Climate

In dieser Episode treffen sich die Supertrouper an einem Ort, an dem eine Klimademonstration stattfindet, an der einer ihrer Mitglieder teilnimmt. In der Gruppe gibt es unterschiedliche Meinungen über die Ursachen der Klimaerwärmung, wobei ein Mitglied auch die Möglichkeit einer natürlichen Ursache in Betracht zieht. Um Klarheit zu gewinnen, wenden sie sich an eine Physikerin, die ebenfalls an der Demonstration teilnimmt, und bitten sie um fachlichen Rat. Die Physikerin lädt sie ein, in ihrem Labor Experimente durchzuführen, um das Konzept der Infrarotstrahlung und den Einfluss von CO2 auf diese Strahlung genauer zu untersuchen. Anschließend präsentieren die Jugendlichen ihre Experimente in einem Straßentheaterstück vor, das im Rahmen einer weiteren Klimademonstration aufgeführt wird. Dabei veranschaulichen sie die Strahlungsbilanz des Systems Erde, um den Zusammenhang zwischen zusätzlichen CO2-Emissionen, Infrarotstrahlung und den Auswirkungen auf die globale Temperatur zu erläutern. 

Alle im Comic dargestellten Experimente sind in Form von Fotos und Videos verfügbar (in editierbaren Dokumenten, die im Unterrichtsvorschlag im letzten Abschnitt zum Download verfügbar sind). Der gewählte Ansatz basiert auf den Erkenntnissen der Didaktikforschung zu den Ansichten und Schwierigkeiten von Schülerinnen und Schülern. Durch Experimente, die grundlegende Phänomene der globalen Erwärmung untersuchen, soll das Vertrauen in das Wissen über das Klima gestärkt werden, anstatt sich vorrangig auf technische Aspekte von Klimamodellen und -simulationen zu konzentrieren. Obwohl laut wissenschaftlichem Konsens die globale Erwärmung ausschließlich menschengemacht ist, wird dies von einem großen Teil der Bevölkerung weiterhin in Frage gestellt.

Ursprung des Klimawandels und öffentliche Meinung

Laut einer internationalen EDF-IPSOS-Umfrage aus dem Jahr 2023 (24.000 Personen in 30 Ländern) bestreiten noch immer 8% der Befragten, dass es überhaupt einen Klimawandel gibt, und 27% sind der Meinung, dass der Klimawandel hauptsächlich natürlichen Ursprungs ist. Dieser Anteil liegt in Frankreich bei 25% (28% laut ADEME-Umfrage 2023) und betrug 2022 in der Altersgruppe der 16- bis 24-Jährigen 32%. Zu diesen 32% kommen noch 10% der Jugendlichen hinzu, die die Existenz der globalen Erwärmung leugnen. Diese insgesamt 42% Klimaskeptiker in der Altersgruppe der 16- bis 24-Jährigen sind für die Lehrkräfte besonders alarmierend, wenn man bedenkt, dass die Lehrpläne seit 2019 auf allen Ebenen verstärkt die Herausforderungen durch das Klima thematisieren und dass diese auch in den Medien und in populärwissenschaftlichen Veröffentlichungen immer präsenter werden.

Schwierigkeiten bei der Darstellung des Treibhauseffekts

Bei der Interpretation von Darstellungen des Treibhauseffekts wurden mehrere Probleme identifiziert, von denen sich einige insbesondere aus der Art und Weise der Konzeptualisierung ergeben. Ein weit verbreitetes Missverständnis ist die Vorstellung, dass Treibhausgase (THG) eine Art „Schicht“ oder „Deckel“ in der Atmosphäre bilden. Diese Auffassung impliziert, dass THG eine Barriere schaffen, an der ein Teil der von der Erde emittierten Wärme oder Strahlung „abprallt“ und zur Erde zurückkehrt, wodurch die „Energie der Sonne“ „eingefangen“ wird. Oft wird dies durch Darstellungen der Infrarotstrahlung verstärkt, die den Eindruck erweckt, dass diese Strahlung wie ein Reflexionseffekt „zur Erde zurückkehrt“. Diese Sichtweise hat jedoch wenig mit den tatsächlichen physikalischen Prozessen der Strahlungsemission aus der Atmosphäre zu tun.

