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Ein Tank zur Modellierung der thermohalinen Zirkulation

Bernd Huhn, Immanuel-Kant-Schule Neumünster;
Stefan Theisen, Freie Waldorfschule Kiel;
Joachim Dengg, IFM-GEOMAR

 

Tank im Unterricht
Abb. 1: Der "Tank" beim Einsatz im Schulunterricht.

Ozeanographischer Hintergrund

Bauanleitung

Betrieb

Unterrichtseinsatz

Modellversuche zur Ostsee

Modellversuche zum Golfstrom

Beispiele

 

Obwohl zunächst nur als zweidimensionale Erweiterung des Schlauchmodells der thermohalinen Zirkulation gedacht, entwickelte sich dieser fast schon unscheinbare, handliche Kasten unerwartet zu einem "Bestseller". Ob als Studienobjekt bei Einzelarbeiten, im Unterricht der Unterstufe oder als Demonstrationsobjekt auf Ausstellungen oder bei Vorträgen: das von Bernd Huhn entwickelte Modell der thermohalinen Ozeanzirkulation ist in NaT-Working Meeresforschung immer wieder vertreten. Um der großen Nachfrage nach einer Bau- und Bedienungsanleitung nun endlich nachzukommen, hier der Versuch einer ausführlichen Beschreibung.

 

 

1. Ozeanographischer Hintergrund

Großräumige Meeresströmungen werden durch drei wesentliche Faktoren angetrieben: Gezeitenkräfte, den Wind und sogenannte "thermohaline" Einflüsse. Letztere bezeichnen die Effekte von Abkühlung und Erwärmung (thermischer Antrieb), sowie von Salzgehaltsveränderungen durch Verdunstung und Niederschlag (haliner Antrieb). Die "thermohaline Zirkulation" ist das Strömungssystem, das durch thermisch und halin verursachte Dichteänderungen erzeugt wird.

Charakteristisch für thermohaline Bewegungen ist, dass sie starke vertikale Komponenten haben, da sie meist mit intensiven Absinkvorgängen verbunden sind. In guter Näherung lassen sie sich deshalb als zweidimensionale Strömungen darstellen, die sich in einer vertikalen Ebene abspielen. Der hier vorgestellte Tank zur Simulation trägt dem Rechnung, indem durch seine Bauweise mit einem schmalen Spalt zwischen zwei aufrecht stehenden Glasplatten von vornherein eine Bewegung quer zu den Platten unterdrückt wird.

Durch diese Konstruktion lassen sich mehrere Strömungssysteme des Ozeans in vereinfachter Weise veranschaulichen:

a) die globale Umwälzbewegung, bei der in hohen Breiten salzreiches Wasser durch winterliche Abkühlung bis in große Tiefen absinkt (z.B. in der Grönland- und Labradorsee im Nordatlantik) und sich dann am Boden entlang äquatorwärts ausbreitet.

b) die tiefe Überströmung von Hindernissen durch schweres (kaltes und/oder salzreiches) Wasser, das sich unterhalb eines Gegenstroms leichteren Wassers in die tiefen Becken der Ozeane ergießt (z.B. beim Ausstrom von Mittelmeerwasser bei Gibraltar oder beim Einstrom von Nordseewasser durch die Belte in die Ostsee).

Situation a) kann im Tankmodell erzeugt werden, indem das Wasser an einem Ende des Modells an der Oberfläche abgekühlt wird, oder indem man dort Salz zugibt. Das so gebildete dichtere Wasser sinkt nach unten und breitet sich am Boden des Modells vom Absinkort aus. An der Oberfläche strömt neues Wasser in die Absinkregion nach. Der Kreislauf schließt sich, indem weiter entfernt wieder Wasser aus der Tiefe aufsteigt.

Tiefes Überströmen (b) lässt sich simulieren, indem man ein Hindernis in das Modell bringt, welches vom Boden bis unterhalb der Oberfläche reicht. Wenn jetzt auf einer Seite des Hindernisses wieder dichtes Wasser an der Oberfläche erzeugt wird und absinkt, füllt es zunächst das entsprechende Becken an, bis der Wasserstand die Höhe des Hindernisses erreicht. Wenn dann der Vorrat an dichtem Wasser noch weiter vergrößert wird, beginnt es aus diesem Reservoir über das Hindernis zu strömen. Dies geschieht in einer sehr dünnen Schicht, die sich allmählich unter das leichtere Wasser des anderen Beckens schiebt und dieses von unten auffüllt.

