Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase

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 1 

2. Physikalische Grundlagen 3 

2.1. Thermische Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 

2.1.1. Strahlungsleistung und Leistungsdichte . . . . . . . . . . . . . . 4 

2.1.2. Der Schwarze Körper als ideale thermische Strahlungsquelle . . 5 

2.1.3. Strahlungsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 

2.2. Absorption von Strahlung durch atmosphärische Gase . . . . . . . . . . 8 

2.2.1. IR-Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 

2.2.2. Treibhausgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 

2.3. Der Treibhauseffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 

2.3.1. Ein Klimamodell ohne Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . 17 

2.3.2. Ein einfaches Klimamodell mit Atmosphäre . . . . . . . . . . . 18 

2.3.3. Strahlungsbilanz der Erdatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . 21 

2.3.4. Der anthropogene Treibhauseffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 

3. Das Experiment 25 

3.1. Der Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 

3.2. Durchführung des Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 

3.2.1. Analyse der Absorptionseigenschaften atmosphärischer Gase . . 35 

3.2.2. Analyse der Absorptionseigenschaften von Kohlendioxid, Stickstoff, 

Luft und Atemluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 

3.2.3. Beobachtung der Strahlungsabsorption mit einer Wärmebildkamera 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 Schülers 1 hinsichtlich der 

Auswirkungen seines eigenverantwortlichen Handelns auf Natur und Umwelt, einem 

der Leitgedanken der Bildungsstandards für den naturwissenschaftlichen Unterricht in 

Gymnasien Baden-Württembergs 2 . 

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 

1Aus sprachlichen Gründen wird im Folgenden nur die männliche Form verwendet. Weibliche Leser 

bitte ich dafür um Verständnis. 

2Grundsätzlich 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 

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/m 2 . Aufgrund der Einflüsse der 

Atmosphäre findet man auf der Erdoberfläche bei klarem Himmel nur noch 0,8 kW/m 2 

bis 1 kW/m 2 . 

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 Würfel 1 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. 

4 

1 Sir John Leslie: 1766-1832, schottischer Mathematiker und Physiker. 

m 2

2.1.2. Der Schwarze Körper als ideale thermische 

Strahlungsquelle 

2.1 Thermische Strahlung 

Unter einem Schwarzen Körper versteht man einen hypothetischen Körper, welcher 

elektromagnetische Strahlung bei jeder Wellenlänge vollständig absorbiert. Da nach dem 

Gesetz von Kirchhoff 2 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 Plancksche 3 Strahlungsformel be- 

schrieben [2]: 

BT (λ) = 2πhc2 

λ5 1 

ehc/kλT − 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 · 10 8 

m/s die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und k = 1, 38 · 10 −23 J/K die Boltzmann 4 - 

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: 

6 

λmax = 

2897, 8 

µmK (2.1) 

T 

3 Max Planck: 1858 - 1947, deutscher Physiker und Nobelpreisträger für Physik. 

4 Ludwig Boltzmann: 1844 -1906, österreichischer Physiker und Philosoph. 

5 Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien: 1864-1928, deutscher Physiker.


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 K 6 . 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 = c2 

T dx 

und erhalte: 

S(T ) = 

∞ 

0 

BT (λ)dλ = c2T 4 

∞ 

0 

BT (x) 

T 

5 dx = c1 

c 4 2 

T 4 

∞ 

1 

x 

0 

5 (e1/x − 1) dx 

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 = 2π5k4 15c2h3 −8 W 

= 5, 67·10 m2K 4 . 

(2.2) 

6 Mit der Solarkonstante SE = 1, 37 kW/m 2 ergibt sich aus geometrischen Überlegungen für die 

spezifische Ausstrahlung der Sonne der Wert SS(TS) = 63, 16 MW/m 2 . Ein Schwarzer Körper mit 

dieser spezifischen Ausstrahlung hat nach dem Gesetz von Stefan-Boltzmann (2.2) die Temperatur 

TS = 1/4 SS 

σ = 5777 K. 

7Josef 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 Spektren 8 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 erklären 9 . 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 

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].

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 H2O 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 H2O 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 Wellenzahlen 10 zuordnen: die asymmetrische 

10 ν 1 

In der Spektroskopie bezeichnet die Wellenzahl ˜ν den Kehrwert der Wellenlänge: ˜ν = c = λ . 

10


Streckschwingung besitzt mit ˜ν3 = 2349 cm −1 die größte Wellenzahl. Die symmetrische 

Streckschwingung hat eine Wellenzahl von ˜ν1 = 1337 cm −1 , die Biegeschwingung 

von ˜ν2 = 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 ˜ν2 = 1595 cm −1 die kleinste 

Wellenzahl. Die Wellenzahlen der Valenzschwingungen liegen mit ˜ν1 = 3657 cm −1 und 

˜ν3 = 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 Ne, Helium He, Methan CH4, Krypton Kr, molekularer Wasserstoff H2, Distickstoffoxid 

N2O 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 Ne, He, CH4, Kr, 

H2, N2O, O3, u.a.m.


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 N2O 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 Erdboden 11 , 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 Fourier 12 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 reflektiert 13 , 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 Jean Baptiste Joseph Fourier: 1768-1830, französischer Mathematiker und Physiker. 

13 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 Tyndall 14 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 Arrhenius 15 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. Keeling 

16 , 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. 

14John Tyndall: 1820-1893, irischer Physiker. 

15Svante August Arrhenius: 1859-1927, schwedischer Physiker und Chemiker, Nobelpreisträger für 

Chemie. 

16Charles David Keeling: 1928-2005, US-amerikanischer Chemiker und Klimaforscher. 

