Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase

Transcrição

WISSENSCHAFTLICHE ARBEIT
FÜR DAS STAATSEXAMEN IM FACH PHYSIK
Absorption thermischer Strahlung
durch atmosphärische Gase
Experimente für den Physikunterricht
vorgelegt von
STEFAN SIRTL
angefertigt bei
PROF. DR. HORST FISCHER
12. November 2010
PHYSIKALISCHES INSTITUT
ALBERT-LUDWIGS-UNIVERSITÄT FREIBURG
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Physikalische Grundlagen
2.1. Thermische Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1. Strahlungsleistung und Leistungsdichte . . . . . . . . . . . .
2.1.2. Der Schwarze Körper als ideale thermische Strahlungsquelle
2.1.3. Strahlungsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Absorption von Strahlung durch atmosphärische Gase . . . . . . . .
2.2.1. IR-Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2. Treibhausgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Der Treibhauseffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1. Ein Klimamodell ohne Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2. Ein einfaches Klimamodell mit Atmosphäre . . . . . . . . .
2.3.3. Strahlungsbilanz der Erdatmosphäre . . . . . . . . . . . . .
2.3.4. Der anthropogene Treibhauseffekt . . . . . . . . . . . . . . .
1
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3. Das Experiment
3.1. Der Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Durchführung des Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1. Analyse der Absorptionseigenschaften atmosphärischer Gase . .
3.2.2. Analyse der Absorptionseigenschaften von Kohlendioxid, Stickstoff, Luft und Atemluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.3. Beobachtung der Strahlungsabsorption mit einer Wärmebildkamera
25
26
35
35
48
50
4. Die Einbindung in den Schulunterricht
53
4.1. Einsatz im Fach Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2. Einsatz im Fach NwT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5. Versuchsanleitung für das Demonstrationspraktikum
57
6. Zusammenfassung
69
A. Gebrauchsanleitung der Thermosäule
71
B. Sicherheitsdatenblätter der Gase
75
Literaturverzeichnis
111
1. Einleitung
Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines physikalischen Schulversuchs zur phänomenologischen Untersuchung der Absorption thermischer Strahlung durch verschiedene
atmosphärische Gase. Das Experiment ermöglicht damit Schülerinnen und Schülern
der Oberstufe einen experimentellen Zugang zu den grundlegenden physikalischen Ursachen des Treibhauseffekts - eines Themas, dem im naturwissenschaftlichen Unterricht
zunehmende Bedeutung beigemessen wird.
Als klimatologischer Effekt spielt der Treibhauseffekt eine bedeutende Rolle für den
Wärmehaushalt der Erde. Seit Beginn der Industrialisierung wird dieser lebenswichtige
Effekt möglicherweise durch einen steigenden Ausstoß klimarelevanter Gase verstärkt.
Dieser sogenannte anthropogene Treibhauseffekt steht heute als Ursache für einen
möglichen globalen Temperaturanstieg in reger öffentlicher Diskussion. Der in dieser
Arbeit vorgestellte Versuch vermittelt die physikalischen Grundlagen des Treibhauseffekts und ermöglicht letztlich eine Sensibilisierung des Schülers1 hinsichtlich der
Auswirkungen seines eigenverantwortlichen Handelns auf Natur und Umwelt, einem
der Leitgedanken der Bildungsstandards für den naturwissenschaftlichen Unterricht in
Gymnasien Baden-Württembergs2 .
Insgesamt eignet sich das Experiment hervorragend als experimenteller Zugang zum
Verständnis der grundlegenden physikalischen Vorgänge des Treibhauseffekts. Das zum
Verständnis dieser Vorgänge, der Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase, notwendige molekülphysikalische Wissen kann so phänomenologisch, auch
ohne quantenmechanische Hintergründe nachvollzogen werden. Aus den Absorptionsverhalten verschiedener Gase können Treibhausgase ausgemacht und mögliche molekülstrukturelle Ursachen für das unterschiedliche Verhalten der Gase herausgefunden
werden. Desweiteren ermöglicht das Experiment die Beobachtung der Thermalisation
von Wärmestrahlung durch Gase, also der Temperaturerhöhung aufgrund zunehmender Absorption, und kann hinsichtlich des anthropogenen Treibhauseffekts diskutiert
werden.
Die Arbeit beginnt mit einem einführenden theoretischen Teil, in welchem das notwendige physikalische Wissen für ein tieferes Verständnis des Experiments sowie dessen
1
Aus sprachlichen Gründen wird im Folgenden nur die männliche Form verwendet. Weibliche Leser
bitte ich dafür um Verständnis.
2
Grundsätzlich ist der Einsatz des Experiments in vielen Schulformen möglich. Da diese Arbeit eine
Abschlussarbeit für das Lehramt an Gymnasien darstellt, bezieht sich die Diskussion nur auf den
Einsatz an allgemein bildenden Gymnasien in Baden-Württemberg.
1
1 Einleitung
konzeptionelle Vorüberlegungen zusammengestellt ist (Kapitel 2). In der anschließenden Dokumentation der Entwicklung des Experiments (Kapitel 3) sind zunächst die
einzelnen Komponenten des Versuchsaufbaus und ihre Funktionsweise erläutert. Im
Zuge dessen werden auch mögliche Alternativen in der Wahl dieser Komponenten
vorgestellt und hinsichtlich ihrer Eignung für das Experiment diskutiert. Die eigentliche Durchführung des Experiments beginnt mit der Beschreibung eines erweiterten
Versuches, in welchem die Absorption mehrerer atmosphärischer Gase untersucht wird.
Auf dessen Grundlage wurde eine für den Schulunterricht besser geeignete reduzierte
Variante mit weniger Gasen entwickelt, die im Anschluss beschrieben ist. Zusätzlich
ist eine eindrückliche Form des Versuchs unter Verwendung einer Wärmebildkamera
vorgestellt. Die didaktische Einordnung des Experiments in den Schulunterricht ist
schließlich in Kapitel 4 diskutiert.
Das im Zuge dieser wissenschaftlichen Arbeit entwickelte Experiment soll in einem
Praktikum des Physikalischen Instituts der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg zum
Einsatz kommen. In diesem Kurs zur Durchführung von Demonstrationsexperimenten lernen Studierende eine Vielzahl physikalischer Schauversuche kennen
und erproben deren Durchführung auf der Grundlage aktueller Physikdidaktik. Die
Umsetzung dieses Experiments im Praktikum entspricht der für den schulischen Einsatz
vorgeschlagenen vereinfachten Version und ist im Laufe der Arbeit explizit beschrieben. Eine genauere Beschreibung des Praktikums sowie die Versuchsanleitung für die
Durchführung im Praktikum finden sich in Kapitel 5.
Die Gebrauchsanweisung einer Thermosäule sowie die Sicherheitsdatenblätter aller
verwendeten Gase sind im Anhang angefügt.
2
2. Physikalische Grundlagen
2.1. Thermische Strahlung
Jeder Körper sendet thermische Strahlung in Form elektromagnetischer Wellen aus.
Diese Strahlung, auch Wärmestrahlung genannt, zählt damit neben der Wärmeleitung
und der Konvektion zu den drei Arten der Übertragung thermischer Energie. Zum
Energietransport mittels Wärmestrahlung wird jedoch keine Materie benötigt, weshalb
sie die einzige Möglichkeit zum Austausch thermischer Energien im Vakuum darstellt.
In Thermoskannen beispielsweise wird der Energieaustausch durch Wärmeleitung und
Konvektion durch einen Vakuumbereich innerhalb der Flaschenwand unterbunden. Zur
vollständigen Unterdrückung der Wärmeübertragung aufgrund von Strahlung müssen
zusätzlich die Innenwände des Vakuumtanks verspiegelt werden.
Abb. 2.1.: Die Wärmestrahlung im Spektrum der elektromagnetischen Strahlung [1].
Wie die Einordnung in das elektromagnetische Spektrum aus Abb. 2.1 zeigt, besteht
thermische Strahlung zum größten Teil aus Infrarotstrahlung. Diese langwellige Strahlung ist für das menschliche Auge unsichtbar, kann jedoch mit infrarotempfindlichen
Wärmebildkameras in sogenannten Thermogrammen eindrücklich sichtbar gemacht
werden . Erst ab einer Temperatur von 525 °C können wir einen Teil der Strahlung mit
unseren Augen als Dunkelrotglut wahrnehmen. Die thermische Strahlung spielt unter
den Wärmeübertragungsmechanismen die entscheidende Rolle zum Verständnis des
Wärmehaushalts der Erde. Dass die Erde überhaupt durch die Sonne erwärmt wird, bestätigt schon die Existenz einer materiefreien Übertragung thermischer Energie, da sich
im Weltraum zwischen Sonne und Erde kaum Materie befindet.
3
2 Physikalische Grundlagen
Abb. 2.2.: Thermogramm des Physikalischen Instituts der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
2.1.1. Strahlungsleistung und Leistungsdichte
Eine wichtige Größe im Bereich der Strahlungsphysik ist die Leistungsdichte S:
S=
P
A
W
m2
Sie gibt die Strahlungsleistung P pro Fläche A an, ist also ein Maß für die auf
eine Oberfläche auftreffende Energie pro Zeit. Beispielsweise wird eine senkrecht zur
ungeschwächten Sonnenstrahlung ausgerichtete Fläche eines Quadratmeters am Rand
der Erdatmosphäre pro Sekunde von der Energie 1,37 kJ durchsetzt. Somit ergibt
sich als Leistungsdichte der ungeschwächten extraterrestrischen Solarstrahlung, die
sogenannte Solarkonstante, der Wert SE = 1, 37 kW/m2 . Aufgrund der Einflüsse der
Atmosphäre findet man auf der Erdoberfläche bei klarem Himmel nur noch 0,8 kW/m2
bis 1 kW/m2 .
Die Leistungsdichte sinkt quadratisch mit dem Abstand zu einer punktförmigen Strahlungsquelle. Wird dieser beispielsweise verdoppelt, so verteilt sich die Leistung auf
die vierfache Fläche und führt so zu einer vierfach kleineren Leistungsdichte an der
Empfängeroberfläche. Die Strahlungsleistung thermischer Strahlung hängt neben der
Temperatur des emittierenden Körpers (siehe Abschnitt 2.1.3) auch von der Beschaffenheit seiner Oberfläche ab. Dieser Effekt kann mit einem Leslieschen Würfel1 demonstriert werden: ein mit heißem Wasser gefüllter Hohlwürfel aus Blech mit verschieden
behandelten Oberflächen strahlt je nach Beschaffenheit unterschiedlich ab. Mit einer
Thermosäule (siehe Abschnitt 3.1) misst man die größte Strahlungsleistung an der
schwarzen, den niedrigsten Wert an der verspiegelten Würfelseite.
1
4
Sir John Leslie: 1766-1832, schottischer Mathematiker und Physiker.
2.1 Thermische Strahlung
2.1.2. Der Schwarze Körper als ideale thermische
Strahlungsquelle
Unter einem Schwarzen Körper versteht man einen hypothetischen Körper, welcher
elektromagnetische Strahlung bei jeder Wellenlänge vollständig absorbiert. Da nach dem
Gesetz von Kirchhoff2 das Absorptions- und Emissionsvermögen bei jeder Wellenlänge
für alle Körper proportional zueinander sind, besitzt dieser idealisierte Körper auch
ein maximales Emissionsvermögen und sendet ein charakteristisches, nur von der
Temperatur abhängiges Spektrum aus, welches oft als Grundlage für theoretische
Betrachtungen, sowie als Referenz für praktische Untersuchungen elektromagnetischer
Strahlung verwendet wird.
Experimentell kann ein Schwarzer Körper in guter Näherung durch einen Hohlraum
mit absorbierenden Wänden realisiert werden, der eine im Vergleich zur gesamten
Innenfläche des Hohlraums kleine Öffnung besitzt. Strahlung, welche durch die Öffnung
in den Hohlraum eintritt wird so oft im Innenraum reflektiert und jeweils teilweise
absorbiert bevor sie wieder zur Öffnung gelangt, dass die gesamte einfallende Strahlung
absorbiert wird. Das Absorptionsvermögen
A=
absorbierte Strahlungsleistung
auftreffende Strahlungsleistung
eines solchen Hohlraumes nimmt also näherungsweise den Wert eines idealen Strahlers
mit A = 1 an. Die aus der Öffnung austretende Strahlung ist charakteristisch für die
Temperatur der Wände des Hohlraums und stellt näherungsweise einen schwarzen
Strahler mit maximalem Emissionsvermögen dar.
Abb. 2.3.: Prinzip eines Hohlraumstrahlers.
In guter Näherung stellen Sonne und Erde Schwarze Körper dar (siehe Abschnitt 2.2). Im
Hinblick auf die Untersuchung des Strahlungshaushaltes der Erde sollen im Folgenden Eigenschaften der Schwarzkörperstrahlung näher dargestellt werden.
2
Gustav Robert Kirchhoff: 1824-1887, deutscher Physiker.
5
2.1.3. Strahlungsgesetze
Verschiedene Quellen strahlen in gleichen Wellenlängenbereichen unterschiedlich intensiv. Dieses Verhalten wird für schwarze Körper in guter Übereinstimmung mit
experimentellen Befunden durch die berühmte Plancksche3 Strahlungsformel beschrieben [2]:
1
2πhc2
BT (λ) =
5
hc/kλT
λ e
−1
Die sogenannte spektrale spezifische Ausstrahlung BT (λ) gibt diejenige Strahlungsleistung an, die von einem Flächenstück eines Quadratmeters in einem Wellenlängenbereich
eines Mikrometers bei einer Temperatur T abgestrahlt wird. Dabei bezeichnet λ die
Wellenlänge, h = 6, 63 · 10−34 Js das Plancksche Wirkungsquantum, c = 3 · 108
m/s die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und k = 1, 38 · 10−23 J/K die Boltzmann4 Konstante.
Abb. 2.4.: Spektrale spezifische Ausstrahlung BT (λ) eines schwarzen Körpers bei verschiedenen
Temperaturen. Die Ortskurve der Intensitätsmaxima ist rot gekennzeichnet.
Charakteristisch ist die Verschiebung der maximalen Strahlungsleistung zu kleinen Wellenlängen mit wachsender Temperatur. Dessen Ortskurve lässt sich über die Bedingung
δBT (λ)
= 0 mit T = const bestimmen. Man erhält für die Lage des Maximums auf einer
δλ
Isotherme das sogenannte Wiensche5 Verschiebungsgesetz:
λmax =
3
2897, 8
µmK
T
Max Planck: 1858 - 1947, deutscher Physiker und Nobelpreisträger für Physik.
Ludwig Boltzmann: 1844 -1906, österreichischer Physiker und Philosoph.
5
Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien: 1864-1928, deutscher Physiker.
4
6
(2.1)
In Abb. 2.5 ist die spektrale spezifische Ausstrahlung logarithmisch aufgetragen und der
Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts farbig gekennzeichnet. Das solare Strahlungsspektrum entspricht näherungsweise dem eines schwarzen Strahlers bei 5777 K6 . Dieses
besitzt sein Strahlungsmaximum gerade innerhalb des sichtbaren Bereichs, das menschliche Auge hat sich also dem solaren Strahlungsspektrum angepasst.
Abb. 2.5.: Spektrale spezifische Ausstrahlung BT (λ) eines schwarzen Körpers in logarithmischer
Auftragung. Der gefärbte Wellenlängenbereich entspricht dem des sichtbaren Lichts
Durch Integration von BT (λ) bei fester Temperatur erhält man die spezifische Ausstrahlung S(T ), also die Leistungsdichte eines schwarzen Körpers. Setze dazu dλ = cT2 dx
und erhalte:
S(T ) =
Z∞
0
BT (λ)dλ = c2 T
4
Z∞
0
∞
BT (x)
c1 4 Z
1
dx
=
T
dx
4
T5
c2
x5 (e1/x − 1)
0
Das bestimmte Integral hat den Wert π 4 /15 und somit folgt für die spezifische Ausstrahlung S(T ) pro Flächeneinheit das Stefan-Boltzmann-Gesetz
S(T ) = σT 4
mit der Stefan7 -Boltzmann-Konstante σ =
2π 5 k4
15c2 h3
(2.2)
= 5, 67·10−8 mW
2K4 .
6
Mit der Solarkonstante SE = 1, 37 kW/m2 ergibt sich aus geometrischen Überlegungen für die
spezifische Ausstrahlung der Sonne der Wert SS (TS ) = 63, 16 MW/m2 . Ein Schwarzer Körper mit
dieser spezifischen Ausstrahlung hat nach dem Gesetz von Stefan-Boltzmann (2.2) die Temperatur
1/4
TS = SσS
= 5777 K.
7
Josef Stefan: 1835-1893, österreichischer Mathematiker und Physiker.
7
2.2. Absorption von Strahlung durch atmosphärische
Gase
Das Absorptionsverhalten atmosphärischer Gase trägt maßgeblich zur Erklärung des
Treibhauseffektes und damit des Strahlungshaushaltes der Erde bei. Vergleicht man beispielsweise das in Abb. 2.6 dargestellte theoretische Spektrum der Schwarzkörperstrahlung bei 5777 K mit den tatsächlich aufgenommenen Spektren8 der solaren Strahlung am
Rand der Atmosphäre sowie dem am Erdboden detektierten Spektrum, so weist letzteres
in bestimmten Wellenlängenbereichen starke Einschnitte auf.
Abb. 2.6.: Gemessene solare Strahlungsspektren im Vergleich zum theoretischen Spektrum der
entsprechenden Schwarzkörperstrahlung. Messdaten von NREL’s Electricity, Resources &
Building Systems Integration Center [3].
In guter Übereinstimmung mit Absorptionsspektren verschiedener molekularer Bestandteile der Atmosphäre lassen sich diese Abweichungen durch das Absorptionsverhalten
atmosphärischer Gase erklären9 . Die kurzwellige Strahlung wird bei Wellenlängen unter
0,3 µm fast vollständig von Ozon O3 absorbiert und damit das organische Leben auf
der Erde von der kurzwelligen schädlichen UV-Strahlung geschützt. Im sichtbaren
8
Die Luftmasse AM bezeichnet ein relatives Maß für die Länge des Weges, den die Strahlung eines
Himmelskörpers durch die Atmosphäre der Erde zurücklegt. Dementsprechend steht AM0 für das
extraterrestrische, AM1,5 für das terrestrische Strahlungsspektrum.
9
Genauer wird die Solarstrahlung durch Absorption und Streuung an atmosphärischen Gasen,
Aerosolen und Wolken geschwächt [4].
8
2.2 Absorption von Strahlung durch atmosphärische Gase
Spektralbereich von 0,4 µm bis 0,78 µm findet nur eine relativ geringe Strahlungsabsorption durch atmosphärische Gase statt, so dass in diesem Bereich die kurzwellige
Strahlung fast ungehindert bis zum Erdboden durchdringen kann, erst dort absorbiert
wird und zur Erwärmung der Erdoberfläche beiträgt. Dieser besonders durchlässige
Bereich wird auch als atmosphärisches Fenster im sichtbaren Licht bezeichnet
[4]. Im nahen Infrarot absorbiert neben Wasserdampf H2 O vor allem Kohlendioxid
CO2 .
Entscheidend für den Wärmehaushalt der Erde ist jedoch vor allem die Absorption im
mittleren und ferninfraroten Spektralbereich, eben des Wellenlängenbereichs der von
der Erde abgegebenen Wärmestrahlung. Dadurch entweicht nicht die gesamte Wärmeleistung in das Weltall, sondern es kommt in der Atmosphäre zu einer Reemission
von Thermostrahlung, deren auf die Erde gerichteter Teil als sogenannte atmosphärische Gegenstrahlung die Erdoberfläche zusätzlich zur Solarstrahlung erhitzt. Allein
durch diesen Effekt wird die Temperatur der unteren Atmosphäre von -18 °C um
33 K auf +15 °C im globalen Mittel angehoben (siehe Modellrechnung in Abschnitt
2.3.2).
Im Folgenden sind die theoretischen Grundlagen der Absorption von thermischer Strahlung im Infrarotbereich durch Moleküle zusammengefasst und das Absorptionsverhalten
atmosphärischer Gase dargestellt. Dabei soll auf eine tiefergehende quantenmechanische
Behandlung verzichtet werden, da diese den Rahmen dieser Arbeit sprengen würde
und nur bedingt zum Verständnis beiträgt.
2.2.1. IR-Absorption
Moleküle können Energie aufnehmen indem sie ihren quantenmechanischen Zustand
ändern. Dies kann zum einen wie bei Atomen durch elektronische Anregung geschehen,
oder durch eine Änderung des Schwingungs- oder Rotationszustandes des Moleküls. Infrarotstrahlung liegt energetisch im Bereich von Schwingungsübergängen von Molekülen,
also zwischen dem optischen Bereich, in dem elektronische Anregungen stattfinden, und
dem oberen Mikrowellenbereich, in dem Rotationen von Molekülen angeregt werden.
Das Schwingungsverhalten von Molekülen wird durch sogenannte Normalschwingungen charakterisiert. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass alle Kerne des Moleküls
gleichzeitig durch die Ruhelage gehen und dass Gesamtimpuls und Gesamtdrehimpuls
des Kerngerüsts Null sind [5]. Eine Molekülschwingung kann dann als eine Überlagerung
von Normalschwingungen beschrieben werden. In einem aus N Atomen bestehenden
Molekül besitzt jedes Atom drei Freiheitsgrade der Translation. Von den insgesamt 3N
Freiheitsgraden entfallen im Molekül jedoch drei Freiheitsgrade für die Translation des
Schwerpunktes, sowie im Fall von nichtlinearen Molekülen drei Freiheitsgrade für die
Rotation um die drei Hauptträgheitsachsen durch den Molekülschwerpunkt. N -atomige
Moleküle besitzen also im Allgemeinen 3N − 6, im Fall von linearen Molekülstrukturen
3N − 5 Freiheitsgrade.
9
Eine Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Molekülen, und
somit Absorption infraroter Strahlung, kann jedoch nur stattfinden, falls sich durch
die Schwingung das elektrische Dipolmoment ändert. Molekülschwingungen mit dieser
Eigenschaft werden IR-aktiv genannt. Damit sind symmetrische Schwingungen, bei
welchen der Ladungsschwerpunkt stets erhalten bleibt IR-inaktiv. Zweiatomige homonukleare Moleküle können nur symmetrische Schwingungen ausführen und somit keine
Infrarotstrahlung absorbieren.
Abb. 2.7.: Normalschwingungen von Kohlendioxid und Wasser.
In Abb. 2.7 sind die Normalschwingungen für lineare dreiatomige Moleküle am Beispiel von Kohlendioxid CO2 und für gewinkelte dreiatomige Moleküle am Beispiel von
Wasser H2 O dargestellt. Allgemein unterscheidet man zwischen Valenzschwingungen (Streckschwingungen), bei denen das Molekül entlang der Kernverbindungsachse schwingt, und Deformationsschwingungen (Biege- bzw. Beugeschwingungen),
welche sich durch eine Deformation des Bindungswinkels auszeichnen. Den Schwingungstypen lassen sich Schwingungsfrequenzen ν1 , ν2 bzw. ν3 zuordnen. Im Fall von
CO2 lässt sich jede Schwingung durch eine Überlagerung der dargestellten vier Normalschwingungen darstellen, wobei die Biegeschwingung hier zweifach entartet auftritt,
weil die Deformation in zwei Ebenen zu berücksichtigen ist. Es ist ersichtlich, dass
nur im Falle der symmetrischen Streckschwingung der Ladungsschwerpunkt erhalten
bleibt, diese also die einzige IR-inaktive Normalschwingung von Kohlendioxid darstellt.
Den jeweiligen Schwingungen lassen sich Wellenzahlen10 zuordnen: die asymmetrische
10
In der Spektroskopie bezeichnet die Wellenzahl ν̃ den Kehrwert der Wellenlänge: ν̃ =
10
ν
c
= λ1 .
