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Treibhauseffekt: Praktische Erfahrungen und Lehrmethoden

Der Treibhauseffekt, der dem Phänomen der globalen Erwärmung zugrunde liegt, lässt sich durch einfache Experimente nur schwer nachweisen. Viele Vorschläge sind jedoch im Internet verfügbar, aber nur wenige sind wirklich reproduzierbar und viele bieten eine schlechte physikalische Darstellung des Phänomens [1] . Dieser Artikel bietet praktische Methoden und zugängliche Werkzeuge, um Lehrern und Pädagogen dabei zu helfen, dieses Phänomen auf ansprechende Weise zu erklären.



Ein beliebtes Treibhauseffekt-Experiment


Was ist das ideale Experiment, um den Treibhauseffekt zu demonstrieren? Wenn man „Treibhauseffekt“ in eine Suchmaschine eingibt, kommt oft ein Vorschlag: Vergleichen Sie die Temperaturen zweier Glasgefäße, eines offen und das andere geschlossen, in denen sich am Boden jeweils ein schwarzes Blatt Papier befindet und die der Sonne ausgesetzt sind. Wenn eines der Gläser mit Glas oder Kunststoff verschlossen ist, steigt die Temperatur im geschlossenen Glas schneller an als im offenen Glas und erreicht eine Temperatur von bis zu 4 bis 5 Grad.


Es ist allgemein bekannt, dass dieses einfache Experiment keine realistische Darstellung der beim terrestrischen Treibhauseffekt wirkenden Phänomene bietet. Wenn die Temperatur im geschlossenen Glas tatsächlich höher ist, liegt das im Wesentlichen an der Unterdrückung der Konvektionsströme, die die Luft im offenen Glas kühlen, und nicht an der Strahlungswirkung, die für die Erwärmung unseres Planeten verantwortlich ist. Dieses Argument wurde bereits 1774 vom Schweizer Wissenschaftler Horace-Bénédict de Saussure vorgeschlagen und 1909 vom Wissenschaftler Robert Williams Wood bestätigt, der zeigte, dass die Temperatur sogar dann anstieg, wenn das Glas eines Gewächshauses durch Halit ersetzt wurde, das für Infrarot durchlässig ist Dies beweist ebenfalls, dass der beobachtete Effekt hauptsächlich mit der Konvektion zusammenhängt.


Wenn dieses Experiment weiterhin im Unterricht präsentiert wird, dann nicht, weil es eine gute Darstellung des Phänomens bietet, sondern weil es eine einfache und visuelle Analogie bietet, die für die Einführung in die Grundkonzepte des Treibhauseffekts nützlich ist, insbesondere für die Jüngsten. Aus pädagogischer Sicht ist es nützlich, beweist aber nichts über die globale Erwärmung.


Im Folgenden werden wir sehen, dass es möglich ist, den Treibhauseffekt genauer darzustellen und mit etwas Aufwand die Strahlungswirkung von Treibhausgasen experimentell nachzuweisen. Diese manchmal etwas schwierige Aufgabe wird größtenteils durch das intime und präzise Verständnis, das wir dann über das Phänomen haben können, belohnt. So erinnert John Tyndall in einem seiner Artikel daran, dass er mehr als 10.000 verschiedene Experimente durchführte, um 1859 schließlich zu beweisen, dass Kohlendioxid ein Treibhausgas war [4] .



Die Herausforderungen des Treibhauseffekts in einer Flasche


Das Phänomen des Treibhauseffekts, der die globale Erwärmung verursacht, ist allgemein bekannt. Dies liegt daran, dass bestimmte Gase in der Erdatmosphäre, wie Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄) und Wasserdampf, die von der Erdoberfläche emittierte Infrarotstrahlung absorbieren und wieder abgeben. Es ist dieser Strahlungseffekt, den der Pädagoge oder junge Wissenschaftler durch experimentelle Aktivitäten hervorheben möchte. Allerdings lässt sich dieser Effekt mit einfachen Experimenten nur schwer nachweisen, wir würden ihn als Treibhauseffekt in der Flasche bezeichnen.