Ein weiteres Problem ist das chronologische Denken, das dieser Vorstellung zugrunde liegt. Hierbei wird angenommen, dass die Strahlung vom Boden ausgeht, von der Atmosphäre am  Austritt gehindert wird und dann zur Erdoberfläche zurückkehrt, wodurch diese „ein wenig mehr“ erwärmt wird. Diese chronologische Sichtweise widerspricht den häufig verwendeten Schemata, die Momentanbilanzen darstellen, bei denen die Strahlungsleistungen simultan betrachtet werden und die Temperatur konstant bleibt. Zudem wird oft nicht zwischen den verschiedenen Arten von Strahlung (Sonnenstrahlung, Infrarotstrahlung der Erde und Infrarotstrahlung der Atmosphäre) unterschieden. Diese fehlende Differenzierung fördert die Vorstellung des „Abprallens“ oder „Einfangens“ der vom Boden kommenden Strahlung.

Die Schwierigkeiten bei der Unterscheidung der verschiedenen Strahlungsarten könnten mit den Herausforderungen bei der Einführung des Konzepts der Infrarotstrahlung zusammenhängen, für die im Folgenden Vorschläge unterbreitet werden.

Können Gase tatsächlich mit Infrarotstrahlung interagieren?

Um die Emissions- und Absorptionsfähigkeit von Infrarotstrahlung zu veranschaulichen, werden häufig Bilder von Infrarotkameras verwendet, die Objekte mit unterschiedlichen Temperaturen und Transparenzen zeigen. Diese Beobachtungen werden jedoch nur mit Festkörpern gemacht. Aus physikalischer Perspektive teilen Gase jedoch nicht alle Eigenschaften von Festkörpern. Warum sollten sie also in Bezug auf die Wechselwirkung mit Strahlung die gleichen Eigenschaften aufweisen? Inwieweit ist die Übertragung von Eigenschaften von Festkörpern auf Gase für die Schülerinnen und Schüler nachvollziehbar? Zu diesem Thema wurde eine Umfrage durchgeführt. Nach einer Einführung in die Infrarotstrahlung, die von Festkörpern emittiert oder absorbiert wird, wurden die Schülerinnen und Schüler nach ihrer Einschätzung bezüglich der Fähigkeiten von Gasen befragt. Die Ergebnisse waren für Emission und Absorption fast gleich: Mehr als drei Viertel der Realschüler (N=208) und zwei Drittel der Gymnasiasten (N=280) waren entweder der Meinung, dass Gase weder Strahlung emittieren noch absorbieren können, oder gaben an, dass sie es nicht wüssten. Angesichts dieser Befunde stellt sich die Frage, wie man diese Phänomene adäquat einführen kann, ohne sie als gegeben anzunehmen. Dies ist von entscheidender Bedeutung, um eine fundierte Verbindung zwischen CO2-Emissionen und globaler Erwärmung herzustellen.

Die ersten Experimente, die die Wechselwirkung zwischen CO2 und Infrarotstrahlung aufzeigen, stammen aus der Mitte des 19. Jahrhunderts. Sie wurden unabhängig voneinander von Eunice Newton Foot in den USA und John Tyndall in England durchgeführt. Svante Arrhenius, ein schwedischer Chemiker, lieferte die erste quantitative Schätzung des potenziellen Einflusses von CO2 auf die globale Temperatur in seinem Artikel „On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground“ (Arrhenius, 1896). Er stützte sich dabei auf die Analyse des Absorptionsspektrums der Atmosphäre anhand von Beobachtungen des Mondlichts bei verschiedenen Wellenlängen, wobei er davon ausging, dass das Emissionsspektrum des Mondes dem der Erdoberfläche ähnlich ist. 

