1.5: Die thermische Trägheit der Ozeane
| Autoren: | |
| Publikation: | 18.5.2017 |
| Lernstufe: | 3 |
| Übersicht: | Die Schüler machen ein Experiment zur thermischen Trägheit von Wasser. Die thermische Trägheit der Ozeane reguliert und stabilisiert das Klima. |
| Angestrebte Kenntnisse: |
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| Wortschatz: | thermische Trägheit, Meeresklima, kontinentales Klima, Temperaturschwankung, Breitengrad |
| Dauer: | 2 Stunden (nicht am Stück) |
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Für jede Zweiergruppe:
Für die Klasse:
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| Herkunft: | La main à la pâte, Paris |
Ausgangsfrage
In den letzten beiden Unterrichtsstunden haben wir gesehen, dass Temperatur- und Salinitätsunterschiede die Meeresströmungen auf unserem Planeten antreiben. In dieser Unterrichtsstunde soll nun der Einfluss der Ozeane auf unser Klima untersucht werden. "Was ist gemeint, wenn man von Meeresklima (oder ozeanischem Klima) spricht? Wie kann der Ozean das Klima einer Region beeinflussen?".
Literaturrecherche
Die Lehrerin schreibt die Vermutungen der Kinder an die Tafel und verteilt anschließend das Arbeitsblatt 5 (Wie die Ozeane das Klima beeinflussen). In Zweiergruppen untersuchen die Schüler die jährliche Temperaturvariation zweier Städte, die auf dem gleichen Breitengrad liegen: Eine der beiden Städte liegt im Landesinneren (mindestens 100 Kilometer von der Küste entfernt), die andere Stadt liegt an der Küste.
Die Lehrerin vergewissert sich, dass die Schüler die Aufgabe verstanden haben, insbesondere die Begriffe "Breitengrad" und "Temperaturschwankungen".
Gemeinsame Erörterung
Bei der ersten Betrachtung der Temperaturkurven werden die Schüler vielleicht lediglich ganz allgemein bemerken, dass die Temperatur im Sommer höher ist als im Winter, und dass die Temperatur an einem Ort mit niedrigerem Breitengrad höher ist als an einem Ort mit höherem Breitengrad. Die Lehrerin kann sie dann genauer hinschauen lassen: Die Temperaturschwankungen zwischen Sommer und Winter sind an der Küste geringer als im Landesinneren. Ein Meeresklima (ozeanisches Klima) ist durch mildere Winter und weniger heiße Sommer gekennzeichnet.
Wissenschaftliche Anmerkungen
- Die Nähe des Meeres hat nicht nur Auswirkungen auf die Temperatur, sondern auch auf die Feuchtigkeit. An der Küste regnet es im Allgemeinen mehr und es weht auch mehr.
- Eine weitere Auswirkung werden wir in der Unterrichtsstunde "3.3: Den Ozean beobachten" untersuchen. Der Golfstrom ist eine warme Meeresströmung, die in Westeuropa für ein milderes Klima sorgt. Im Vergleich dazu wird das Klima in Kanada und den USA – auf ähnlichen Breitengraden – von kalten, von Grönland kommenden Meeresströmungen beeinflusst: Die Winter sind dort viel kälter.
Experiment
Die Lehrerin beginnt eine neue Diskussion über die Gründe für das milde Klima an den Küsten. Wenn die Schüler nicht selbst darauf kommen, kann sie einen Tipp geben: Erwärmen sich Festland und Ozean gleichermaßen? Kühlen sie gleichermaßen ab?
Wissenschaftliche Anmerkungen
-
Mehrere Faktoren spielen bei der Erwärmung und dem Abkühlen eine Rolle.
Zum einen die Wärmekapazität (der Erde, des Ozeans), die ein Maß ist
für die Energie, die benötigt wird, um etwas zu erwärmen. Beispiel:
Vergleicht man, wie viel Energie benötigt wird, um 1 kg Wasser bzw.
1 kg Ethanol (Alkohol) um 1°C zu erwärmen, stellt man fest: Zur Erwärmung
von Wasser braucht man fast doppelt so viel Energie wie zur Erwärmung von
Alkohol. Man spricht in diesem Zusammenhang von thermischer
Trägheit: Wasser ist thermisch
sehr träge, weil man viel Energie braucht, um es zu erwärmen. Entsprechend
gilt: Wasser muss viel Energie entzogen wird, damit es abkühlt.