Streckschwingung besitzt mit ν˜3 = 2349 cm−1 die größte Wellenzahl. Die symmetrische
Streckschwingung hat eine Wellenzahl von ν˜1 = 1337 cm−1 , die Biegeschwingung
von ν˜2 = 667 cm−1 . Generell sind die Wellenzahlen von Streckschwingungen größer
als diejenigen von Biegeschwingungen [6]. Auch im Fall von Wasser besitzt die Biegeschwingung, welche hier nicht entartet vorliegt, mit ν˜2 = 1595 cm−1 die kleinste
Wellenzahl. Die Wellenzahlen der Valenzschwingungen liegen mit ν˜1 = 3657 cm−1 und
ν˜3 = 3756 cm−1 dicht beieinander. Außerdem ändert sich das Dipolmoment bei allen
Normalschwingungen periodisch, sie sind also alle IR-aktiv.
Elektromagnetische Strahlung kann von Molekülen absorbiert werden, falls die Energie
der Strahlung der Energiedifferenz zwischen quantenmechanischen Zuständen des Moleküls entspricht und der Übergang bestimmten quantenmechanische Auswahlregeln
genügt. Im Infrarotbereich fallen die Absorptionslinien somit mit den Schwingungswellenzahlen der Moleküle zusammen. Genauer findet man in den Absorptionsspektren
breite Bereiche von hohem Absorptionsvermögen um die Wellenzahl einer Normalschwingung, sogenannte Absorptionsbanden. Diese Verbreiterungen entstehen infolge der
Kopplung von elektrischer Schwingungs- und Rotations-Anregung in Molekülen, so
dass keine einzelne Energiedifferenz absorbiert wird, sondern ein ganzes Spektrum von
Energiewerten, je nach Anregung der Moleküle.
Abb. 2.8.: IR-Absorptionsspektren von Kohlendioxid und Wasserdampf. Daten von NIST Standard
Reference Database 69: NIST Chemistry WebBook [7].
Abb. 2.8 zeigt die IR-Absorptionsspektren von Kohlendioxid und Wasser. Darin erkennt
man deutlich die Absorptionsbanden um die jeweiligen Schwingungsfrequenzen der
beschriebenen Normalschwingungen. Da beide Gase Bestandteile des atmosphärischen
Gasgemisches sind (siehe Abschnitt 2.2.2) spielen deren Absorptionsverhalten eine
wichtige Rolle für die Absorption von Wärmestrahlung durch die Atmosphäre. Im Folgenden sollen neben Wasser und Kohlendioxid weitere atmosphärische Gase vorgestellt
und hinsichtlich ihrer Treibhauswirkung diskutiert werden.
Es sei angemerkt, dass zu den Daten aus Abb. 2.8 keine Information über die jeweilige
Konzentration des Gases vorliegt, ein quantitativer Vergleich der Absorptionseigenschaften somit nicht möglich ist.
11
2.2.2. Treibhausgase
Die Atmosphäre der Erde besteht aus einem Gemisch verschiedener Gase, deren Volumenanteile für die molekularen Hauptbestandteile in nachstehender Tabelle 2.1 für
trockene und feuchte Luft in Bodennähe aufgelistet sind. Demnach bilden die Gase
Stickstoff, Sauerstoff, Argon und Kohlendioxid mit insgesamt 99,986 Volumenprozent
den wesentlichen Anteil der Atmosphäre. Weitere Gase fasst man wegen ihres geringen Anteils unter dem Begriff Spurenstoffe zusammen. Dazu zählen unter anderen
Neon N e, Helium He, Methan CH4 , Krypton Kr, molekularer Wasserstoff H2 , Distickstoffoxid N2 O und Ozon O3 . Zwar machen Spurenstoffe insgesamt nicht einmal
0,01 Volumenprozent aus, doch sind einige von ihnen für die Treibhauswirksamkeit
der Atmosphäre von großer Bedeutung. So auch der Wasserdampf, welcher durch die
Verdunstung von Wasseroberflächen und Transpiration von Pflanzen in die Atmosphäre
gelangt [4].
Name
Chemisches Symbol
Trockene Luft
Feuchte Luft
[Vol%]
[Vol%]
Stickstoff
N2
78,08
77,0
Sauerstoff
O2
20,94
20,7
Argon
Ar
0,93
0,9
Kohlendioxid
CO2
0,036
0,03
Spurenstoffe
N e, He, CH4 , Kr,
<0,01
<0,01
-
1,3
H2 , N2 O, O3 , u.a.m.
Wasserdampf
H2 O
Tab. 2.1.: Volumenanteile molekularer Hauptbestandteile trockener und feuchter Luft. Infrarotstrahlung absorbierende Moleküle sind rot gekennzeichnet. Tabelle ergänzt und angepasst nach
Malberg [8].
Wie bereits im vorigen Abschnitt theoretisch motiviert wurde, können zweiatomige
homonukleare Moleküle keine Infrarotstrahlung absorbieren. Anders jedoch mehratomige Moleküle: sie besitzen charakteristische Absorptionsbanden im Infrarotbereich
und werden im Hinblick auf ihre Treibhauswirksamkeit als Treibhausgase bezeichnet.
Deren wichtigste Vertreter sind in Tab. 2.1 rot gefärbt.
Die Erde kann als schwarzer Körper aufgefasst werden, der bei einer Temperatur von
288 K strahlt (siehe Abschnitt 2.3.3). Nach dem Planckschen Strahlungsgesetz strahlt
die Erde somit den größten Anteil ihrer Energie im mittleren und fernen Infrarot
zwischen 5 µm und 20 µm ab. Die IR-Absorptionspektren treibhausrelevanter Gase aus
Abb. 2.9 zeigen im Wellenlängenbereich der Erdstrahlung, wie auch bei der Absorption
solarer Strahlung im nahen Infrarot, das große Absorptionsvermögen von Wasserdampf
12
Abb. 2.9.: IR-Absorptionspektren wichtiger atmosphärischer Gase. Daten von NIST Standard Reference Database 69: NIST Chemistry WebBook [7].
über breite Wellenlängenbereiche. Auch CO2 absorbiert in breiteren Banden als dies
bei den übrigen Treibhausgasen Ozon O3 , Distickstoffoxid N2 O und Methan CH4 der
Fall ist. Auch sind Bereiche auszumachen, in welchen vor allem im Falle trockener
Luft nur sehr wenig absorbiert wird. Der breite Bereich geringer Absorption zwischen
8 µm und 13 µm wird großes atmosphärisches Fenster genannt und spielt für
die Meteorologie und Fernerkundung eine wesentliche Rolle, da in diesem Bereich
Strahlung fast ungeschwächt empfangen, und umgekehrt auch ausgesandt werden
kann.
Insgesamt ergibt sich nun gemäß der atmosphärischen Zusammensetzung ein gesamtes
Absorptionsspektrum der Atmosphäre. Aufgrund der unterschiedlichen Konzentrationen der Treibhausgase hängt dieses aber stark vom Abstand zum Erdboden11 , der
geographischen Lage und dem Wetterstand ab. Abb. 2.10 zeigt das mit dem Programm
MODTRAN [9] der University of Chicago simulierte Emissionsspektrum der Erdstrahlung in 70 km Höhe unter Verwendung der in Tabelle 2.1 aufgeführten mittleren Anteile
der Treibhausgase für die US Standard Atmosphere bei wolkenlosem Himmel. Als
11
Beispielsweise beschränkt sich fast der gesamte Wasserdampfanteil auf die bodennahe Troposphäre
bis in 18 km Höhe. Demgegenüber steigt das Mischungsverhältnis von Ozon erst in der anschließenden Stratosphäre bei 40 km auf nennenswerte Größen an. Generell ist die Gesamtdichte
atmosphärischer Gase in niedrigen Atmosphärenschichten größer, daher wird der Großteil der
Strahlung bereits in Troposphäre und Stratosphäre absorbiert [4].
13
Referenz ist das theoretische Emissionsspektrum eines planckschen Strahlers zu einer
Temperatur von 288 K aufgetragen, welches in guter Näherung dem Spektrum der
Erdstrahlung am Boden entspricht.
Abb. 2.10.: Erdstrahlung an der Erdoberfläche und nach Absorption durch die Atmosphäre in 70
km Höhe. Daten simuliert mit MODTRAN.
Vergleicht man die Spektren aus Abb. 2.10 mit den Absorptionsspektren aus Abb. 2.9,
so ist der Einfluss der Treibhausgase auf die Wärmestrahlung der Erde offensichtlich:
bei kleinen Wellenlängen bis 8 µm dominiert Wasserdampf die Absorption, neben
kleineren Einflüssen durch Methan und Distickstoffoxid. Der Einschnitt im Wellenlängenbereich zwischen 9 µm und 10 µm lässt sich auf das Absorptionsverhalten von
Ozon, die Breite Bande zwischen 13 µm und 17 µm auf die Absorption durch Kohlendioxid zurückführen. Für eine durchgehende Absorption im fernen Infrarot ist wieder
vorwiegend Wasserdampf verantwortlich. Auch das große atmosphärische Fenster ist
deutlich sichtbar.
14
2.3 Der Treibhauseffekt
2.3. Der Treibhauseffekt
Bereits 1824 formulierte Jean-Baptiste Fourier12 in seiner Veröffentlichung Mémoire
sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires [10] eine physikalische
Abhandlung über den globalen Wärmehaushalt und gilt seither als Entdecker des
von ihm als effet de serre, zu deutsch Glashauseffekt, bezeichneten Phänomens.
Heute meist als Treibhauseffekt bekannt, spiegelt der Begriff die physikalischen
Hintergründe des klimatischen Effekts gut wieder: kurzwellige Solarstrahlung tritt
nahezu ungehindert durch das Glasdach, wird im Innern des Hauses je nach Oberfläche
zu unterschiedlichen Teilen absorbiert beziehungsweise reflektiert13 , und als langwellige
Wärmestrahlung wieder abgestrahlt. Diese entweicht nun jedoch nicht zurück ins Freie,
sondern wird fast vollständig durch das Glas absorbiert und nach außen wie zurück
ins Innere des Glashauses reemittiert. Somit bleibt ein Teil der Wärmeenergie im
Glashaus gewissermaßen eingeschlossen, was zu einer Erhöhung der Temperatur im
Innern führt. Dies geschieht so lange, bis die Wärmestrahlung im Innern des Treibhauses
die Strahlungsleistung der einfallenden Strahlung von aussen erreicht und sich ein
Strahlungsgleichgewicht eingestellt hat. Dieser Vorgang ist schematisch im linken Bild
nachstehender Abb. 2.11 dargestellt.
Abb. 2.11.: Strahlungsvorgang im Treibhaus und in der Erdatmosphäre im Vergleich.
Im Treibhaus Erde nimmt die Atmosphäre die Rolle des Glases ein. Auch hier trifft
die Solarstrahlung nahezu ungehindert auf die Erdoberfläche und erwärmt diese. Je
nach Temperatur der Oberfläche strahlt diese nun aber langwellige Wärmestrahlung
12
13
Jean Baptiste Joseph Fourier: 1768-1830, französischer Mathematiker und Physiker.
Die Albedo (lateinisch: Weißheit) ist ein Maß für das Rückstrahlvermögen diffus reflektierender,
also nicht selbst strahlender Oberflächen. Sie berechnet sich als Quotient aus reflektierter zu
eingefallener Lichtmenge.
15
ab, welche von der Atmosphäre teilweise absorbiert wird. Genauer absorbiert nur der
kleine Teil der Treibhausgase in bestimmten Wellenlängenbereichen, wie in vorigem
Kapitel ausführlich beschrieben. Durch die Erwärmung der Atmosphäre strahlt diese
nun ihrerseits wieder Wärmestrahlung ab, welche zum Teil in den Weltraum entweicht,
zum anderen als atmosphärische Gegenstrahlung auf die Erdoberfläche trifft und diese
zusätzlich zur Solarstrahlung erwärmt.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Wärme stauende Effekt im Treibhaus natürlich
überwiegend auf der Unterbindung der Konvektion durch die Glaswände beruht. Die
Analogie zwischen Treibhaus und Erdatmosphäre besteht aber nur in den beschriebenen
Strahlungsvorgängen.
Zur Zeit Fouriers waren die physikalischen Hintergründe des Treibhauseffekts jedoch
noch lange nicht bestätigt und seine Ausführungen über einen wärmenden atmosphärischen Effekt somit reine Spekulation. Nachdem Gustav Kirchhoff im Jahr 1859 die
Spektralanalyse zur Begründung seiner Strahlungsgesetze entwickelte, beschäftigte
sich als erster der Ire John Tyndall14 mit dem Absorptionsverhalten verschiedener
atmosphärischer Gase und bestätigte mit seinem Differenzspektrometer Fouriers Behauptung, dass Gase in der Atmosphäre die Wärme absorbieren können. Erst 1890
begann der schwedische Physiker Svante Arrhenius15 zu untersuchen, wie die mittlere Erdtemperatur von wärmeabsorbierenden Gasen abhängt [11]. Damit war er der
erste Wissenschaftler, der sich mit der Frage beschäftigte, wie sich eine Erhöhung
der CO2 -Konzentration auf das Erdklima auswirkt. Die systematische Erforschung
des atmosphärischen Treibhauseffekts begann schließlich 1958 durch Charles D. Keeling16 , welcher eine Vielzahl von Messstationen für Kohlendioxid errichten ließ. Die
bekannteste befindet sich auf dem Mauna Loa auf Hawaii. Die durch den Menschen
verursachte Zunahme der Treibhausgaskonzentrationen in der Erdatmosphäre durch
die Industrialisierung und die einhergehende zusätzliche Erwärmung der Erdatmosphäre, als anthropogener Treibhauseffekt bezeichnet, beschäftigt die Menschheit
seitdem in zunehmenden Maße. Mit dem Kyoto-Protokoll aus dem Jahr 1997 verpflichteten sich schließlich 128 Industrieländer der Einhaltung festgelegter Zielgrößen
der Emission von Treibhausgasen ab 2005 bis 2012. Auf der UN-Klimakonferenz im
Jahr 2009 konnten sich die beteiligten Industrienationen jedoch auf keine fortführende
verbindliche Richtlinie zur Treibhausgasemission einigen. Ob sich auf der im November
2010 stattfindenden nächsten Klimakonferenz in Cancun geeinigt werden kann bleibt
fraglich.
Im Folgenden sollen die Auswirkungen des Absorptionsverhaltens der Atmosphäre auf
den Strahlungshaushalt der Erde anhand einer mathematischen Modellierung quantitativ untersucht und erläutert werden. Ergänzend ist die Problematik des anthropogenen
Treibhauseffektes näher ausgeführt.
14
John Tyndall: 1820-1893, irischer Physiker.
Svante August Arrhenius: 1859-1927, schwedischer Physiker und Chemiker, Nobelpreisträger für
Chemie.
16
Charles David Keeling: 1928-2005, US-amerikanischer Chemiker und Klimaforscher.
15
16
2.3.1. Ein Klimamodell ohne Atmosphäre
Der Einfluss des Treibhauseffekts auf das Klima der Erde lässt sich bereits anhand sehr
einfacher mathematischer Modelle aufzeigen. Es sei dazu zuerst angenommen, die Erde
besitze keine Atmosphäre und eine Oberflächenhälfte des Erdballes empfange somit
die verlustfreie Solarstrahlung. Dabei entspricht die aufgenommene Strahlungsleistung
derjenigen einer mit der Solarkonstante SE = 1, 37 kW/m2 bestrahlten Kreisfläche mit
Erdradius RE = 6371 km, wie folgende Abb. 2.12 veranschaulicht.
Abb. 2.12.: Sonnenstrahlung trifft auf Oberflächenhälfte der Erde, welche Infrarotstrahlung isotrop
abstrahlt.
Für die aufgenommene Strahlungsleistung ergibt sich also
Pauf = A · SE = π · RE 2 · SE .
Die im Vergleich zur Kreisscheibe viermal größere Erdoberfläche O = 4π · RE 2 empfängt
nur die Strahlungsdichte SE /4 = 342 W/m2 und strahlt nun ihrerseits gemäß ihrer
Temperatur Infrarotstrahlung in alle Richtungen aus. Deren Leistung hängt über das
Gesetz von Stephan-Boltzmann aus Gleichung (2.2) mit der mittleren Temperatur T1
zusammen:
Pab = σ · O · T1 4 = σ · 4πRE 2 · T1 4 = σ · 4A · T1 4 .
Nun müssen sich aber aufgenommene und abgegebene Strahlungsleistung entsprechen
Pauf = Pab und man erhält
A · SE = σ · 4A · T1 4 .
Letztlich ergibt sich für die mittlere Temperatur der Erde
T1 =
s
4
SE
= 278 K.
4σ
Ohne die Atmosphäre hätte die Erdoberfläche also im Mittel eine Temperatur von
lediglich +5 °C. Aktuellen Messungen zufolge liegt das heutige Temperaturmittel jedoch
bei +15 °C, was die schützende Wirkung der Atmosphäre belegt.
17
2.3.2. Ein einfaches Klimamodell mit Atmosphäre
Um nun die Erdatmosphäre in die mathematische Modellierung mit einzubeziehen, sind
viele atmosphärische Einflüsse, wie Reflexion von Strahlung sowohl an der Atmosphäre
wie an der Erdoberfläche wie auch die für den Treibhauseffekt maßgebliche Absorption
von Strahlung in der Atmosphäre zu berücksichtigen. Auch weitere Wärmeübertragungsmechanismen wie die Konvektion tragen zur Strahlungsbilanz der Erde bei. Im
Folgenden sollen maßgebliche Faktoren schrittweise in ein einfaches Modell einbezogen
werden, um deren Einfluss auf die Oberflächentemperatur der Erde aufzeigen zu können.
1. Schritt: Berücksichtigung der Reflexion
Abb. 2.13.: Stark vereinfachter Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre unter Berücksichtigung der
Reflexion an Atmosphäre und Erdoberfläche. Zahlenwerte prozentual bezogen auf die
einfallende Solarstrahlungsdichte von 342 W/m2 nach Klose [12].
Um den Einfluss des Absorptionsverhaltens der Treibhausgase auf den Wärmehaushalt
der Erde abzuschätzen, soll zunächst lediglich die Reflexion berücksichtigt werden. Der
vereinfachte Strahlungsprozess ist in Abb. 2.13 schematisch dargestellt. Die mittlere
Albedo der Erde liegt bei ungefähr αE = 0, 3, es wird also ein wesentlicher Teil der
Sonnenstrahlung wieder in das Weltall zurück reflektiert. Davon entfällt mit 26 % der
größte Teil auf die Reflexion an Wolken, Aerosole und sonstige atmosphärische Bestandteile, 4 % werden im Mittel von der Erdoberfläche selbst reflektiert. Insgesamt erreicht
die Erde von den ungeschwächten 342 W/m2 letztlich nur noch eine Leistungsdichte
von
SE∗ = (1 − αE ) · 342W/m2 = 239 W/m2 .
Da die Erde diese wieder abgeben muss, lässt sich wieder über das Gesetz von StefanBoltzmann die Temperatur der Erde berechnen:
T2 =
18
s
4
SE∗
= 255 K.
σ
Ohne die Absorption thermischer Strahlung durch die Atmosphäre und unter Vernachlässigung weiterer Wärmeverluste befände sich die Erde also bei einer Temperatur von
nur -18 °C. Menschliches Leben wäre auf der Erde also überhaupt nicht möglich.
2. Schritt: Berücksichtigung der Absorption einfallender Solarstrahlung
Abb. 2.14.: Vereinfachter Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre unter Berücksichtigung von Reflexion an Atmosphäre und Erdoberfläche und der atmosphärischen Absorption der
einfallenden Solarstrahlung. Alle Angaben prozentual bezogen auf die einfallende Solarstrahlungsdichte von 342 W/m2 nach Klose [12].
Berücksichtigt man nun zusätzlich die Absorption der einfallenden Solarstrahlung,
durch die Treibhausgase Ozon O3 und Wasserdampf H2 O vorwiegend bestimmt, so
reduziert dieser Effekt die auf vom Erdboden aufgenommene Leistungsdichte um weitere
19%. Dieser Teil wird durch die Atmosphäre thermalisiert und zu gleichen Teilen zurück
ins Weltall wie in Richtung Erdboden wieder ausgestrahlt. Die Erde absorbiert letztlich
nur noch die Strahlungsleistungdichte
SE∗∗ = (1 − αE − 0, 1) · 342 W/m2 = 205 W/m2 .
Hier würde sich somit eine im Vergleich zu Schritt 1 noch tiefere mittlere Oberflächentemperatur der Erde von T2 = 245 K, also -28 °C ergeben.
3. Schritt: Berücksichtigung der Absorption der Erdstrahlung
In diesem letzten Schritt soll nun durch die Berücksichtigung der Absorption langwelliger Erdstrahlung der maßgebliche Einfluss des Treibhauseffekts auf die Oberflächentemperatur der Erde aufgezeigt werden. Ausgehend von dem Ergebnis aus Schritt 2
berücksichtigen wir hier zusätzlich, dass die Erdstrahlung nicht vollständig durch die
Atmosphäre absorbiert, sondern ein Anteil von 12 % durch atmosphärische Fenster
ungenutzt in das Weltall abstrahlt. Auch eine Hälfte des absorbierten Anteils wird in
19
Richtung All reemittiert, die andere Hälfte gelangt aber als atmosphärische Gegenstrahlung zurück zur Erde und sorgt für deren zusätzliche Erwärmung. Mathematisch
lässt sich dies wie folgt formulieren:
SE∗∗ + SA∗∗∗ = SE∗∗∗
Mit der Bedingung
(1 − 0, 12) · SE∗∗∗ = 2 · SA∗∗∗
erhält man durch Einsetzen in obige Gleichung für die Oberflächentemperatur der
Erde
s
SE∗∗
T3 = 4
= 283 K
0, 56 · σ
Nach diesem physikalischen Modell bewirkt die atmosphärische Gegenstrahlung also
eine erhebliche Temperaturerhöhung der Erdoberfläche von 38 K, von lebensfeindlichen
-28 °C auf 10 °C, und macht damit Leben auf der Erde erst möglich. Der große
Einfluss des Absorptionsverhaltens von Treibhausgasen auf das Erdklima macht aber
auch die Gefahr deutlich, die der anthropogene Treibhauseffekt durch Erhöhungen der
Konzentrationen von beispielsweise Kohlendioxid bedeutet. Würde auch nur 1 % der
Erdstrahlung mehr absorbiert, so stiege die Erdtemperatur bereits um mehr als ein
halbes Grad an. In der folgenden Abb. 2.15 sind die aus dem vorgestellten Modell
resultierenden Zahlenwerte graphisch dargestellt.
Abb. 2.15.: Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre nach einfacher physikalischer Modellierung. Alle
Zahlenwerte prozentual bezogen auf die einfallende Solarstrahlungsdichte von 342 W/m2 .
Es sei erwähnt, dass es sich bei dem vorgestellten Modell lediglich um eines einer
Vielzahl von Modellierungsversuche handelt. Es findet sich in ähnlicher Form in gängigen
Schulbüchern [13] und wurde im Hinblick auf den schulischen Einsatz des Gegenstands
dieser Arbeit gewählt.
20
2.3.3. Strahlungsbilanz der Erdatmosphäre
Die im vorigen Abschnitt dargestellte physikalische Modellierung der atmosphärischen
Strahlungsflüsse spiegelt zwar die lebenswichtige Wirkung des Treibhauseffekts gut
wider, wird der Komplexität des Strahlungssystems aber nur bedingt gerecht. Aktuellen
Messungen zufolge liegt die mittlere Oberflächentemperatur der Erde nicht bei den rechnerisch bestimmten 10 °C, sondern um 5 °C höher. Gründe hierfür sind unter anderem
eine Vernachlässigung weiterer Wärmeübertragungen durch
• Wärmeleitung L zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre
• Aggregatzustandsänderungen des Wassers und damit verbundener Transport
latenter Wärme (Evaporation) V
• Wärmeleitung zwischen dem Erdinneren und der Erdoberfläche, sog. Bodenwärmestrom B
• Photosynthese der Pflanzen P
Tatsächlich strahlt die Atmosphäre entgegen den Werten des Modells mit 95 % der
einfallenden Solarstrahlung weitaus mehr in Richtung Erde ab. Die Strahlungsbilanz
∆Q zwischen solarer Einstrahlung und terrestrischer Ausstrahlung muss durch obige
nichtradiative Wärmeübertragungsmechanismen ausgeglichen werden, so dass der
Energieerhaltungssatz erfüllt ist [14]:
∆Q + L + V + B + P = 0
In Abb. 2.16 ist der Strahlungshaushalt unter Vernachlässigung von Photosynthese und
Bodenwärmestrom mit aktuellen Literaturwerten dargestellt.