Das erste Hindernis, auf das der Beobachter stößt, besteht darin, dass die Wärmeübertragung auf drei verschiedenen Phänomenen beruht: Leitung, Konvektion und Strahlung. Diese Phänomene treten in den meisten Gewächshausexperimenten nebeneinander auf, was es sehr schwierig macht, einzelne Effekte mit einfacher Ausrüstung zu isolieren[2] .


Diese Schwierigkeit wird dadurch erhöht, dass die Erwärmung durch Strahlung im Vergleich zu anderen Mechanismen relativ schwach ist. Ein Strahlungseffektexperiment mit einer 20 cm dicken CO₂-Schicht würde bestenfalls nur ein Grad Erwärmung hervorrufen, meist weniger als die Auswirkungen von Konvektion oder Leitung [3] .


Aufgrund der geringen Wärmezunahme durch Strahlungsphänomene ist die Reproduzierbarkeit der Experimente schwierig. Kleinste Schwankungen im Abstand von Lichtquellen, in der Materialauswahl, in der Leistung der Lampen, in der Konzentration der verwendeten Gase können einen erheblichen Einfluss auf die erzielten Ergebnisse haben.


Schließlich ist die Erdatmosphäre eine komplexe Umgebung, die in mehrere unterschiedliche Schichten gegliedert ist. Jede Schicht weist spezifische Eigenschaften auf, die zum Treibhauseffekt beitragen, und erhebliche Konvektionsphänomene verteilen die Wärme gleichmäßig auf der ganzen Welt. Es ist unmöglich, eine solche Umgebung in einer Flasche zu modellieren [6] .


Aus all diesen Gründen gibt es kein einfaches und unwiderlegbares Experiment, das im Unterricht oder zu Hause durchgeführt werden kann und den „klimatischen“ Treibhauseffekt als Ganzes demonstriert. Es ist jedoch möglich, verschiedene Aspekte der globalen Erwärmung durch Analogie oder durch Messung spezifischer Auswirkungen aufzuzeigen, wie wir entdecken werden.



Messgeräte


Mit welchen Messgeräten sollten wir den Treibhauseffekt zeigen und die Experimente durchführen, die wir im Rest dieses Artikels beschreiben?


Das am einfachsten zu verwendende und verfügbare Instrument ist das Thermometer. Für genauere und langfristigere Messungen ist ein digitales Thermometer, idealerweise verbunden mit einem Computer oder einem Smartphone zur Durchführung von EXAO (Computer Aided Experimentation), vorzuziehen. Allerdings weist das Thermometer mehrere Einschränkungen auf: Seine Reaktionszeit ist lang, seine Platzierung im Ofen ist entscheidend und es ermöglicht keine direkte Messung der Strahlung.


Zur Messung der Infrarotstrahlung verwenden wir bevorzugt eine Thermosäule, die Anfang des 19. Jahrhunderts vom italienischen Physiker Leopoldo Nobili erfunden wurde. Sie bestehen aus mehreren in Reihe geschalteten Thermoelementen und ermöglichen die Fernmessung der Temperatur einer Oberfläche im Temperaturbereich von -20 °C bis 350 °C. Thermopiles kommen in Infrarot-Thermometern vor, sind aber auch als externer Sensor erhältlich zu völlig reduzierten Preisen.


Ein weiteres, aber teureres Instrument zur Messung von Infrarotstrahlen ist die Infrarotkamera, mit der die Strahlung von Objekten in Form eines Bildes analysiert werden kann. Infrarotkameras können heute an ein Smartphone angeschlossen werden, um Infrarotfotos oder -videos zu erstellen. Diese neuen, äußerst praktischen Geräte ermöglichen die Analyse von Phänomenen auf Video.


Neben Temperaturmessungen können auch Feuchtigkeitssensoren, CO₂-Sensoren zur Messung von Konzentrationen und Fotozellen zum Vergleich der empfangenen Lichtintensitäten oder zur Messung der Albedo von Materialien eingesetzt werden.


Alle diese Sensoren existieren unabhängig voneinander, sind jedoch im Allgemeinen recht teuer, insbesondere für EXAO. Eine Lösung besteht darin, Sensoren für Bastler zu verwenden, die an einen Mikrocontroller wie einen Arduino, ESP32 oder Microbit angeschlossen sind. Durch die Verbindung der Controller über Bluetooth mit der FizziQ-App können Daten einfach analysiert werden, sodass Daten in Experimentiernotizbüchern aufgezeichnet und analysiert werden können.


