7. – 10. Schuljahr

Gleichgewichtstemperatur, Albedo und positive Rückkopplung

Versuch: Sek. I, Schüler/Lehrer
Zeit: 45 Minuten
von Moritz Strähle, Michael Sach und Cecilia Scorza
Positive (also sich selbst verstärkende) Rückkopplungsprozesse sind die Achillesferse des Klimasystems. Wird in anfälligen Regionen, wie z.B. der Arktis, eine bestimmte Schwelle (Kipppunkt) erreicht, kann es selbst durch kleine weitere Beeinflussungen zu plötzlichen, drastischen und irreversiblen Klimaänderungen kommen. Ein solcher positiver Rückkopplungsprozess (vgl. [1] und [2]) kann mit diesem Versuch am Beispiel der Eis-Albedo-Rückkopplung anschaulich gemacht werden. Die Begriffe Albedo, Gleichgewichtstemperatur und Strahlungsgleichgewicht spielen hierbei eine zentrale Rolle.
Der Aufbau ist mit einfachen Mitteln realisierbar und kann z.B. auch im Rahmen eines Lernzirkels zum Klimawandel als Schülerexperiment durchgeführt werden.
Materialien
  • Strahler (z.B. Halogen 120 W)
  • 2 Papierkörper (bedruckt als Gesteins- bzw. Eisfläche, s. Vorlage in Abb. 2 )
  • 2 (Digital-)Thermometer
  • Stoppuhr
Aufbau und Druchführung
Die beiden Thermometer werden jeweils in die gefalteten und am Rand zusammengeklebten Papierkörper gesteckt. Der eine stellt das Gestein unter einem geschmolzenen Gletscher dar, der zweite eine intakte Eisfläche. Beide Testkörper werden entsprechend der Abbildung 1 in einem Abstand von ca. 20 cm so unter dem Strahler platziert, dass sie mit möglichst gleicher Intensität bestrahlt werden. Die Messdaten werden alle 30 Sekunden in ein t-ϑ-Diagramm eingetragen (s. a. [3]).
Beobachtung
  • Die Temperatur beider Papierkörper steigt zu Beginn zügig und im weiteren Verlauf immer weniger stark an. Trotz ständiger Bestrahlung nähert sich die Temperatur der bestrahlten Körper einem Maximalwert an.
  • Der Maximalwert der Temperatur des dunkel bedruckten Papierkörpers ist höher als der des hellen Papierkörpers.
Erklärung und Ausblick
  • Je höher die Temperatur eines Körpers ist, desto größer ist auch dessen emittierte thermische Strahlungsleistung. Es gilt das Stefan-Boltzmann-Gesetz P = σ  · A · T4 . Bei erreichter Gleichgewichtstemperatur ϑGG ist dann die emittierte Strahlungsleistung gleich der absorbierten Strahlungsleistung (Strahlungsgleichgewicht, s. Abb. 3 ).
  • Die Albedo α gibt das Verhältnis zwischen diffus reflektierter und einfallender Strahlung einer Oberfläche an. Dieses Rückstrahlvermögen ist bei hellen Flächen wie frischem Schnee (α  0,8) größer als z.B. bei Wasser (α  0,1) oder dunklem Erdboden (α ≈ 0,3). Da der helle Körper im Experiment somit weniger Strahlungsleistung absorbiert, ist dessen emittierte thermische Strahlungsleistung im Strahlungsgleichgewicht auch entsprechend kleiner und somit stellt sich wegen P ~ T4 dessen Gleichgewichtstemperatur auch auf niedrigerem Niveau ein. Das Versuchsergebnis kann mit den Schülerinnen und Schülern im Hinblick auf die eingangs erwähnte Eis-Albedo-Rückkopplung diskutiert werden (s. Abb. 4 ).
Literatur

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