Abb. 2.16.: Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre. Alle Angaben prozentual bezogen auf die einfallende Solarstrahlungsdichte von 342 W/m2 nach Klose [12].
21
2.3.4. Der anthropogene Treibhauseffekt
In den vorigen Abschnitten wurde dargestellt, wie Treibhausgase durch ihre absorbativen Eigenschaften zum natürlichen Treibhauseffekt und damit zu einer lebenswichtigen
Erhöhung der Erdoberflächentemperatur beitragen. Auch wurde im Modell aufgezeigt,
wie sensitiv die Erdtemperatur auf Konzentrationsänderungen dieser Gase reagiert. Seit
langem wird daher die ansteigende Entwicklung einiger atmosphärischer Gaskonzentrationen verfolgt. Wie die auf dem Mauna Loa auf Hawaii aufgenommenen Daten aus
Abb. 2.17 zeigen, wuchs das atmosphärische Kohlendioxidvorkommen allein seit 1978
um 15 % an. Ebenso weisen die Darstellungen für Distickstoffoxid und Methan in den
letzten Jahren drastische Konzentrationsanstiege auf. Diese Entwicklungen sind vermutlich menschlicher Ursache, der klimatische Effekt wird daher als anthropogener
Treibhauseffekt bezeichnet.
Abb. 2.17.: Konzentrationsentwicklungen der wichtigsten Treibhausgase auf dem Mauna Loa auf
Hawaii seit 1978. Daten von NOAA/ESRL Global Monitoring Division [15].
Kohlendioxid, nach Wasserdampf zweitwichtigstes Treibhausgas, gelangt neben natürlichen Prozessen wie der Photosynthese17 , durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe
17
Der periodisch ansteigende Verlauf der CO2 -Konzentration erklärt sich durch den vegetativen
Jahreszyklus: im Sommerhalbjahr nimmt die Vegetation über die Photosynthese viel CO2 auf und
der atmosphärische Anteil sinkt etwas. Im Winter steigt er wieder an, da der Atmosphäre dann
über die Oxidation der absterbenden Biomasse wieder CO2 zugeführt wird.
22
in Industrie, Verkehr und Heizungen in die Atmosphäre [4]. Diesen Zusammenhang
bestätigt der Konzentrationsanstieg von Kohlendioxid seit Beginn der Industrialisierung
von 290 ppm im Jahr 1850 um rund 25 % auf derzeit ungefähr 390 ppm. Das Treibhausgas Methan CH4 ist ein Faulgas, welches in Feuchtgebieten und Naßkulturen, wie
beispielsweise riesigen Reisfeldern, freigesetzt wird. Auch Wiederkäuer, insbesondere
Rinder und Schafe, produzieren in ihren Mägen Methangas. Dessen Konzentrationsanstieg lässt sich auf einen erhöhten Nahrungsmittelbedarf aufgrund einer anwachsenden
Weltbevölkerung zurückführen: seit 1640, als die Weltbevölkerung noch 500 Mio. Menschen betrug (heute: 6,9 Mrd.), hat sich der Methangehalt der Luft fast vervierfacht.
Auch die Zunahme von Distickstoffoxid, das als chemisches Umwandlungsprodukt bei
der Humusbildung sowie von Stickstoffdünger in die Luft gelangt, hat ihre Ursache
im Bevölkerungswachstum. Eine weitere Gruppe von anthropogen erzeugten Treibhausgasen sind die Fluorchlorkohlenwasserstoffe, kurz FCKW. Sie werden technisch
hergestellt und finden vorwiegend als Kältemittel in Kältemaschinen oder als Treibgas
für Sprühdosen Verwendung. Trotzdem sie vergleichsweise wenig Infrarotstrahlung
absorbieren, wird ihre Treibhauswirksamkeit aufgrund ihrer chemischen Stabilität und
somit einer langen Verweildauer in der Atmosphäre als sehr hoch eingeschätzt. Wie in
Abb. 2.17 unten rechts für die FCKW CF C − 11 und CF C − 12 zu erkennen ist, stieg
auch deren atmosphärischer Anteil mit zunehmender Industrialsierung stark an. Mit
dem Montrealer Protokoll von 1987 [16], einem industriellen Abkommen zum Schutz der
Ozonschicht18 , konnte deren Ausstoß aber eingedämmt werden.
Ein Maß für die Treibhauswirksamkeit einzelner atmosphärischer Gase ist das relative
Treibhausgaspotential GWP (Global Warming Potential). Zu dessen Bestimmung
wird neben dem Absorptionsverhalten im Spektralbereich der Erdstrahlung auch die
Verweildauer in der Atmosphäre berücksichtigt. Die Zahlenwerte stellen Vergleichswerte
zur Treibhauswirksamkeit einer äquivalenten Menge an Kohlenstoffdioxid CO2 dar. So
hat beispielsweise Methan ein relatives Treibhauspotenzial von 25, d.h. 1 kg Methan
hat die gleiche Treibhauswirkung wie 25 kg Kohlenstoffdioxid. In nachstehender Tabelle
sind die Treibhausgaspotentiale der wichtigsten Treibhausgase, bezogen auf 100 Jahre,
zusammengefasst.
Treibhausgas
GWP
Kohlendioxid CO2
1
Methan CH4
25
Distickstoffoxid N2 O
298
Fluorchlorkohlenwasserstoffe
< 14400
Tab. 2.2.: Treibhausgaspotentiale nach dem vierten Zustandsbericht des IPCC von 2007 [17].
18
FCKW schaden der Ozonschicht, da sie in der Stratosphäre zersetzt werden und Chlor-Radikale
entstehen, welche wiederum eine katalytische Eigenschaft besitzen und somit die Zerstörung des
Ozons in der Luft fördern.
23
Abb. 2.18.: Entwicklung der Temperaturanomalie seit 1880. Daten (Global Annual Mean Surface
Air Temperature Change) von GISS [18].
Trotz der alarmierenden Konzentrationsanstiege klimarelevanter Gase und einer zeitgleichen Erhöhung der mittleren Erdtemperatur um ungefähr 0,8 K (siehe Abb. 2.18) ist
der Einfluss des anthropogenen Treibhauseffekts auf die globale Erwärmung umstritten.
Weitgehend herrscht jedoch wissenschaftlicher Konsens über Existenz und Beitrag
des anthropogenen Treibhauseffekts. So korrigierte das IPCC19 seine Einschätzung
über den anthropogenen Einfluss auf die festgestellte Erwärmung im neuen Sachstandsbericht von 2007 von „wahrscheinlich“ auf „sehr wahrscheinlich“ [19]. Stieg die
durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde in den letzten hundert Jahren noch
um ungefähr 0,8 K an, so rechnet das IPCC in seinem aktuellen Bericht mit einem
durchschnittlichen Temperaturanstieg, je nach Reduzierung des Treibhausgasausstoßes,
zwischen 1,1 K und 6,4 K bis zum Jahr 2100 - mit nicht absehbaren klimatologischen
Folgen.
19
Das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) fasst im Abstand von etwa 6 Jahren die
weltweiten Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Klimaveränderung zusammen und bildet
damit den aktuellen Stand des Wissens in der Klimatologie ab.
24
3. Das Experiment
Diese Arbeit stellt einen, für den schulischen Physikunterricht entwickelten Versuch
zur Untersuchung der Absorption von Wärmestrahlung durch atmosphärische Gase
vor. Ziel der Analyse der Absorptionsverhalten verschiedener Gase und deren Vergleich
ist das Verstehen der grundlegenden physikalischen Prozesse des Treibhauseffektes
und letztlich eine Sensibilisierung des Schülers hinsichtlich der Auswirkungen seines
eigenverantwortlichen Handelns auf das Erdklima.
Bereits 1860 befasste sich der Londoner Physiker John Tyndall als erster mit der
Wärmeabsorption verschiedener Stoffe, unter anderem von Gasen, und bestätigte in
seinen Experimenten beispielsweise die verstärkte Absorption durch Kohlendioxid.
Seine Messungen stellten jedoch einfache Grundlagenforschung dar und standen nicht
im, wie von Fourier schon 1824 vorgeschlagenen, Zusammenhang zur Erklärung des
Treibhauseffektes.
Abb. 3.1.: Erste Versuchsanordnung Tyndalls zur Messung der Wärmeabsorption von Gasen [20].
Abb. 3.1 zeigt eine erste experimentelle Anordnung Tyndalls: ein Lesliescher Würfel (C)
strahlt Wärmestrahlung in Richtung eines Messzylinders aus Zinn (AB) ab, in welchem
sich das Experimentiergas befindet. Um das Gas vor dem Austritt aus dem Rohr
zu hindern, die Wärmestrahlung aber trotzdem durch das Rohr zu lassen, verschloss
Tyndall die Rohröffnungen mit Steinsalzplatten. Nun wird die Luft aus dem Zylinder
(c) gepumpt und der Blechschirm (T) so weit zur Seite gezogen, dass das Galvanometer
einen Ausschlag bewirkt. Anschließend strömt die Luft durch zwei U-Rohre (U und
25
3 Das Experiment
U‘), die zur Filterung des Kohlendioxid- und Wasserdampfgehalts aus Luft dienen1 .
Als Folge der Filterung von Kohlendioxid und Wasserdampf schlägt das Galvanometer
stärker aus. Damit konnte Tyndall die Absorptionsfähigkeit von Gasen bestätigen.
Damit Tyndall jedoch wirklich messbare Ablenkungen des Galvanometers erreichte,
waren noch zahlreiche Verbesserungen der Apparatur nötig. Letztlich schrieb er über
seine Beobachtungen:
"Welchen außerordentlichen Unterschied in der Beschaffenheit und dem Wesen
der letzten Theile der verschiedenen Gase enthüllen die obigen Versuche!"[20]
Tyndalls Versuchsanordnung ist dem in dieser Arbeit vorgestellten Experiment sehr
ähnlich, jedoch wurden einzelne Komponenten dem fortgeschrittenen Stand der Technik
entsprechend ersetzt. Diese sollen im Folgenden vorgestellt und ihre Funktionsweise
erläutert werden, um anschließend den Versuchsaufbau als Ganzes darzustellen. In der
anschließenden Beschreibung der Versuchsdurchführung ist zunächst das Hauptexperiment zur Analyse der Absorptionseigenschaften mehrerer atmosphärischer Gase unter
Verwendung verschiedener Strahlungsquellen dargestellt, wobei an dieser Stelle auch
ausführlich auf die Problematik der Temperaturmessung bei Verwendung eines Aluminiumrohrs eingegangen wird. Anschließend ist eine vereinfachte Variante des Experiments,
nur unter Verwendung der Gase Kohlendioxid und Stickstoff vorgestellt, die aufgrund
ihres erheblich geringeren Aufwandes eine gute Alternative für den Schulunterricht
darstellt und auch im Demonstrationspraktikum verwendet wird. Desweiteren ist ein
weiterer Versuch zur eindrücklichen Beobachtung der IR-Absorption von Kohlendioxid
unter Verwendung einer Wärmebildkamera beschrieben.
3.1. Der Versuchsaufbau
Der Versuchsaufbau besteht prinzipiell aus einer Wärmestrahlungsquelle, einem Messrohr und einem Detektor zur Messung der transmittierten Strahlungsintensität. Die in
dieser Arbeit vorgestellte technische Umsetzung, die Wahl von Strahlungsquelle und
-empfänger sowie die Bauart des Messrohrs, stellt eine bewährte Möglichkeit unter
vielen Variationsmöglichkeiten dar. Im Hinblick auf den Einsatz in der Schule, und
den eventuell begrenzten Bestand technischer Mittel, sollen im Folgenden, neben den
letztlich verwendeten Komponenten, auch Alternativen und deren Vor- und Nachteile
diskutiert werden. Da zur Wahl der Strahlungsquelle bereits Testmessungen unter Verwendung der übrigen Komponenten durchgeführt wurden, sei diese Diskussion hinten
angestellt, und zunächst das Messrohr, der Detektor und die Art der Datenaufnahme
erläutert.
1
Die Röhre U enthält kaustisches Kali (Kaliumhydroxid). In der Röhre U‘ befindet sich mit Schwefelsäure angefeuchtete Bimssteinstücke, um Wasserdampf aus der Luft zu filtern.
26
3.1 Der Versuchsaufbau
Messrohr: Plexiglasrohr
Das Messrohr ist aus Plexiglas gefertigt, ist 20 cm lang und hat einen Durchmesser von
7 cm. Um das Gas im Innern der Röhre zu halten, und gleichzeitig die Transmission
der Infrarotstrahlung zu garantieren, sind die beidseitigen Rohröffnungen mit infrarotdurchlässiger Folie überzogen, welche mit O-Ringen am Rohr befestigt ist. Spätere
Versuche zeigen, dass dünne PET-Folie aufgrund ihrer Reißfestigkeit zwar sehr gut für
eine Durchführung des Experiments mit Kohlendioxid geeignet ist, sie aber aufgrund
ihrer eigenen selektiven Absorptionseigenschaften die Absorption von Methan stark
abschwächt. Für die Untersuchung mehrerer atmosphärischer Gase wurde daher eine
dünne PE-Folie verwendet. Diese absorbiert nicht so stark wie die PET-Folie, ist aber
auch weniger hitzebeständig und weniger reißfest. Prinzipiell kann auch handelsübliche
Haushaltsfolie zum Abdichten der Rohröffnungen verwendet werden, jedoch wurde
bei Langzeitmessungen mit absorbierenden Gasen eine Abnahme der Absorption
festgestellt. Dies deutet darauf hin, dass die Gase durch die dünne Folie hindurch
diffundieren können. Das Experimentiergas kann über zwei verschließbare Ventile einund ausströmen. Zum Einführen eines Thermofühlers, zur Messung der Temperatur
im Innern der Messröhre, dient eine kleine Einführöffnung auf der Oberseite des Rohrs,
welche mit einem Pfropfen aus Hartgummi abgedichtet ist. Man beachte, dass der
Temperaturfühler tatsächlich die Temperatur des Gases, und nicht wie die Thermosäule,
die auftreffende Strahlungsleistung misst.
Abb. 3.2.: Das Messrohr im Demonstrationspraktikum.
Einige Quellen beschreiben ähnliche Experimente mit metallischen Rohrmaterialien,
beispielsweise aus Aluminium oder einfachen Blechdosen. Durch die Verspiegelung im
27
3 Das Experiment
Innern des Rohres lässt sich zwar eine weitaus höhere Strahlungsleistung mit der Thermosäule detektieren, jedoch offenbahrt die später näher ausgeführte Durchführung mit
einem solchen Aluminiumrohr, dass Metalle aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit
dem Gas zu viel Wärmeenergie entziehen. Dieser Effekt verleitet zu einer Fehlinterpretation des Temperaturverlaufs und zu einer verfälschten Darstellung der wirklichen
physikalischen Vorgänge, wie später näher ausgeführt ist.
Als einfache und kostengünstige Alternative zur Demonstration der Absorptionseigenschaften ohne eine Untersuchung der Temperatur des Gases können als Gasbehälter
auch (gleichfarbige) Luftballons verwendet werden [21].
Detektor: Thermosäule
Mit einer Thermosäule kann elektromagnetische Strahlung, also auch Wärmestrahlung, über einen breiten Wellenlängenbereich nachgewiesen, und der Strahlungsfluss
gemessen werden. Hauptbestandteil einer Thermosäule bilden mehrere hintereinander
angeordnete Thermoelemente, also zwei unterschiedliche, an einem Ende miteinander
verbundene Metalle, deren eine Verbindungsstelle geschwärzt und der einfallenden
Strahlung ausgesetzt ist, während die anderen Leiterenden vor Strahlung abgeschirmt
und auf fester Temperatur gehalten werden. Gemäß der einfallenden Strahlungleistung befinden sich die beiden Enden nun auf unterschiedlicher Temperatur, was
aufgrund des Seebeck-Effekts2 zu einer, der einfallenden Strahlungsleitstung proportionalen, sogenannten Thermospannung führt. Durch die Hintereinanderschaltung
vieler Thermoelemente gemäß nachstehender Abbildung wird das Signal zur Messung
verstärkt.
Abb. 3.3.: Schematische Darstellung der Funktionsweise einer Thermosäule und Thermosäule der
Firma Kipp & Zonen.
Im Versuch wird das Modell CA2 der Firma Kipp & Zonen verwendet, in der 16
Thermoelemente aus Konstantan- und Manganinbändchen in Reihe geschaltet sind.
Diese deckt bei abgenommenem Schutzfenster einen Spektralbereich von 150 nm 15 µm ab, und ist daher für die Messung von Wärmestrahlung sehr gut geeignet
[22].
2
Thomas Seebeck: 1770-1831, deutsch-baltischer Physiker.
28
Messwerterfassung mit Cassy
Zur Aufzeichnung und Analyse der Messwerte von Thermosäule und Temperaturfühler
wird das Sensor-Cassy der Firma Leybold verwendet, welches über den USB-Anschluss
mit einem Laptop verbunden wird, und über die Software Cassy-Lab ausgelesen werden
kann (siehe Abb. 3.8). Diese Art der Messwerterfassung bietet sich an, da dieses
System mittlerweile in den meisten Schulen vorhanden ist und es einige Vorteile in
Aufzeichnung und Auswertung bietet. Über die Software können die Spannungs- und
Temperaturdaten gemeinsam im Zeitdiagramm dargestellt und unmittelbar während
der Durchführung des Experiments verfolgt werden. Desweiteren bietet die Software die
Möglichkeit, über einfache integrierte Funktionen, die Daten direkt auszuwerten und
zu analysieren. Natürlich können die Daten auch mit einem Millivoltmeter angezeigt
und per Hand aufgezeichnet werden.
Wahl der Strahlungsquelle
Als Strahlungsquelle kann prinzipiell jede Wärmequelle, beispielsweise eine Kerze, ein
Bunsenbrenner oder auch eine Baulampe mit hoher Leistung verwendet werden. Entsprechend der Temperatur und Art dieser Wärmequellen strahlen diese aber Spektren
ab, welche unterschiedlich gut für den Versuch geeignet sind. Allgemein sei darauf
hingewiesen, dass eine Simulation der Erdstrahlung nicht hinreichend realisierbar ist.
Entsprechend der Erde müsste die Quelle bei einer Temperatur von 15 °C abstrahlen,
und aufgrund der einhergehenden, geringen Strahlungsleistung vollständig gegen die
weitaus größeren Strahlungseinflüsse der Umgebung abgeschirmt sein. Da dies nicht
hinreichend realisierbar ist, muss im Experiment ein Strahler verwendet werden, dessen
Temperatur deutlich über der Umgebungstemperatur liegt, und dessen Spektralverteilung folglich zu kürzeren Wellenlängen hin verschoben ist. Dieser Umstand verhindert
einen quantitativen Rückschluss aus den Messdaten auf die Absorptionseigenschaften der Gase im Spektralbereich der Erdstrahlung, und damit einen Rückschluss auf
die Treibhauswirksamkeit der Gase3 . Beispielsweise absorbiert Kohlendioxid nur im
Infrarotbereich, würde also unter Bestrahlung mit vorwiegend sichtbarem Licht nur
eine geringe Absorption aufweisen. Für das Experiment soll daher ein thermischer
Strahler verwendet werden, welcher zumindest ähnlich der Erdstrahlung, im mittleren Infrarot abstrahlt. Diesbezüglich wurden verschiedene Strahler in Testmessungen
untersucht.
Die zur Wahl stehenden Strahlungsquellen sind zwei keramische Strahler von unterschiedlicher Leistung, die üblicherweise zum Erwärmen von Terrrarien verwendet
werden, eine Bau- und eine Infrarotlampe, sowie ein Bunsenbrenner. Unter Ausnahme
des Bunsenbrennerspektrums lassen sich deren Emissionsspektren durch Plancksche
Strahlungsverteilungen nähern. Diese sind unter Normierung des Strahlungsmaximums
3
Wie bereits erwähnt, wird eine quantitative Analyse der Treibhauswirksamkeit der verschiedenen
Gase schon aufgrund der selektiven Absorptionseigenschaften des Folienmaterials verhindert.
29
3 Das Experiment
Abb. 3.4.: Erprobte Strahlungsquellen: Keramische Infrarot-Einschraubstrahler mit 150 und 60 Watt,
Infrarotlampe, Baulampe und Bunsenbrenner.
in logarithmischem Maßstab in Abb. 3.5 dargestellt, und offenbaren die spektralen
Unterschiede der zur Wahl stehenden thermischen Strahler: während die Baulampe
vorwiegend im sichtbaren Bereich abstrahlt, ist das Spektrum der Infrarotlampe etwas zu größeren Wellenlängen hin verschoben. Ein roter Farbfilter beschränkt deren
Emission jedoch auf den sichtbaren, sowie den nahen Infrarotbereich. Diese beiden
Strahlungsquellen eignen sich daher eher weniger zur Simulation der Erdstrahlung. Mit
der Infrarotlampe ist sogar überhaupt keine Absorption messbar, da die untersuchten
Gase in deren Spektralbereich keine Absorptionsbanden aufweisen. Besser geeignet
sind hingegen die beiden keramischen Strahler, die einen breiten Emissionsbereich im
mittleren Infrarot besitzen. Das Bunsenbrennerspektrum lässt sich nicht so einfach
als Plancksche Verteilung nähern, da diese von zahlreichen Emissionslinien angeregter
Luftbestandteile überlagert ist4 .
Zur experimentellen Bestätigung der abgestrahlten Strahlungsspektren im infraroten
Bereich wurde die Strahlungsquelle mit einer Plexiglasplatte abgeschirmt, und die
so detektierte Strahlungsleistung mit derjenigen ohne Plexiglasplatte verglichen. Da
Plexiglas ab einer Dicke von 3 mm im infraroten Spektralbereich zwischen 2,8 µm
und 25 µm vollständig absorbiert, konnte so der jeweils in diesem Spektralbereich
abgestrahlte Anteil abgeschätzt werden [23]. Die ermittelten Werte bestätigten die
theoretisch genäherten Spektralverteilungen für die elektrischen Strahler. Mit rund
98 % strahlt auch der Bunsenbrenner den größten Anteil seiner Energie im mittleren
Infrarotbereich ab.
Auch die Aufheizdauer, also die Zeit bis zur Detektion annähernd konstanter Strahlungsleistung, wurde jeweils mit einer Thermosäule gemessen. Die Spannungsverläufe nach
dem Einschalten bzw. Entzünden sind in Abb. 3.6 dargestellt. Darin wird deutlich, dass
die keramischen Strahler im Vergleich zu den übrigen Quellen eine sehr lange Aufheizdauer besitzen, ein Nachteil, der jedoch gegenüber der langen Dauer bis zur Detektion
4
Leider ließen sich keine geeigneten spektroskopischen Methoden finden, um das Infrarotspektrum des
Bunsenbrenners aufzunehmen. Gängige FTIR-Spektrometer, wie sie in der chemischen Forschung
verwendet werden, erlauben lediglich die Aufnahme von Transmissionspektren eingebrachter
Proben.
30
einer konstanten Temperatur nicht ins Gewicht fällt. Deren vergleichsweise geringe emittierte Strahlungsleistung kann wiederum für einen platzsparenden Aufbau mit kleinerem
Abstand zwischen Strahler und Messrohr genutzt werden.
Abb. 3.5.: Strahlungsspektren verschiedener Strahlungsquellen im Vergleich zur Strahlungsverteilung
der Erdstrahlung in planckscher Näherung. Verteilungen gemäß der Normierung des
Strahlungsmaximums angepasst und in logarithmischem Maßstab dargestellt.
Abb. 3.6.: Mit der Thermosäule aufgenommene Spannungsverläufe nach Einschalten, bzw. Entzünden, der verschiedenen Strahlungsquellen in 40 cm Abstand.
31
32
2-25 µm
(99,2 %)
Keramischer
Infrarotstrahler
0,2-10 µm
Baustrahler 500W
Bunsenbrenner
Infrarotlampe 150W
(99,4 %)
Infrarotstrahler
150W
Entzündungsgefahr brennbarer Gase
Unregelmäßige Abstrahlung
Starke Absorption mit CO2
(siehe 3.2.1)
Tab. 3.1.: Vorteile und Nachteile der erprobten Wärmestrahlungsquellen.