 

Literatur-Verweise im Internet:

 

 

2. Bauanleitung

Material

Abb. 2: Maße und Aufbau

 

Der Tank besteht aus einer dünnen vertikalen Wasserschicht zwischen zwei mit Distanzstreifen verklebten Acryl- oder Polystyrolglasplatten in einer Halterung aus Holzleisten. Das Wasser wird durch die Glaswand hindurch geheizt bzw. gekühlt, die Wandstärke stellt also einen Kompromiss zwischen Stabilität und Wärmeleitfähigkeit dar. Die Dicke der Distanzstreifen bestimmt das Volumen und damit die Wärmekapazität des eingefüllten Wassers. Die im folgenden genannten Maße sind nur Richtwerte; durch Verändern der Werte wird sich das Zeitverhalten des Gerätes ändern: es darf damit experimentiert werden. Innere Reibung des Wassers und Reibung des Wasser an der Wand spielen keine Rolle, da die erzielten Strömungsgeschwindigkeiten sehr gering sind.

Zunächst schneidet man aus ca. 3 mm dickem Acryl- oder Polystyrolglas (in Baumärkten erhältlich) zwei rechteckige Platten mit den Kantenlängen 50 cm und 12 cm zurecht, anschließend drei ca. 5 mm dicke und 1cm breite Streifen, zwei mit 11cm Länge, einen 50 cm lang. Mit Acrylglaskleber (z.B. Acrifix 192, Röhm GmbH, Darmstadt) oder Kontaktkleber (Pattex transparent, Henkel KGaA, Düsseldorf) werden diese fünf Teile wassserdicht verklebt, siehe Abbildung 2.

Bauanleitung

Abb. 3: Konstruktion des Holzrahmens

 

Die Halterung des Tanks besteht aus Holz. Von einer Rechteckleiste mit 5 cm Breite und 2 cm Dicke werden zwei Stücke mit 12 cm Länge und ein Stück mit 52,5 cm Länge abgesägt. Die beiden kurzen Stücke erhalten längs eine ca. 1 cm tiefe Nut, die etwas breiter sein soll, als der Tank dick ist. Nun werden die drei Stücke zu einem flachen U verleimt oder verschraubt, so dass sich anschließend der Tank von oben leicht in die Nuten einschieben lässt; siehe Abbildungen 3 und 4. Jede andere Konstruktion, die den Tank vertikal hält, erfüllt denselben Zweck.

fertige Konstruktion

Abb. 4: Das komplette Modell

 

 

3. Betrieb

Zum Heizen und Kühlen werden dünnwandige Plastikbecher (z. B. leere Joghurtbecher) mit Büroklammern oder Klebeband außen so an der Tankwand befestigt, dass ein möglichst guter Wärmeübergang zum Tank erzielt wird. In die Becher wird zum Antreiben der Zirkulation Eis bzw. heißes Wasser gefüllt (siehe Abbildung 1). Eine andere Möglichkeit besteht darin, Peltierelemente an der Tankwand zu befestigen und passend gepolt zu betreiben. Auch Plastikbeutel zur Zubereitung von Eiswürfeln lassen sich zum Kühlen nutzen.

Salz streut man am besten auf einen schmalen Schaumstoffstreifen, den man am oberen Rand des eingefüllten Wassers in den Tank klemmt. An seiner Unterseite strömt dann das aufgelöste Salz mit dem hier dichteren Wasser nach unten. (Anders als hier ist im Ozean die Gesamtmenge des Salzes annähernd konstant: durch Niederschlag oder Zustrom von Flüssen wird der Salzgehalt lokal verringert, durch Verdunstung oder Meereisbildung vergrößert. Im Modell wird mit dem oben geschilderten Verfahren der Salzgehalt nur erhöht, nirgends gesenkt; das Wasser im Tank muss also nach einiger Zeit komplett ersetzt werden. Etwas realitätsnäher wäre es, an einer Stelle des Tanks ständig Salzwasser durch Süßwasser zu ersetzen. Hier besteht noch Entwicklungsbedarf.)