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/m 2 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/m 2 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 = 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/m 2 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/m 2 letztlich nur noch eine Leistungsdichte 

von 

S ∗ E = (1 − αE) · 342W/m 2 = 239 W/m 2 . 

Da die Erde diese wieder abgeben muss, lässt sich wieder über das Gesetz von Stefan- 

Boltzmann die Temperatur der Erde berechnen: 

 

18 

T2 = 4 

S ∗ E 

σ 

= 255 K.


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/m 2 nach Klose [12]. 

Berücksichtigt man nun zusätzlich die Absorption der einfallenden Solarstrahlung, 

durch die Treibhausgase Ozon O3 und Wasserdampf H2O 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 

S ∗∗ 

E = (1 − αE − 0, 1) · 342 W/m 2 = 205 W/m 2 . 

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: 

Mit der Bedingung 

S ∗∗ 

E + S ∗∗∗ 

A = S ∗∗∗ 

E 

(1 − 0, 12) · S ∗∗∗ 

E = 2 · S ∗∗∗ 

A 

erhält man durch Einsetzen in obige Gleichung für die Oberflächentemperatur der 

Erde 

T3 = 4 

 

S∗∗ E 

= 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/m 2 . 

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/m 2 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 Photosynthese 17 , 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 

Ozonschicht 18 , 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 

Methan CH4 

Distickstoffoxid N2O 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. 

1 

25 

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 IPCC 19 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 dienen 1 . 

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

Messrohr: Plexiglasrohr 

3.1 Der Versuchsaufbau 

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


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-Effekts 2 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 Gase 3 . 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


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 ist 4 . 

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 

Vorteile Nachteile 

Strahlungsquelle Spektralbereich 

(in 3-25 µm) 

Keramischer 2-25 µm Nahezu Schwarzkörperspektrum Aufheizdauer: 14 min 

Infrarotstrahler (99,2 %) Nur MIR und FIR Kleine Strahlungsleistung 

60W Platzsparender Aufbau 

Lange Lebensdauer 

Keramischer 2-25 µm Nahezu Schwarzkörperspektrum Aufheizdauer: 11 min 

(99,4 %) Nur MIR und FIR 

Infrarotstrahler 

150W 

Lange Lebensdauer 

Baustrahler 500W 0,2-10 µm Hohe Strahlungsleistung Sehr lange Aufheizdauer 

(33,4 %) Grösse 

Blendet stark 

Unregelmäßige Abstrahlung 

Infrarotlampe 150W 0,6-3 µm Keine Absorption messbar, da 

(33,9 %) Spektrum nur sichtbares Licht und 

NIR 

Bunsenbrenner (97,79 %) Starke Absorption mit CO2 Entzündungsgefahr brennbarer Gase 

(siehe 3.2.1) Unregelmäßige Abstrahlung 

Tab. 3.1.: Vorteile und Nachteile der erprobten Wärmestrahlungsquellen.


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 

N2O, 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


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. 

34 

Abb. 3.8.: Versuchsanordnung im Demonstrationspraktikum.

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


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 = λ 

L beschrieben. Für den Wärmefluss ˙ Q von einem Gas 

mit der Temperatur T1 zu einem Festkörper der Temperatur T2 mit T1 > T2 über eine 

Fläche A, gilt der Zusammenhang: 

˙Q = α · A · (T2 − T1) = λ · A 

L · (T2 − T1) (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


Gas Wärmeleitfähigkeit λ 

−3 W 10 m·K 

Luft 26,2 

Kohlendioxid CO2 

Stickstoff N2 

Methan CH4 

16,8 

26,0 

34,1 

Argon Ar 17,9 

Distickstoffoxid N2O 17,4 

Sauerstoff O2 

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 Analyse 5 . 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 dargestellt 6 . Die Verteilung 

der Messwerte läßt einen linearen Zusammenhang der Größen vermuten, was durch das 

reduzierte Bestimmtheitsmaß R 2 ≈ 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. 

7 Das reduzierte Bestimmtheitsmaß R 2 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 

26,3


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


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 

Bestimmtheitsmaßes des linearen Fits R 2 ≈ 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


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 

 

T U, 1 

 

λ 

= a · U + b · 1 

+ c 

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 Kovarianzmatrix 8 und 

das reduzierte multiple Bestimmtheitsmaß R 2 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. 

42 

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.


Abb. 3.15.: Darstellungen der Regressionsebene der Messdaten unter Verwendung des Aluminiumrohrs 

in zwei Raumansichten. 

43


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



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


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 absorbiert 9 , 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


3.2.3. 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 

ɛ = 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 Manual- 

Modus 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


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 Profilfach 1 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 

60 

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.


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: 

S = P 

A 

 

W 

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 

λ 5 

m 2 

1 

e hc/kλT − 1 

Dabei beschreibt λ die Wellenlänge, T die Temperatur, h = 6, 63 · 10 −34 Js das 

Plancksche Wirkungsquantum , c = 3 · 10 8 m/s die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum 

und k = 1, 38 · 10 −23 J/K die Boltzmann-Konstante. 

(1) 

61


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: 

λmax = 

2897, 8 

T 

µmK (2) 

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 = 2π5k4 15c2h3 −8 W 

= 5, 67·10 m2K 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 

(3)


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 = 4 

SE 

σ 

= 288 K 

Dies entspricht einer mittleren Oberflächentemperatur von +15 °C. 

Abb. 3: Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre. Alle Angaben prozentual bezogen auf die einfallende 

Solarstrahlungsdichte von 342 W/m 2 nach Klose [2]. 

