Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase
Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase
3 Das Experiment Innern des Rohres lässt sich zwar eine weitaus höhere Strahlungsleistung mit der Thermosäule detektieren, jedoch offenbahrt die später näher ausgeführte Durchführung mit einem solchen Aluminiumrohr, dass Metalle aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit dem Gas zu viel Wärmeenergie entziehen. Dieser Effekt verleitet zu einer Fehlinterpretation des Temperaturverlaufs und zu einer verfälschten Darstellung der wirklichen physikalischen Vorgänge, wie später näher ausgeführt ist. Als einfache und kostengünstige Alternative zur Demonstration der Absorptionseigenschaften ohne eine Untersuchung der Temperatur des Gases können als Gasbehälter auch (gleichfarbige) Luftballons verwendet werden [21]. Detektor: Thermosäule Mit einer Thermosäule kann elektromagnetische Strahlung, also auch Wärmestrahlung, über einen breiten Wellenlängenbereich nachgewiesen, und der Strahlungsfluss gemessen werden. Hauptbestandteil einer Thermosäule bilden mehrere hintereinander angeordnete Thermoelemente, also zwei unterschiedliche, an einem Ende miteinander verbundene Metalle, deren eine Verbindungsstelle geschwärzt und der einfallenden Strahlung ausgesetzt ist, während die anderen Leiterenden vor Strahlung abgeschirmt und auf fester Temperatur gehalten werden. Gemäß der einfallenden Strahlungleistung befinden sich die beiden Enden nun auf unterschiedlicher Temperatur, was aufgrund des Seebeck-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 3.1 Der Versuchsaufbau 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
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3 Das Experiment<br />
Innern des Rohres lässt sich zwar eine weitaus höhere <strong>Strahlung</strong>sleistung mit der Thermosäule<br />
detektieren, jedoch offenbahrt die später näher ausgeführte Durchführung mit<br />
einem solchen Aluminiumrohr, dass Metalle aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit<br />
dem Gas zu viel Wärmeenergie entziehen. Dieser Effekt verleitet zu einer Fehlinterpretation<br />
des Temperaturverlaufs und zu einer verfälschten Darstellung der wirklichen<br />
physikalischen Vorgänge, wie später näher ausgeführt ist.<br />
Als einfache und kostengünstige Alternative zur Demonstration der <strong>Absorption</strong>seigenschaften<br />
ohne eine Untersuchung der Temperatur des <strong>Gase</strong>s können als Gasbehälter<br />
auch (gleichfarbige) Luftballons verwendet werden [21].<br />
Detektor: Thermosäule<br />
Mit einer Thermosäule kann elektromagnetische <strong>Strahlung</strong>, also auch Wärmestrahlung,<br />
über einen breiten Wellenlängenbereich nachgewiesen, und der <strong>Strahlung</strong>sfluss<br />
gemessen werden. Hauptbestandteil einer Thermosäule bilden mehrere hintereinander<br />
angeordnete Thermoelemente, also zwei unterschiedliche, an einem Ende miteinander<br />
verbundene Metalle, deren eine Verbindungsstelle geschwärzt und der einfallenden<br />
<strong>Strahlung</strong> ausgesetzt ist, während die anderen Leiterenden vor <strong>Strahlung</strong> abgeschirmt<br />
und auf fester Temperatur gehalten werden. Gemäß der einfallenden <strong>Strahlung</strong>leistung<br />
befinden sich die beiden Enden nun auf unterschiedlicher Temperatur, was<br />
aufgrund des Seebeck-Effekts 2 zu einer, der einfallenden <strong>Strahlung</strong>sleitstung proportionalen,<br />
sogenannten Thermospannung führt. Durch die Hintereinanderschaltung<br />
vieler Thermoelemente gemäß nachstehender Abbildung wird das Signal zur Messung<br />
verstärkt.<br />
Abb. 3.3.: Schematische Darstellung der Funktionsweise einer Thermosäule und Thermosäule der<br />
Firma Kipp & Zonen.<br />
Im Versuch wird das Modell CA2 der Firma Kipp & Zonen verwendet, in der 16<br />
Thermoelemente aus Konstantan- und Manganinbändchen in Reihe geschaltet sind.<br />
Diese deckt bei abgenommenem Schutzfenster einen Spektralbereich von 150 nm -<br />
15 µm ab, und ist daher für die Messung von Wärmestrahlung sehr gut geeignet<br />
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2 Thomas Seebeck: 1770-1831, deutsch-baltischer Physiker.<br />
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