eine helle Oberfläche erwärmt sich in der Sonne weniger schnell als eine dunkle Oberfläche. Das erklärt, weshalb das arktische Meereis für das Klima unseres Planeten eine so wichtige Rolle spielt. |
| Angestrebte Kenntnisse: |
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| Dauer: | 1 Stunde |
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Für die Klasse:
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| Herkunft: | La main à la pâte, Paris |
Ausgangsfrage
Die Lehrerin verteilt das Arbeitsblatt 7 (Das Schmelzen des arktischen Meereises). Die Schüler lesen sich das Arbeitsblatt durch. Anschließend stellt die Lehrerin die Frage: "Warum beunruhigt uns das Verschwinden des arktischen Meereises so sehr? Wir haben doch in der Unterrichtsstunde 1.6 (Eischmelze und Anstieg des Meeresspiegels) gesehen: Wenn Meereis schmilzt, steigt der Meeresspiegel nicht an".
Die Schüler verbinden das arktische Meereis – den Nordpol – meistens nur mit dem Eisbären. Er ist vom Aussterben bedroht, wenn das Meereis verschwindet. Die Lehrerin macht die Schüler auf die Farbe des Meereises aufmerksam: "Was fällt euch auf? Was ist das Besondere am Meereis? Wodurch unterscheidet es sich vom Ozean?".
Die Schüler erkennen, dass das Meereis eine große weiße Fläche ist, die im Gegensatz zum Rest (Kontinente, Arktischer Ozean) viel heller ist. Die Lehrerin fragt, ob die Farbe eine Rolle bei der Erderwärmung spielen kann: "Hat die Farbe einen Einfluss darauf, wie sich ein Gegenstand erwärmt, wenn er der Sonne ausgesetzt ist?".
Experiment
Sobald die Schüler ihre Vermutungen geäußert haben, fragt die Lehrerin, wie sie diese überprüfen könnten. Sie ermutigt die Schüler, sich ein Experiment auszudenken und dieses anschließend durchzuführen. Man könnte zum Beispiel zwei identische Gegenstände nehmen, einen weißen und einen schwarzen, und beide in die Sonne stellen. Um die Temperatur leichter messen zu können, ist es besser, wenn man Flüssigkeiten (z. B. Wasser) nimmt.
Ein mögliches Experiment besteht darin, die gleiche Menge Wasser in zwei identische Gefäße zu geben – das eine weiß, das andere schwarz – und dann beide Gefäße in die Sonne zu stellen. Man kann auch (das geht einfacher und schneller), das Wasser direkt färben, indem man es mit weißer oder schwarzer Farbe mischt.
Abb. 1: Zu Beginn beträgt die Temperatur in allen drei Gefäßen 22°C. Nach einer Stunde in der Sonne ist die Temperatur im schwarzen Gefäß auf 27,5°C gestiegen und die Temperatur im weißen Gefäß auf 24°C [1].
Wissenschaftliche Anmerkungen
- Es ist besser, die Gegenstände/Gefäße nicht direkt auf dem Boden, sondern auf einem Wärmedämmstoff (Wollpullover, Styropor, Schaumstoffplatte) zu platzieren.
- Wie lange man die Gegenstände/Gefäße in die Sonne stellen sollte, hängt von der Gegend, der Jahreszeit und dem Wetter ab. In Karlsruhe zum Beispiel lassen sich an einem sonnigen Apriltag nach einer Stunde bereits signifikante Effekte beobachten.
- Es ist besser, dieses Experiment in der Sonne durchzuführen als unter einer Lampe. Eine Lampe emittiert überproportional viel infrarote Strahlung; und hier will man ja gerade den Effekt des Sonnenlichts messen, das vor allen Dingen sichtbares Licht emittiert.
- In Abb. 1 sind drei Gefäße abgebildet: Das Gefäß mit dem "durchsichtigen" Wasser ist nicht unerlässlich, um die Ausgangsfrage zu beantworten.