63


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


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 Ne, Helium He, Methan CH4, Krypton Kr, molekularer Wasserstoff H2, 

Distickstoffoxid N2O 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 H2O: 

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 N2O (GWP 298): 

Chemisches Umwandlungsprodukt bei der Humusbildung sowie von Stickstoffdünger. 

• Fluorchlorkohlenwasserstoffe FCKW (GWP


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


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


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

CB SICHERHEITSDATENBLATT 

Seite : 1 von 5 

Rev. - Ausgabe-Nr. : 3 - 00 

gemäß RL 1907/2006/EG (REACH) Datum : 2 / 7 / 2010 

Ersetzt : 1 / 10 / 2008 

Argon (verdichtet) 003A-ALD 

1 Bezeichnung des Stoffs bzw. des Gemisches und Firmenbezeichnung 

Produktidentifikatoren 

Handelsname : Argon (verdichtet) , ARGON (N46, N50, N52, N60) 

Sicherheitsdatenblatt-Nr. : 003A-ALD 

Chemische Bezeichnung : Argon 

CAS-Nr. :007440-37-1 

EG-Nr. :231-147-0 

Index-Nr. :--- 

Chemische Formel :Ar 

Registrierungs-Nr. : Aufgeführt in Anhang IV / V REACH, von der Registrierung ausgenommen. 

Verwendung : Industriell und berufsmäßig. Umgang nur durch geschultes Personal gemäß der 

Arbeitsplatz-Gefährdungsbeurteilung des Verwenders. 

Bezeichnung des Unternehmens : 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 

E-Mail-Adresse (der kompetenten : info.SDB@airliquide.de 

Person). 

Notfall-Telefonnummer : +49 (0)2151 398668 

2 Mögliche Gefahren 

Einstufung des Stoffs oder Gemisches 

Gefahrenklasse und -kategorie nach 

Verordnung EG 1272/2008 (CLP) 

• Physikalische Gefahren : Unter Druck stehende Gase - verdichtete Gase - Achtung (H280) 

Einstufung nach EG 67/548 oder EG : In Anhang VI CLP nicht genannt. 

1999/45. Nicht als gefährlicher Stoff / Zubereitung eingestuft. 

Keine EG Kennzeichnung erforderlich. 

Kennzeichnungselemente 

Kennzeichnung nach Verordnung EG 

1272/2008 (CLP). 

• Gefahrenpiktogramme 

M« 

• Gefahrenpiktogramm Code : GHS04 

• Signalwort Achtung 

• Gefahrenhinweise : H280 : Enthält Gas unter Druck; kann bei Erwärmung explodieren. 

• Sicherheitshinweise 

- Aufbewahrung : P403 : An einem gut belüfteten Ort aufbewahren. 

Kennzeichnung nach EG 67/548 oder 

EG 1999/45. 

Symbol(e) : Keine. 

R-Sätze : Keine. 

S-Sätze : Keine. 

AIR LIQUIDE Deutschland GmbH Im Notfall : +49 (0)2151 398668 

Hans-Günther-Sohl-Straße 5 D-40235 Düsseldorf Deutschland 

Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222


2 Mögliche Gefahren (Fortsetzung) 

Sonstige Gefahren 




Ersetzt : 1 / 10 / 2008 


Sonstige Gefahren : Erstickend in hohen Konzentrationen. 

3 Zusammensetzung/Angaben zu Bestandteilen 

Stoff / Gemisch : Stoff. 

Bezeichnung des Stoffes Inhalt CAS-Nr. EG-Nr. Index-Nr. Registrierungs-Nr. Einstufung 

Argon : 100 % 7440-37-1 231-147-0 ----- 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 : 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 : Verschlucken wird nicht als möglicher Weg der Exposition angesehen. 

5 Maßnahmen zur Brandbekämpfung 

Spezielle Risiken : Einwirkung von Feuer kann Bersten / Explodieren des Behälters verursachen. 

Gefährliche Verbrennungsprodukte : Keine. 

Löschmittel : Alle bekannten Löschmittel können benutzt werden. 

Spezifische Methoden : Wenn möglich, Gasaustritt stoppen. 

Sich vom Behälter entfernen und aus geschützter Position mit Wasser kühlen. 

Spezielle Schutzausrüstung für die : In geschlossenen Räumen umluftunabhängiges Atemgerät benutzen. 

Feuerwehr 

6 Maßnahmen bei unbeabsichtigter Freisetzung 

Personenbezogene : Gebiet räumen. 

Vorsichtsmaßnahmen Beim Betreten des Bereiches umluftunabhängiges Atemgerät benutzen, sofern 

nicht die Ungefährlichkeit der Atmosphäre nachgewiesen ist. 

Für ausreichende Lüftung sorgen. 

Umweltschutzmaßnahmen : Versuchen, den Gasaustritt zu stoppen. 

Eindringen in Kanalisation, Keller, Arbeitsgruben oder andere Orte, an denen die 

Ansammlung gefährlich sein könnte, verhindern. 

Reinigungsmethoden : 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 



Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222


7 Handhabung und Lagerung (Fortsetzung) 




Ersetzt : 1 / 10 / 2008 


Druck und Temperatur geeignet ist. Im Zweifelsfall den Gaselieferanten 

konsultieren. 

Bedienungshinweise des Gaselieferanten beachten. 

Druckbehälter (Druckgasflaschen) gegen Umfallen sichern. 

Lagerung : Behälter bei weniger als 50°C an einem gut gelüfteten Ort lagern. 


8 Begrenzung und Überwachung der Exposition/Persönliche Schutzausrüstungen 

Persönliche Schutzmaßnahmen : Angemessene Lüftung sicherstellen. 