(97,79 %)
Spektrum nur sichtbares Licht und
NIR
(33,9 %)
Unregelmäßige Abstrahlung
Blendet stark
Grösse
Sehr lange Aufheizdauer
Aufheizdauer: 11 min
Kleine Strahlungsleistung
Aufheizdauer: 14 min
Nachteile
Keine Absorption messbar, da
Hohe Strahlungsleistung
Lange Lebensdauer
Nur MIR und FIR
Nahezu Schwarzkörperspektrum
Lange Lebensdauer
Platzsparender Aufbau
Nur MIR und FIR
Nahezu Schwarzkörperspektrum
Vorteile
0,6-3 µm
(33,4 %)
2-25 µm
Keramischer
60W
Spektralbereich
(in 3-25 µm)
Strahlungsquelle
3 Das Experiment
Die Ergebnisse obiger Untersuchungen sind in Tab 3.1 nochmals zusammengefasst, und
als Vor- und Nachteile hinsichtlich der Verwendung im Experiment gegenübergestellt.
Demnach ist der keramische 60W-Infrarotstrahler am Besten für den Einsatz im Experiment geeignet. Dieser besitzt zwar mit ungefähr 14 Minuten die längste Aufheizdauer,
ist aber aufgrund seines mittelinfraroten Spektrums am besten zur Untersuchung der
Absorptionsverhalten geeignet, und ermöglicht darüber hinaus den platzsparendsten
Aufbau. Gegen den Einsatz des Bunsenbrenners spricht die Entzündungsgefahr bei der
Verwendung brennbarer Gase.
Das im Folgenden dargestellte Experiment zur Demonstration der unterschiedlichen Absorptionseigenschaften mehrerer Gase ist zum Vergleich mit einer Auswahl verschiedener
Strahler, dem keramischen 60W-Infrarotstrahler, der Baulampe mit 500 Watt, und
dem Bunsenbrenner durchgeführt und dokumentiert (siehe 3.2.1).
Experimentiergase
Als Experimentiergase liegen mehrere atmosphärische Gase vor, welche in Druckgasflaschen aufbewahrt werden, und über einen Schlauch in das Messrohr geleitet werden
können. Neben den Treibhausgasen Kohlendioxid CO2 , Methan CH4 , und Distickstoffoxid N2 O, stehen auch nicht IR-absorbierende Gase wie Stickstoff N2 , Argon Ar
und Sauerstoff O2 zu Verfügung. Es ist darauf zu achten, die Gase entsprechend den
Sicherheitsbestimmungen zu verwenden und zu lagern. Im schulischen Gebrauch ist
abzuwägen, inwiefern mit brennbaren Gasen wie Methan oder Distickstoffoxid experimentiert werden kann. Gegebenenfalls kann das Experiment auch auf die Untersuchung
der Absorptionseigenschaft des nicht entzündbaren Treibhausgases Kohlendioxid reduziert werden. Auch im Demonstrationspraktikum wird die Analyse auf Kohlendioxid
beschränkt.
Abb. 3.7.: Verwendete Druckgasflaschen von links: Kohlendioxid, Stickstoff, Methan, Argon, Distickstoffoxid und Sauerstoff.
33
3 Das Experiment
Der Versuchsaufbau im Demonstrationspraktikum
Nachfolgend ist der gesamte Versuchsaufbau abgebildet wie er im Demonstrationspraktikum zum Einsatz kommt und für den schulischen Einsatz vorgeschlagen wird. Die
beschriebenen Komponenten, der keramische Strahler, das Messrohr und die Thermosäule sind der einfachen Handhabung halber auf einer optischen Bank angebracht.
So lassen sich Abstände einfach variieren und fest einstellen, was beim Öffnen und
Schließen der Ventile am Messrohr von Vorteil ist. Die Thermosäule und der Temperaturfühler, hier über ein zusätzliches Stativ befestigt, sind schließlich über das
Cassy-Modul mit dem Laptop verbunden.
Als Experimentiergase liegen das Treibhausgas Kohlendioxid und das Nicht-Treibhausgas
Stickstoff in großen, mit Druckminderern ausgestatteteten Druckgasflaschen vor. Die
Gase können so mit einem Druck zwischen 2 und 5 bar über einen 6 mm dicken
Schlauch in das Messrohr eingelassen werden. Dabei ist darauf zu achten, das strahlerferne Ventil als Einlassventil zu nutzen, da die stark erhitzten Rohrmaterialien auf der
dem Strahler zugewandten Seite das Gas sonst gleich beim Einströmen stark erhitzen
würden. Zum Einbringen von Umgebungsluft in das Messrohr liegt eine Handpumpe
bei.
Abb. 3.8.: Versuchsanordnung im Demonstrationspraktikum.
34
3.2 Durchführung des Experiments
3.2. Durchführung des Experiments
Im Folgenden ist zunächst die Durchführung des Hauptexperiments zur Untersuchung
der Absorptionseigenschaften verschiedener Gase beschrieben. Auf dessen Grundlage wurde ein reduzierter Versuch zur Durchführung im Demonstrationspraktikum
entwickelt, dessen Durchführung im Anschluss ausführlich diskutiert ist. Für diese Versuchsteile zur Untersuchung der Absorptionseigenschaften verschiedener Gase empfiehlt
es sich, den keramischen Strahler gleich zu Beginn des Aufbaus einzuschalten und wie
in Abb. 3.8 auf der optischen Bank neben dem Messrohr zu platzieren, da sich der
Strahler nur langsam auf seine Betriebstemperatur erwärmt und erst nach ungefähr 14
Minuten in voller Leistung abstrahlt. Währenddessen können die übrigen Komponenten
angeschlossen werden und auf dem Monitor des Laptops im Programm CASSY-Lab
der Spannungsverlauf und der Temperaturverlauf verfolgt werden. Dabei sind die
Messbereiche für Spannung und Temperatur, sowie eine geeignete Taktung (hier 500
ms) im Programm einzustellen. Zeigt die Anzeige stabile Messwerte an, so kann mit der
Durchführung des eigentlichen Experiments begonnen werden. Dazu wird im Programm
die Messung gestartet und die Gase aus den Druckgasflaschen nacheinander über einen
Schlauch in das, zunächst mit Umgebungsluft gefüllte, Messrohr geleitet. Um dabei
jeweils sicher zu gehen, dass die Absorption gesättigt ist, wird bei geöffneten Ventilen
so lange Gas in das Messrohr eingelassen, bis keine Veränderung der detektierten
Spannung mehr zu erkennen ist. Wichtig zu bemerken ist, dass dies nicht unbedingt
bedeutet, dass das Messrohr vollständig mit dem Gas gefüllt ist. Man spricht dann
von einer Sättigung der Absorptionsbanden. Erst nachdem sich der Spannungs- und
Temperaturverlauf stabilisiert haben, in den folgenden Messungen jeweils 5 Minuten,
wird das nächste Gas zugeführt.
3.2.1. Analyse der Absorptionseigenschaften atmosphärischer
Gase
In diesem ersten Versuchsteil werden die Absorptionseigenschaften einer Vielzahl
atmosphärischer Gase untersucht. Entsprechend der zeitlichen Entwicklung des Experiments ist zunächst eine Messung unter Verwendung eines Aluminiumrohrs diskutiert,
welche die Problematik der Temperaturmessung mit metallischen Rohrmaterialien
darstellt. Dieser Umstand erforderte letztlich die Herstellung eines neuen Rohres aus
einem schlechter wärmeleitenden Material und erneute Durchführungen des Experiments. Die mit einem Plexiglasrohr aufgenommenen Messungen sind im zweiten Abschnitt ausführlich diskutiert. Zur Demonstration der Abhängigkeit der gasspezifischen
Eigenschaften vom eingestrahlten Spektrum, also von der verwendeten Strahlungsquelle, wurde die Messung zusätzlich unter Verwendung verschiedener thermischer
Strahler, des keramischen Strahlers, der Baulampe und des Bunsenbrenners durchgeführt.
35
3 Das Experiment
Durchführung mit einem Aluminiumrohr
Abb. 3.9.: Messung zur Analyse der Absorptionseigenschaften verschiedener atmosphärischer Gase
mit dem Aluminiumrohr und dem keramischen 60W-Strahler als Strahlungsquelle.
Abb. 3.9 zeigt das aufgezeichnete Cassy-Lab-Diagramm unter Verwendung des keramischen 60W-Strahlers. Die Achsen, links für die schwarz dargestellte Spannung der
Thermosäule in mV und rechts für die rot gefärbte Temperatur des Temperaturfühlers in
°C, sind den aufgezeichneten Messwerten angepasst. Senkrechte Linien kennzeichnen die
Zeitpunkte, zu denen neues Gas in das Messrohr eingeführt wurde.
Der schwarz dargestellte Spannungsverlauf zeigt je nach Experimentiergas deutliche
Unterschiede in der detektierten Strahlungsleistung. Betrug die Spannung mit Umgebungsluft noch ungefähr 15 mV, so sinkt dieser Wert beim Befüllen mit Kohlendioxid
um fast ein Millivolt ab. Erst mit dem Einbringen von Stickstoff steigen die Spannungswerte wieder an und übersteigen sogar den mit Luft gemessenen Wert. Auch
nach dem Befüllen mit Argon pendeln sich die Spannungswerte auf einem ähnlich
hohen Spannungsniveau ein, fallen aber mit dem Einbringen der Gase Methan sowie
Distickstoffoxid aprupt auf viel niedrigere Werte ab. Dabei wird mit Distickstoffoxid
die niedrigste Strahlungsleistung gemessen. Wird schließlich mit der Handpumpe wieder Umgebungsluft in das Messrohr gepumpt, so pendelt sich der Spannungsverlauf
wieder auf dem anfänglichen Wert von rund 15 mV ein. Der aufgezeichnete Spannungsverlauf verdeutlicht den unterschiedlichen Einfluss der atmosphärischen Gase
auf die empfangene Strahlungsleistung auf eindrucksvolle Weise. Es wird deutlich,
36
dass die Gase Stickstoff und Argon ähnlich geringe Absorptionseigenschaften besitzen. Aufgrund dieser Gemeinsamkeit, trotz unterschiedlicher molekularer Strukturen,
kann vermutet werden, dass diese Gase keine Infrarotstrahlung absorbieren, und somit
auch keine Treibhauswirksamkeit besitzen. Die Gase Kohlendioxid, Methan und Distickstoffoxid absorbieren jedoch, und zwar unterschiedlich stark. Demnach liegt der
Schluss nahe, dass die chemische Struktur der Moleküle zumindest einen Einfluss auf
die Absorptionseigenschaft des Gases hat. So ist zu erkennen, dass die zweiatomigen
(homonuklearen) Moleküle nicht absorbieren, während mehratomige Moleküle dies mit
unterschiedlicher Stärke tun. Allein aus dem aufgezeichneten Spannungsverlauf können
somit molekülphysikalische Ursachen für die Treibhausaktivität einiger Gase vermutet
werden.
Der rot dargestellte Temperaturverlauf im Innern des Messrohrs zeigt ebenfalls eine
deutliche Abhängigkeit vom verwendeten Experimentiergas. Liegt die Temperatur mit
Luft noch bei rund 33 °C, so steigt sie mit Kohlendioxid nach einer anfänglichen Abkühlung aufgrund der kühleren Temperatur des eingefüllten Gases auf über 34 °C an. Diese
Beobachtung entspricht den Erwartungen einer Erwärmung aufgrund der zunehmenden
Absorption thermischer Strahlung durch das Gas, und wird in einschlägiger Literatur
auch gerne als experimenteller Beleg für die Erwärmung der Atmosphäre als Folge
eines CO2 -Konzentrationsanstiegs angeführt [13]. Auch der Temperaturabfall nach
Einbringen des nicht absorbierenden Gases Stickstoff passt gut ins Bild. Es ist durchaus
richtig anzunehmen, dass eine zunehmende Absorption thermischer Strahlung zu einer
Temperaturerhöhung führt, geringere Absorption folglich zu einer Abnahme der Temperatur, jedoch darf der aufgenommene Temperaturverlauf keinesfalls als Bestätigung
dieses atmosphärischen Effekts interpretiert werden. Entsprechend der Theorie müsste
demnach mit Methan eine hohe Temperatur im Innern des Rohres vorliegen, mit Argon
eine ähnlich tiefe wie mit dem ebenfalls nicht absorbierenden Stickstoff. Die Messung
zeigt hier jedoch einen widersprüchlichen Temperaturverlauf: mit Methan sinkt die
Temperatur ab, während sie mit Argon sogar auf einen höheren Temperaturwert als
mit Kohlendioxid ansteigt. Der Grund für diesen, den Erwartungen widersprechenden
Verlauf, liegt in den unterschiedlichen thermodynamischen Eigenschaften der Gase.
Gase besitzen neben verschiedenen Wärmekapazitäten auch spezifische Wärmeleitfähigkeiten, leiten thermische Energie also unterschiedlich gut. Die Wärmeleitfähigkeit
eines Gases bestimmt damit die Fähigkeit, Wärme in Richtung eines kühleren Feststoffes abzuführen. Diese Fähigkeit wird durch die, von der Wärmeleitfähigkeit λ des
Gases und der charakteristischen Länge L (hier der Radius des Rohrs) abhängige
Wärmeübergangszahl α = Lλ beschrieben. Für den Wärmefluss Q̇ von einem Gas
mit der Temperatur T1 zu einem Festkörper der Temperatur T2 mit T1 > T2 über eine
Fläche A, gilt der Zusammenhang:
Q̇ = α · A · (T2 − T1 ) = λ ·
A
· (T2 − T1 )
L
(3.1)
Die Wärmeleitfähigkeiten der verwendeten Gase sind in Tab. 3.2 dargestellt. Der
aufgezeichnete Temperaturverlauf lässt sich in erster Betrachtung gut mit den jeweiligen
37
3 Das Experiment
Gas
h
W
Wärmeleitfähigkeit λ 10−3 m·K
Luft
26,2
Kohlendioxid CO2
16,8
Stickstoff N2
26,0
Methan CH4
34,1
Argon Ar
17,9
Distickstoffoxid N2 O
17,4
Sauerstoff O2
26,3
i
Tab. 3.2.: Wärmeleitfähigkeiten der verwendeten Gase bei Atmosphärendruck und einer Temperatur
von 300K [24].
Wärmeleitfähigkeiten begründen: die Gase mit großer Wärmeleitzahl führen thermische
Energie leichter in Richtung der Umgebung ab, in diesem Fall die kühlere Innenwand
des Aluminiumrohrs sowie die Umgebungsluft an den Rohröffnungen, und haben folglich
eine tiefere Temperatur als Gase mit kleiner Wärmeleitfähigkeit.
Dass die gemessenen Temperaturunterschiede maßgeblich von der jeweiligen Wärmeleitfähigkeit bestimmt sind, bestätigt die folgende Analyse5 . Dazu wurden die gemessenen
Gastemperaturen zu jedem Gas mit Hilfe der Auswertungsfunktion im Programm
Cassy-Lab auf den Temperaturplateaus gemittelt und zusammen mit den reziproken
Wärmeleitfähigkeiten, auch Wärmeleitwiderstände genannt, im Diagramm aufgetragen.
Die Daten sind im Diagramm in Abb. 3.10 als rote Punkte dargestellt6 . Die Verteilung
der Messwerte läßt einen linearen Zusammenhang der Größen vermuten, was durch das
2
reduzierte Bestimmtheitsmaß R ≈ 0, 92 des blau dargestellten linearen Fits bestätigt
wird 7 . Dieser lineare Zusammenhang zwischen der Temperatur des Gases und den
reziproken Wärmeleitkoeffizienten bestätigt auch die Wärmeleitungsgleichung (3.1).
Trotzdem darf hier nicht gefolgert werden, dass die gemessenen Temperaturwerte
entsprechend der Gleichung lediglich durch den Effekt der Wärmeleitung bedingt sind.
Zusätzlich beeinflussen der Effekt der Thermalisation sowie die Wärmeleitfähigkeit des
Rohres die absolute Temperatur im Innern des Rohres. Die Analyse zeigt lediglich, dass
die Temperaturunterschiede stark mit der Wärmeleitfähigkeit der Gase korreliert sind
und diese den Einfluss der Absorption auf die Temperatur bestimmend überlagern. Das
5
Da es sich hierbei um eine rein qualitative Untersuchung zur Verbesserung des Versuchsaufbaus
handelt, ist der Übersichtlichkeit halber auf eine explizite Angabe der Messwerte, sowie deren
zugehörige Fehler, verzichtet.
6
Man beachte, dass die Achseneinstellungen in den Schaubildern entsprechend einer geeigneten
Darstellung der Messwerte angepasst sind.
2
7
Das reduzierte Bestimmtheitsmaß R dient als Maßzahl für die Güte einer linearen Regression.
Je näher der Wert bei Eins liegt, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit für einen linearen
Zusammenhang zweier Messgrößen.
38
Schaubild in Abb. 3.11 macht dies deutlich: hier sind die Temperaturwerte gegen die detektierte Spannung aufgetragen und mit der zugehörigen Fitgeraden abgebildet. Schon
mit bloßem Auge ist erkennbar, dass die Messgrößen keinen der Theorie der Thermalisation entsprechenden Zusammenhang aufweisen. Dies wird durch den nahe bei Null
gelegenen Wert des reduzierten Bestimmtheitsmaßes bestätigt.
Abb. 3.10.: Schaubild der linearen Regressionsfunktion zu gemessenen Temperaturwerten und den
Wärmeleitwiderständen unter Verwendung des Aluminiumrohrs.
Abb. 3.11.: Schaubild der linearen Regressionsfunktion zu gemessenen Temperatur- und Spannungswerten unter Verwendung des Aluminiumrohrs.
39
3 Das Experiment
Der Temperaturverlauf zu den Gasen Luft, Kohlendioxid und Stickstoff darf somit
nicht so einfach auf die Thermalisation der Gase zurückgeführt werden. In Wirklichkeit
fallen die Temperaturunterschiede durch Erhöhungen der Konzentrationen hier weitaus
niedriger aus. Dies wird auch im Vergleich der Temperaturen von Distickstoffoxid
und Argon deutlich: diese Gase besitzen einen ungefähr gleich großen Wärmeleitkoeffizienten, und trotzdem weist Distickstoffoxid keine wesentlich höhere Temperatur
auf.
Aufgrund der beschriebenen Problematik eines zu großen Wärmeentzugs durch das
Aluminiumrohr, und der Gefahr einer fehlerhaften Interpretation des Temperaturverlaufs, wurde ein neues Messrohr aus schlecht wärmeleitendem und Infrarotstrahlung
absorbierendem Material gefertigt. Mit diesem konnte eine deutliche Verbesserung
hinsichtlich der Verminderung von Wärmeleitungseinflüssen festgestellt werden, wie im
folgenden Abschnitt beschrieben ist.
Durchführung mit einem Plexiglasrohr
mit dem Plexiglasrohr und dem keramischen 60W-Strahler als Strahlungsquelle.
In Abb. 3.12 ist eine Messung unter Verwendung eines Plexiglasrohrs dargestellt.
Sie zeigt einen ähnlichen, wenn auch aufgrund der absorbativen Eigenschaften von
Plexiglas schwächer ausfallenden Spannungsverlauf wie mit dem Aluminiumrohr und
40
lässt diesbezüglich die selben Schlussfolgerungen wie in der mit dem Aluminiumrohr
durchgeführten Messung zu.
Der Temperaturverlauf weist hingegen bedeutende Unterschiede zu der vorigen Messung
auf: während sich die Temperatur mit Luft und Kohlendioxid noch ähnlich verhält,
pendelt sie sich mit Methan auf einem deutlich höheren, wenn auch den Wert von
Luft nicht wesentlich übersteigenden Wert ein, als dies mit dem Aluminiumrohr der
Fall ist. Auch die Temperatur von Argon fällt hier tiefer aus, und befindet sich auf
einem ähnlichen Wert wie mit dem ebenfalls nicht absorbierenden Gasen Stickstoff und
Sauerstoff. Die Temperatur von Distickstoffoxid entspricht wieder ungefähr dem Wert
der vorigen Messung mit dem Aluminiumrohr.
Insgesamt offenbart diese Messung einen deutlich stärkeren Zusammenhang zwischen
der detektierten Spannung und den zugehörigen Temperaturwerten. Dieser Zusammenhang wird in einer, zur Messung mit dem Aluminiumrohr analogen Untersuchung der
Messwerte deutlich: dazu wurden die gemittelten Temperaturwerte wieder gegen die
Spannungswerte (Abb. 3.13), sowie gegen die reziproken Wärmeleitfähigkeiten (Abb.
3.14) aufgetragen und linear gefittet. Im Gegensatz zur Auswertung der Daten mit
dem Aluminiumrohr sind die Temperaturwerte hier stärker mit den zugehörigen Spannungswerten korreliert, was durch den näher bei Eins gelegenen Wert des reduzierten
2
Bestimmtheitsmaßes des linearen Fits R ≈ 0, 83 bestätigt wird. Entsprechend sind die
gemessenen Temperaturwerte hier sehr viel schwächer, mit den Wärmeleitfähigkeiten
der Gase korreliert (siehe Abb. 3.14).
Abb. 3.13.: Schaubild der linearen Regressionsfunktion zu gemessenen Temperatur- und Spannungswerten unter Verwendung des Plexiglasrohrs.
41
3 Das Experiment
Abb. 3.14.: Schaubild der linearen Regressionsfunktion zu gemessenen Temperaturwerten und den
Wärmeleitwiderständen unter Verwendung des Plexiglasrohrs.
Als ergänzende Form der Analyse des veränderten Temperaturverhaltens wurden die
gemittelten Temperaturwerte für die beiden Rohre jeweils in einem dreidimensionalen
Schaubild gegen die Spannungs- und die reziproken Wärmeleitfähigkeiten aufgetragen
und eine multilineare Regression der Form
1
1
T U,
=a·U +b· +c
λ
λ
durchgeführt. Die Daten samt Regressionsebene sind für das Aluminiumrohr in Abb.
3.15 und für das Plexiglasrohr in Abb. 3.16 in jeweils zwei Raumansichten dargestellt. Zudem sind die Werte der Fitparamter, deren Fehler, die Kovarianzmatrix8 und
2
das reduzierte multiple Bestimmtheitsmaß R der Regression angegeben. In beiden
Fällen bestätigt der sehr nahe bei Eins gelegene Wert der reduzierten Bestimmtheismaße das Regressionsmodell. Die Temperaturmesswerte sind also im Wesentlichen
nur durch die Thermalisation der Strahlung und den Effekt der Wärmeleitung bestimmt.
Die Regressionsanalyse aus Abb. 3.15 zeigt nochmals den dominierenden Einfluss der
Wärmeleitung auf die Gastemperatur im Innern des Aluminiumrohrs. So steigt die
Regressionsebene mit wachsendem Wärmeleitwiderstand deutlich an, während die
Abhängigkeit von den Spannungswerten viel kleiner ausfällt. In Anbetracht des großen
Fehlers auf den Regressionsparameter a kann, in Übereinstimmung mit der eindimensionalen Regressionsanalyse aus Abb. 3.11, eine lineare Abhängigkeit der Temperaturund Spannungsmesswerte sogar gänzlich ausgeschlossen werden.
8
Die Kovarianzmatrix, auch Fehlermatrix genannt, enthält die Kovarianzen der Fitparameter. Diese
sind ein Maß für die paarweise Korrelation der Fitparameter. Die Werte auf den Hauptdiagonalen
entsprechen den Fehlerquadraten der Fitparameter.
42
Abb. 3.15.: Darstellungen der Regressionsebene der Messdaten unter Verwendung des Aluminiumrohrs in zwei Raumansichten.
43
3 Das Experiment
Abb. 3.16.: Darstellungen der Regressionsebene der Messdaten unter Verwendung des Plexiglasrohrs
in zwei Raumansichten.
44
Die Schaubilder in Abb. 3.16 zeigen hingegen eine Verlagerung der Temperatureinflüsse
unter Verwendung des Plexiglasrohrs zugunsten der Absorption der Gase. Entgegen
der Messung mit dem Aluminiumrohr fällt die Ebene hier mit wachsender Spannung
stark ab und zeigt eine deutlich geringere Abhängigkeit von den Wärmeleitfähigkeiten.