Ebenfalls aus Schaumstoff (z.B. aus Küchen-Spültüchern) lässt sich ein "Bodenrelief" herstellen und in den Tank einschieben. Damit kann man die eingangs beschriebenen Überströmvorgänge simulieren.

Mit einem dünnen Holzstäbchen, das man erst in Lebensmittelfarbpulver (z. B. Leybold Didactic Nr. 309 42 oder entsprechendes aus dem Supermarkt) und dann in den Tank taucht, bringt man vertikale farbige Streifen in das Wasser ein. An ihrer Verzerrung im Laufe der Zeit erkennt man sehr schön die sich einstellende Zirkulationsströmung.  

 

 

4. Unterrichtseinsatz

Wichtig für das Verständnis der thermohalinen Zirkulation sind folgende Sachverhalte, die laut Physik-Lehrplan in Schleswig-Holstein in der 8. Klasse vermittelt werden sollen:

  1. Die Auftriebskraft eines getauchten Körpers ist dann größer als seine Gewichtskraft, wenn seine (mittlere) Dichte kleiner ist als diejenige der Flüssigkeit, in der er sich befindet.
  2. Salzwasser hat eine größere Dichte als Süßwasser.
  3. Warmes Wasser hat eine geringere Dichte als kaltes Wasser.

Es bietet sich an, Punkt a) zunächst mit gut erkennbaren getauchten Körpern, also keinen "Wasserkörpern" zu erarbeiten. Zu diesen Körpern gehören auch der Cartesische Taucher und das Unterseeboot mit ihren variablen mittleren Dichten.

Punkt b) kann aus dem schönen Versuch erschlossen werden, bei dem ein und dasselbe Hühnerei in Salzwasser schwimmt und in Süßwasser untergeht. Zur Kontrolle werden gleiche Volumina Salzwasser und Süßwasser gewogen, um deren Dichten zu vergleichen. Ergänzend kann gezeigt werden, wie eine Stahlkugel in Quecksilber schwimmt.

Punkt c) ist dann schnell klar, wenn die Schülerinnen und Schüler bereits ein Wasserthermometer gebaut haben, sie also wissen, dass Wasser bei Erwärmung sein Volumen vergrößert und folglich seine Dichte verringert. Sonst müssen passende Experimente vorausgehen.

Sachverhalt a) sollte vor dem Einsatz des Tanks erarbeitet worden sein; b) und c) kann man mit dem Tank erarbeiten oder an ihm anwenden. Um die Bedeutung der Konvektion im großen Maßstab hervorzuheben, ist es sicher sinnvoll, dafür einen eigenen Unterrichtsabschnitt zu reservieren. Folgende Phänomene könnten diskutiert werden:
  • Thermohaline Zirkulation,
  • Konvektion in der Erdatmosphäre,
  • Konvektion im Erdmantel als Ursache der Kontinentaldrift.

Diese Phänomene sind auch im Kursthema "Physische Geographie" des Erdkundeunterrichts im 11. Jahrgang enthalten.

 

 

5. Modellversuche zur Ostsee

Wie das Modell zur Erklärung der hydrographischen Verhältnisse in der Ostsee eingesetzt werden kann, ist in einem separaten pdf-Dokument von Janina Klaas, Andreas Lehmann und Joachim Dengg geschildert, das genaue Versuchsanleitungen enthält:

Modellversuche zur Ostsee (pdf, 1.3 MB)

Ostseeversuch 


 

6. Modellversuche zum Golfstrom

Auch der thermohalin angetriebene Beitrag zum Golfstrom und seine Reaktion auf Klimaänderungen lassen sich mit Hilfe des Modells verdeutlichen. Anweisungen und Erläuterungen hierzu in:

Modellversuch: Der Golfstrom im Klimawandel (pdf, 520 KB)

Golfstromversuch 



7. Beispiele

Abschließend seien hier noch einige weitere Beispiele für den Einsatz des Tankmodells in NaT-Working aufgelistet:

 

 

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 letzte Änderung: 2-Sep-08