• Handschutz : Schutzhandschuhe aus Leder beim Umgang mit Druckgasflaschen. 

• Körperschutz : Beim Umgang mit Gasflaschen/Bündeln / Behältern Sicherheitsschuhe tragen. 

Technische Schutzmaßnahmen : 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 : Gas. 

Farbe : Farblos. 

Geruch : Geruchlos. Keine Warnung durch Geruch. 

Molekulargewicht :40 

Schmelzpunkt [°C] : -189 

Siedepunkt [°C] : -186 

Kritische Temperatur [°C] : -122 

Dampfdruck [20°C] : Nicht anwendbar. 

Relative Dichte, Gas (Luft=1) : 1,38 

Relative Dichte, flüssig (Wasser=1) : Nicht anwendbar. 

Löslichkeit in Wasser [mg/l] : Wasserlöslichkeit von Komponenten im Gemisch : 

• Argon : 61 

Zündgrenzen [Vol.% in Luft] : Nicht brennbar. 

Sonstige Angaben : 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 : • Argon : Keine. 

Unverträgliche Materialien : Keine. 

Zu vermeidende Bedingungen : Keine. 

Chemische Stabilität : Stabil unter normalen Bedingungen für Temperatur und Druck. 

11 Angaben zur Toxikologie 

Toxikologische Angaben : Toxische Wirkungen des Produkts sind nicht bekannt. 



Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222


12 Umweltbezogene Angaben 




Ersetzt : 1 / 10 / 2008 


Umweltspezifische Angaben : Es sind keine schädlichen Wirkungen des Produkts auf die Umwelt bekannt. 

WGK-Klasse (Deutschland) : NWG - nicht wassergefährdend, 

Kenn-Nr. 1348 

(gemäß VwVwS; Anhang 1) 

13 Hinweise zur Entsorgung 

Allgemein : 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. 

Abfallschlüssel-Nr. / : 16 05 04 - Gefährliche Stoffe enthaltende Gase in Druckbehältern (einschließlich 

Abfallbezeichnung (AVV) Halonen). 

14 Angaben zum Transport 

UN-Nummer : 1006 

• Kennzeichnung nach ADR, IMDG, 

IATA 

ón 

: 2.2 : Nicht entzündbare, nicht giftige Gase. 

Landtransport 

ADR/RID 

• Nummer zur Kennzeichnung der 

Gefahr 

:20 

• Benennung und Beschreibung : ARGON, VERDICHTET 

• Klasse :2 

• Klassifizierungscode :1 A 

• Verpackungsanweisungen : P200 

• Tunnel Beschränkungen 

für Druckdosen 

: E : Durchfahrt verboten durch Tunnel der Kategorie E. 

• UN Nr. : 2037 


Gefahr 

:- 

• Benennung und Beschreibung : GEFÄSSE, KLEIN, MIT GAS (GASPATRONEN) 

• Klasse :2 



Seetransport 

GGVSee/IMO-IMDG 

• Richtiger technischer Name : ARGON, VERDICHTET 

• Klasse : 2.2 

• Verpackungsgruppe IMO : P200 



Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222


14 Angaben zum Transport (Fortsetzung) 

• Unfallmerkblatt (EmS) - Feuer : F-C 

• Unfallmerkblatt (EmS) - Leckage : S-V 


Lufttransport 

ICAO/IATA-DGR 




Ersetzt : 1 / 10 / 2008 


• Richtige Versandbezeichnung/ : ARGON, COMPRESSED 

Beschreibung 


• Passagier und Frachtflugzeug : Erlaubt. 

- Verpackungsvorschrift : 200 

• Nur Frachtflugzeug : Erlaubt. 


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, : Alle nationalen/örtlichen Vorschriften beachten. 

Gesundheits- und Umweltschutz/ Betriebssicherheitsverordnung, Technische Regeln zur 

spezifische Rechtsvorschriften für Betriebssicherheitsverordnung (TRBSen), Gefahrstoffverordnung, Technische 

den Stoff oder das Gemisch Regeln zur Gefahrstoffverordnung (TRGSen), BGVR, BGV, BGI, VwVwS 

Seveso Verordung 96/82/EG : 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. 

ABLEHNUNG DER HAFTUNG : Die Angaben in diesem Dokument sind keine vertraglichen Zusicherungen von 

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 



Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222





Ersetzt : 1 / 2 / 2009 

Distickstoffmonoxid ALD093A 



Handelsname : Distickstoffmonoxid , DISTICKSTOFFMONOXID (N25, N47, N50), Distickstoffoxid, 

Lachgas 

Sicherheitsdatenblatt-Nr. : ALD093A 

Chemische Bezeichnung : Distickstoffoxid 

CAS-Nr. :010024-97-2 

EG-Nr. :233-032-0 


Chemische Formel : N2O 

Registrierungs-Nr. : Registrierungszeitraum noch nicht abgelaufen. 






Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222 


Person). 






• Physikalische Gefahren : Entzündend wirkende Gase - Kategorie 1 - Gefahr (H270) 

Unter Druck stehende Gase - verflüssigte Gase - Achtung (H280) 


1999/45. O; R8 



1272/2008 (CLP). 


Mœ M« 

• Gefahrenpiktogramm Code : GHS03 - GHS04 

• Signalwort : Gefahr 

• Gefahrenhinweise : H270 : Kann Brand verursachen oder verstärken; Oxidationsmittel. 

H280 : Enthält Gas unter Druck; kann bei Erwärmung explodieren. 


- Prävention : P244 : Ventile und Ausrüstungsteile öl- und fettfrei halten 

P220 : Von brennbaren Materialen entfernt aufbewahren. 