Die ersten Klimamodelle entstanden in den 1950er Jahren und wurden seitdem immer weiter verfeinert, wobei immer mehr Variablen und Beziehungen zwischen ihnen berücksichtigt wurden. Die Beziehung zwischen der Leistung der Infrarotstrahlung und dem Treibhausgasgehalt wird lokal an jedem Punkt der Atmosphäre mithilfe von sogenannten Strahlungstransfergleichungen beschrieben, die die Temperatur in einer bestimmten Höhe berücksichtigen. Diese Gleichungen werden zusammen mit den Gleichungen für die anderen beteiligten Phänomene in die Klimamodelle integriert. Anhand dieser Modelle kann das Klima der Vergangenheit simuliert werden, wobei jeweils bestimmte Faktoren vernachlässigt werden, um deren Einfluss im Verhältnis zu anderen Faktoren zu bestimmen. Insbesondere wenn man die Klimaentwicklung seit 1850 simuliert, ohne den durch menschliche Aktivitäten verursachten Anstieg der Treibhausgas- und Aerosolwerte zu berücksichtigen, erhält man eine weitgehend stabile Durchschnittstemperatur (siehe blaue Kurve in der Abbildung unten). Wenn man zusätzlich die menschlichen Faktoren einbezieht, kommen die erhaltenen Simulationen seit 1850 gemessenen Entwicklung der Durchschnittstemperatur sehr nahe (orangefarbene Kurve). Anhand dieser Simulationen kann gezeigt werden, dass die gesamte aktuelle Erwärmung tatsächlich auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen ist.

Ziel dieser Episode ist es, die Ursachen der globalen Erwärmung zu untersuchen (Kapitel 1) und verschiedene Ansätze zur Beantwortung dieser Frage vorzustellen (Kapitel 2 und 3). Der didaktische Ansatz, der sowohl im Comic als auch in den begleitenden Materialien verwendet wird, umfasst drei zentrale Optionen. Diese unterscheiden sich von den Ansätzen, die in den meisten Lehrmaterialien zu diesem Thema zu finden sind.

Strahlungsbilanz zwischen dem System Erde und dem Weltraum

Die Analyse der Strahlungsbilanz der Erde wurde auf die Strahlungsbilanz des gesamten Systems Erde, d. h. an der Schnittstelle zum Weltraum, eingegrenzt. 

Diese Herangehensweise unterscheidet sich von den meisten bestehenden Darstellungen des Treibhauseffekts und vereinfacht die Darstellung der Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Erdoberfläche. Mit solchen Schemata lässt sich nämlich zeigen, dass es nicht möglich ist, qualitativ den Einfluss einer Erhöhung der Treibhausgase auf die Temperatur abzuleiten (siehe Anhang A). Neben der besseren Verständlichkeit einer Strahlungsbilanz an der Schnittstelle zum Weltraum ermöglicht diese Fokussierung zudem, dass zahlreiche Phänomene der Atmosphärenphysik, die andere Energieübertragungsmechanismen als die durch Strahlung einbeziehen, nicht vernachlässigt werden.

Verwendung des Begriffs „Strahlungsleistung“

Die Fokussierung auf die Bilanz der in den Weltraum ein- und austretenden Strahlung ermöglicht eine schlüssige Argumentation, die den Begriff „Energie“ nicht zwingend erfordert. Der Begriff „Strahlungsleistung“ ist nämlich ausreichend, um zu Schlussfolgerungen zu gelangen, und kann leichter mit empirischen Beobachtungen verknüpft werden, und zwar durch eine Verallgemeinerung des Begriffs „Helligkeit“. Diese didaktische Entscheidung trägt dazu bei, die bekannten Schwierigkeiten im Verständnis des Begriffs „Energie“ zu umgehen, die zur Komplexität des Themas hinzukommen würden. Gleichzeitig bleibt der vorgeschlagene Ansatz offen für eine Neufassung oder Vertiefung des Begriffs „Energie“ in geeigneten Kontexten.