Der große Fehler auf den Fitparameter b zeigt, dass die Temperaturwerte in diesem
Fall nicht mit den Wärmeleitwiderständen korreliert sind.
Das unterschiedliche Temperaturverhalten je nach Material des Rohres lässt sich
letztlich auf dessen Wärmeleitfähigkeit zurückführen. Aluminium besitzt mit einem
Wert von λAlu = 236 W/mK eine sehr viel höhere Wärmeleitfähigkeit als Plexiglas mit
λP lexi = 0,19 W/mK und entzieht dem Gas damit deutlich mehr Wärmeenergie als
Plexiglas. Die durch Thermalisation der Wärmestrahlung durch die Gase entstandene
thermische Energie im Innern des Messrohrs wird im Falle des Aluminiumrohrs also
verstärkt an die Umgebung abgegeben, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Gases diesen
Wärmefluss maßgeblich beeinflusst. Entscheidend für die Temperatur des Gases ist
letztlich das Verhältnis zwischen der durch Thermalisation aufgenommenen und der
durch Wärmeleitung abgeführten Leistung. Aufgrund der IR-Absorptionsfähigkeit des
Plexiglasrohrs wurde desweiteren vermutet, dass sich das Rohr dementsprechend stärker
erwärmt und damit den Wärmefluss zusätzlich abschwächt. Testmessungen zeigten
aber, dass in beiden Rohren eine Temperaturdifferenz von ungefähr 4 K zwischen Mitte
und Innenwand des Rohrs vorliegt, ein solcher Einfluss also ausgeschlossen werden
kann.
Aufgrund der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit des Plexiglasrohrs konnte der störende
Einfluss der Wärmeleitung auf die gemessene Gastemperatur deutlich reduziert werden.
Der Temperaturverlauf ist nun fast ausschließlich durch den Effekt der Thermalisation
absorbierter Wärmestrahlung bedingt und können in der experimentellen Beobachtung
auf diese zurückgeführt werden. Dies zeigt, dass Plexiglas als Rohrmaterial zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Absorption von Wärmestrahlung durch Gase
und der Temperatur derselben weitaus besser geeignet ist als metallische Materialen
wie Aluminium.
Durchführung mit alternativen Strahlungsquellen
Wie bereits erwähnt, hat die Wahl der Strahlungsquelle einen erheblichen Einfluss auf
das Experiment, sowohl auf die Absorptionsmessung der Strahlung als auch auf die Temperaturmessung des Gases. Dies zeigen die im Folgenden erläuterten Messungen mit einer Baulampe (Abb. 3.17) und einem Bunsenbrenner (Abb. 3.18).
Die Baulampe strahlt mit wesentlich höherer Leistung als der keramische Strahler ab.
Zu Beginn der Messung, also im Falle des mit Umgebungsluft gefüllten Plexiglasrohrs,
zeigt die Thermosäule bei einem Abstand von 30 cm zwischen Baulampe und Messrohr
noch eine Spannung von rund 14,5 mV an. Zudem weist der Spannungsverlauf über die
gesamte Messung starke Schwankungen auf, die nicht auf das Absorptionsverhalten der
45
3 Das Experiment
mit dem Plexiglasrohr und der 500W-Baulampe als Strahlungsquelle.
Gase zurückzuführen sind, sondern ihre Ursache vermutlich in den Luftbewegungen
zwischen Lampe und Messrohr haben. Trotzdem lassen sich beim Befüllen mit den
Treibhausgasen Kohlendioxid, Methan und Distickstoffoxid wieder deutlich absinkende
Spannungswerte beobachten. Der relative Vergleich der Spannungswerte zur Messung
aus Abb. 3.12 zeigt aber, dass diese hier nicht so stark absinken, die Absorption
also schwächer ausfällt. Dieser Unterschied lässt sich auf das Emissionsspektrum der
Strahlungsquellen zurückführen: die Baulampe emittiert im Vergleich zum keramischen
Strahler verhältnismäßig wenig im Infrarotbereich, weshalb die absorbierten Anteile
der gesamten Strahlungsleistung insgesamt kleiner ausfallen. Doch auch eine Veränderung der absorbierten Strahlungsleistungsanteile im Einzelnen ist festzustellen. So
absorbiert Distickstoffoxid nun, entgegen der Messung mit dem keramischen Strahler
als Strahlungsquelle, leicht weniger als Methan. Im Spannungsverlauf der in Abb. 3.18
abgebildeten Messung unter Verwendung des Bunsenbrenners sinken die Werte beim
Befüllen des Rohrs mit Kohlendioxid sogar fast um die Hälfte ab. Auch Distickstoffoxid
absorbiert in größerem Maße als unter Verwendung der anderen Strahlungsquellen.
Mit Methan ist nach einem anfänglichen leichten Rückgang der empfangenen Strahlungsleistung hingegen überhaupt keine Absorption festzustellen. Wie bereits in der
Diskussion der Wahl der Strahlungsquellen aus Abschnitt 3.1 beschrieben, lässt sich
das Emissionsspektrum des Bunsenbrenners nicht als Schwarzkörperspektrum nähern.
Vielmehr ist ein solches mit Emissionsbanden angeregter Luftbestandteile überlagert.
46
mit dem Plexiglasrohr und dem Bunsenbrenner als Strahlungsquelle.
Besonders in den Spektralbereichen der Absorptionsbanden von Kohlendioxid wird
aufgrund des großen Vorkommens in Luft viel Strahlungsleistung frei. Dies erklärt die
im Vergleich zu den anderen Strahlungsquellen viel stärker ausfallende Absorption von
Kohlendioxid. Auffallend ist hier auch der über die gesamte Messung stetig abfallende
Spannungsverlauf. Da sich die Spannungswerte jeweils asymptotisch des mit Luft
gemessenen Spannungswertes zu nähern scheinen wurde zunächst vermutet, dass die
PET-Folie undicht sei und Gas austreten könne. Mit einer anschließenden Messung
unter Verwendung des keramischen Strahlers konnte dies aber ausgeschlossen werden,
da diese Durchführung keinerlei Abfall der Spannungswerte zeigte. Eventuell ist dieser
störende Effekt auf eine Veränderung der Mischungsverhältnisse im Gasgemisch des
Bunsenbrenners zurückzuführen.
Wie die Spannungsverläufe weisen auch die Temperaturverläufe der Messungen deutliche Unterschiede auf. Während die Temperaturwerte aus Abb. 3.18 einen ähnlichen
Verlauf wie im Falle der Durchführung mit dem Plexiglasrohr und dem keramischen
Strahler beschreiben, also die Theorie der Thermalisation auch weitgehend bestätigen,
zeigt die Messung unter Verwendung der Baulampe aus Abb. 3.17 ähnliche Merkmale,
wie die durch Wärmeleitungseffekte gestörten Temperaturmesswerte unter Verwendung
des Aluminiumrohrs. Die erste Vermutung, dass sich dieser offensichtliche, trotz der Verwendung des Plexiglasrohrs, erneut große Einfluss der Wärmeleitung auf eine niedrigere
Temperatur des Rohrs aufgrund einer schwächeren Erwärmung durch die Baulampe
47
3 Das Experiment
zurückführen ließe, wurde durch mehrere Testmessungen widerlegt. So wurden in
separaten Messungen mit allen Strahlungsquellen zwischen der mit Luft gefüllten Mitte
und der Innenwand des Rohrs eine ungefähr gleich große Temperaturdifferenz von 6 K
gemessen. Es wird daher angenommen, dass der Effekt der Thermalisation aufgrund der
insgesamt schwächer ausfallenden Absorption im Falle der Baulampe so klein ausfällt,
dass die durch Wärmeleitung abgeführte Energie die thermalisierte Energie aufgrund
der Absorption einzelner Gase, beispielsweise Methan, übersteigt. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit von Argon begünstigt hingegen einen Aufstau thermischer Energie in der
Mitte des Rohrs und führt so zu den hohen Temperaturwerten.
Der vorangehende Vergleich der Messungen unter der Verwendung alternativer Strahlungsquellen macht den großen Einfluss der Wahl der Strahlungsquelle auf das Experiment deutlich. Sowohl die Stärke der Absorption insgesamt als auch die der Gase im
Einzelnen weisen große, von der Art des Strahlerspektrums abhängige Unterschiede
auf. Dieser Umstand erfordert einige Vorsicht in der Interpretation der Messwerte und
verbietet einen quantitativen Rückschluss auf die Treibhauswirksamkeit der Gase. Auch
die Temperatur im Innern des Rohres ist durch die Wahl der Strahlungsquelle beeinflusst und muss stets unter Beachtung möglicher Wärmeleitungseffekte interpretiert
werden. Letztlich unterstreicht die Diskussion die besondere Eignung des keramischen
Strahlers für das Experiment.
3.2.2. Analyse der Absorptionseigenschaften von Kohlendioxid,
Stickstoff, Luft und Atemluft
Dieser Abschnitt beschreibt den Versuch in vereinfachter Form, nur unter der Verwendung der Gase Kohlendioxid und Argon, sowie den natürlich vorliegenden Gasgemischen,
Umgebungs- und Atemluft. Als Messrohr wurde wieder das Plexiglasrohr verwendet,
dessen seitliche Öffnungen nun mit der reißfesteren, für den schulischen Einsatz besser
geeigneten, PET-Folie überspannt wurden. Zwar kann so weniger Strahlungsleistung
bis zur Thermosäule durchtreten, jedoch zeigen die Messwerte ansonsten keine Unterschiede zu den mit der dünneren PE-Folie aufgezeichneten Werten. Aufgrund eines
vergleichbaren Erkenntnisgewinns, bei erheblich geringerem Aufwand und geringeren
Kosten, stellt diese Form des Experiments eine gute Alternative zur bereits beschriebenen Durchführung mit mehreren Gasen dar. Auch im Demonstrationspraktikum wird
das Experiment in dieser reduzierten Form durchgeführt.
Wie in der ausführlichen Variante aus Abschnitt 3.2.1 wurden die Gase nacheinander
in Abständen von 5 Minuten in das Messrohr geleitet, und dabei die Spannungs- und
Temperaturdaten mit dem Cassy-Modul aufgezeichnet, welche in Abb. 3.19 abgebildet sind. Wieder ist beim Befüllen des Messrohrs mit Kohlendioxid eine verstärkte
Absorption der Wärmestrahlung in Form absinkender Spannungswerte festzustellen,
verbunden mit einem deutlichen Anstieg der Gastemperatur im Innern des Messrohrs.
In der ausgiebigen Regressionsanalyse aus Abschnitt 3.2.1 wurde sichergestellt, dass
diese Temperaturerhöhung auch wirklich auf die Thermalisation infraroter Strahlung
48
Abb. 3.19.: Messung zur Analyse der Absorptionseigenschaften von Kohlendioxid, Stickstoff, Luft und
Atemluft mit dem Plexiglasrohr und dem keramischen 60W-Strahler als Strahlungsquelle.
durch Kohlendioxid, und nicht auf dessen Wärmeleitungseigenschaften, zurückzuführen
ist. Das Gas erwärmt sich also aufgrund der stärkeren Absorption der Wärmestrahlung.
Mit Stickstoff steigt die Spannung auf einen leicht höheren Wert als mit Umgebungsluft an und die Temperatur fällt entsprechend ab. Stickstoff absorbiert demnach in
geringerem Ausmaß als Luft. Wird nun Atemluft über den Schlauch zugeführt, so ist
wieder ein deutlicher Rückgang der detektierten Strahlungsleistung und ein Anstieg der
Gastemperatur zu erkennen. Ursache für diese verstärkte Absorption ist weniger der
im Vergleich zu Umgebungsluft größere Anteil von Kohlendioxid als vielmehr der sehr
viel größere Wasserdampfanteil von Atemluft. Ein Vergleich mit den Spannungswerten
des vollständig mit Kohlendioxid gefüllten Messrohrs macht dies deutlich: wird davon
ausgegangen, dass Stickstoff nicht absorbiert9 , müsste Atemluft ungefähr 80 % Kohlendioxid enthalten, was den tatsächlichen Wert von rund 4 % unverhältnismäßig weit
übersteigt. Durch den Einfluss des Wasserdampfs auf die Absorption lässt sich auch
der stetige Anstieg der Spannungswerte beim mit Atemluft gefüllten Messrohr erklären:
der Wasserdampf kondensiert über die Messdauer zunehmend an den Innenwänden des
Rohrs. Dadurch verringert sich seine Konzentration im Gasgemisch und die Absorption
geht merklich zurück. Wird mit der Handpumpe wieder Umgebungsluft zugeführt, so
pendeln sich die Spannungs- und Temperaturwerte wieder auf das anfängliche Niveau
ein.
9
Dies darf hier nicht ohne Weiteres aus den Messwerten gefolgert werden.
49
3 Das Experiment
3.2.3. Beobachtung der Strahlungsabsorption mit einer
Wärmebildkamera
Abb. 3.20.: Thermogramme des keramischen Strahlers nach Befüllen des Messrohrs mit Kohlendioxid.
Deutlich ist die Abnahme der transmittierten thermischen Strahlung vom mit Luft
gefüllten Messrohr in Bild 1, zum vollständig mit Kohlendioxid gefüllten Messrohr in
Bild 4 zu erkennen.
Die Absorption thermischer Strahlung beispielsweise durch Kohlendioxid lässt sich
auch mit einer Infrarotkamera eindrucksvoll demonstrieren. Dazu wird an Stelle der
Thermosäule eine Infrarotkamera, hier das Modell T360 der Firma FLIR, auf das
Messrohr mit dahinter angebrachtem keramischen Strahler ausgerichtet. Damit die
Kamera die wirklichen Temperaturwerte anzeigt, sollte zunächst der Emissionsgrad auf
= 1 sowie die Luftfeuchtigkeit und der Abstand zur Strahlungsquelle richtig eingestellt
werden. Um beim Einbringen von Kohlendioxid in das Messrohr eine sichtbare Abnahme
der von der Kamera empfangenen Strahlungsintensität zu garantieren, muss diese aber
zunächst geeignet kalibriert werden. Zunächst wird die Temperaturskala auf den ManualModus eingestellt, um zu verhindern, dass sich die Temperaturskala automatisch dem
sich verändernden Bild anpasst. Dies geschieht beim vorliegenden Modell durch Drücken
der A/M-Taste, so dass rechts oben im Display ein M angezeigt wird. Nun muss der
50
Temperaturbereich auf die kleinstmögliche Breite eingestellt werden, um die geringe
Strahlungsabnahme sichtbar zu machen, hier durch Drücken des Cursors nach links.
Der richtige Temperaturbereich, praktischerweise der Bereich maximaler Temperatur,
kann dann durch Drücken des Cursors nach oben eingegrenzt werden. Insgesamt stellte
sich für den vorliegenden Versuchsaufbau eine Skaleneinstellung von 291 °C bis 293
°C als am Besten geeignet heraus. Durch Heranzoomen des Bildes des keramischen
Strahlers kann die Darstellung noch verbessert werden.
Lässt man nun Kohlendioxid in das Messrohr einströmen, so ist auf dem Display eine
gut erkennbare Abnahme der empfangenen Strahlungsintensität auszumachen, bis
schließlich fast kein Bild mehr sichtbar ist, wie in der Bildfolge in Abb. 3.20 zu sehen.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass dieser Effekt auch fälschlicherweise als
eine Abnahme der Temperatur des keramischen Strahlers interpretiert werden kann,
wie ja von der Kamera angezeigt. Es sollte daher sichergestellt sein, dass dem Schüler
die Funktionsweise einer Wärmebildkamera bekannt ist. Diese empfängt aufgrund des
eingebrachten Kohlendioxidgases eine geringere Strahlungsleistung, und stellt diese
im Fehlschluss als eine Temperaturabnahme der Strahlungsquelle dar. Um dennoch
die richtigen Temperaturwerte anzeigen zu lassen, müsste der Emissionsgrad je nach
Kohlendioxidmenge angepasst werden. Dann wäre aber natürlich kein Rückgang der
Strahlungsleistung zu beobachten.
51
3 Das Experiment
52
4. Die Einbindung in den
Schulunterricht
Der aktuelle Bildungsplan für Gymnasien in Baden-Württemberg beschreibt als grundsätzlichen Leitgedanken des naturwissenschaftlichen Unterrichts die Vermittlung einer fundierten naturwissenschaftlichen Grundbildung. Diese ist genauer beschrieben
als
"...die Fähigkeit, naturwissenschaftliches Wissen anzuwenden, naturwissenschaftliche Fragen zu erkennen und aus Belegen Schlussfolgerungen zu ziehen, um
Entscheidungen zu verstehen und zu treffen, die die natürliche Welt und die durch
menschliches Handeln an ihr vorgenommenen Veränderungen betreffen."[25]
Demnach sollen Schüler in der Lage sein, ihr naturwissenschaftliches Wissen für ein
verantwortungsvolles und folgenbewusstes Handeln zu nutzen. Damit spiegelt der
aktuelle Bildungsplan das allgemein steigende Bewusstsein für die Notwendigkeit einer
nachhaltigen Nutzung wissenschaftlicher Technologien wider, eine Entwicklung, die
maßgeblich durch klimatologische Problematiken wie eine steigende Temperatur der
Atmosphäre in den letzten Jahren erzwungen wird. Als mögliche Ursache für dieses
globale Umweltproblem stellt der Treibhauseffekt einen physikalischen Effekt dar,
dessen Verständnis für ein umweltbewusstes Handeln notwendig ist. Mittlerweile ist
das Thema Treibhauseffekt ein fester Bestandteil gymnasialer Physiklehrpläne, wird
aber auch in den Fächern Geographie und NwT (Naturwissenschaft und Technik)
thematisiert.
Der hier vorgestellte Versuch dient als motivierender Zugang zum tieferen Verständnis
des Treibhauseffektes und zeigt dessen grundlegende physikalische Effekte phänomenologisch auf. Aufgrund der Interdisziplinarität des Themas Treibhauseffekt eignet sich
dieses Experiment neben der üblichen Anwendung im Physikunterricht auch für den
Einsatz im fächerübergreifenden Fach NwT. Sogar im Fach Geographie wäre ein Einsatz
denkbar. Auf der Grundlage des aktuellen Bildungsplans für Physik ist im Folgenden
der Einsatz des Experiments in diesem Fach diskutiert und das für die Durchführung
des Versuchs notwenige physikalische Grundlagenwissen aufgeführt. Anschließend ist
der Einsatz im Fach NwT diskutiert.
53
4 Die Einbindung in den Schulunterricht
4.1. Einsatz im Fach Physik
Der aktuelle Bildungsplan für Physik ordnet die Behandlung des natürlichen und anthropogenen Treibhauseffekts ab Klasse 10 unter dem Apekt Technische Entwicklungen
und ihre Folgen ein. Entsprechend der Einordnung in den meisten Lehrbüchern wird
dieser jedoch erst in Klasse 11 tiefergehend thematisiert. In dieser Klassenstufe verfügen
die Schüler bereits über ausreichend Kenntnisse aus dem Bereich der Strahlungsphysik
und der Wärmelehre, um die Thematik physikalisch angemessen behandeln zu können. Entsprechend dieser Einordnung des Themas Treibhauseffekt eignet sich auch
der Einsatz des vorgestellten Experiments besonders in dieser Klassenstufe. Auf der
Grundlage des aktuellen Bildungsplans für Physik sowie des in Baden-Württemberg
weit verbreiteten Lehrbuchs von Dorn-Bader wird die Einbindung des Themas Treibhauseffekt im Anschluss an den Themenkomplex der Strahlungsphysik vorgeschlagen,
wie im Folgenden dargestellt:
Strahlungsphysik
• Elektromagnetische Strahlung
• Absorption und Emission, Kirchoffsches Strahlungsgesetz, Schwarzer Körper
• Wärmestrahlung und Thermalisation
• Leistungsdichte
• Spektrale Verteilung der Strahlungsleistung eines Schwarzen Körpers
• Wiensches Verschiebungsgesetz und Stefan-Boltzmann-Gesetz
Treibhauseffekt
• Die Erde als Schwarzer Strahler
• Absorption von Wärmestrahlung durch die Atmosphäre
• Treibhausgase
• Strahlungshaushalt der Erde
• Anthropogener Treibhauseffekt
Die aufgeführten Grundlagen im Bereich der Stahlungsphysik sind für ein tieferes
Verständnis des Treibhauseffekts notwendig und entsprechen inhaltlich den in Kapitel
2 beschriebenen theoretischen Grundlagen in reduzierter Form. Das Thema Absorption
von Wärmestrahlung durch Gase steht in den meisten Lehrbüchern im direkten Bezug
zum Treibhauseffekt und wird selten molekülphysikalisch behandelt. Damit fehlt meist
eine tiefergehende theoretische Begründung für das unterschiedliche Absorptionsverhalten verschiedener Gase. Mit der Durchführung des hier vorgestellten Experiments
54
4.2 Einsatz im Fach NwT
kann diese für den Treibhauseffekt grundlegende Ursache zumindest experimentell
nachgewiesen und nachvollzogen werden. Dem Experiment kommt an dieser Stelle somit
eine wichtige, die Existenz absorbierender Gase sowie den Effekt der Thermalisation
rechtfertigende Bedeutung zu, auf dessen Grundlage die nachfolgende Behandlung des
Treibhauseffekts aufgebaut werden kann.
Mit den genannten Kenntnissen aus dem Bereich der Strahlungsphysik lässt sich das
Experiment fachgerecht durchführen und auswerten. Zum Verständnis des Messvorgangs sollte dem Schüler desweiteren die prinzipielle Funktionsweise einer Thermosäule
sowie eines Temperaturfühlers bekannt sein. Der beiden Messinstrumenten zugrundeliegende thermoelektrische Seebeck-Effekt wird im gymnasialen Physikunterricht
im Allgemeinen aber nicht behandelt. Trotzdem sollte der Schüler verstanden haben,
dass die Thermosäule ein, der empfangenen Strahlungsleistung proportionales Spannungssignal liefert, wohingegen der Temperaturfühler direkt die Temperatur des Gases
aufnimmt.
Die Durchführung des eigentlichen Experiments, dessen Aufbau und die Messwerterfassung, ist auf einen zeitlichen Rahmen ungefähr einer Stunde angelegt. Es empfielt
sich daher mindestens eine Doppelstunde für die Durchführung und eine angemessene
Auswertung und Diskussion zu veranschlagen. Das Experiment eignet sich sowohl als
Demonstrationsexperiment zur Durchführung durch den Lehrer, als auch zur eigenständigen Durchführung durch den Schüler. Der Umgang mit den Druckgasflaschen
erfordert jedoch einige Vorsicht und sollte stets unter Aufsicht und Anleitung von
Lehrpersonal stehen.
4.2. Einsatz im Fach NwT
Das Fach NwT wurde im Schuljahr 2007/2008 landesweit eingeführt. Es wird bereits
in den Klassen 8,9 und 10 vierstündig, also mit gleicher Stundenzahl wie die Basiswissenschaften Biologie, Chemie, Geographie und Physik unterrichtet und stellt in der
Oberstufe das Profilfach1 des naturwissenschaftlichen Profils dar. Im Fach NwT werden
Themenstellungen, die sich an der Erfahrungs- und Gedankenwelt der Schüler orientieren, aus den Blickwinkeln aller Naturwissenschaften fächervernetzend betrachtet. Dabei
werden die in den Basisfächern erworbenen Kenntnisse in einem praxisorientierten,
schülerzentrierten Unterricht vertieft. Aufgrund der Interdisziplinarität des Themas
Treibhauseffekt, eignet sich dieses Fach sehr gut zur Durchführung des hier vorgestellten
Experiments. So können die physikalischen Ursachen des Treibhauseffekts untersucht
werden, und die Ergebnisse schließlich hinsichtlich des anthropogenen Treibhauseffekts
und dessen Auswirkung auf Natur und Umwelt biologisch und geowissenschaftlich
diskutiert werden.
1
Ein Profilfach ist ein im jeweiligen Profil zusätzlich angebotenes Unterrichtsfach. Beispielsweise
wird im sprachlichen Profil eine dritte Fremdsprache als Profilfach gewählt.