Ein zweiter Faktor ist die Albedo, die ein Maß dafür ist, wie viel Licht eine Oberfläche reflektiert bzw. absorbiert. Die Albedo hängt von der Farbe der Oberfläche und von deren Oberflächenbeschaffenheit ab. In dieser Unterrichtsstunde beschäftigen wir uns mit der thermischen Trägheit, die Albedo wird in der Unterrichtsstunde "1.8: Farbe und Temperatur – die Rolle des arktischen Meereises" untersucht. - Um den Effekt der Albedo und der thermischen Trägheit zu trennen, sollte zum Erwärmen keine Lichtquelle (Sonne, Lampe) verwendet werden.
Die Klasse überlegt sich ein Experiment, mit dem man feststellen kann, ob der Ozean sich in gleicher Weise erwärmt wie das Festland. Man kann zum Beispiel zwei Gefäße nehmen, das eine mit Wasser (= der Ozean) befüllen, und das andere mit Sand oder Grieß oder Erde (= das Festland). Beide Gefäße werden anschließend auf einen Heizkörper gestellt.
Es sollte darauf geachtet werden, dass sich bei dem Experiment nur ein einzelner Parameter ändert, und zwar das Material: Wasser und Sand/Grieß/Erde. Alles andere muss gleich sein: identische Gefäße, gleiche Masse (von Wasser und Sand/Grieß/Erde).
Eine halbe Stunde lang lesen die Schüler alle 5 oder 10 Minuten die Temperatur in den beiden Gefäßen ab.
Abb. 1: Zwei Gefäße mit 1 dm3 Grieß (links) und 1 Liter Wasser (rechts) stehen auf einem sehr heißen Heizkörper.
Abb. 2: Nach etwa 20 Minuten ist die Temperatur des Grießes um 17°C angestiegen, die Temperatur des Wassers dagegen lediglich um 6°C.
Wissenschaftliche Anmerkungen
- In unserem Beispiel wurde jeweils 1 kg (trockener) Grieß und Wasser verwendet. Die Gefäße wurden auf einen Heizkörper gestellt, dessen Thermostat auf maximale Heizleistung gedreht wurde. Das erklärt, weshalb man schon nach ca. 20 Minuten einen deutlichen Effekt sehen konnte (siehe Abb. 2). Heizt man langsamer (niedrigere Thermostatstellung), dauert das Experiment länger, aber das Ergebnis ist identisch.
- Die Interpretation dieses Experiments ist einfach: In einer bestimmten Zeit, erwärmt sich das Wasser weniger schnell als der Grieß (oder der Sand oder die Erde). Genauso erwärmt sich (über einen Zeitraum von einigen Monaten) der Ozean weniger als das Festland. Daher ist es im Sommer an der Küste kühler.
- Man kann dieses Experiment fortführen: Irgendwann herrscht ein thermisches Gleichgewicht und beide Gefäße haben die gleiche Temperatur. Es dauert allerdings viel länger, bis das Gefäß mit dem Wasser diese Endtemperatur erreicht hat: Das Wasser erwärmt sich langsamer.
Man kann noch ein weiteres (ähnliches) Experiment machen. Anstatt Wasser und Sand/Grieß/Erde auf einen Heizkörper zu stellen, kann man beide Gefäße auch in den Kühlschrank stellen – möglichst auf gleicher Höhe. In diesem Fall misst man, wie schnell sich Wasser und Sand/Grieß/Erde abkühlen. Auch hier wird man feststellen: Das Wasser kühlt sich langsamer ab als der Sand, der Grieß oder die Erde.
Man spricht von thermischer Trägheit der Ozeane, weil das Meerwasser sich nur langsam erwärmt oder abkühlt. Daher sind die Temperaturschwankungen innerhalb eines Jahres an der Küste geringer als auf dem Festland (weit weg von der Küste).
Zusammenfassung
Die Klasse erarbeitet gemeinsam eine Schlussfolgerung.
Beispiel: Ozeanisches Klima (Meeresklima) ist milder als kontinentales Klima. Das liegt an der thermischen Trägheit der Ozeane. Das Wasser der Ozeane reagiert langsamer auf Temperaturschwankungen (Erwärmung, Abkühlung) als das Festland.
Letzte Aktualisierung: 29.11.2023