Aufzeigen der Wechselwirkungen zwischen Infrarotstrahlung und CO2

Der den Kapiteln 2 und 3 zugrunde liegende didaktische Ansatz basiert im Kern auf Experimenten, mit denen der Einfluss von CO2 auf die Infrarotstrahlung in Abhängigkeit von der Temperatur veranschaulicht wird. Diese Experimente wurden mit einer Labor-Infrarotkamera durchgeführt, deren Empfindlichkeitsbereich (3-5 Mikrometer) einen Teil des Absorptions-/Emissionsspektrums von CO2 erfasst (was bei den gängigen Kameras, die den Schulen ggf. zur Verfügung stehen, nicht gegeben sein dürfte). Durch die gewonnenen Beobachtungen erhalten Schülerinnern und Schüler, die die Begriffe „Wellenlänge“ und „spektrale Intensität“ nicht oder nur unzureichend verstehen, eine empirische Referenz. Diese basiert auf der qualitativen Interpretation von Bildern einer Infrarotkamera, die analog zu Aufnahmen von Festkörpern sind. Es wird vorgeschlagen, das Experiment mit Luft- und CO2-Ballons durchzuführen, die eine niedrigere Temperatur als der Hintergrundstoff aufweisen, um eine analoge Situation zum System Erde zu schaffen, in der das CO2 in der Atmosphäre im Durchschnitt deutlich kälter ist als die Erdoberfläche.  

Eine detaillierte physikalische Erklärung der Infrarot-Beobachtungen der Ballons ist im unten zum Download verfügbaren Dokument (siehe Anhang B) zu finden.

Der zentrale Schritt des didaktischen Ansatzes besteht darin, aus den durchgeführten Beobachtungen den Einfluss der CO2-Anreicherung der Atmosphäre auf die Strahlungsbilanz der Erde abzuleiten. Bei dieser Berechnung ist es jedoch wichtig, im Vergleich zur Situation der Ballons auch die potenziellen Auswirkungen anderer atmosphärischer Eigenschaften zu berücksichtigen (z. B. dass die Atmosphäre bereits eine gewisse Menge an CO2 sowie Wasserdampf enthält oder dass die Temperatur mit zunehmender Höhe abnimmt). Die Extrapolation der Beobachtungen des kalten CO2-Ballons auf die Atmosphäre setzt voraus, dass diese Unterschiede die Richtung der Veränderung der austretenden Infrarotstrahlung qualitativ nicht beeinflussen, auch wenn sie den quantitativen Wert dieser Veränderung modifizieren können. Es ist zwar nicht immer möglich, all diese Unterschiede im Unterricht umfassend zu erörtern, jedoch können sie physikalisch erklärt werden. Einige Aspekte lassen sich in verständlicher Form, wie in Anhang C dargestellt, vermitteln.

Strahlungsbilanz und Schlussfolgerungen für die Temperatur

Anhängen A B C

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Einführung in die Infrarotstrahlung

Ab einer bestimmten Temperatur emittiert das Metall sowohl sichtbare Strahlung (1) als auch unsichtbare Strahlung (2), die von der Kamera erfasst wird. Mit zunehmendem Abstand von der Flamme färbt sich das ausgestrahlte Licht zunehmend dunkelrot (3). Nach diesem roten Bereich bleibt ausschließlich die unsichtbare Strahlung (2) übrig, die als „Infrarotstrahlung“ bezeichnet wird. Die Kamera, mit der diese Strahlung erfasst wird, wird daher als „Infrarotkamera“ bezeichnet. Sie misst eine Leistung der Infrarotstrahlung an jedem Punkt des Bildes, wobei die Intensität dieser Strahlung mit einem entsprechenden Farbton dargestellt wird. Die Stärke der Infrarotstrahlung, die von einem Objekt ausgeht, steigt mit dessen Temperatur.

Fotos und Videos der verschiedenen Infrarotexperimente, die im Comic dargestellt sind, sind in den Folien des nachstehenden Vorschlags für eine Unterrichtseinheit zu finden.

Die Schülerinnen und Schüler neigen gelegentlich zu der Annahme, dass die Glasscheibe und die Plastikhülle durch den wärmeren Körper in der Nähe erwärmt wurden. Diese Annahme kann jedoch durch die Analyse von Bewegungsvideos widerlegt werden, die in den Folien des nachfolgenden Vorschlags für eine Unterrichtssequenz präsentiert werden.