- Reaktion : P370+P376 : Bei Brand: Undichtigkeit beseitigen, wenn gefahrlos möglich. 




Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222






Ersetzt : 1 / 2 / 2009 



EG 1999/45. 

Symbol(e) : O : Brandfördernd 

êO 

R-Sätze : R8 : Feuergefahr bei Berührung mit brennbaren Stoffen. 

S-Sätze : S9 : Behälter an einem gut gelüfteten Ort aufbewahren. 

S17 : Von brennbaren Stoffen fernhalten. 




Distickstoffoxid : 100 % 10024-97-2 233-032-0 ----- NOTE 2 O; R8 

------------------------------------------------ 

Ox. Gas 1 (H270) 

Liq. Gas (H280) 









In niedrigen Konzentrationen können narkotische Effekte entstehen. Symptome 

können Schwindelgefühl, Kopfschmerz, Übelkeit und Koordinationsstörungen sein. 







Fördert die Verbrennung. 

Gefährliche Verbrennungsprodukte : Bei Einwirkung von Feuer können durch thermische Zersetzung die folgenden 

toxischen und/oder ätzenden Stoffe entstehen : 

Stickstoffmonoxid / Stickstoffdioxid. 

Löschmittel 

- Geeignete Löschmittel : Alle bekannten Löschmittel können benutzt werden. 



Spezielle Schutzausrüstung für die : Umluftunabhängiges Atemgerät und Chemieschutzanzug benutzen. 

Feuerwehr 



Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222






Ersetzt : 1 / 2 / 2009 


Personenbezogene : Beim Betreten des Bereiches umluftunabhängiges Atemgerät benutzen, sofern 

Vorsichtsmaßnahmen nicht die Ungefährlichkeit der Atmosphäre nachgewiesen ist. 

Gebiet räumen. 


Zündquellen beseitigen. 







Kein Öl oder Fett benutzen. 

Ventile langsam öffnen um Druckstöße zu vermeiden. 




konsultieren. 


Von Zündquellen, einschließlich elektrostatischen Entladungen, fernhalten. 


Lagerung : Beim Lagern von brennbaren Gasen und anderen brennbaren Stoffen fernhalten. 

Behälter bei weniger als 50°C an einem gut gelüfteten Ort lagern. 



Persönliche Schutzmaßnahmen : Beim Umgang mit dem Produkt nicht rauchen. 

Angemessene Lüftung sicherstellen. 





vorhanden). 

Arbeitsplatzgrenzwerte : 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 : Farbloses Gas. 

Geruch : Süßlich. 

Geringe Warnwirkung bei hohen Konzentrationen. 


Schmelzpunkt [°C] : -90,81 

Siedepunkt [°C] : -88,5 



Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222





Ersetzt : 1 / 2 / 2009 


9 Physikalische und chemische Eigenschaften (Fortsetzung) 

Kritische Temperatur [°C] : 36,4 

Dampfdruck [20°C] : 50,8 bar 


Relative Dichte, flüssig (Wasser=1) : 1,2 

Löslichkeit in Wasser [mg/l] : 2,2 

Zündgrenzen [Vol.% in Luft] : Oxidationsmittel. 

Zündtemperatur [°C] : Nicht anwendbar. 




Gefährliche Zersetzungsprodukte : 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. 

Unverträgliche Materialien : Kann mit brennbaren Stoffen heftig reagieren. 

Kann mit Reduktionsmitteln heftig reagieren. 

Oxidiert heftig organische Stoffe. 

Zu vermeidende Bedingungen : 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. 

Chemische Stabilität : Der Zerfall von Distickstoffmonoxid ist irreversibel und exotherm und führt zu einem 

beträchtlichen Druckanstieg. 




Treibhauspotential [CO2=1] : 298 

WGK-Klasse (Deutschland) : 1 - schwach wassergefährdend 

Kenn-Nr. 767 

(gemäß VwVwS, Anhang 2) 


Allgemein : 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 



Industrielle Abfall-Nr : 16 05 04 - Gefährliche Stoffe enthaltende Gase in Druckbehältern (einschließlich 

Halonen). 



Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222






Ersetzt : 1 / 2 / 2009 




IATA 

ón óJÑ 

: 5.1 : Entzündend (oxidierend) wirkende Stoffe 

2.2 : Nicht entzündbare, nicht giftige Gase. 

Landtransport 

ADR/RID 


Gefahr 

:25 

• Benennung und Beschreibung : DISTICKSTOFFMONOXID 

• Klasse :2 

• Klassifizierungscode :2 O 




: C/E : Beförderung in Tanks: Durchfahrt verboten durch Tunnel der Kategorien C, 

D und E. Sonstige Beförderungen: Durchfahrt verboten durch Tunnel der 

Kategorien E. 

• UN Nr. : 2037 


Gefahr 

:- 


• Klasse :2 



Seetransport 


• Richtiger technischer Name : DISTICKSTOFFMONOXID 




• Unfallmerkblatt (EmS) - Leckage : S-W 


Lufttransport 

ICAO/IATA-DGR 

• Richtige Versandbezeichnung/ 

Beschreibung 

: NITROUS OXIDE 






Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222









Ersetzt : 1 / 2 / 2009 
















Seveso Verordung 96/82/EG : Aufgeführt 




werden. 

Kontakt mit der Flüssigkeit kann Kaltverbrennungen/Erfrierungen verursachen. 