55
4 Die Einbindung in den Schulunterricht
56
5. Versuchsanleitung für das
Demonstrationspraktikum
Seit 2001 schreibt die Prüfungsordnung des Bundeslandes Baden-Württemberg für
Lehramtsstudierende mit Hauptfach Physik die erfolgreiche Teilnahme an einem Kurs
zur Durchführung von Demonstrationsexperimenten vor. Darin sollen die fachdidaktischen Grundlagen der Durchführung von Schulversuchen vermittelt und anhand
ausgewählter Experimente aus verschiedenen Bereichen der Schulphysik angewandt
und diskutiert werden.
Das Physikalische Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg bietet ein solches
Praktikum seit dem Wintersemester 2008/2009 an. Dazu stellten drei Lehramtstudenten im Rahmen ihrer Abschlussarbeit insgesamt 27 Experimente aus den Bereichen
Mechanik, Elektrizitätslehre, Optik, Akustik, Wärmelehre, Atomphysik und Kernphysik zusammen und entwickelten gemeinsam mit den betreuenden Dozenten die
Umsetzung im Praktikum [26][27][28][29]. Die Veranstaltung ist so angelegt, dass
die Studenten im Laufe des Kurses jedes Experiment einmal durchführen, jeweils in
Zweiergruppen mit einem zeitlichen Umfang von ungefähr einer Stunde. Desweiteren
präsentiert jede Gruppe einen ausgewählten Versuch in einem separaten Seminartermin, woran sich eine Diskussion über die fachdidaktische Umsetzung des Experiments
anschließt.
Der in dieser Arbeit vorgestellte Versuch zur Absorption thermischer Strahlung durch
atmosphärische Gase soll das bestehende Angebot des Praktikums erweitern und
ergänzend im Bereich der Wärmelehre durchgeführt werden. Bisher besteht dieser
lediglich aus dem Versuch “Infrarotstrahlung“, in welchem die von einem Leslieschen
Würfel abgestrahlte Wärmestrahlung mit einer Thermosäule untersucht wird. In diesem
Experiment soll erkannt werden, dass die Strahlungsleistung neben der Temperatur der
emittierenden Oberfläche auch von seiner Beschaffenheit abhängt. Der hier beschriebene
Versuch stellt hingegen die klimatologische Bedeutung der Wärmestrahlung heraus
und offenbart die grundlegenden physikalischen Ursachen des Treibhauseffekts. Indem
die Absorptionseigenschaften verschiedener atmosphärischer Gase untersucht werden,
können absorbierende Treibhausgase ausgemacht und deren Treibhauswirksamkeit
diskutiert werden. Damit stellt dieser Versuch einen experimentellen Zugang zu einem
Thema dar, welchem im naturwissenschaftlichen Fächerverbund zunehmend Bedeutung
beigemessen wird.
In der Konzeption des Versuchs wurde darauf geachtet, bereits vorhandene Instrumente
57
5 Versuchsanleitung für das Demonstrationspraktikum
zu verwenden. So sind die Thermosäule, der Temperaturfühler, das Cassy-Modul samt
Laptop und die optische Bank bereits im Praktikum vorhanden.
Im Folgenden findet sich die Versuchsanleitung für die Durchführung des Experiments
im Demonstrationspraktikum. Darin sind in zusammengefasster Form die theoretischen
Grundlagen zusammengestellt, der Versuchsaufbau beschrieben und Fragestellungen
zum Experiment aufgeführt. Dabei wurde die Anleitung in Form und inhaltlichem
Aufbau an die vorliegenden Versuchsanleitungen angeglichen. Insgesamt ist das Experiment so konzipiert, dass es sich im zeitlichen Umfang gut in den Ablauf des Praktikums
einpasst.
58
Versuch 29
Absorption von Wärmestrahlung durch
atmosphärische Gase
In diesem Versuch soll die physikalische Ursache für den Treibhauseffekt, die
Absorption von Wärmestrahlung durch atmosphärische Gase, mit Hilfe einer
Thermosäule untersucht werden.
59
Versuch 29 - Absorption von Wärmestrahlung durch atmosphärische Gase
Seite 2
1 Aufgabenstellung
1. Messen Sie mit der Thermosäule die Wärmestrahlung verschiedener Gegenstände
(Metall, Holz, Hand, Gesicht). Was passiert, wenn man eine Plexiglasplatte
dazwischen einbringt?
2. Beobachten Sie die Absorption der von einem keramischen Strahler abgegebenen
Wärmestrahlung durch Luft, Kohlendioxid, Stickstoff und Atemluft mit dem
Computermodul Cassy. Wie lassen sich der aufgezeichnete Spannungverlauf
der Thermosäule und der Temperaturverlauf des Gases erklären? In welchem
Zusammenhang stehen die Beobachtungen zum Treibhauseffekt?
3. Vergleichen Sie die Absorptionseigenschaften von Luft und Atemluft. Lässt sich
daraus eine Aussage über den jeweiligen Kohlendioxidgehalt treffen?
Abb. 1: Der Versuchsaufbau im Demonstrationspraktikum.
60
Seite 3
2 Grundlagen
Jeder Körper sendet thermische Strahlung aus. Diese elektromagnetische Strahlung,
auch Wärmestrahlung genannt, benötigt entgegen den anderen Wärmeübertragungsmechanismen Wärmeleitung und Konvektion, keine Materie, um sich auszubreiten. Für
den Wärmehaushalt der Erde und deren Wechselwirkung mit der Atmosphäre stellt sie
eine wichtige Form der Energieübertragung dar.
Strahlungsleistung und Leistungsdichte
Eine wichtige physikalische Größe im Bereich der Strahlungsphysik ist die Leistungsdichte S. Sie ist definiert als die einfallende Strahlungsleistung P pro Fläche
A:
W
P
S=
A
m2
Die Leistungsdichte sinkt quadratisch mit dem Abstand zur emittierenden punktförmigen Strahlungsquelle, da sich die Strahlungsleistung auf eine quadratisch mit
dem Abstand wachsende Fläche verteilt. Die Strahlungsleistung eines thermischen
Strahlers hängt neben der Temperatur auch von der Beschaffenheit seiner Oberfläche ab. Beispielsweise strahlt eine berußte Oberfläche stärker ab, als eine verspiegelte.
Schwarzer Körper und Strahlungsgesetze
Unter einem schwarzen Körper versteht man einen hypothetischen Körper, welcher
auf ihn auftreffende elektromagnetische Strahlung vollständig absorbiert. Nach dem
Kirchhoffschen Gesetz besitzt er somit auch ein maximales Emissionsvermögen.
Dieser sendet ein nur von der Temperatur abhängiges elektromagnetisches Spektrum
aus, welches oft als Grundlage für theoretische Betrachtungen sowie als Referenz für
praktische Untersuchungen elektromagnetischer Strahlung verwendet wird. Diese Abhängigkeit der Strahlungsleistung von der Wellenlänge und der Temperatur des Körpers
wird durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschrieben:
BT (λ) =
2πhc2
1
5
hc/kλT
λ e
−1
(1)
Dabei beschreibt λ die Wellenlänge, T die Temperatur, h = 6, 63 · 10−34 Js das
Plancksche Wirkungsquantum , c = 3 · 108 m/s die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
und k = 1, 38 · 10−23 J/K die Boltzmann-Konstante.
61
Seite 4
Abb. 2: Spektrale spezifische Ausstrahlung BT (λ) eines schwarzen Körpers bei verschiedenen Temperaturen. Die Ortskurve der Intensitätsmaxima ist rot gekennzeichnet.
Charakteristisch ist die Verschiebung der maximalen Strahlungsleistung zu kleinen
Wellenlängen mit wachsender Temperatur. Aus dem Planckschen Strahlungsgesetz
erhält man für die Lage des Maximums auf einer Isotherme das sogenannte Wiensche
Verschiebungsgesetz:
2897, 8
λmax =
µmK
(2)
T
Die gesamte emittierte Strahlungsleistung eines schwarzen Körpers der Oberfläche
A bei einer bestimmten Temperatur T wird durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz
beschrieben:
S(T ) = σ · A · T 4
Hier bezeichnet σ =
2π 5 k4
15c2 h3
(3)
= 5, 67·10−8 mW
2 K 4 die Stefan-Boltzmann-Konstante.
Der Treibhauseffekt beschreibt einen natürlichen atmosphärischen Prozess, welcher das
Erdklima maßgeblich beeinflusst, sogar erst Leben auf der Erde ermöglicht. Ähnlich
der Wirkung eines Gewächshauses tritt kurzwellige Solarstrahlung durch die Atmosphäre und wird größtenteils von der Erde absorbiert. Diese strahlt nun gemäß ihrer
62
Seite 5
Temperatur langwellige Strahlung zurück, welche zum Teil in den Weltraum entweicht,
zum anderen von atmosphärischen Bestandteilen absorbiert, und als atmosphärische
Gegenstrahlung auf die Erdoberfläche zurückgestrahlt wird. Dieser Effekt bewirkt eine
Temperaturerhöhung der Erdoberfläche von lebensfeindlichen -18 °C auf +15 °C und
wird als natürlicher Treibhauseffekt bezeichnet.
Mit der industriellen Entwicklung ist ein Konzentrationsanstieg vieler Treibhausgase verbunden. Die resultierende Verstärkung der Treibhauswirkung der Atmosphäre
und die zusätzliche Erwärmung der Erdoberfläche wird als anthropogener Treibhauseffekt bezeichnet. Aufgrund der weitreichenden Folgen für Natur und Umwelt
nehmen sich Politik und Wirtschaft immer stärker dem globalen klimatologischen
Problem an. So verpflichteten sich bereits 128 Nationen den mit dem Kyoto-Protokoll
im Jahr 1997 entschiedenen Richtlinien zur Reduzierung des Treibhausgasausstosses.
Ingesamt ergibt sich eine Strahlungsbilanz der Erde, wie sie schematisch mit aktuellen
Zahlenwerten in Abb. 3 dargestellt ist. Die abgestrahlte Strahlungsdichte beträgt
demnach SE = 1, 14 · 342 W/m2 = 389 W/m2 . Nach dem Gesetz von Stefan-Boltzmann
folgt für die Oberflächentemperatur der Erde in Übereinstimmung mit aktuellen
Messwerten
TE =
s
4
SE
= 288 K
σ
Dies entspricht einer mittleren Oberflächentemperatur von +15 °C.
Abb. 3: Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre. Alle Angaben prozentual bezogen auf die einfallende
Solarstrahlungsdichte von 342 W/m2 nach Klose [2].
63
Seite 6
IR-Absorption
Die Erde kann als schwarzer Körper aufgefasst werden, der bei einer Temperatur
von 288 K strahlt. Nach dem Planckschen Strahlungsgesetz strahlt die Erde somit
den größten Anteil ihrer Energie im mittleren Infrarot zwischen 5µm und 20µm ab.
Bestimmte atmosphärische Gase, sogenannte Treibhausgase, können in diesem Wellenlängenbereich Strahlung absorbieren, indem sie ihren Schwingungszustand ändern.
Eine Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Molekülen, und
somit Absorption infraroter Strahlung, kann jedoch nur stattfinden, falls sich durch
die Schwingung das elektrische Dipolmoment ändert. Molekülschwingungen mit dieser
Eigenschaft werden IR-aktiv genannt. Damit sind symmetrische Schwingungen, bei
welchen der Ladungsschwerpunkt stets erhalten bleibt, IR-inaktiv. Zweiatomige homonukleare Moleküle können nur symmetrische Schwingungen ausführen und somit keine
Infrarotstrahlung absorbieren [1].
Jedem atmosphärischen Gas lässt sich ein charakteristisches Absorptionsspektrum,
bestehend aus sogenannten Absorptionsbanden, zuordnen. Auf diese lassen sich die
Intensitätseinschnitte in der außeratmosphärischen Detektion der Erdstrahlung, und
somit die Treibhauswirksamkeit der Erdatmosphäre, zurückführen. Nachstehende
Abbildung zeigt die Absorptionseinschnitte durch atmosphärische Gase im Spektrum
der außeratmosphärischen Erdstrahlung im Vergleich zum bodennahen Spektrum.
Deutlich sichtbar ist das atmosphärische Fenster, in welchem nahezu keine Strahlung
absorbiert wird.
Abb. 4: Erdstrahlung an der Erdoberfläche und nach Absorption durch die Atmosphäre in 70km
Höhe. Daten simuliert mit MODTRAN.
64
Seite 7
Treibhausgase
Die Atmosphäre der Erde besteht aus einem Gemisch verschiedener Gase. Dabei bilden
Stickstoff N2 , Sauerstoff O2 , Argon Ar und Kohlendioxid CO2 mit insgesamt 99,986 Volumenprozent den wesentlichen Anteil der Atmosphäre. Weitere Gase fasst man wegen
ihres geringen Anteils unter dem Begriff Spurenstoffe zusammen. Dazu zählen unter
anderen Neon N e, Helium He, Methan CH4 , Krypton Kr, molekularer Wasserstoff H2 ,
Distickstoffoxid N2 O und Ozon O3 . Zwar machen Spurenstoffe insgesamt nicht einmal
0,01 Volumenprozent aus, doch sind einige von ihnen für die Treibhauswirksamkeit
der Atmosphäre von großer Bedeutung. Ein Maß für die Treibhauswirksamkeit einzelner atmosphärischer Gase ist das relative Treibhausgaspotential GWP (Global
Warming Potential). Zu dessen Bestimmung werden neben dem Absorptionsverhalten
im Spektralbereich der Erdstrahlung auch die Verweildauer in der Atmosphäre, sowie
die aktuelle Emissionsrate berücksichtigt. Die Zahlenwerte stellen Vergleichswerte zur
Treibhauswirksamkeit einer äquivalenten Menge an Kohlenstoffdioxid CO2 dar. Die
wichtigsten Treibhausgase sind [3]:
• Wasserdampf H2 O:
Gelangt durch Verdunstung von Wasseroberflächen und Transpiration von Pflanzen in die Atmosphäre, und ist mit einem Anteil von 62 % am Treibhauseffekt
wichtigstes Treibhausgas.
• Kohlendioxid CO2 (GWP 1):
Mit einem Anteil von 22 % am Treibhauseffekt nach Wasserdampf zweitwichtigstes
Treibhausgas. Gelangt neben natürlichen Prozessen, wie der Photosynthese, durch
die Verbrennung fossiler Brennstoffe in Industrie, Verkehr und Heizungen in die
Atmosphäre .
• Methan CH4 (GWP 25):
Faulgas, welches in Feuchtgebieten und Nasskulturen, wie beispielsweise riesigen
Reisfeldern, freigesetzt wird. Auch Wiederkäuer, insbesondere Rinder und Schafe,
produzieren in ihren Mägen Methangas.
• Distickstoffoxid N2 O (GWP 298):
Chemisches Umwandlungsprodukt bei der Humusbildung sowie von Stickstoffdünger.
• Fluorchlorkohlenwasserstoffe FCKW (GWP <14400):
Anthropogen erzeugte Treibhausgase, werden technisch hergestellt und finden
vorwiegend als Kältemittel in Kältemaschinen oder als Treibgas für Sprühdosen
Verwendung. Trotzdem sie vergleichsweise wenig Infrarotstrahlung absorbieren,
wird ihre Treibhauswirksamkeit aufgrund ihrer chemischen Stabilität und somit
einer langen Verweildauer in der Atmosphäre, als sehr hoch eingeschätzt.
65
Seite 8
3 Der Versuchsaufbau
Der Versuchsaufbau besteht aus einem keramischer 60W-Strahler als Strahlungsquelle,
einem Messrohr zum Einbringen der Gase und einer Thermosäule zur Detektion der
transmittierten Strahlungsleistung. Diese sind gemäß Abb. 1 auf einer optischen Bank
zu montieren. Das Messrohr ist aus Plexiglas gefertigt, besitzt zwei verschließbare
Ventile zum Ein- und Auslassen der Gase und ist mit infrarotdurchlässiger PET-Folie
abgedichtet. An der Oberseite befindet sich eine Einführöffnung für den Temperaturfühler, die mit einem Pfropfen aus Hartgummi abgedichtet ist. Die Thermosäule
dient zum Nachweis der durch das Messrohr transmittierten Strahlungsleistung und
liefert ein zur auftreffenden Strahlungsleistung proportionales Spannungssignal (siehe
Gebrauchsanleitung im Anhang). Mit dem Computermodul Cassy und einem Laptop
können die Spannungsmesswerte der Thermosäule, sowie die Temperaturwerte des
zusätzlich in das Messrohr eingebrachten Thermofühlers, aufgezeichnet und analysiert
werden.
Datenaufnahme mit dem Computermodul Cassy
Zur Datenaufnahme wird die Thermosäule mit dem Mikrovolt-Adapter und der Thermofühler mit dem NiCr-Ni-Adapter am Sensor-Cassy angeschlossen, welches wiederum
über USB mit dem Laptop verbunden ist. Mit der Software Cassy-Lab können die Daten
aufgezeichnet und im Diagramm visualisiert werden. Dazu sind im Einstellungsfenster
( oder F5) zunächst die Sensoreingänge zu aktivieren und geeignete Messbereiche
für die Spannungs- und Temperaturwerte auszuwählen. Mit F9 oder durch Klicken auf
kann dann die Messung gestartet, und zeitgleich im Diagramm dargestellt werden.
Zur geeigneten Darstellung lassen sich die Achseneinstellungen mit Rechtsklick auf
die entsprechende Achse aufrufen und verändern. Weitere Beschriftungs- und Auswertungsoptionen erscheinen durch Rechtsklick in das Diagramm.
Einbringen der Gase
Für diesen Versuch liegt Kohlendioxid und Stickstoff in zwei Druckgasflaschen vor. Die
Flaschen sind jeweils mit einem Druckmindererventil ausgestattet, welches jeweils mit
einer Anzeige des Flaschendrucks sowie einer Anzeige für den Druck im Druckmindererventil ausgestattet ist. Mit Hilfe einer Stellschraube kann dieser Druck bei geöffnetem
großen Flaschenventil fein auf Werte bis 5 bar eingestellt werden. Zum Befüllen des
Messrohrs wird die Gasflasche über den 6 mm dicken Schlauch mit dem strahlerfernen Ventil verbunden, am Messrohr die Ventile geöffnet (senkrechte Stellung), und
mit dem Regler am Druckminderer der Zufluss gesteuert. Um sicher zu stellen, dass
die Absorption gesättigt ist, wird der Zufluss erst abgestellt, wenn keine Veränderung
der detektierten Spannung mehr zu erkennen ist. Um Umgebungsluft in das Messrohr einzulassen ohne die PET-Folie entfernen zu müssen liegt eine Luftpumpe bei,
66
Seite 9
welche an den Schlauch angeschlossen werden kann. Atemluft kann einfach zugeführt
werden indem mit dem Mund in den Schlauch geblasen wird. Dafür liegen passende
Einweg-Mundstücke zum Aufsetzen auf den Schlauch vor.
Nach der Durchführung des Experiments ist darauf zu achten, dass das Flaschenventil
geschlossen ist. Sicherheitshalber sollte man das restliche, sich im Druckmindererventil
befindliche, Gas ausströmen lassen. Die Sicherheitsdatenblätter zu den verwendeten
Gasen Kohlendioxid und Stickstoff sind im Anhang angefügt.
Tipps zur Messung
• Aufgrund der langen Aufheizdauer des keramischen Strahlers ist es ratsam, diesen
gleich zu Beginn des Experiments einzuschalten.
• Stellen Sie sicher, dass die PET-Folien keine Löcher haben, und bei geschlossenen
Ventilen kein Gas austritt.
• Wählen Sie die Abstände zwischen den Komponenten so, dass mit Luft eine
Strahlungsleistung von ungefähr 3 mV detektiert wird. Der Abstand zwischen
Messrohr und Strahler sollte nicht weniger als 5 cm betragen.
• Zeichnen Sie die Messwerte in einer durchgehenden Messung auf, um
die Werte zu den verschiedenen Gasen einfach vergleichen zu können.
• Warten Sie, bis sich die Spannungs- und Temperaturwerte stabilisiert haben,
bevor Sie ein weiteres Gas zuführen (ungefähr 5 Minuten).
• Vorsicht: der Lampenschirm kann sehr heiß werden!
4 Kontrollfragen
• Welche Oberflächentemperatur hätte die Erde unter Vernachlässigung der Absorption durch die Atmosphäre? Verwenden Sie dazu die Angaben aus Abb. 3
und das Stefan-Boltzmann-Gesetz (3).
• Auf welchem grundlegenden physikalische Effekt basiert die Funktionsweise einer
Thermosäule? Worin unterscheidet sich der Thermofühler?
• Wieso lässt sich die Erde als thermischer Strahler im Experiment nicht simulieren?
Schätzen Sie das Emissionsspektrum des keramischen Strahlers ab.
• Warum kann aus dem aufgenommenen Spannungsverlauf nicht auf die Treibhauswirksamkeit von Kohlendioxid geschlossen werden?
• Welches Absorptionsverhalten würden Sie bei anderen atmosphärischen Gasen,
beispielsweise Methan oder Sauerstoff, erwarten?
• Inwiefern beeinflusst Wasserdampf das Experiment?
67
Seite 10
Literatur
[1] Sirtl S.: Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase. Staatsexamensarbeit, Physikalisches Institut der Universität Freiburg, 2010.
[2] Klose B.: Meteorologie. Springer, 2008.
[3] Lauer W. und Bendix J.: Klimatologie. Westermann, 2004.
68
6. Zusammenfassung
Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit war die Konzeption eines Schulversuchs, mit
welchem Schüler das IR-Absorptionsverhalten verschiedener atmosphärischer Gase hinsichtlich einer physikalischen Erklärung des Treibhauseffekts untersuchen können. Das
Experiment soll das Versuchsangebot des Demonstrationspraktikums des Physikalischen
Instituts der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg erweitern, in welchem Studierende
schultypische Versuche kennen und durchführen lernen.
Die Entwicklung eines geeigneten Versuchsaufbaus erforderte neben der prinzipiellen
Konzeption auch eine kritische Untersuchung verschiedener Möglichkeiten in der Wahl
der Komponenten. Es stellte sich heraus, dass sowohl die Art der Strahlungsquelle als
auch das Material des Messrohrs einen großen Einfluss auf die Messergebnisse haben
und sogar zu Fehlinterpretationen der Beobachtungen führen können. Bei der Wahl
der Komponenten musste daher besonders darauf geachtet werden, eine weitgehende
Unterdrückung störender physikalischer Effekte zu garantieren. Zudem sollten die
Komponenten eine einfache Handhabung und Durchführung des Experiments erlauben
und für den Schuleinsatz geeignet sein. Der grundlegende Aufbau des Versuchs nahm
damit den größten Teil der Arbeit in Anspruch. Der vorliegende Versuchsaufbau zum
Einsatz im Demonstrationspraktikum ist das Ergebnis einer stetigen Weiterentwicklung
auf der Grundlage vieler Messungen und wird den genannten Anforderungen im Rahmen
der Möglichkeiten gut gerecht.
Der entwickelte Versuch bietet die Möglichkeit sowohl die spezifische Absorption
von Wärmestrahlung von Gasen als auch die damit einhergehende Thermalisation zu
beobachten. Er eignet sich daher hervorragend als experimenteller Zugang zu den grundlegenden physikalischen Ursachen des Treibhauseffekts und eröffnet desweiteren die
Möglichkeit einer kritischen Auseinandersetzung mit der Thematik des anthropogenen
Treibhauseffekts.
Für mich als angehenden Lehrer für Physik stellt die Anfertigung dieser Arbeit eine
interessante und gewinnbringende Erfahrung dar. Die Entwicklung des Schulversuchs
erforderte neben einer wissenschaftlichen Auseinandersetzung mit dem Thema auch
den Einbezug didaktischer Aspekte. Diese vielseitige theoretische Herangehensweise und der ständige praktische Bezug gestalteteten die Arbeit abwechslungs- und
lehrreich. Die selbständige Anfertigung eines, in dieser Form neuen Schulversuchs konfrontierte mich häufig mit unerwarteten Problemen, zu deren Lösung oft ein flexibles
physikalisches Verständnis nötig war. Insgesamt ermöglichte mir die Erstellung der
Arbeit einen spannenden, tieferen Einblick in die Arbeitsmethoden der angewandten
Physik.
