Modellexperiment zum Treibhauseffekt – Absorption von IR-Strahlung durch CO2

Treibhauseffekt Klimawandel Modellversuch
Versuchsaufbau zur Absorption von IR-Strahlung durch CO2, © Moritz Strähle
Versuch: ab Sek. I, Schüler/Lehrer
Zeit: 30 Minuten
von Moritz Strähle, Michael Sach und Cecilia Scorza
Die Absorption von Infrarotstrahlung durch CO2 wird mit einem Versuchsaufbau demonstriert, der so unempfindlich gegen äußere Einflüsse und Messungenauigkeiten ist, dass er mit gutem Erfolg auch als Schülerexperiment durchführbar ist.
Materialien
  • Keramik-Infrarotstrahler (z.B. Wärmelampe für Terrarien, 50 W reichen aus) oder andere IR-Quelle konstanter Leistung
  • Pappdose, innen silbern beschichtet (z.B. Instantkaffee ∅ 10 cm oder auch Chipsdose mit kleinerem Durchmesser und weniger deutlichem Ergebnis)
  • Digitalthermometer
  • Erlenmeyerkolben mit Stopfen und Schlauch
  • Frischhaltefolie, Natron, Zitronensäure und Wasser
Aufbau und Durchführung
Der Boden der Kaffeedose wird entfernt und mittig in die Wand ein kleines Loch für das Thermometer gestochen, sodass dieses luftdicht sitzt (s. Abb. 1 ). Die offenen Enden werden mit Frischhaltefolie (IR-durchlässig) verschlossen. Nahe an einem Ende wird ein Loch für den Schlauch (CO2-Zufuhr) und am anderen Ende ein weiteres Loch (Luftauslass) gebohrt und beide Löcher vorerst mit Tesafilm abgeklebt (zur Verhinderung von Konvektion nach außen). Die Dose wird mit Stativmaterial im Abstand von ca. 10 cm vom Infrarotstrahler aufgestellt und dieser im Idealfall vor Stundenbeginn eingeschaltet.
Zunächst muss man die Gleichgewichtstemperatur in der luftgefüllten Dose abwarten (je nach Abstand im Bereich von 30 °C bis 40 °C). Über die Reaktion eines Teelöffels Natron mit einem Teelöffel Zitronensäure und etwas Wasser wird nun im Erlenmeyerkolben CO2 erzeugt und über den Schlauch in die Dose geleitet, nachdem der Tesafilm von beiden Löchern entfernt wurde. Nach ca. einer Minute kann der Schlauch wieder entfernt und beide Löcher wieder abgeklebt werden.
Achtung: Das Experiment ist sehr sensibel, was den Abstand des IR-Strahlers zur Dose angeht!
Beobachtung und Erklärung
Im luftgefüllten Fall stellt sich eine Gleichgewichtstemperatur ein, welche nach CO2-Zugabe nach wenigen Minuten um ca. 2 K steigt und dann konstant auf diesem höheren Niveau bleibt.
Die Wellenlänge beim Intensitätsmaximum der Strahlung des IR-Keramikstrahlers (T = 6 · 102 K) kann mit dem wienschen Verschiebungsgesetz abgeschätzt werden und liegt mit λmax= 2897,8 μm · K/6·102 K = 5 μm im Bereich der 4 μm-Absorptionsbande von CO2. Die CO2-Moleküle können Strahlung in diesem Bereich also absorbieren, in Schwingungsenergie umwandeln und diese als thermische Energie an die Umgebung abgeben. Das Gas in der Dose erwärmt sich.
Diskussion und Anmerkungen
Mit diesem Versuchsaufbau wird ein wesentlicher Aspekt des natürlichen und anthropogenen Treibhauseffektes modelliert: Wie Abbildung 2 darstellt, wird ein Teil der eingestrahlten Sonnenenergie vom Erdboden absorbiert (ca. 239 W/m2), welcher diese in Form von IR-Strahlung wieder abstrahlt (Strahlungsgleichgewicht). Die von der Erdoberfläche emittierte IR-Strahlung wechselwirkt mit dem CO2 der Atmosphäre und wird dort zum großen Teil (ca. 80 %) absorbiert. Dies führt wiederum zu einer Re-Emission auch in Richtung Erdoberfläche, sodass die Atmosphäre als zweite Strahlungsquelle in Richtung Erdboden wirkt. Im Fall der thermischen Strahlung der Erde ist vor allem die 14-μm-Absorptionsbande von CO2 maßgeblich.
Durch die silberne Beschichtung der Kaffeedose und die IR-durchlässige Frischhaltefolie fällt die Strahlungsabsorption des Systems im luftgefüllten Fall relativ gering aus, sodass der Unterschied zum Fall mit hoher CO2-Konzentration deutlich wird.
Die Absorption von IR-Strahlung durch Treibhausgase kann auch mit einer Thermosäule (relativ teuer) eindrucksvoll demonstriert werden. Hierbei wird die durch einen gasgefüllten Behälter transmittierte IR-Strahlung mit der Thermosäule gemessen. Wird der Behälter nun mit CO2 statt mit Luft gefüllt, ist ein Abfall der Spannung erkennbar. Je nach Vorkenntnissen der Lernenden sind Vorversuche mit dem...

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Physik Nr. 176 / 2020

Physik auf der Bühne

Friedrich+ Kennzeichnung Experimente Schuljahr 9-13