ABLEHNUNG DER HAFTUNG : Die Angaben in diesem Dokument sind keine vertraglichen Zusicherungen von 


Bevor das Produkt in irgendeinem neuen Prozeß oder Versuch benutzt wird, sollte 






Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222





Ersetzt : 1 / 3 / 2007 

Kohlendioxid 018A-ALD 



Handelsname : Kohlendioxid , KOHLENDIOXID (N35, N45, N48, N50, N55), KOHLENDIOXID 

GETRÄNKE, KOHLENDIOXID für Kälteanwendungen, Kohlensäure 


Chemische Bezeichnung : Kohlendioxid 

CAS-Nr. :000124-38-9 

EG-Nr. :204-696-9 


Chemische Formel : CO2 







Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222 


Person). 












1272/2008 (CLP). 


M« 


• Signalwort : Achtung 





EG 1999/45. 





Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222








Ersetzt : 1 / 3 / 2007 






Kohlendioxid : 100 % 124-38-9 204-696-9 ----- NOTE 1 ------------------------------------------------ 

Liq. Gas (H280) 









Niedrige Konzentrationen von CO2 verursachen beschleunigtes Atmen und 

Kopfschmerz. 




- Haut- und Augenkontakt : Die Augen sofort mindestens 15 Minuten mit Wasser spülen. 

Bei Kaltverbrennungen mindestens 15 Minuten mit Wasser spülen. Steril 

abdecken. Arzt hinzuziehen. 





Löschmittel 





Feuerwehr 











Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222





Ersetzt : 1 / 3 / 2007 


6 Maßnahmen bei unbeabsichtigter Freisetzung (Fortsetzung) 







konsultieren. 








• Augenschutz : Dichtschließende Schutzbrille. 




vorhanden). 

Arbeitsplatzgrenzwerte : 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 : Farblos. 

Geruch : Keine Warnung durch Geruch. 


Schmelzpunkt [°C] : -56,6 

Siedepunkt [°C] : -78,5 (s) 

Kritische Temperatur [°C] :30 

Dampfdruck [20°C] : 57,3 bar 



Löslichkeit in Wasser [mg/l] : 2000 

Zündgrenzen [Vol.% in Luft] : Nicht brennbar. 





Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222






Ersetzt : 1 / 3 / 2007 


Gefährliche Zersetzungsprodukte : Keine. 

Chemische Stabilität : Stabil unter normalen Bedingungen. 


Toxikologische Angaben : Hohe Konzentrationen verursachen schnell Kreislaufschwäche. Symptome sind 

Kopfschmerz, Übelkeit und Erbrechen, wobei es zur Bewußtlosigkeit kommen 

kann. 


Umweltspezifische Angaben : Kann bei Austritt großer Mengen zum Treibhauseffekt beitragen. 

Treibhauspotential [CO2=1] :1 

WGK-Klasse (Deutschland) : NWG - nicht wassergefährdend 

Kenn-Nr. 256 






Das Ablassen großer Mengen in die Atmosphäre sollte vermieden werden. 


Industrielle Abfall-Nr : 16 05 05 - Gase in Druckbehältern mit Ausnahme derjenigen, die unter 16 05 04 

fallen. 




IATA 

ón 


Landtransport 

ADR/RID 

• Nummer zur Kennzeichnung der :20 

Gefahr 

• Benennung und Beschreibung : KOHLENDIOXID 

• Klasse :2 



• Tunnel Beschränkungen : C/E : Beförderung in Tanks: Durchfahrt verboten durch Tunnel der Kategorien C, 

D und E. Sonstige Beförderungen: Durchfahrt verboten durch Tunnel der 

Kategorien E. 



Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222






Ersetzt : 1 / 3 / 2007 



• UN Nr. : 2037 


Gefahr 

:- 


• Klasse :2 



Seetransport 


• Richtiger technischer Name : KOHLENDIOXID 






Lufttransport 

ICAO/IATA-DGR 


Beschreibung 

: CARBON DIOXIDE 























Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222






Ersetzt : 1 / 3 / 2007 





Kontakt mit der Flüssigkeit kann Kaltverbrennungen/Erfrierungen verursachen. 


werden. 



ABLEHNUNG DER HAFTUNG : 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. 




Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222





Ersetzt : 1 / 11 / 2008 

Methan 078A-ALD 



Handelsname : Methan , METHAN (N25, N35, N45, N55) 


Chemische Bezeichnung : Methan 

CAS-Nr. :000074-82-8 

EG-Nr. :200-812-7 

Index-Nr. :601-001-00-4 

Chemische Formel : CH4 







Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222 


Person). 






• Physikalische Gefahren : Entzündbare Gase - Kategorie 1 - Gefahr (H220) 

Unter Druck stehende Gase - verdichtete Gase - Achtung (H280) 

Einstufung nach EG 67/548 oder EG : F+; R12 

1999/45. 



1272/2008 (CLP). 


M— M« 


• Signalwort : Gefahr 

• Gefahrenhinweise : H220 : Extrem entzündbares Gas. 



- Prävention : P210 : Von Hitze/Funken/offener Flamme/heißen Oberflächen fernhalten. Nicht 

rauchen. 

- Reaktion : P377 : Brand von ausströmendem Gas: Nicht löschen, bis Undichtigkeit gefahrlos 

beseitigt werden kann. 

P381 : Alle Zündquellen entfernen, wenn gefahrlos möglich. 



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Ersetzt : 1 / 11 / 2008 




EG 1999/45. 

Symbol(e) 

êF 

: F+ : Hochentzündlich 

R-Sätze : R12 : Hochentzündlich. 

S-Sätze : S9 : Behälter an einem gut gelüfteten Ort aufbewahren. 

S16 : Von Zündquellen fernhalten - Nicht rauchen. 

S33 : Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladungen treffen. 


Sonstige Gefahren : Keine. 