69
6 Zusammenfassung
70
A. Gebrauchsanleitung der
Thermosäule
71
A Gebrauchsanleitung der Thermosäule
74
B. Sicherheitsdatenblätter der Gase
75
B
C
Seite : 1 von 5
SICHERHEITSDATENBLATT
gemäß RL 1907/2006/EG (REACH)
Rev. - Ausgabe-Nr. : 3 - 00
Datum : 2 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 10 / 2008
Argon (verdichtet)
003A-ALD
1 Bezeichnung des Stoffs bzw. des Gemisches und Firmenbezeichnung
Produktidentifikatoren
Handelsname
Sicherheitsdatenblatt-Nr.
Chemische Bezeichnung
Chemische Formel
Registrierungs-Nr.
Verwendung
Bezeichnung des Unternehmens
E-Mail-Adresse (der kompetenten
Person).
Notfall-Telefonnummer
: Argon (verdichtet) , ARGON (N46, N50, N52, N60)
: 003A-ALD
: Argon
CAS-Nr. :007440-37-1
EG-Nr. :231-147-0
Index-Nr. :--: Ar
: Aufgeführt in Anhang IV / V REACH, von der Registrierung ausgenommen.
: Industriell und berufsmäßig. Umgang nur durch geschultes Personal gemäß der
Arbeitsplatz-Gefährdungsbeurteilung des Verwenders.
: AIR LIQUIDE Deutschland GmbH
Hans-Günther-Sohl-Straße 5
D-40235 Düsseldorf Deutschland
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
: [email protected]
: +49 (0)2151 398668
2 Mögliche Gefahren
Einstufung des Stoffs oder Gemisches
Gefahrenklasse und -kategorie nach
Verordnung EG 1272/2008 (CLP)
• Physikalische Gefahren
Einstufung nach EG 67/548 oder EG
1999/45.
: Unter Druck stehende Gase - verdichtete Gase - Achtung (H280)
: In Anhang VI CLP nicht genannt.
Nicht als gefährlicher Stoff / Zubereitung eingestuft.
Keine EG Kennzeichnung erforderlich.
Kennzeichnungselemente
Kennzeichnung nach Verordnung EG
1272/2008 (CLP).
• Gefahrenpiktogramme
• Gefahrenpiktogramm Code
• Signalwort
• Gefahrenhinweise
• Sicherheitshinweise
- Aufbewahrung
Kennzeichnung nach EG 67/548 oder
EG 1999/45.
Symbol(e)
R-Sätze
S-Sätze
«
M
: GHS04
Achtung
: H280 : Enthält Gas unter Druck; kann bei Erwärmung explodieren.
: P403 : An einem gut belüfteten Ort aufbewahren.
: Keine.
: Keine.
: Keine.
AIR LIQUIDE Deutschland GmbH
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Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
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Datum : 2 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 10 / 2008
Argon (verdichtet)
003A-ALD
2 Mögliche Gefahren (Fortsetzung)
Sonstige Gefahren
: Erstickend in hohen Konzentrationen.
Sonstige Gefahren
3 Zusammensetzung/Angaben zu Bestandteilen
: Stoff.
Stoff / Gemisch
Bezeichnung des Stoffes
Argon
:
Inhalt
100 %
CAS-Nr.
7440-37-1
EG-Nr.
231-147-0
Index-Nr.
-----
Registrierungs-Nr. Einstufung
-----------------------------------------------NOTE 1
Press. Gas (H280)
Enthält keine anderen Komponenten oder Verunreinigungen, die die Einstufung dieses Produktes beeinflussen.
Note 1: Aufgeführt in Anhang IV / V REACH, von der Registrierung ausgenommen.
Note 2: Registrierungszeitraum noch nicht abgelaufen.
4 Erste-Hilfe-Maßnahmen
Erste-Hilfe-Maßnahmen
- Einatmen
- Verschlucken
: Hohe Konzentrationen können Ersticken verursachen. Symptome können Verlust
der Bewegungsfähigkeit und des Bewußtseins sein. Das Opfer bemerkt das
Ersticken nicht.
Das Opfer ist unter Benutzung eines umluftunabhängigen Atemgerätes in frische
Luft zu bringen. Warm und ruhig halten. Arzt hinzuziehen. Bei Atemstillstand
künstliche Beatmung.
: Verschlucken wird nicht als möglicher Weg der Exposition angesehen.
5 Maßnahmen zur Brandbekämpfung
Spezielle Risiken
Gefährliche Verbrennungsprodukte
Löschmittel
Spezifische Methoden
Spezielle Schutzausrüstung für die
Feuerwehr
:
:
:
:
Einwirkung von Feuer kann Bersten / Explodieren des Behälters verursachen.
Keine.
Alle bekannten Löschmittel können benutzt werden.
Wenn möglich, Gasaustritt stoppen.
Sich vom Behälter entfernen und aus geschützter Position mit Wasser kühlen.
: In geschlossenen Räumen umluftunabhängiges Atemgerät benutzen.
6 Maßnahmen bei unbeabsichtigter Freisetzung
Personenbezogene
Vorsichtsmaßnahmen
Umweltschutzmaßnahmen
Reinigungsmethoden
: Gebiet räumen.
Beim Betreten des Bereiches umluftunabhängiges Atemgerät benutzen, sofern
nicht die Ungefährlichkeit der Atmosphäre nachgewiesen ist.
Für ausreichende Lüftung sorgen.
: Versuchen, den Gasaustritt zu stoppen.
Eindringen in Kanalisation, Keller, Arbeitsgruben oder andere Orte, an denen die
Ansammlung gefährlich sein könnte, verhindern.
: Umgebung belüften.
7 Handhabung und Lagerung
Handhabung
: Eindringen von Wasser in den Gasbehälter verhindern.
Rückströmung in den Gasbehälter verhindern.
Nur solche Ausrüstung verwenden, die für dieses Produkt und den vorgesehenen
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Datum : 2 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 10 / 2008
Argon (verdichtet)
003A-ALD
7 Handhabung und Lagerung (Fortsetzung)
Lagerung
Druck und Temperatur geeignet ist. Im Zweifelsfall den Gaselieferanten
konsultieren.
Bedienungshinweise des Gaselieferanten beachten.
Druckbehälter (Druckgasflaschen) gegen Umfallen sichern.
: Behälter bei weniger als 50°C an einem gut gelüfteten Ort lagern.
8 Begrenzung und Überwachung der Exposition/Persönliche Schutzausrüstungen
Persönliche Schutzmaßnahmen
• Handschutz
• Körperschutz
Technische Schutzmaßnahmen
:
:
:
:
Angemessene Lüftung sicherstellen.
Schutzhandschuhe aus Leder beim Umgang mit Druckgasflaschen.
Beim Umgang mit Gasflaschen/Bündeln / Behältern Sicherheitsschuhe tragen.
Allgemeine und lokale Belüftung / Abzüge vorsehen, um Konzentrationen unterhalb
der Explosionsgrenze und/oder der Arbeitsplatzgrenzwerte zu halten (falls
vorhanden).
9 Physikalische und chemische Eigenschaften
Physikalischer Zustand bei 20 °C
Farbe
Geruch
Molekulargewicht
Schmelzpunkt [°C]
Siedepunkt [°C]
Kritische Temperatur [°C]
Dampfdruck [20°C]
Relative Dichte, Gas (Luft=1)
Relative Dichte, flüssig (Wasser=1)
Löslichkeit in Wasser [mg/l]
Zündgrenzen [Vol.% in Luft]
Sonstige Angaben
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
Gas.
Farblos.
Geruchlos. Keine Warnung durch Geruch.
40
-189
-186
-122
Nicht anwendbar.
1,38
Nicht anwendbar.
Wasserlöslichkeit von Komponenten im Gemisch :
• Argon : 61
: Nicht brennbar.
: Gas/Dämpfe sind schwerer als Luft. Sie können sich in geschlossenen Räumen
ansammeln, insbesondere am Fußboden oder in tiefergelegenen Bereichen.
10 Stabilität und Reaktivität
Gefährliche Zersetzungsprodukte
Unverträgliche Materialien
Zu vermeidende Bedingungen
Chemische Stabilität
:
:
:
:
• Argon : Keine.
Keine.
Keine.
Stabil unter normalen Bedingungen für Temperatur und Druck.
11 Angaben zur Toxikologie
Toxikologische Angaben
: Toxische Wirkungen des Produkts sind nicht bekannt.
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Datum : 2 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 10 / 2008
Argon (verdichtet)
003A-ALD
12 Umweltbezogene Angaben
Umweltspezifische Angaben
WGK-Klasse (Deutschland)
: Es sind keine schädlichen Wirkungen des Produkts auf die Umwelt bekannt.
: NWG - nicht wassergefährdend,
Kenn-Nr. 1348
(gemäß VwVwS; Anhang 1)
13 Hinweise zur Entsorgung
Allgemein
Abfallschlüssel-Nr. /
Abfallbezeichnung (AVV)
: Nicht in die Kanalisation, Keller, Arbeitsgruben und ähnliche Plätze, an denen die
Ansammlung des Gases gefährlich werden könnte, ausströmen lassen.
An einem gut gelüfteten Platz in die Atmosphäre ablassen.
Rückfrage beim Gaselieferanten, wenn eine Beratung nötig ist.
: 16 05 04 - Gefährliche Stoffe enthaltende Gase in Druckbehältern (einschließlich
Halonen).
14 Angaben zum Transport
UN-Nummer
• Kennzeichnung nach ADR, IMDG,
IATA
: 1006
n
ó
: 2.2 : Nicht entzündbare, nicht giftige Gase.
Landtransport
ADR/RID
• Nummer zur Kennzeichnung der
Gefahr
• Benennung und Beschreibung
• Klasse
• Klassifizierungscode
• Verpackungsanweisungen
• Tunnel Beschränkungen
: 20
:
:
:
:
:
ARGON, VERDICHTET
2
1A
P200
E : Durchfahrt verboten durch Tunnel der Kategorie E.
für Druckdosen
• UN Nr.
Gefahr
• Klasse
: 2037
: :
:
:
:
GEFÄSSE, KLEIN, MIT GAS (GASPATRONEN)
2
5A
P003
Seetransport
GGVSee/IMO-IMDG
• Richtiger technischer Name
• Klasse
• Verpackungsgruppe IMO
: ARGON, VERDICHTET
: 2.2
: P200
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Datum : 2 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 10 / 2008
Argon (verdichtet)
003A-ALD
14 Angaben zum Transport (Fortsetzung)
• Unfallmerkblatt (EmS) - Feuer
• Unfallmerkblatt (EmS) - Leckage
: F-C
: S-V
: P200
Lufttransport
ICAO/IATA-DGR
• Richtige Versandbezeichnung/
Beschreibung
• Klasse
• Passagier und Frachtflugzeug
- Verpackungsvorschrift
• Nur Frachtflugzeug
: ARGON, COMPRESSED
:
:
:
:
:
2.2
Erlaubt.
200
Erlaubt.
200
Weitere Transport-Informationen
Möglichst nicht in Fahrzeugen transportieren, deren Laderaum nicht von der Fahrerkabine getrennt ist.
Der Fahrer muß die möglichen Gefahren der Ladung kennen und er muß wissen, was bei einem Unfall oder Notfall zu tun ist.
Vor dem Transport :
- Gasflaschen sichern.
- Das Flaschenventil muß geschlossen und dicht sein.
- Die Ventilverschlußmutter oder der Verschlußstopfen (soweit vorhanden) muß korrekt befestigt sein.
- Die Ventilschutzeinrichtung (soweit vorhanden) muß korrekt befestigt sein.
- Ausreichende Lüftung sicherstellen.
- Geltende Vorschriften beachten.
15 Rechtsvorschriften
Vorschriften zu Sicherheit,
Gesundheits- und Umweltschutz/
spezifische Rechtsvorschriften für
den Stoff oder das Gemisch
Seveso Verordung 96/82/EG
: Alle nationalen/örtlichen Vorschriften beachten.
Betriebssicherheitsverordnung, Technische Regeln zur
Betriebssicherheitsverordnung (TRBSen), Gefahrstoffverordnung, Technische
Regeln zur Gefahrstoffverordnung (TRGSen), BGVR, BGV, BGI, VwVwS
: Nicht aufgeführt.
16 Sonstige Angaben
Erstickend in hohen Konzentrationen.
Behälter an einem gut gelüfteten Ort aufbewahren.
Gas nicht einatmen.
Das Risiko des Erstickens wird oft übersehen und muß bei der Unterweisung der Mitarbeiter besonders hervorgehoben
werden.
Dieses Sicherheits-Datenblatt wurde im Einklang mit geltenden europäischen Richtlinien erstellt. Es gilt für alle Länder, die
diese Richtlinien in ihre nationale Gesetzgebung übernommen haben.
: Die Angaben in diesem Dokument sind keine vertraglichen Zusicherungen von
ABLEHNUNG DER HAFTUNG
Produkteigenschaften. Sie stützen sich auf den heutigen Stand der Kenntnisse.
Bevor das Produkt in irgendeinem neuen Prozeß oder Versuch benutzt wird, sollte
eine sorgfältige Untersuchung über die Materialverträglichkeit und die Sicherheit
durchgeführt werden.
Ende des Dokumentes
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Im Notfall : +49 (0)2151 398668
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C
Datum : 19 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 2 / 2009
Distickstoffmonoxid
ALD093A
Handelsname
Chemische Formel
Registrierungs-Nr.
Verwendung
Person).
: Distickstoffmonoxid , DISTICKSTOFFMONOXID (N25, N47, N50), Distickstoffoxid,
Lachgas
: ALD093A
: Distickstoffoxid
CAS-Nr. :010024-97-2
EG-Nr. :233-032-0
Index-Nr. :--: N2O
: Registrierungszeitraum noch nicht abgelaufen.
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
: [email protected]
: +49 (0)2151 398668
1999/45.
: Entzündend wirkende Gase - Kategorie 1 - Gefahr (H270)
Unter Druck stehende Gase - verflüssigte Gase - Achtung (H280)
O; R8
1272/2008 (CLP).
• Signalwort
- Prävention
- Reaktion
- Aufbewahrung
œ M
M
«
: GHS03 - GHS04
: Gefahr
: H270 : Kann Brand verursachen oder verstärken; Oxidationsmittel.
H280 : Enthält Gas unter Druck; kann bei Erwärmung explodieren.
: P244 : Ventile und Ausrüstungsteile öl- und fettfrei halten
P220 : Von brennbaren Materialen entfernt aufbewahren.
: P370+P376 : Bei Brand: Undichtigkeit beseitigen, wenn gefahrlos möglich.
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Datum : 19 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 2 / 2009
Distickstoffmonoxid
ALD093A
EG 1999/45.
: O : Brandfördernd
Symbol(e)
O
ê
: R8 : Feuergefahr bei Berührung mit brennbaren Stoffen.
: S9 : Behälter an einem gut gelüfteten Ort aufbewahren.
S17 : Von brennbaren Stoffen fernhalten.
R-Sätze
S-Sätze
: Stoff.
Stoff / Gemisch
Distickstoffoxid
:
Inhalt
100 %
CAS-Nr.
10024-97-2
EG-Nr.
233-032-0
Index-Nr.
-----
O; R8
NOTE 2
-----------------------------------------------Ox. Gas 1 (H270)
Liq. Gas (H280)
- Einatmen
- Verschlucken
Ersticken nicht.
In niedrigen Konzentrationen können narkotische Effekte entstehen. Symptome
können Schwindelgefühl, Kopfschmerz, Übelkeit und Koordinationsstörungen sein.
Spezielle Risiken
Löschmittel
- Geeignete Löschmittel
Feuerwehr
: Einwirkung von Feuer kann Bersten / Explodieren des Behälters verursachen.
Fördert die Verbrennung.
: Bei Einwirkung von Feuer können durch thermische Zersetzung die folgenden
toxischen und/oder ätzenden Stoffe entstehen :
Stickstoffmonoxid / Stickstoffdioxid.
: Alle bekannten Löschmittel können benutzt werden.
: Wenn möglich, Gasaustritt stoppen.
: Umluftunabhängiges Atemgerät und Chemieschutzanzug benutzen.
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Datum : 19 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 2 / 2009
Distickstoffmonoxid
ALD093A
Personenbezogene
Vorsichtsmaßnahmen
Reinigungsmethoden
: Beim Betreten des Bereiches umluftunabhängiges Atemgerät benutzen, sofern
Gebiet räumen.
Zündquellen beseitigen.
Handhabung
Lagerung
Kein Öl oder Fett benutzen.
Ventile langsam öffnen um Druckstöße zu vermeiden.
konsultieren.
Von Zündquellen, einschließlich elektrostatischen Entladungen, fernhalten.
: Beim Lagern von brennbaren Gasen und anderen brennbaren Stoffen fernhalten.
Behälter bei weniger als 50°C an einem gut gelüfteten Ort lagern.
• Handschutz
• Körperschutz
Arbeitsplatzgrenzwerte
: Beim Umgang mit dem Produkt nicht rauchen.
: Schutzhandschuhe aus Leder beim Umgang mit Druckgasflaschen.
: Beim Umgang mit Gasflaschen/Bündeln / Behältern Sicherheitsschuhe tragen.
: Allgemeine und lokale Belüftung / Abzüge vorsehen, um Konzentrationen unterhalb
vorhanden).
: Distickstoffoxid : Spitzenbegrenzung / Überschreitungsfaktor AGW - Germany
TRGS 900 : 2
Distickstoffoxid : TLV© -TWA [ppm] : 50
Distickstoffoxid : Arbeitsplatzgrenzwert AGW - Germany [mg/m³] TRGS 900 : 180
Distickstoffoxid : AGW - Deutschland [ppm] : 100
Farbe
Geruch
Molekulargewicht
Schmelzpunkt [°C]
Siedepunkt [°C]
: Gas.
: Farbloses Gas.
: Süßlich.
Geringe Warnwirkung bei hohen Konzentrationen.
: 44
: -90,81
: -88,5
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
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Datum : 19 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 2 / 2009
Distickstoffmonoxid
ALD093A
9 Physikalische und chemische Eigenschaften (Fortsetzung)
Dampfdruck [20°C]
Zündtemperatur [°C]
Sonstige Angaben
:
:
:
:
:
:
:
:
36,4
50,8 bar
1,5
1,2
2,2
Oxidationsmittel.
Nicht anwendbar.
Gas/Dämpfe sind schwerer als Luft. Sie können sich in geschlossenen Räumen
: Durch thermische Zersetzung entstehen giftige Stoffe, die in Gegenwart von
Feuchtigkeit korrosiv wirken können. In Gegenwart von Katalysatoren (z.B.
Halogenverbindungen, Quecksilber, Nickel, Platin), kann die Zersetzung schon bei
niedrigeren Temperaturen erfolgen und die Zersetzungsrate steigt.
: Kann mit brennbaren Stoffen heftig reagieren.
Kann mit Reduktionsmitteln heftig reagieren.
Oxidiert heftig organische Stoffe.
: Bei Temperaturen über 575 °C und bei atmosphärischem Druck zersetzt sich
Distickstoffmonoxid (Lachgas) in Stickstoff und Sauerstoff. Wärme. Unter Druck
stehendes Distickstoffmonoxid kann sich ab einer Temperatur von 300 °C
zersetzen. Wärme.
: Der Zerfall von Distickstoffmonoxid ist irreversibel und exotherm und führt zu einem
beträchtlichen Druckanstieg.
Treibhauspotential [CO2=1]
: 298
: 1 - schwach wassergefährdend
Kenn-Nr. 767
(gemäß VwVwS, Anhang 2)
Allgemein
Industrielle Abfall-Nr
: An einem gut gelüfteten Platz in die Atmosphäre ablassen.
Das Ablassen großer Mengen in die Atmosphäre sollte vermieden werden.
Nicht in die Kanalisation, Keller, Arbeitsgruben und ähnliche Plätze, an denen die
Halonen).
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
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C
Datum : 19 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 2 / 2009
Distickstoffmonoxid
ALD093A
UN-Nummer
IATA
: 1070
n ó
ó
J
Ñ
: 5.1 : Entzündend (oxidierend) wirkende Stoffe
2.2 : Nicht entzündbare, nicht giftige Gase.
Landtransport
ADR/RID
Gefahr
• Klasse
: 25
:
:
:
:
:
DISTICKSTOFFMONOXID
2
2O
P200
C/E : Beförderung in Tanks: Durchfahrt verboten durch Tunnel der Kategorien C,
D und E. Sonstige Beförderungen: Durchfahrt verboten durch Tunnel der
Kategorien E.
für Druckdosen
• UN Nr.
Gefahr
• Klasse
: 2037
: :
:
:
:
2
5O
P003
:
:
:
:
:
:
DISTICKSTOFFMONOXID
2.2
P200
F-C
S-W
P200
Seetransport
GGVSee/IMO-IMDG
• Klasse
Lufttransport
ICAO/IATA-DGR
Beschreibung
• Klasse
: NITROUS OXIDE
: 2.2
: Erlaubt.
: 200
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
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C
Datum : 19 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 2 / 2009
Distickstoffmonoxid
ALD093A
: Erlaubt.
: 200
Vor dem Transport :
: Aufgeführt
16 Sonstige Angaben
werden.
Kontakt mit der Flüssigkeit kann Kaltverbrennungen/Erfrierungen verursachen.
: Die Angaben in diesem Dokument sind keine vertraglichen Zusicherungen von
Bevor das Produkt in irgendeinem neuen Prozeß oder Versuch benutzt wird, sollte
Ende des Dokumentes
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B
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Datum : 7 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 3 / 2007
Kohlendioxid
018A-ALD
Handelsname
Chemische Formel
Registrierungs-Nr.
Verwendung
Person).
: Kohlendioxid , KOHLENDIOXID (N35, N45, N48, N50, N55), KOHLENDIOXID
GETRÄNKE, KOHLENDIOXID für Kälteanwendungen, Kohlensäure
: 018A-ALD
: Kohlendioxid
CAS-Nr. :000124-38-9
EG-Nr. :204-696-9
Index-Nr. :--: CO2
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
: [email protected]
: +49 (0)2151 398668
1999/45.
1272/2008 (CLP).
• Signalwort
- Aufbewahrung
EG 1999/45.
Symbol(e)
R-Sätze
«
M
: GHS04
: Achtung
: Keine.
: Keine.
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
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B
C
Datum : 7 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 3 / 2007
Kohlendioxid
018A-ALD
: Keine.
S-Sätze
Sonstige Gefahren
Sonstige Gefahren
: Stoff.
Stoff / Gemisch
Kohlendioxid
:
Inhalt
100 %
CAS-Nr.
124-38-9
EG-Nr.
204-696-9
Index-Nr.
-----
-----------------------------------------------NOTE 1
Liq. Gas (H280)
- Einatmen
- Haut- und Augenkontakt
- Verschlucken
Ersticken nicht.
Niedrige Konzentrationen von CO2 verursachen beschleunigtes Atmen und
Kopfschmerz.
: Die Augen sofort mindestens 15 Minuten mit Wasser spülen.
Bei Kaltverbrennungen mindestens 15 Minuten mit Wasser spülen. Steril
abdecken. Arzt hinzuziehen.
Spezielle Risiken
Löschmittel
Feuerwehr
: Keine.
Personenbezogene
Vorsichtsmaßnahmen
: Gebiet räumen.
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B
C
Seite : 3 von 6
Datum : 7 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 3 / 2007
Kohlendioxid
018A-ALD
6 Maßnahmen bei unbeabsichtigter Freisetzung (Fortsetzung)
Reinigungsmethoden
Handhabung
Lagerung
konsultieren.
• Handschutz
• Augenschutz
• Körperschutz
Arbeitsplatzgrenzwerte
:
:
:
:
:
Dichtschließende Schutzbrille.
vorhanden).
: Kohlendioxid : Spitzenbegrenzung / Überschreitungsfaktor AGW - Germany TRGS
900 : 2
Kohlendioxid : ILV (EU) - 8 H - [mg/m³] : 9000
Kohlendioxid : ILV (EU) - 8 H - [ppm] : 5000
Kohlendioxid : TLV© -TWA [ppm] : 5000
Kohlendioxid : TLV© -STEL [ppm] : 30000
Kohlendioxid : Arbeitsplatzgrenzwert AGW - Germany [mg/m³] TRGS 900 : 9100
Kohlendioxid : AGW - Deutschland [ppm] : 5000
Farbe
Geruch
Molekulargewicht
Schmelzpunkt [°C]
Siedepunkt [°C]
Dampfdruck [20°C]
Sonstige Angaben
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
Gas.
