1.3: Meeresströmungen aufgrund von Temperaturunterschieden
| Autoren: | |
| Publikation: | 18.5.2017 |
| Lernstufe: | 3 |
| Übersicht: | Was treibt die Meeresströmungen an? In einem Experiment stellen die Schüler fest, dass warmes Wasser eine geringere Dichte hat als kaltes Wasser. |
| Angestrebte Kenntnisse: |
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| Wortschatz: | Dichte |
| Dauer: | 1 Stunde |
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Für jede Schülergruppe:
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| Herkunft: | La main à la pâte, Paris |
Ausgangsfrage
Die Lehrerin fragt die Schüler nach großen Meeresströmungen. Meistens kennen sie nur den Golfstrom. Es kann aber auch sein, dass manche Schüler "exotischere" Meeresströmungen erwähnen, wie zum Beispiel den Ostaustralstrom (OAS), den sie aus dem Film "Findet Nemo" kennen.
Die Lehrerin verteilt die obere Hälfte des Arbeitsblattes 3 (Die großen Meeresströmungen). Die Oberflächenströmungen sind darin rot gezeichnet und die Tiefenströmungen blau. Die Gesamtheit dieser Meeresströmungen wird als thermohaline Zirkulation, als globales Förderband oder als Meridionale Umwälzzirkulation [1] bezeichnet. Die Etymologie des Wortes "thermohalin" wird den Schülern erst am Ende der nächsten Unterrichtsstunde gegeben, damit sie ganz unvoreingenommen die folgende Fragestellung untersuchen können: "Was passiert, wenn Wassermassen mit unterschiedlicher Temperatur und unterschiedlichem Salzgehalt aufeinandertreffen?".
Abb. 1: Die thermohaline Zirkulation
Quelle: Robert Simmon / NASA (Wiki Commons /
Public Domain)
und Miraceti (Wiki Commons, CC BY-SA 3.0), Beschriftung von Sonnentaler
Die Lehrerin bittet die Schüler, ihr Augenmerk auf den Golfstrom und seine Verlängerung, den Nordatlantikstrom, zu richten. Sie sind Teil einer (warmen) Oberflächenströmung, die nach Nordosten Richtung Nordpol strömt. Die Lehrerin erklärt, dass an zwei Stellen – zwischen Island, Grönland und Norwegen einerseits und südlich von Grönland andererseits – Wasser in die Tiefe taucht: Es bildet sich kaltes Tiefenwasser, das als (kalte) Tiefenströmung nach Nordamerika und dann weiter entlang der Ostküste Nordamerikas nach Süden strömt. Für die meisten Schüler ist dies erstaunlich, da sie der Meinung sind, warme Meeresströmungen gäbe es lediglich in der Nähe des Äquators und kalte Meeresströmungen nur an den Polen.
Wissenschaftliche Anmerkungen
- Auf ihrem Weg nach Norden geben die Wassermassen des Golfstroms und des Nordatlantikstroms Wärme an die Atmosphäre ab: Das Wasser wird kälter, seine Dichte nimmt zu.
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Außerdem nimmt aufgrund der ständigen Verdunstung der Salzgehalt des Wassers zu
[2], da das Salz nicht mit verdunstet.
Auch das erhöht die Dichte des Wassers.
Der eigentliche Motor der weltumspannenden Meeresströmungen befindet sich
allerdings an den Stellen, an denen kaltes, salzhaltiges Wasser in die Tiefe des Ozeans
taucht (die gelben Kreise in Abb. 1 deuten dies an).
Der Grund für die Bildung von kaltem Tiefenwasser ist der folgende: Die kalte arktische Luft kühlt die obere Wasserschicht ab. Auch der Salzgehalt des Wassers ist aufgrund von Meereisbildung sehr hoch (in Meereis wird kaum Salz "eingebaut"; das Salz wird an das umgebende Meerwasser abgegeben und erhöht dessen Salzgehalt). Kälteres, salzhaltigeres Wasser hat aber eine höhere Dichte als wärmeres, weniger salzhaltiges Wasser: Es sinkt ab. Durch das Absinken des kalten, salzhaltigen Wassers entsteht ein Sog: Ein Teil des Wassers des Nordatlantikstroms strömt nach.
Die Lehrerin fragt nun: "Warum sinkt Wasser östlich von Island und südlich von Grönland in die Tiefe?" oder anders gefragt: "Wie kann Wasser in Wasser sinken?".
Die Antwort auf die erste Frage ist in Wirklichkeit sehr kompliziert. In dieser und in der nächsten Unterrichtsstunde werden nur zwei der wichtigsten Ursachen von Meeresströmungen erkundet. Im Wiki Klimawandel gibt es eine ausführliche Erklärung zum globalen Förderband.
Literaturrecherche
Die Schüler kommen womöglich auf folgende Gründe für das Absinken: Es liegt an der Temperatur, am Salzgehalt, am Wind usw. Die naheliegendste Erklärung ist die Temperatur ("weil ja das warme Wasser vom Äquator Richtung Nordpol strömt"): "Wenn man warmes und kaltes Wasser mischt, dann sinkt das kalte Wasser und das warme Wasser schwimmt an der Oberfläche." Oder: "Kaltes Wasser ist 'schwerer' als warmes Wasser."
