Modellversuch zum Treibhauseffekt

Im Versuch Wärmetransport haben wir gesehen, dass die Weitergabe von Energie in Luft nicht so einfach möglich ist wie z.B. in Wasser. Lichtenergie geht in Form von Strahlung durch die Luft. Nur einen kleinen Bereich dieses Strahlungsspektrums (sichtbares Licht) können wir mit dem Auge wahrnehmen. Andere Teile sind unsichtbar aber schädigen z.B. die Haut (ultraviolettes Licht) oder aber werden als Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung = Infrarotlicht) empfunden. Die Temperatur in der Atmosphäre wird zu einem erheblichen Teil dadurch bestimmt, ob diese Strahlungsenergie von den Gasmolekülen in der Luft aufgenommen wird.

Ein großer Teil des Sonnenlichts, das auf die Erde trifft, wird absorbiert, in Wärme umgewandelt und als solche zurückgestrahlt (Infrarotstrahlung). Treibhausgase in der Atmosphäre sind nun solche Gase, die die von der Erde zurückgestrahlte Wärme absorbieren und sie wie in einem Treibhaus festhalten.

Um dieses Phänomen näher zu untersuchen führen wir den folgenden Modellversuch durch:

Versuchsaufbau:

Glasbehälter mit Luft (rechts) bzw. CO2 (links)
zwei Lampen identischer Leistung
Wannen mit Wasser
schwarze Pappe
Temperaturmeßsystem (Datenaufzeichnung per Computer)

Versuchsdurchführung:

A Die Strahler im Versuchsaufbau stellen die Sonne dar, die Licht auf die Erde abgibt.
B Eine Wanne, ca. 1cm hoch mit Wasser gefüllt, wird benötigt, um eine Versuchsverfälschung zu verhindern. Anders als die Sonne geben die Strahler nämlich einen sehr hohen Anteil ihrer Energie als Wärmestrahlung ab. Diese wird im Gegensatz zum sichtbaren Licht, vom Wasser absorbiert und stört so die Prozesse darunter nicht mehr.
C1 Der linke Glasbehälter ist mit reinem Kohlendioxid gefüllt.
C2 Der rechte Glasbehälter ist mit Luft gefüllt. Da Luft nur ca. 0,037% Kohlendioxid enthält ist die Wirkung von reinem Kohlendioxid links viel stärker.
D Unter den Glasgefäßen (vom Schild verdeckt) befindet sich schwarze Pappe, die die dunkle Erdoberfläche darstellt. Nach dem Einschalten messen Temperaturfühler im Gasraum der unteren Behälter den Temperaturverlauf. Die gemessenen Werte werden auf einen Computerbildschirm übertragen.

Versuchsschema:

(!Für eine Animation bitte auf die Grafik klicken - längere Ladezeit!)

Ablaufende Prozesse:

1) Die Lampen werden eingeschaltet
2) Infrarotlicht der Lampen (Wärmestrahlung) wird vom Wasserbad aufgenommen und erreicht die Gefäße darunter nicht.
3) Sichtbares Licht der Lampen geht durch das Wasserbad und erreicht durch die Gefäße die schwarze Pappe.
4) Die Pappe erwärmt sich und strahlt nun selbst Infrarotlicht ab.
5) Das Infrarotlicht wird von reinem Kohlendioxid (links) viel stärker absorbiert als von der Luft.
6) In dem Gefäß mit Kohlendioxid erwärmt sich das Gas durch die Absorption.