Für diejenigen, die mit Mikrocontrollern nicht vertraut sind, haben wir die FizziQ Connect- Umgebung entwickelt, mit der EXAO-Analysen im Vergleich zu anderen Bildungslösungen zu geringeren Kosten durchgeführt werden können. FizziQ Connect verwendet M5-Stack-Sensoren , die günstig in der Anschaffung und in diesem Zusammenhang ausreichend präzise sind. Eine große Auswahl ist von anderen Herstellern wie Seed Studio erhältlich.



Infrarotstrahlung


Um den Mechanismus des Treibhauseffekts der Erde zu verstehen, ist es wichtig, die Infrarotstrahlung oder „Wärmestrahlung“, wie der britische Astronom William Herschel sie im Jahr 1800 nannte, besser zu verstehen. Durch die Durchführung eines Experiments mit einem Prisma, um das Sonnenlicht in ein Farbspektrum zu zerlegen , beobachtete Herschel, dass die Temperatur über rotes Licht hinaus anstieg, in einem Bereich, in dem kein sichtbares Licht vorhanden war.


Obwohl Infrarotstrahlung mit bloßem Auge nicht sichtbar ist, können wir sie über Thermorezeptoren in unserer Haut als Wärme spüren. Einige Tiere wie Vipern, Pythons und Boas haben wärmeempfindliche Gruben am Kopf, die es ihnen ermöglichen, die von warmblütigen Beutetieren abgegebene Infrarotwärme wahrzunehmen. Dies verschafft ihnen einen erheblichen Vorteil bei der nächtlichen Jagd. Smartphone-Kamerasensoren reagieren ebenfalls empfindlich auf Infrarotstrahlen, aber um ein Bild zu erzeugen, das dem, was das menschliche Auge sieht, nahe kommt,fügen Hersteller Infrarot-Sperrfilter hinzu . Allerdings verfügen einige Smartphones über weniger effiziente Filter oder Filter mit einem breiteren Spektrum, beispielsweise viele Low-End-Android-Smartphones. Eine Gelegenheit, Infrarotstrahlen sichtbar zu machen!


Öffnen Sie in einem Bereich mit mäßiger Beleuchtung die Kamera-App Ihres Smartphones und richten Sie sie auf den Infrarotsender einer TV-Fernbedienung. Drücken Sie eine Taste auf der Fernbedienung, während Sie den Sender über den Smartphone-Bildschirm betrachten. Sie sehen ein blinkendes Licht vom Sender, das auf dem Bildschirm sichtbar ist, obwohl es mit bloßem Auge unsichtbar ist. Wenn Ihr Smartphone kein Infrarot erkennt, bedeutet dies, dass der Infrarotfilter der Kamera so kalibriert ist, dass er ein Bild liefert, das dem, was das menschliche Auge wahrnimmt, möglichst nahe kommt.



Warum verwenden Fernbedienungen Infrarotstrahlen anstelle anderer Strahlungsarten? Mehrere Gründe erklären diese Wahl: technologische Einfachheit und reduzierte Kosten, aber auch spezifische Eigenschaften von Infrarotstrahlen. Diese sind für das bloße Auge unsichtbar, gesundheitlich unbedenklich, haben eine begrenzte Reichweite und sind ausreichend gerichtet, um eine präzise Steuerung der Geräte zu ermöglichen, ohne andere elektronische Geräte in der Nähe zu beeinträchtigen.



Leitung und Absorption


Einer der grundlegenden Fortschritte in der Theorie der globalen Erwärmung ist die Entdeckung der Wechselwirkung zwischen bestimmten Gasen, sogenannten Treibhausgasen, und Infrarotstrahlen [14] . Wir werden in anderen Experimenten sehen, wie wir dieses Phänomen demonstrieren können, aber um es zu verstehen, ist es einfacher, mit festen Oberflächen zu experimentieren. Während bestimmte Materialien wie Glas oder Plexiglas Infrarotstrahlen blockieren (oder vielmehr absorbieren), lassen andere wie transparentes Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) Infrarotstrahlen durch. Einige Materialien lassen sogar Infrarotstrahlen durch, während sie sichtbare Strahlung blockieren.