Farblos.
Keine Warnung durch Geruch.
44
-56,6
-78,5 (s)
30
57,3 bar
1,52
0,82
2000
Nicht brennbar.
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
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C
Seite : 4 von 6
Datum : 7 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 3 / 2007
Kohlendioxid
018A-ALD
: Keine.
: Stabil unter normalen Bedingungen.
: Hohe Konzentrationen verursachen schnell Kreislaufschwäche. Symptome sind
Kopfschmerz, Übelkeit und Erbrechen, wobei es zur Bewußtlosigkeit kommen
kann.
: Kann bei Austritt großer Mengen zum Treibhauseffekt beitragen.
: 1
: NWG - nicht wassergefährdend
Kenn-Nr. 256
Allgemein
Das Ablassen großer Mengen in die Atmosphäre sollte vermieden werden.
: 16 05 05 - Gase in Druckbehältern mit Ausnahme derjenigen, die unter 16 05 04
fallen.
UN-Nummer
IATA
: 1013
n
ó
Landtransport
ADR/RID
Gefahr
• Klasse
: 20
:
:
:
:
:
KOHLENDIOXID
2
2A
P200
C/E : Beförderung in Tanks: Durchfahrt verboten durch Tunnel der Kategorien C,
D und E. Sonstige Beförderungen: Durchfahrt verboten durch Tunnel der
Kategorien E.
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Im Notfall : +49 (0)2151 398668
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C
Seite : 5 von 6
Datum : 7 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 3 / 2007
Kohlendioxid
018A-ALD
für Druckdosen
• UN Nr.
Gefahr
• Klasse
: 2037
: :
:
:
:
2
5A
P003
:
:
:
:
:
:
KOHLENDIOXID
2.2
P200
F-C
S-V
P200
Seetransport
GGVSee/IMO-IMDG
• Klasse
Lufttransport
ICAO/IATA-DGR
Beschreibung
• Klasse
: CARBON DIOXIDE
:
:
:
:
2.2
Erlaubt.
200
200
Vor dem Transport :
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B
C
Seite : 6 von 6
Datum : 7 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 3 / 2007
Kohlendioxid
018A-ALD
16 Sonstige Angaben
Gas nicht einatmen.
Kontakt mit der Flüssigkeit kann Kaltverbrennungen/Erfrierungen verursachen.
werden.
: Sie stützen sich auf den heutigen Stand der Kenntnisse.
Die Angaben in diesem Dokument sind keine vertraglichen Zusicherungen von
Produkteigenschaften. Bevor das Produkt in irgendeinem neuen Prozeß oder
Versuch benutzt wird, sollte eine sorgfältige Untersuchung über die
Materialverträglichkeit und die Sicherheit durchgeführt werden.
Ende des Dokumentes
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B
C
Seite : 1 von 6
Datum : 10 / 9 / 2010
Ersetzt : 1 / 11 / 2008
Methan
078A-ALD
Handelsname
Chemische Formel
Registrierungs-Nr.
Verwendung
Person).
: Methan , METHAN (N25, N35, N45, N55)
: 078A-ALD
: Methan
CAS-Nr. :000074-82-8
EG-Nr. :200-812-7
Index-Nr. :601-001-00-4
: CH4
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
: [email protected]
: +49 (0)2151 398668
1999/45.
: Entzündbare Gase - Kategorie 1 - Gefahr (H220)
Unter Druck stehende Gase - verdichtete Gase - Achtung (H280)
: F+; R12
1272/2008 (CLP).
• Signalwort
- Prävention
- Reaktion
— M
M
«
: GHS02 - GHS04
: Gefahr
: H220 : Extrem entzündbares Gas.
: P210 : Von Hitze/Funken/offener Flamme/heißen Oberflächen fernhalten. Nicht
rauchen.
: P377 : Brand von ausströmendem Gas: Nicht löschen, bis Undichtigkeit gefahrlos
beseitigt werden kann.
P381 : Alle Zündquellen entfernen, wenn gefahrlos möglich.
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
Seite : 2 von 6
B
C
Datum : 10 / 9 / 2010
Ersetzt : 1 / 11 / 2008
Methan
078A-ALD
- Aufbewahrung
EG 1999/45.
Symbol(e)
F
ê
: F+ : Hochentzündlich
: R12 : Hochentzündlich.
: S9 : Behälter an einem gut gelüfteten Ort aufbewahren.
S16 : Von Zündquellen fernhalten - Nicht rauchen.
S33 : Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladungen treffen.
R-Sätze
S-Sätze
Sonstige Gefahren
: Keine.
Sonstige Gefahren
: Stoff.
Stoff / Gemisch
Methan
:
Inhalt
100 %
CAS-Nr.
74-82-8
EG-Nr.
200-812-7
Index-Nr.
F+; R12
601-001-00-4
NOTE 1
-----------------------------------------------Flam. Gas 1 (H220)
Press. Gas (H280)
- Einatmen
Ersticken nicht.
In niedrigen Konzentrationen können narkotische Effekte entstehen. Symptome
können Schwindelgefühl, Kopfschmerz, Übelkeit und Koordinationsstörungen sein.
Spezielle Risiken
Löschmittel
: Durch unvollkommene Verbrennung kann Kohlenstoffmonoxid entstehen.
Ausströmendes brennendes Gas nur löschen, wenn es unbedingt nötig ist. Eine
spontane explosionsartige Wiederentzündung ist möglich. Jedes andere Feuer
löschen.
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B
C
Seite : 3 von 6
Datum : 10 / 9 / 2010
Ersetzt : 1 / 11 / 2008
Methan
078A-ALD
5 Maßnahmen zur Brandbekämpfung (Fortsetzung)
Feuerwehr
Personenbezogene
Vorsichtsmaßnahmen
Reinigungsmethoden
: Beim Betreten des Bereiches umluftunabhängiges Atemgerät benutzen, sofern
Gebiet räumen.
Handhabung
Lagerung
: Vor dem Einleiten von Gas Ausrüstung luftfrei spülen.
Eindringen von Wasser in den Gasbehälter verhindern.
Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladungen treffen.
konsultieren.
: Bei der Lagerung von oxidierenden Gasen und anderen brandfördernden Stoffen
fernhalten.
Behälter bei weniger als 50°C an einem gut gelüfteten Ort lagern.
• Handschutz
• Körperschutz
: Angemessene Lüftung sicherstellen.
Beim Umgang mit dem Produkt nicht rauchen.
: Schutzhandschuhe aus Leder beim Umgang mit Druckgasflaschen.
: Beim Umgang mit Gasflaschen/Bündeln / Behältern Sicherheitsschuhe tragen.
: Allgemeine und lokale Belüftung / Abzüge vorsehen, um Konzentrationen unterhalb
vorhanden).
Farbe
Geruch
Molekulargewicht
Schmelzpunkt [°C]
Siedepunkt [°C]
:
:
:
:
:
:
:
Gas.
Farbloses Gas.
Keine.
16
-182
-161
-82
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B
C
Seite : 4 von 6
Datum : 10 / 9 / 2010
Ersetzt : 1 / 11 / 2008
Methan
078A-ALD
9 Physikalische und chemische Eigenschaften (Fortsetzung)
Dampfdruck [20°C]
:
:
:
:
:
:
Nicht anwendbar.
0,6
0,42
26
4,4 bis 15
595
: Keine.
: Kann mit Luft ein explosionsfähiges Gemisch bilden.
Kann mit brandfördernden Stoffen heftig reagieren.
Luft, Oxidationsmittel.
: Von Hitze/Funken/offener Flamme/heißen Oberflächen fernhalten. Nicht rauchen.
: 25
Kenn-Nr. 1343
Allgemein
: Nicht in Bereichen ablassen, wo das Risiko der Bildung eines explosionsfähigen
Gas/Luft-Gemisches besteht. Nicht verbrauchtes Gas mit einem geeigneten
Brenner mit Flammenrückschlagsicherung verbrennen.
Halonen).
UN-Nummer
IATA
: 1971
ó
m
: 2.1 : Entzündbare Gase.
Landtransport
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B
C
Seite : 5 von 6
Datum : 10 / 9 / 2010
Ersetzt : 1 / 11 / 2008
Methan
078A-ALD
ADR/RID
Gefahr
• Klasse
: 23
:
:
:
:
:
METHAN, VERDICHTET
2
1F
P200
B/D : Beförderung in Tanks: Durchfahrt verboten durch Tunnel der Kategorien B,
C, D und E. Sonstige Beförderungen: Durchfahrt verboten durch Tunnel der
Kategorien D und E.
für Druckdosen
• UN Nr.
Gefahr
• Klasse
: 2037
: :
:
:
:
2
5F
P003
:
:
:
:
:
:
METHAN, VERDICHTET
2.1
P200
F-D
S-U
P200
Seetransport
GGVSee/IMO-IMDG
• Klasse
Lufttransport
ICAO/IATA-DGR
Beschreibung
• Klasse
: METHANE, COMPRESSED
:
:
:
:
2.1
VERBOTEN IN PASSAGIER FLUGZEUGEN.
Erlaubt.
200
Vor dem Transport :
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B
C
Seite : 6 von 6
Datum : 10 / 9 / 2010
Ersetzt : 1 / 11 / 2008
Methan
078A-ALD
Betriebssicherheitsverordnung (TRBSen),
Gefahrstoffverordnung, Technische Regeln zur Gefahrstoffverordnung (TRGSen),
BGVR, BGV, BGI, VwVwS, BGI 104 (Explosionsschutzregeln)
: Aufgeführt
16 Sonstige Angaben
Es ist sicherzustellen, daß die Mitarbeiter das Brandrisiko beachten.
werden.
Ende des Dokumentes
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B
C
Seite : 1 von 6
Datum : 22 / 6 / 2010
Ersetzt : 1 / 10 / 2009
Sauerstoff (verdichtet)
097A-ALD
Handelsname
Chemische Formel
Registrierungs-Nr.
Verwendung
Person).
: Sauerstoff (verdichtet) , Sauerstoff (N35, N45, N48, N55), Sauerstoff (Altop,
Aviation, Diving, Minitop)
: 097A-ALD
: Sauerstoff
CAS-Nr. :007782-44-7
EG-Nr. :231-956-9
Index-Nr. :008-001-00-8
: O2
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
: [email protected]
: +49 (0)2151 398668
1999/45.
: Entzündend wirkende Gase - Kategorie 1 - Gefahr (H270)
Unter Druck stehende Gase - verdichtete Gase - Achtung (H280)
: O; R8
1272/2008 (CLP).
• Signalwort
- Prävention
- Reaktion
- Aufbewahrung
œ M
M
«
: GHS03 - GHS04
Gefahr
: H270 : Kann Brand verursachen oder verstärken; Oxidationsmittel.
: P244 : Ventile und Ausrüstungsteile öl- und fettfrei halten
P220 : Von brennbaren Materialen entfernt aufbewahren.
: P370+P376 : Bei Brand: Undichtigkeit beseitigen, wenn gefahrlos möglich.
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
Seite : 2 von 6
B
C
Datum : 22 / 6 / 2010
Ersetzt : 1 / 10 / 2009
097A-ALD
EG 1999/45.
: O : Brandfördernd
Symbol(e)
O
ê
: R8 : Feuergefahr bei Berührung mit brennbaren Stoffen.
: S17 : Von brennbaren Stoffen fernhalten.
R-Sätze
S-Sätze
Sonstige Gefahren
: Keine.
Sonstige Gefahren
: Stoff.
Stoff / Gemisch
Sauerstoff
:
Inhalt
100 %
CAS-Nr.
7782-44-7
EG-Nr.
231-956-9
Index-Nr.
O; R8
008-001-00-8
NOTE 1
-----------------------------------------------Ox. Gas 1 (H270)
Press. Gas (H280)
- Einatmen
: Fortgesetztes Einatmen von Konzentrationen über 75% kann Übelkeit,
Schwindelgefühl, Atemnot und Krämpfe verursachen.
Das Opfer in einen nicht kontaminierten Bereich verlegen.
Spezielle Risiken
Löschmittel
Feuerwehr
Fördert die Verbrennung.
: Keine.
: Keine.
Personenbezogene
Vorsichtsmaßnahmen
: Gebiet räumen.
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B
C
Seite : 3 von 6
Datum : 22 / 6 / 2010
Ersetzt : 1 / 10 / 2009
097A-ALD
6 Maßnahmen bei unbeabsichtigter Freisetzung (Fortsetzung)
Reinigungsmethoden
Handhabung
Lagerung
: Kein Öl oder Fett benutzen.
Ventile langsam öffnen um Druckstöße zu vermeiden.
Eindringen von Wasser in den Gasbehälter verhindern.
konsultieren.
Beim Lagern von brennbaren Gasen und anderen brennbaren Stoffen fernhalten.
: Beim Umgang mit dem Produkt nicht rauchen.
Geeigneten Hand-, Körper- und Kopfschutz tragen. Beim Brennschneiden und
Schweißen Schutzbrille mit geeigneten Filtergläsern benutzen.
Sauerstoffangereicherte Atmosphäre (> 23,5 %) vermeiden.
Farbe
Geruch
Molekulargewicht
Schmelzpunkt [°C]
Siedepunkt [°C]
Dampfdruck [20°C]
Sonstige Angaben
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
Gas.
Farbloses Gas.
32
-219
-183
-118
Nicht anwendbar.
1,1
1,1
39
Oxidationsmittel.
Nicht anwendbar.
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B
C
Seite : 4 von 6
Datum : 22 / 6 / 2010
Ersetzt : 1 / 10 / 2009
097A-ALD
: Keine.
: Kann mit brennbaren Stoffen heftig reagieren.
Kann mit Reduktionsmitteln heftig reagieren.
Oxidiert heftig organische Stoffe.
Ausrüstung öl-und fettfrei halten.
: Die mögliche Gefahr toxischer Verbrennungsprodukte im Falle der Zündung im
Sauerstoffhochdruckbereich (> 30 bar) durch fluorierte oder chlorierte
Dichtungswerkstoffe ist zu beachten.
: Das Produkt verursacht keine Umweltschäden.
Allgemein
: An einem gut gelüfteten Platz in die Atmosphäre ablassen.
Halonen).
UN-Nummer
IATA
: 1072
n ó
ó
J
Ñ
: 5.1 : Entzündend (oxidierend) wirkende Stoffe
2.2 : Nicht entzündbare, nicht giftige Gase.
Landtransport
ADR/RID
Gefahr
• Klasse
: 25
:
:
:
:
:
SAUERSTOFF, VERDICHTET
2
1O
P200
für Druckdosen
• UN Nr.
: 2037
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B
C
Seite : 5 von 6
Datum : 22 / 6 / 2010
Ersetzt : 1 / 10 / 2009
097A-ALD
Gefahr
• Klasse
: :
:
:
:
2
5O
P003
:
:
:
:
:
:
SAUERSTOFF, VERDICHTET
2.2
P200
F-C
S-W
P200
Seetransport
GGVSee/IMO-IMDG
• Klasse
Lufttransport
ICAO/IATA-DGR
Beschreibung
• Klasse
: OXYGEN, COMPRESSED
:
:
:
:
:
2.2
Erlaubt.
200
Erlaubt.
200
Vor dem Transport :
: Aufgeführt
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B
C
Seite : 6 von 6
Datum : 22 / 6 / 2010
Ersetzt : 1 / 10 / 2009
097A-ALD
16 Sonstige Angaben
Es ist sicherzustellen, daß die Mitarbeiter das Risiko der Sauerstoffanreicherung beachten.
: Bevor das Produkt in irgendeinem neuen Prozeß oder Versuch benutzt wird, sollte
Ende des Dokumentes
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B
C
Seite : 1 von 5
Datum : 5 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 3 / 2009
Stickstoff (verdichtet)
089A-ALD
Handelsname
Chemische Formel
Registrierungs-Nr.
Verwendung
Person).
: Stickstoff (verdichtet) ,Stickstoff (N40, N50, N50 COfrei, N50 ECD, N60)
: 089A-ALD
: Stickstoff
CAS-Nr. :007727-37-9
EG-Nr. :231-783-9
Index-Nr. :--: N2
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
: [email protected]
: +49 (0)2151 398668
1999/45.
1272/2008 (CLP).
• Signalwort
- Aufbewahrung
EG 1999/45.
Symbol(e)
R-Sätze
S-Sätze
«
M
: GHS04
: Achtung
: Keine.
: Keine.
: Keine.
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
Seite : 2 von 5
B
C
Datum : 5 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 3 / 2009
089A-ALD
Sonstige Gefahren
Sonstige Gefahren
: Stoff.
Stoff / Gemisch
Stickstoff
:
Inhalt
100 %
CAS-Nr.
7727-37-9
EG-Nr.
231-783-9
Index-Nr.
-----
-----------------------------------------------NOTE 1
Press. Gas (H280)
- Einatmen
Ersticken nicht.
Spezielle Risiken
Löschmittel
Feuerwehr
:
:
:
:
Einwirkung von Feuer kann Bersten / Explodieren des Behälters verursachen.
Keine.
Alle bekannten Löschmittel können benutzt werden.
Wenn möglich, Gasaustritt stoppen.
Personenbezogene
Vorsichtsmaßnahmen
Reinigungsmethoden
: Gebiet räumen.
Handhabung
konsultieren.
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B
C
Seite : 3 von 5
Datum : 5 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 3 / 2009
089A-ALD
7 Handhabung und Lagerung (Fortsetzung)
Lagerung
• Handschutz
• Körperschutz
:
:
:
:
vorhanden).
Farbe
Geruch
Molekulargewicht
Schmelzpunkt [°C]
Siedepunkt [°C]
Dampfdruck [20°C]
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
Gas.
Farbloses Gas.
28
-210
-196
-147
Nicht anwendbar.
0,97
Nicht anwendbar.
20
: Keine.
: Stabil unter normalen Bedingungen für Temperatur und Druck.
: Es sind keine schädlichen Wirkungen des Produkts auf die Umwelt bekannt.
Kenn-Nr. 1351
Allgemein
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B
C
Seite : 4 von 5
Datum : 5 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 3 / 2009
089A-ALD
13 Hinweise zur Entsorgung (Fortsetzung)
Abfallschlüssel-Nr. /
Abfallbezeichnung (AVV)
: 16 05 05 - Gase in Druckbehältern mit Ausnahme derjenigen, die unter 16 05 04
fallen.
UN-Nummer
IATA
: 1066
n
ó
Landtransport
ADR/RID
Gefahr
• Klasse
: 20
:
:
:
:
:
STICKSTOFF, VERDICHTET
2
1A
P200
für Druckdosen
• UN Nr.
Gefahr
• Klasse
: 2037
: :
:
:
:
2
5A
P003
:
:
:
:
:
:
STICKSTOFF, VERDICHTET
2.2
P200
F-C
S-V
P200
Seetransport
GGVSee/IMO-IMDG
• Klasse
Lufttransport
ICAO/IATA-DGR
Beschreibung
• Klasse
: NITROGEN, COMPRESSED
: 2.2
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B
C
Seite : 5 von 5
Datum : 5 / 7 / 2010
Ersetzt : 1 / 3 / 2009
089A-ALD
:
:
:
:
Erlaubt.
200
Erlaubt.
200
Vor dem Transport :
: Betriebssicherheitsverordnung, Technische Regeln zur
16 Sonstige Angaben
Gas nicht einatmen.
werden.
Ende des Dokumentes
Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222
Im Notfall : +49 (0)2151 398668
B Sicherheitsdatenblätter der Gase
110
[1] Stümpel H.: Physik der Wärmestrahlung. http://www.webgeo.de/klimatologie.
[2] Baehr H.D. und Stephan K.: Wärme- und Stoffübertragung. Springer, 2008.
[3] Solar Spectra. http://rredc.nrel.gov/solar/spectra/.
[4] Lauer W. und Bendix J.: Klimatologie. Westermann, 2004.
[5] Demtröder W.: Experimentalphysik 3 - Atome, Moleküle und Festkörper. Springer,
2005.
[6] Haken H. und Wolf H.C.: Molekülphysik und Quantenchemie. Springer, 2003.
[7] NIST Chemistry WebBook, 2008. http://webbook.nist.gov/chemistry/.
[8] Malberg H.: Meteorologie und Klimatologie. Springer, 1997.
[9] Archer D. und Archer J.: MODTRAN.
forecast/docs/Projects/modtran.html.
http://geoflop.uchicago.edu/
[10] Fourier, J. B. J.: Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces
planétaires. Les sciences de DES de Mémoires de l’Académie Royale 7, 1824.
[11] Arrhenius, S.: On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature
of the ground. The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and
Journal of Science 5, 1896.
[12] Klose B.: Meteorologie. Springer, 2008.
[13] Dorn F. und Bader F.: Physik Sek II, Gymnasium Gesamtband. Schroedel, 2007.
[14] Schönwiese C.-D.: Klimatologie. Ulmer, 1994.
[15] World Data Center for Greenhouse Gases WDCGG. http://gaw.kishou.go.jp/
wdcgg/wdcgg.html.
[16] The Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer,
2000. http://ozone.unep.org/pdfs/Montreal-Protocol2000.pdf#search=
%22Montrealer%20Protokol%22.
111
[17] Forster P. und Ramaswamy V. et al.: Changes in Atmospheric Constituents and in
Radiative Forcing. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental
Panel on Climate Change IPCC, Cambridge University Press, 2007.
[18] Global Annual Mean Surface Air Temperature Change, 2010. http://data.giss.
nasa.gov/gistemp/graphs/.
[19] Klimaänderung 2007: Wissenschaftliche Grundlagen, 2007. http://www.ipcc.
ch/pdf/reports-nonUN-translations/deutch/IPCC2007-WG1.pdf.
[20] Tyndall J.: Die Wärme betrachtet als eine Art der Bewegung. Friedrich Vieweg
und Sohn, 1875.
[21] Oehme und Maisenbacher: Modellversuch Treibhauseffekt: Wärmeabsorption
durch verschiedene Gase. http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/
geografie/matmed/materialien/klima/exp_erwaermung/treibhaus/
05treibhauseffekt.pdf.
[22] Leybold Didactic GmbH: Gebrauchsanweisung Thermosäule nach Moll.
[23] Plexiglas: Optical & Transmission - Characteristics. http://www.plexiglas.
com/literature/pdf/81.pdf.
[24] Lide D.R. (Herausgeber): CRC Handbook of Chemistry and Physics, Band 79.
1998.
[25] Neckar-Verlag (Herausgeber): Bildungsplan für das Gymnasium. Ministerium für
Kultus, Jugend und Sport, 2004. http://www.bildung-staerkt-menschen.de/
service/downloads/Bildungsplaene/Gymnasium/Gymnasium_Bildungsplan_
Gesamt.pdf.
[26] Patzner K.: Aufbau und Gestaltung eines physikalischen Demonstrationspraktikums.
Staatsexamensarbeit, Physikalisches Institut Freiburg, 2008.
[27] Schmid K.: Aufbau und Gestaltung eines physikalischen Demonstrationspraktikums.
Staatsexamensarbeit, Physikalisches Institut Freiburg, 2008.
[28] Schneider F.: Aufbau und Gestaltung eines physikalischen Demonstrationspraktikums. Staatsexamensarbeit, Physikalisches Institut Freiburg, 2008.
[29] Wursthorn E.: Das Beta-Spektrometer - Messung der kontinuierlichen Energieverteilung von Beta-Teilchen als Schulversuch. Staatsexamensarbeit, Physikalisches
Institut Freiburg, 2010.
112
Erklärung
Ich erkläre, dass ich die Arbeit selbständig angefertigt und nur die angegebenen
Hilfsmittel benutzt habe. Alle Stellen, die dem Wortlaut oder dem Sinn nach anderen
Werken, gegebenenfalls auch elektronischen Medien, entnommen sind, sind von mir
durch Angabe der Quelle als Entlehnung kenntlich gemacht. Entlehnungen aus dem
Internet sind durch Ausdruck belegt.
Freiburg im Breisgau, Oktober 2010
Stefan Sirtl

Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase

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