Diese Beobachtungen zeigen, dass das, was die Kamera erfasst, also zwei Dinge mit Licht gemeinsam hat: die Fähigkeit, reflektiert zu werden (1) und bestimmte Materialien zu durchdringen (2). Diese Gemeinsamkeiten ermöglichen die Einführung eines neuen Begriffs: „Strahlung“ als Verallgemeinerung des Begriffs „Licht“. Licht kann dann als ein Fall von „sichtbarer“ Strahlung (in dem Sinne, dass sie von unserem Auge wahrgenommen werden kann) betrachtet werden, während die Art der Strahlung, die von einem Objekt ausgeht, nur mit diesem Typ Kamera wahrgenommen werden kann. So wie Licht mehr oder weniger stark sein kann, kann auch eine unsichtbare Strahlung mehr oder weniger stark sein. Der Begriff „Helligkeit“ für Licht (oder „Lichtleistung“) kann als „Strahlungsleistung“ verallgemeinert werden. Anhand eines bis zur Glut erhitzten Metallstücks lässt sich die Verbindung zwischen sichtbarer und unsichtbarer Strahlung herstellen:

Ab einer bestimmten Temperatur emittiert das Metall sowohl sichtbare Strahlung (1) als auch unsichtbare Strahlung (2), die von der Kamera erfasst wird. Mit zunehmendem Abstand von der Flamme färbt sich das ausgestrahlte Licht zunehmend dunkelrot (3). Nach diesem roten Bereich bleibt ausschließlich die unsichtbare Strahlung (2) übrig, die als „Infrarotstrahlung“ bezeichnet wird. Die Kamera, mit der diese Strahlung erfasst wird, wird daher als „Infrarotkamera“ bezeichnet. Sie misst eine Leistung der Infrarotstrahlung an jedem Punkt des Bildes, wobei die Intensität dieser Strahlung mit einem entsprechenden Farbton dargestellt wird. Die Stärke der Infrarotstrahlung, die von einem Objekt ausgeht, steigt mit dessen Temperatur.

Fotos und Videos der verschiedenen Infrarotexperimente, die im Comic dargestellt sind, sind in den Folien des nachstehenden Vorschlags für eine Unterrichtseinheit zu finden.

Voraussetzungen

Der vorgeschlagene didaktische Ansatz soll mit einem minimalen Niveau an physikalischen Vorkenntnissen zugänglich sein. Er setzt voraus, dass die Lernenden mit den folgenden Phänomenen vertraut sind:

Der Mechanismus des Sehens (wie Licht von einem Objekt zum Auge gelangt) ist für junge Schülerinnen und Schüler nicht immer selbstverständlich (de Hosson & Kaminski, 2006). Dieses Verständnis ist entscheidend, um die mit der Infrarotkamera erfassten Bilder korrekt zu interpretieren.

Grundlegendes Wissen über das System Erde und den Weltraum,  darüber, dass die Atmosphäre ein Gemisch aus Gasen – einschließlich CO2 – darstellt, im Durchschnitt kälter ist als die Erdoberfläche und dass der Weltraum weitgehend materiefrei ist.

Das Wissen, dass CO2 ein Gas ist, das durch menschliche Aktivitäten, insbesondere durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, in die Atmosphäre gelangt.

Die Fähigkeit, einen qualitativen Zusammenhang zwischen einer Farbskala, den Werten einer physikalischen Größe (Strahlungsleistung) und der Breite eines Pfeils, der diese Größe darstellt, herzustellen.

Zum Einstieg

Eine Unterrichtseinheit kann mit der individuellen Lektüre der gesamten Episode im Vorfeld der ersten Sitzung beginnen oder nur mit Kapitel 1 in der Klasse als Gruppenlektüre.

Kapitel 1 & Fragestellung

Die weitere Arbeit widmet sich der in Kapitel 1 gestellten zentralen Frage: Wie lässt sich die Rolle von CO2 bei der globalen Erwärmung erklären? Diese Fragestellung kann in zwei Teilfragen untergliedert werden:

Welche möglichen Ursachen führen zur Erwärmung von Dingen im Allgemeinen?