Um diese Vorstellungen von Transparenz hervorzuheben, können wir das folgende Experiment mit einer Thermosäule oder einem Infrarot-Digitalthermometer durchführen [5] . Ein Becher wird mit heißem Wasser gefüllt und eine Oberfläche zwischen die Thermosäule (MLX90614-Schaltung) und die Infrarotstrahlungsquelle eingefügt. Wir wählen drei verschiedene Materialien: Glasplatte, transparente Verpackungstüte und Müllbeutel. Die Ergebnisse des von uns durchgeführten Experiments sind wie folgt: ohne Material: 23,9 Grad, mit Glas: 18 Grad, mit transparentem Kunststoff: 23,2 Grad und mit Müllbeutel: 21,8 Grad. Das Polypropylen der Frischhaltefolie lässt also 90 % der Infrarotstrahlen durch, während die farbige Variante der Mülltüten nur 65 % durchlässt und das Glas undurchsichtig ist.



Dieses Experiment ermöglicht es uns zu verstehen, wie die Atmosphäre sichtbare Strahlen durchlässt, für den Menschen gefährliche ultraviolette Strahlen und bestimmte Frequenzen von Infrarotstrahlen jedoch blockiert.



Schwarzkörperstrahlung


Die Erdatmosphäre lässt sichtbare Strahlen (und einige Infrarotstrahlen) durch, die dann von der Erdoberfläche absorbiert werden. Letzterer sendet dann nach dem Schwarzkörperprinzip wieder Infrarotstrahlung aus. Ein schwarzer Körper ist ein theoretisches Objekt in der Physik, das alle einfallenden elektromagnetischen Strahlungen perfekt absorbiert, ohne sie zu reflektieren oder durchzulassen. Es sendet elektromagnetische Strahlung aus, die sogenannte Schwarzkörperstrahlung, die nur von seiner Temperatur und nicht von seiner Zusammensetzung abhängt. Diese Strahlung folgt dem Planckschen Gesetz und beschreibt die spektrale Verteilung der emittierten Energie.


Bei Temperaturen unter 500 Grad Celsius sendet ein schwarzer Körper Infrarotstrahlen aus, die für das bloße Auge unsichtbar sind. Mit zunehmender Temperatur nimmt jedoch auch die Menge der emittierten Strahlung im sichtbaren Spektrum zu, wodurch der schwarze Körper sichtbar wird. Das Wiener Gesetz ermöglicht es uns, die Wellenlänge zu bestimmen, bei der die Strahlung maximal ist.


Um den Schwarzkörpereffekt zu visualisieren, können wir einen schwarzen Karton mit einer LED-Lampe beleuchten und die Temperatur des Kartons und der Lampe mit einer Thermosäule (oder einem Infrarot-Temperaturdetektor) messen. Man erkennt, dass die Temperatur der Lampe etwas höher ist als die der Atmosphäre. Tatsächlich erzeugen LED-Lampen sehr wenig Wärme und sind daher sehr effizient. Andererseits ist die Temperatur des schwarzen Kartons höher als die der Lampe, da der Karton alle sichtbaren Strahlen absorbiert hat und Infrarotstrahlen wieder abgibt.



Albedo


Ein schwarzer Körper absorbiert die gesamte Strahlung, aber in Wirklichkeit wird von physischen Körpern nur ein Teil absorbiert. Diese Fähigkeit, einfallendes Licht zu reflektieren, ist Albedo. Die Albedo wird hauptsächlich in der Astronomie und Klimatologie verwendet und liegt zwischen 0 und 1, wobei 0 bedeutet, dass die Oberfläche das gesamte Licht absorbiert und 1 bedeutet, dass sie das gesamte Licht reflektiert. Ein Material mit einer hohen Albedo, wie Schnee oder Eis, reflektiert den Großteil des Lichts und trägt so zur lokalen Kühlung bei. Im Gegensatz dazu reflektiert eine Oberfläche mit niedriger Albedo, etwa das Meer oder eine Asphaltstraße, weniger Licht und absorbiert einen Teil davon. Dieser Anteil des absorbierten Lichts wird in Wärme umgewandelt und erhöht dadurch die Oberflächentemperatur. Aus diesem Grund erklärt das IPCC (Zwischenstaatliches Gremium für Klima), dass „durch das Anstreichen von Dächern in Weiß 1 Gt/Jahr an Treibhausgasemissionen eingespart werden würde, was dem Äquivalent von 250 Millionen Fahrzeugen entspricht.“ Eine sehr alte Lösung, da die Ägypter in der Antike ihre Gebäude weiß anstrichen, um die Hitze der Sonne zu reflektieren, und die Römer Marmor und andere reflektierende Materialien für Gebäudestrukturen verwendeten.