Methan : 100 % 74-82-8 200-812-7 601-001-00-4 NOTE 1 F+; R12 

------------------------------------------------ 

Flam. Gas 1 (H220) 










In niedrigen Konzentrationen können narkotische Effekte entstehen. Symptome 

können Schwindelgefühl, Kopfschmerz, Übelkeit und Koordinationsstörungen sein. 






Gefährliche Verbrennungsprodukte : Durch unvollkommene Verbrennung kann Kohlenstoffmonoxid entstehen. 

Löschmittel 




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


5 Maßnahmen zur Brandbekämpfung (Fortsetzung) 




Ersetzt : 1 / 11 / 2008 



Feuerwehr 


Personenbezogene : Beim Betreten des Bereiches umluftunabhängiges Atemgerät benutzen, sofern 

Vorsichtsmaßnahmen nicht die Ungefährlichkeit der Atmosphäre nachgewiesen ist. 

Gebiet räumen. 






Handhabung : Vor dem Einleiten von Gas Ausrüstung luftfrei spülen. 

Eindringen von Wasser in den Gasbehälter verhindern. 

Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladungen treffen. 




konsultieren. 




Lagerung : Bei der Lagerung von oxidierenden Gasen und anderen brandfördernden Stoffen 

fernhalten. 

Behälter bei weniger als 50°C an einem gut gelüfteten Ort lagern. 




Beim Umgang mit dem Produkt nicht rauchen. 





vorhanden). 




Geruch : Keine. 







Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222





9 Physikalische und chemische Eigenschaften (Fortsetzung) 




Löslichkeit in Wasser [mg/l] :26 

Zündgrenzen [Vol.% in Luft] : 4,4 bis 15 

Zündtemperatur [°C] : 595 


Ersetzt : 1 / 11 / 2008 



Unverträgliche Materialien : Kann mit Luft ein explosionsfähiges Gemisch bilden. 

Kann mit brandfördernden Stoffen heftig reagieren. 

Luft, Oxidationsmittel. 

Zu vermeidende Bedingungen : Von Hitze/Funken/offener Flamme/heißen Oberflächen fernhalten. Nicht rauchen. 




Treibhauspotential [CO2=1] :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). 




IATA 

óm 

: 2.1 : Entzündbare Gase. 

Landtransport 



Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222






Ersetzt : 1 / 11 / 2008 


ADR/RID 


Gefahr 

:23 

• Benennung und Beschreibung : METHAN, VERDICHTET 

• Klasse :2 

• Klassifizierungscode :1 F 




: 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. 

• UN Nr. : 2037 


Gefahr 

:- 


• Klasse :2 

• Klassifizierungscode :5 F 


Seetransport 


• Richtiger technischer Name : METHAN, VERDICHTET 



• Unfallmerkblatt (EmS) - Feuer : F-D 

• Unfallmerkblatt (EmS) - Leckage : S-U 


Lufttransport 

ICAO/IATA-DGR 


Beschreibung 

: METHANE, COMPRESSED 


• Passagier und Frachtflugzeug : VERBOTEN IN PASSAGIER FLUGZEUGEN. 















Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222






Ersetzt : 1 / 11 / 2008 




spezifische Rechtsvorschriften für Betriebssicherheitsverordnung (TRBSen), 

den Stoff oder das Gemisch Gefahrstoffverordnung, Technische Regeln zur Gefahrstoffverordnung (TRGSen), 

BGVR, BGV, BGI, VwVwS, BGI 104 (Explosionsschutzregeln) 



Es ist sicherzustellen, daß die Mitarbeiter das Brandrisiko beachten. 


werden. 











Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222





Ersetzt : 1 / 10 / 2009 

Sauerstoff (verdichtet) 097A-ALD 



Handelsname : Sauerstoff (verdichtet) , Sauerstoff (N35, N45, N48, N55), Sauerstoff (Altop, 

Aviation, Diving, Minitop) 


Chemische Bezeichnung : Sauerstoff 

CAS-Nr. :007782-44-7 

EG-Nr. :231-956-9 

Index-Nr. :008-001-00-8 

Chemische Formel :O2 







Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222 


Person). 






• Physikalische Gefahren : Entzündend wirkende Gase - Kategorie 1 - Gefahr (H270) 

Unter Druck stehende Gase - verdichtete Gase - Achtung (H280) 

Einstufung nach EG 67/548 oder EG : O; R8 

1999/45. 



1272/2008 (CLP). 


Mœ M« 


• Signalwort Gefahr 

• Gefahrenhinweise : H270 : Kann Brand verursachen oder verstärken; Oxidationsmittel. 



- Prävention : P244 : Ventile und Ausrüstungsteile öl- und fettfrei halten 

P220 : Von brennbaren Materialen entfernt aufbewahren. 

- Reaktion : P370+P376 : Bei Brand: Undichtigkeit beseitigen, wenn gefahrlos möglich. 




Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222






Ersetzt : 1 / 10 / 2009 



EG 1999/45. 

Symbol(e) : O : Brandfördernd 

êO 

R-Sätze : R8 : Feuergefahr bei Berührung mit brennbaren Stoffen. 

S-Sätze : S17 : Von brennbaren Stoffen fernhalten. 


Sonstige Gefahren : Keine. 




Sauerstoff : 100 % 7782-44-7 231-956-9 008-001-00-8 NOTE 1 O; R8 

------------------------------------------------ 

Ox. Gas 1 (H270) 







- Einatmen : Fortgesetztes Einatmen von Konzentrationen über 75% kann Übelkeit, 

Schwindelgefühl, Atemnot und Krämpfe verursachen. 

Das Opfer in einen nicht kontaminierten Bereich verlegen. 



Fördert die Verbrennung. 