Die Klasse überlegt sich ein Experiment (oder mehrere Experimente), mit dem (denen) ihre Vermutung(en) überprüft werden kann (können). Ein einfaches Experiment wäre zum Beispiel das folgende: Man nimmt ein großes durchsichtiges Gefäß und füllt lauwarmes Wasser hinein. Anschließend taucht man ein kleines Fläschchen mit heißem, (zum Beispiel rot) gefärbtem Wasser in das Gefäß. Wird das Fläschchen unter Wasser geöffnet, strömt das warme (rote) Wasser an die Wasseroberfläche.
Man kann auch das umgekehrte Experiment durchführen: Man stellt ein Fläschchen mit kaltem (zum Beispiel blau) gefärbtem Wasser in das mit lauwarmem Wasser gefüllte Gefäß. In diesem Fall sinkt das kalte (blaue) Wasser auf den Boden des Gefäßes.
Die Durchführung des Experimentes sollte mit den Schülern genau besprochen werden. Die Schüler werden aufgefordert, das Ergebnis vorherzusagen. Anschließend führen sie dieses oder ein ähnliches (von ihnen vorgeschlagenes) Experiment durch.
Abb. 2: Links: Heißes Wasser (rot) steigt in lauwarmem Wasser nach oben.
Rechts: Kaltes Wasser (blau) sinkt in lauwarmem Wasser nach unten.
Pädagogische Anmerkungen
- Achtung: Um Verbrennungen zu vermeiden und um das Fläschchen, falls es aus Plastik ist, nicht zu verformen, sollte das heiße Wasser nicht zu heiß sein. Es reicht, wenn das Wasser etwa 40°C warm ist. Das kalte Wasser sollte vorher eine Weile im Kühlschrank gestanden haben.
- Man sollte das kleine Fläschchen in dem Gefäß so halten, dass die Öffnung horizontal liegt (siehe Abb. 2). Auf diese Weise wird keine Richtung (nach oben oder nach unten) vorgegeben.
- Um die Bildung von Blasen zu vermeiden, sollte das Fläschchen randvoll gefüllt und anschließend mit dem Finger verschlossen werden. Das Wasser sollte von allein aus dem Fläschchen strömen bzw. man sollte nur ganz vorsichtig auf das Fläschchen drücken, damit das Wasser nur ganz langsam hinausströmt.
Gemeinsame Erörterung und Zusammenfassung
Dieses einfache Experiment ist für die Schüler im Allgemeinen eine Überraschung: Man kann Wasser in Wasser sinken oder aufsteigen lassen!
Zur Erklärung des Experimentes werden die Kenntnisse der Schüler zum Thema "Schweben oder Sinken eines Körpers" herangezogen: Kaltes Wasser hat eine höhere Dichte als warmes Wasser. Oder anders ausgedrückt: Bei gleicher Masse nimmt kaltes Wasser ein geringeres Volumen ein als warmes Wasser – und deshalb sinkt das kalte Wasser.
Die Klasse erarbeitet gemeinsam eine Schlussfolgerung.
Beispiel: Wenn im Ozean verschiedene Wasserschichten unterschiedliche Temperaturen haben, dann können Meeresströmungen entstehen.
Die Lehrerin verteilt nun die untere Hälfte des Arbeitsblattes 3 (Die großen Meeresströmungen). Außer dem Temperaturunterschied – und den Winden – gibt es noch einen weiteren Grund für das Absinken des Wassers (östlich von Island und südlich von Grönland). Die Schüler schlagen weitere Gründe vor, die in der nächsten Unterrichtsstunde überprüft werden sollen.
Mögliche Erweiterung
Um eine durch einen Temperaturunterschied angetriebene Strömung zu modellieren, kann auch das folgende Experiment gemacht werden. Das Experiment ist noch beeindruckender als das weiter oben beschriebene, aber es ist nicht sehr wahrscheinlich, dass Schüler dieses Experiment von sich aus vorschlagen.
Zwei Flaschen werden oben und unten jeweils mittels eines Strohhalms verbunden. In der einen Flasche befindet sich heißes Wasser (rot gefärbt), in der anderen kaltes Wasser (blau gefärbt). Die Einstichstellen der Strohhalme werden mit Heißkleber dicht gemacht. Die Strömung wird zunächst verhindert, indem die beiden Strohhalme mit Wäscheklammern abgeklemmt werden. Sobald man die Wäscheklammern entfernt, beginnt das Experiment.
Abb. 3: Nach etwa 10 Minuten sieht man, wie kaltes Wasser (blau) und heißes Wasser (rot) zwischen den Flaschen hin und her strömt. Das dichtere kalte Wasser fließt in dem unteren Strohhalm, das heiße, weniger dichte Wasser in dem oberen Strohhalm.
Zum Weiterlesen
Fußnoten
1: Statt des Begriffs "thermohaline Zirkulation" verwendet man heute lieber den Begriff "meridionale Umwälzzirkulation", auf Englisch Meridional Overturning Circulation (MOC). Das soll deutlich machen, dass die Meeresströmungen nicht nur durch Unterschiede der Temperatur und des Salzgehalts zustande kommen, sondern auch weitere Faktoren eine Rolle spielen, insbesondere der Wind.
2: Das Verdunsten hat noch einen zweiten Effekt: Zum Verdunsten wird Energie benötigt. Diese Energie wird dem Wasser der Oberflächenströmung entzogen, was es zusätzlich abkühlt.
Letzte Aktualisierung: 16.8.2021