Um den Einfluss der Albedo auf die Temperatur zu verstehen, besorgen Sie eine leistungsstarke Lampe (60 W), angeschlossene Thermometer oder Sensoren und Materialien in verschiedenen Farben (gelbe, rote, orangefarbene Modelliermasse sowie mit Wasser gefüllte graue und schwarze Aluminiumflaschen). Platzieren Sie die Materialien unter der Lampe und achten Sie dabei auf den gleichen Abstand, die gleiche Neigung und die gleiche Ausrichtung. Schalten Sie die Lampe 10 Minuten lang ein. Verwenden Sie die FizziQ-App, um die Luminanz, ein Maß für reflektiertes Licht, zu messen und die Albedo als Verhältnis der Luminanz einer Oberfläche im Vergleich zu einem weißen Blatt Papier zu berechnen. Messen Sie nach der Belichtung die Temperaturen und beobachten Sie, dass dunkle Materialien (rot, schwarz) mehr Licht und Wärme absorbieren als helle Materialien (gelb, grau), was den Einfluss der Albedo auf die Temperatur zeigt. Dieses Erlebnis wird auf der Website unseres Partners La main à la pâte unter folgendem Link ausführlich beschrieben.


Daraus können wir die Albedo der Erde abschätzen. Indem wir eine Verteilung der verschiedenfarbigen Oberflächen des Erdballs vorschlagen, können wir uns eine Vorstellung von der Form der Erde machen. Wir werden diesen Wert mit der Schätzung von 0,3 vergleichen, die im Allgemeinen verwendet wird, um abzuschätzen, wie hoch die Temperatur auf der Erde ohne Treibhauseffekt wäre, also -18 Grad.



Identifizierung von Treibhausgasen


Im Jahr 1856 veröffentlichte die Experimentatorin Eunice Foote in den Annalen der American Association for the Advancement of Science einen Artikel, in dem sie die relative Erwärmung von mit Luft, CO2 und Wasserdampf gefüllten Gefäßen verglich. Sie stellt fest, dass sich mit CO2 und Wasserdampf gefüllte Gläser schneller erwärmen und schließt mit einem prophetischen Satz: „Eine mit diesem Gas (CO2) gefüllte Atmosphäre würde unserer Erde eine höhere Temperatur verleihen“ [13] .


Wir wissen heute, dass das durchgeführte Experiment keine Erklärung des „klimatischen“ Treibhauseffekts zulässt und hauptsächlich durch die Unterschiede in der unterschiedlichen Dichte zwischen Luft, CO2 sowie Leitungs- und Konvektionseffekten in Glasgefäßen erklärt wird, die Infrarotstrahlen absorbieren. Die Intuition dieses Pioniers war jedoch richtig und CO2 wird als Treibhausgas identifiziert, also als ein Gas, das bestimmte Infrarotstrahlen absorbiert und wieder ausstrahlt.


Auch viele andere im Internet gefundene Experimente behaupten, die Wirkung von CO2 als Treibhausgas nachweisen zu können. Viele dieser Experimente sind nicht reproduzierbar oder liefern falsche Ergebnisse . In diesen Experimenten werden die Auswirkungen von Konvektion und Leitung nicht bewertet, obwohl sie im Vergleich zum Strahlungseffekt aufgrund der Absorption von Infrarotstrahlen für Treibhausgase dominant sind [2] [7] [10] .


Andererseits liefert das folgende Protokoll vollständig interpretierbare Ergebnisse. Dabei werden zwei Gase mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften verglichen, von denen eines jedoch kein Treibhausgas ist. Dann stehen uns drei Messungen zur Verfügung, mit denen wir auch den konvektiven Effekt beurteilen können. Ein häufig verwendetes Gas ist Argon, ein Inertgas, dessen Eigenschaften denen von Kohlendioxid ähneln. Die Temperaturunterschiede aufgrund der Strahlungswirkung liegen in der Größenordnung von einigen Zehntel Grad, die Präzision der Messungen ist daher sehr wichtig.