In welcher Weise könnte CO2 diese Ursachen beeinflussen?

Die erste Teilfrage ermöglicht die Erarbeitung der Begriffe „Infrarotstrahlung“ und „Strahlungsbilanz“, die zweite hingegen eröffnet die Möglichkeit, Hypothesen über die Auswirkungen einer erhöhten CO2-Konzentration auf die Strahlungsbilanz aufzustellen. Diese Hypothesen bilden die Grundlage für die Durchführung von Experimenten mit einem CO2-Ballon, der im Infrarotbereich beobachtet wird.

Einführung in die Infrarotstrahlung & Kapitel 2

Im Anschluss an den schrittweisen Aufbau des Konzepts, wie zuvor dargestellt (ergänzendes Material), bietet die Klassenlektüre von Kapitel 2 die Möglichkeit für weitere Experimentiersituationen. Hierbei können die Schülerinnen und Schüler Gläsern mit kaltem und warmem Wasser untersuchen. (Alle im Comic dargestellten Experimente werden in Form von Fotos und Videos in den editierbaren Dokumenten, die mit dem Unterrichtsvorschlag verknüpft sind, verfügbar). Diese Experimente ermöglichen es den Lernenden sich mit der Darstellung von Strahlungsleistungen in Form von Pfeilen vertraut zu machen.

Am Ende von Kapitel 2 kann das Experiment mit den Ballons eingeführt werden. Die Schülerinnen und Schüler werden aufgefordert, die Ergebnisse zu interpretieren, was als Übung dient. Der Beginn von Kapitel 3 kann dann als Korrektur oder Wiederholung dieser Übung betrachtet werden, bevor anschließend die Folgen für die Temperatur der Erde abgeleitet werden.

Darstellung der Strahlungsbilanz des Systems Erde

Um die in Kapitel 3 gestellte Frage beantworten zu können, ist es notwendig, sich mit dem Konzept der Strahlungsbilanz auseinanderzusetzen. Dazu ist es möglich, auf die Ausgangsfrage zurückzukommen, angewandt auf die Erde: Was sind mögliche Ursachen für die Erderwärmung? Bekanntlich hängt die Bodentemperatur von der Sonneneinstrahlung ab, und es gibt auch einen Zusammenhang zwischen der Temperatur eines Objekts und der Stärke der Infrarotstrahlung, die es aussendet. Es stellt sich die Frage nach dem Zusammenhang zwischen diesen verschiedenen beteiligten Strahlungen und der Temperatur. Dies führt zu einer Darstellung der Bilanz aller von einem System emittierten und empfangenen Strahlung, der sogenannten „Strahlungsbilanz“, um deren Leistung zu vergleichen. Die Analogie und das Experiment, die oben (Abschnitt „Konzeptioneller Ansatz“) vorgestellt wurden, helfen, den Zusammenhang zwischen der Art der Bilanz (ausgeglichen oder unausgeglichen) und der Entwicklung der Temperatur des Systems zu verstehen.

Hinweise zur schrittweisen Beantwortung der abschließenden Frage

Die bisher eingeführten Konzepte ermöglichen es, den Einfluss von CO2 auf die Temperatur der Erde zu verstehen. Die letzten Seiten von Kapitel 3 (S. 81-90) bieten Anhaltspunkte zur schrittweisen Ableitung der Konsequenzen einer Erhöhung des CO2-Gehaltes in der Atmosphäre. Eine geeignete Methode zur Bearbeitung dieses Abschnitts besteht darin, das abschließende Kapitel gemeinsam zu lesen, wobei die Episode an die Tafel projiziert wird. Die Schülerinnen und Schüler werden dazu angeregt, aktiv nach Antworten zu suchen. Bei Bedarf können zusätzliche Informationen schrittweise ergänzt werden, um Unterstützung zu bieten. Für diese Phase der Arbeit sollten den Schülerinnen und Schülern die Zwischenergebnisse der vorhergehenden Unterrichtseinheit(en) zur Verfügung gestellt werden, um den Lernprozess zu fördern.

Vorläufiges Dokument (wird in Kürze aktualisiert)