Löschmittel 




Spezielle Schutzausrüstung für die : Keine. 

Feuerwehr 



Vorsichtsmaßnahmen Für ausreichende Lüftung sorgen. 




Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222





Ersetzt : 1 / 10 / 2009 


6 Maßnahmen bei unbeabsichtigter Freisetzung (Fortsetzung) 






Handhabung : 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. 



Persönliche Schutzmaßnahmen : 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. 

Angemessene Lüftung sicherstellen. 













Zündgrenzen [Vol.% in Luft] : Oxidationsmittel. 

Zündtemperatur [°C] : Nicht anwendbar. 





Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222






Ersetzt : 1 / 10 / 2009 



Unverträgliche Materialien : Kann mit brennbaren Stoffen heftig reagieren. 

Kann mit Reduktionsmitteln heftig reagieren. 

Oxidiert heftig organische Stoffe. 

Ausrüstung öl-und fettfrei halten. 

Zu vermeidende Bedingungen : Die mögliche Gefahr toxischer Verbrennungsprodukte im Falle der Zündung im 

Sauerstoffhochdruckbereich (> 30 bar) durch fluorierte oder chlorierte 

Dichtungswerkstoffe ist zu beachten. 




Umweltspezifische Angaben : Das Produkt verursacht keine Umweltschäden. 


Allgemein : An einem gut gelüfteten Platz in die Atmosphäre ablassen. 





Halonen). 




IATA 

ón óJÑ 

: 5.1 : Entzündend (oxidierend) wirkende Stoffe 

2.2 : Nicht entzündbare, nicht giftige Gase. 

Landtransport 

ADR/RID 


Gefahr 

:25 

• Benennung und Beschreibung : SAUERSTOFF, VERDICHTET 

• Klasse :2 






• UN Nr. : 2037 



Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222






Ersetzt : 1 / 10 / 2009 


• Nummer zur Kennzeichnung der :- 

Gefahr 


• Klasse :2 



Seetransport 


• Richtiger technischer Name : SAUERSTOFF, VERDICHTET 




• Unfallmerkblatt (EmS) - Leckage : S-W 


Lufttransport 

ICAO/IATA-DGR 


Beschreibung 

: OXYGEN, COMPRESSED 
























Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222






Ersetzt : 1 / 10 / 2009 


Es ist sicherzustellen, daß die Mitarbeiter das Risiko der Sauerstoffanreicherung beachten. 



ABLEHNUNG DER HAFTUNG : Bevor das Produkt in irgendeinem neuen Prozeß oder Versuch benutzt wird, sollte 








Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222





Ersetzt : 1 / 3 / 2009 

Stickstoff (verdichtet) 089A-ALD 



Handelsname : Stickstoff (verdichtet) ,Stickstoff (N40, N50, N50 COfrei, N50 ECD, N60) 


Chemische Bezeichnung : Stickstoff 

CAS-Nr. :007727-37-9 

EG-Nr. :231-783-9 


Chemische Formel :N2 







Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222 


Person). 












1272/2008 (CLP). 


M« 


• Signalwort : Achtung 





EG 1999/45. 






Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222







Ersetzt : 1 / 3 / 2009 






Stickstoff : 100 % 7727-37-9 231-783-9 ----- NOTE 1 ------------------------------------------------ 
















Löschmittel : Alle bekannten Löschmittel können benutzt werden. 




Feuerwehr 













konsultieren. 




Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222


7 Handhabung und Lagerung (Fortsetzung) 




Ersetzt : 1 / 3 / 2009 











vorhanden). 











Relative Dichte, flüssig (Wasser=1) : Nicht anwendbar. 




Chemische Stabilität : Stabil unter normalen Bedingungen für Temperatur und Druck. 




Umweltspezifische Angaben : Es sind keine schädlichen Wirkungen des Produkts auf die Umwelt bekannt. 


Kenn-Nr. 1351 









Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222


13 Hinweise zur Entsorgung (Fortsetzung) 




Ersetzt : 1 / 3 / 2009 


Abfallschlüssel-Nr. / : 16 05 05 - Gase in Druckbehältern mit Ausnahme derjenigen, die unter 16 05 04 

Abfallbezeichnung (AVV) fallen. 




IATA 

ón 


Landtransport 

ADR/RID 


Gefahr 

:20 

• Benennung und Beschreibung : STICKSTOFF, VERDICHTET 

• Klasse :2 






• UN Nr. : 2037 


Gefahr 

:- 


• Klasse :2 



Seetransport 


• Richtiger technischer Name : STICKSTOFF, VERDICHTET 






Lufttransport 

ICAO/IATA-DGR 

• Richtige Versandbezeichnung/ : NITROGEN, COMPRESSED 

Beschreibung 




Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222






Ersetzt : 1 / 3 / 2009 

















Vorschriften zu Sicherheit, : Betriebssicherheitsverordnung, Technische Regeln zur 

Gesundheits- und Umweltschutz/ Betriebssicherheitsverordnung (TRBSen), Gefahrstoffverordnung, Technische 

spezifische Rechtsvorschriften für Regeln zur Gefahrstoffverordnung (TRGSen), BGVR, BGV, BGI, VwVwS 

den Stoff oder das Gemisch 







werden. 











Telefon: +49 (0)211 6699-0 - Fax: +49 (0)211 6699-222

B Sicherheitsdatenblätter der Gase 

110

Literaturverzeichnis 

[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. http://geoflop.uchicago.edu/ 

forecast/docs/Projects/modtran.html. 

[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

Literaturverzeichnis 

[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. 


[28] Schneider F.: Aufbau und Gestaltung eines physikalischen Demonstrationspraktikums. 


[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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