Im Beispiel auf dem Foto oben haben wir eine ausgeschnittene und mit schwarzem Papier ausgekleidete Plastikflasche genommen, die von einem 100-W-Strahler in einer Höhe von 60 cm beleuchtet wurde. Im Inneren wird eine Sonde platziert, die durch ein Stück Aluminium geschützt ist, um direkte Strahlung von der Lampe zu vermeiden, und eine Außensonde wird als Referenz in 1,5 m Entfernung platziert. Im Gleichgewicht messen wir die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der internen Sonde und der Referenz. Wir stellen einen Strahlungseffekt von 0,5 °C und einen Konvektionseffekt von 0,4 °C fest.



CO2-Absorptionsspektrum


Das CO₂-Molekül absorbiert Infrarotstrahlen aufgrund seiner Schwingungsmoden, darunter asymmetrische Streck- und Biegeschwingungen. Wenn die Atome im Molekül so vibrieren, dass sich das Dipolmoment ändert, können sie mit Infrarotstrahlung interagieren. Durch diese Schwingungen kann das CO₂-Molekül Infrarotenergie absorbieren und wieder abgeben. Allerdings absorbiert das CO2-Molekül nicht alle Frequenzen. Wie John Tyndall mit der Entwicklung des ersten Absorptionsspektrums verschiedener Gase zeigte, weist CO2 unterschiedliche Absorptionsbanden im mittleren und fernen Infrarot (4 Mikrometer und 15 Mikrometer) auf. Andere Verbindungen in der Atmosphäre wie Wasserdampf tragen ebenfalls zur globalen Erwärmung bei, indem sie andere Frequenzen von Infrarotstrahlen absorbieren, insbesondere den mittleren Infrarotbereich um 6,3 Mikrometer.


Um diese Absorption zu visualisieren, können wir das folgende Experiment durchführen [11] . Wir blasen einen Ballon mit CO2, Backpulver und Essig auf und einen weiteren Ballon mit Luft. Anschließend messen wir mit einer Infrarotkamera die Temperatur einer hinter dem Ballon platzierten Kerzenflamme. Wir stellen fest, dass die maximale Flammentemperatur bei Verwendung eines mit CO2 gefüllten Ballons abnimmt, da Infrarotstrahlung vom im Ballon vorhandenen CO2 absorbiert wird.


Es ist auch möglich, Tyndals Experiment zu reproduzieren, indem man eine an einem Ende geschlossene Kammer konstruiert, in der eine Thermosäule platziert wird. Vor diesem Gerät steht eine Kerze, die Infrarotstrahlen erzeugt. In diese Kammer wird Kohlendioxid oder Luft in einem Ballon eingebracht. Wir vergleichen die Auswirkungen von Luft und CO2. Diese präzise Ausrüstung, die perfekt reproduzierbare Bedingungen ermöglicht, ist die ideale Möglichkeit, die Wirkung von Infrarotstrahlen auf CO2 zu untersuchen.


Abkühlung der Stratosphäre


Eine der überzeugendsten Vorhersagen aus der Modellierung der Auswirkungen der globalen Erwärmung ist die Abkühlung der Stratosphäre.


Die Stratosphäre ist die zweite Schicht der Erdatmosphäre, die sich oberhalb der Troposphäre befindet und sich von 10 bis 50 Kilometern über dem Meeresspiegel erstreckt. Charakteristisch ist ein zunehmender Temperaturanstieg mit zunehmender Höhe aufgrund der Absorption ultravioletter (UV) Strahlen durch Ozon. Diese Schicht ist für den Schutz des Lebens auf der Erde von entscheidender Bedeutung, da sie die Ozonschicht enthält, die den Großteil der schädlichen UV-Strahlen der Sonne absorbiert. Im Gegensatz zur Troposphäre ist die Stratosphäre relativ stabil und weist kaum vertikale Luftbewegungen auf.