Ein anderes Experiment besteht darin, Eiswürfel in die Sonne zu legen. Es werden einige Eiswürfel auf ein schwarzes Blatt Papier gelegt, und einige Eiswürfel auf ein weißes Blatt Papier. Die Eiswürfel auf dem schwarzen Blatt Papier schmelzen viel schneller.
Gemeinsame Erörterung
Die Sprecher der einzelnen Gruppen stellen ihre Ergebnisse vor. Die Schüler verknüpfen ihre Beobachtungen mit Alltagserfahrungen: Was passiert, wenn man ein Auto im Sommer in der vollen Sonne stehen lässt? Spielt die Farbe des Autos oder der Sitze eine Rolle?
Die Lehrerin kommt auf die Ergebnisse der vorherigen Unterrichtsstunde zurück: "Wir hatten gesehen, dass aufgrund des Klimawandels bereits große Eisflächen (Meereis, Gletscher) verschwunden sind, und sich dies höchstwahrscheinlich fortsetzen wird. Was passiert, wenn zum Beispiel die Meereisfläche rund um den Nordpol kleiner wird? Welche besondere Eigenschaft hat das Eis?".
Der Zweck der Diskussion ist es, über die Farbe des Eises zu sprechen: Das Eis ist weiß. Es reflektiert daher einen großen Teil der Sonnenstrahlung und sorgt dafür, dass weniger Sonnenstrahlung vom Ozean aufgenommen wird. Ähnlich verhält es sich mit Gletschern und Eisschilden: Schmilzt das Eis, kommt dunklere Erdoberfläche zum Vorschein, die mehr Sonnenstrahlung aufnimmt als die Eisflächen. "Welche Farbe hat der Ozean? Ist er heller oder dunkler als das Eis? Wenn das Meereis schmilzt (die Ausdehnung des Meereises kleiner wird), was passiert dann mit der Temperatur des Ozeans?".
Die Schüler verstehen nun, dass das vollständige oder teilweise Verschwinden des arktischen Meereises zu einem Anstieg der Temperatur des Ozeans führt. Tatsächlich ist es das Schmelzen des Meereises, das den Klimawandel in den letzten 40 Jahren beschleunigt hat.
Zusammenfassung
Das arktische Meereis ist eine große weiße Fläche, die den größten Teil der Sonnenstrahlung reflektiert. Der dunkle Ozean absorbiert dagegen viel Sonnenstrahlung. Wenn das Meereis verschwindet, wird die von Ozean bedeckte Fläche größer: Der Ozean absorbiert mehr Sonnenstrahlung und wird wärmer. Auch das Abschmelzen der Gletscher und Eisschilde führt dazu, dass die Erdoberfläche dunkler wird und sich unser Planet erwärmt.
Wissenschaftliche Anmerkungen
- Das arktische Meereis ist weiß, es wirkt wie ein Spiegel. Es reflektiert den größten Teil der Sonnenstrahlung. Diese Eigenschaft, das Licht reflektieren zu können (das Rückstrahlungsvermögen), wird Albedo genannt. Der Ozean, der eine Albedo von etwa 10% hat, ist viel dunkler (und absorbiert dadurch viel mehr Sonnenstrahlung) als zum Beispiel Neuschnee, dessen Albedo mehr als 80% beträgt.
- Durch den Klimawandel verringert sich auf der Erde die Fläche, die von Meereis und Gletschern bedeckt ist: Die Albedo unseres Planeten wird kleiner. Dadurch erwärmt sich die Erde immer weiter, was wiederum das Abschmelzen des Meereises und der Gletscher weiter beschleunigt. Es ist ein Teufelskreis.
Mögliche Erweiterung
Die Schüler können auch der Frage nachgehen, warum das Eis schneller schmilzt als erwartet. Luftverschmutzung und Waldbrände führen zum Beispiel dazu, dass sich auf dem Grönländischen Eisschild schwarzer Ruß absetzt und das Eis dort immer dunkler wird (die Albedo wird kleiner). Die dunklere Eisfläche absorbiert mehr Sonnenstrahlung und das Eis schmilzt schneller.
Fußnote
1: Abb. 1: 4. Klasse von Sabine Lanoé (Paris)
Letzte Aktualisierung: 16.8.2021
