Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase
Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase
3 Das Experiment 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
3.2 Durchführung des Experiments 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
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3 Das Experiment<br />
Durchführung mit einem Aluminiumrohr<br />
Abb. 3.9.: Messung zur Analyse der <strong>Absorption</strong>seigenschaften verschiedener <strong>atmosphärische</strong>r <strong>Gase</strong><br />
mit dem Aluminiumrohr und dem keramischen 60W-Strahler als <strong>Strahlung</strong>squelle.<br />
Abb. 3.9 zeigt das aufgezeichnete Cassy-Lab-Diagramm unter Verwendung des keramischen<br />
60W-Strahlers. Die Achsen, links für die schwarz dargestellte Spannung der<br />
Thermosäule in mV und rechts für die rot gefärbte Temperatur des Temperaturfühlers in<br />
°C, sind den aufgezeichneten Messwerten angepasst. Senkrechte Linien kennzeichnen die<br />
Zeitpunkte, zu denen neues Gas in das Messrohr eingeführt wurde.<br />
Der schwarz dargestellte Spannungsverlauf zeigt je nach Experimentiergas deutliche<br />
Unterschiede in der detektierten <strong>Strahlung</strong>sleistung. Betrug die Spannung mit Umgebungsluft<br />
noch ungefähr 15 mV, so sinkt dieser Wert beim Befüllen mit Kohlendioxid<br />
um fast ein Millivolt ab. Erst mit dem Einbringen von Stickstoff steigen die Spannungswerte<br />
wieder an und übersteigen sogar den mit Luft gemessenen Wert. Auch<br />
nach dem Befüllen mit Argon pendeln sich die Spannungswerte auf einem ähnlich<br />
hohen Spannungsniveau ein, fallen aber mit dem Einbringen der <strong>Gase</strong> Methan sowie<br />
Distickstoffoxid aprupt auf viel niedrigere Werte ab. Dabei wird mit Distickstoffoxid<br />
die niedrigste <strong>Strahlung</strong>sleistung gemessen. Wird schließlich mit der Handpumpe wieder<br />
Umgebungsluft in das Messrohr gepumpt, so pendelt sich der Spannungsverlauf<br />
wieder auf dem anfänglichen Wert von rund 15 mV ein. Der aufgezeichnete Spannungsverlauf<br />
verdeutlicht den unterschiedlichen Einfluss der <strong>atmosphärische</strong>n <strong>Gase</strong><br />
auf die empfangene <strong>Strahlung</strong>sleistung auf eindrucksvolle Weise. Es wird deutlich,<br />
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