Im Jahr 1967 führten die Wissenschaftler Syukuro Manabe und Richard Wetherald die erste Computermodellierung der Auswirkungen einer Verdoppelung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre durch. Sie berechnen, dass der Treibhauseffekt zu einer Erwärmung der Troposphäre, aber überraschenderweise auch zu einer Abkühlung der Stratosphäre führen würde. Wenn sich nämlich mehr Treibhausgase in der Stratosphäre befinden, wird dieser, der sich wie ein schwarzer Körper verhält, mehr Infrarotstrahlung sowohl in Richtung Himmel als auch in Richtung Erde abgeben. Da jedoch weniger Wärme die Stratosphäre erreicht, da diese Wärme in den Schichten der Troposphäre eingefangen wird, kühlt sich diese atmosphärische Schicht ab, da sie mehr Strahlung aussendet als sie empfängt.


Dieser Kontrast zwischen der Erwärmung der Troposphäre und der Abkühlung der Stratosphäre ist ein klares Zeichen für die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf das Klima und die Vorhersagen von Manabe und Wetherald wurden durch Messungen von Satelliten und Höhenballons bestätigt.


Um mit diesem besonderen Effekt zu experimentieren, können wir einen Solarpool verwenden. Ein Solarpool oder Solarpool ist ein Behälter, in den stark salzhaltiges Wasser gefüllt wurde und der in die Sonne gestellt wird. Die Dichte des Wassers nimmt mit dem Salzgehalt zu, da gelöste Salze dem Wasser Masse verleihen, ohne sein Volumen wesentlich zu vergrößern. Schichten in der Wassersäule sind auf natürliche Weise entsprechend ihrer Dichte geschichtet, wobei dichtere (salzigere) Schichten unten und weniger dichte (weniger salzige oder frische) Schichten oben liegen. Diese Schichtung schafft eine stabile Situation, in der die schwereren Schichten am Boden bleiben und Konvektionsbewegungen verhindert werden, die die Schichten vermischen könnten.


In Solarbecken wird diese Schichtung ausgenutzt, um einen stabilen Wärmegradienten zu erzeugen. Die obere, wenig salzhaltige Schicht dient als Wärmedämmung. Die mittlere Schicht mit Salzgehaltsgradient verhindert Konvektionsbewegungen und speichert so Wärme. Die untere Schicht, sehr salzig und dicht, absorbiert und speichert Sonnenwärme. Durch diese Konfiguration kann das Solarbecken die Wärme effektiv speichern, eine Schichtvermischung verhindern und die Absorption und Speicherung der Sonnenenergie maximieren. Diese eingeschlossene Wärme kann dann mithilfe von Wärmetauschern entzogen und für verschiedene Anwendungen wie Raumheizung, industrielle Prozesse oder Stromerzeugung genutzt werden. Der Solarteich fängt und speichert Sonnenenergie einfach und effizient und bietet so eine effektive Methode zur Speicherung und Nutzung von Wärmeenergie.


Was wir sehen und was es uns ermöglicht, den Kühleffekt der Stratosphäre besser zu verstehen, ist, dass die Temperatur der Wasseroberfläche sinkt, wenn wir die Salzkonzentration bei konstanter Beleuchtung erhöhen. Dies liegt daran, dass am Boden des Beckens mehr Energie gespeichert wird und weniger Energie zum Erwärmen der Beckenoberfläche zur Verfügung steht.


Experimentelle Untersuchung des Temperaturregimes des Solarteichs unter den klimatischen Bedingungen im Süden Usbekistans – GN Uzakov – NS Elmurodov – XA Davlonov

Abschluss


Den Treibhauseffekt, den Schlüssel zur globalen Erwärmung, zu verstehen und nachzuweisen, ist eine große experimentelle Herausforderung. Obwohl viele Experimente verfügbar sind, sind nur wenige zuverlässig reproduzierbar. Allerdings ist es mit kostengünstigen Geräten möglich, völlig realistische Experimente durchzuführen, die es ermöglichen, verschiedene Aspekte des Phänomens Treibhauseffekt aufzuzeigen [11]. [12] . Kombinierte Ansätze und Analogien ermöglichen es, die wesentlichen Aspekte der globalen Erwärmung zu erfassen und unterstreichen die Bedeutung einer fundierten und vielfältigen wissenschaftlichen Lehre.



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