Ozon in der Atmosphäre
- Nächster Termin: nach Absprache
- Kursleitung: Dr. Adrian Zwyssig
- Autor: Dr. Juraj Lipscher
- Umfang: 8 Lektionen
- Schulstufe: ab dem 10. Schuljahr Gymnasium
Anmeldung über diesen externe Seite LINK
Diese Unterrichtseinheit wurde vom MINT-Lernzentrum in Zusammenarbeit mit dem Departement für Umweltsystemwissenschaften der ETH Zürich entwickelt und bietet wissenschaftlich fundierte und nach den neuesten Erkenntnissen der Lehr- und Lernforschung entwickelte Unterrichtsmaterialien.
Ausgehend von den Eigenschaften des Ozons lernen die Schülerinnen und Schüler die Prozesse kennen, die in der Stratosphäre sowie in der Troposphäre zur Entstehung und Zerstörung von Ozon führen. Die Lernenden werden mit Aufträgen so angeleitet, dass sie zentrale Inhalte selber konstruieren bzw. erschliessen können.
Warum entsteht das Ozonloch über einem der Pole und nicht über dem Äquator? Warum entsteht das Ozonloch über dem Südpol, aber nicht über dem Nordpol? Und warum entsteht das Ozonloch nur während des polaren Frühlings? Diese Fragen können die Schülerinnen und Schüler nach Abschluss dieser Unterrichtseinheit beantworten.
Ozon ist ein Stoff mit zwei Gesichtern. Das bodennahe Ozon, das aus primären Schadstoffen in der unteren Atmosphäre gebildet wird, ist ein Atemgift und für den Menschen sowie für die Umwelt schädlich. Hingegen schützt die Ozonschicht in der Stratosphäre die Lebewesen auf der Erde vor Schädigungen durch energiereiche ultraviolette Strahlung der Sonne.
In dieser Unterrichtseinheit werden den Schülerinnen und Schülern zuerst die Struktur sowie die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Ozons vermittelt. Anschliessend lernen sie die verschiedenen Schichten der Erdatmosphäre kennen und verstehen, warum sich die Temperatur der Luft mit zunehmender Höhe in den verschiedenen Schichten unterschiedlich verändert. Auf dieser Grundlage erfahren die Schülerinnen und Schüler, welche Vorgänge zur Bildung und zur Zerstörung der stratosphärischen Ozonschicht führen. Zudem verstehen sie, warum die FCK die wichtigsten Schadstoffe sind, die das stratosphärische Ozon zerstören können. Abschliessend lernen sie die Vorgänge kennen, die in der bodennahen Luft zur Entstehung von Ozon in der Troposphäre führen. Sie sollen danach in der Lage sein, ausgewählte Schadstoffdiagramme zu interpretieren.
Die Unterrichtseinheit umfasst vier Kapitel. Jedes Kapitel enthält ein Hauptdokument für die Lehrperson, Arbeitsblätter und Lesetexte für die Lernenden, Versuchsanleitungen und Präsentationen mit Bildern, Videos und Diagrammen. Zudem gibt es spezifisch auf das Thema abgestimmte Vor- und Nachtests, mit denen sich die erforderlichen Vorkenntnisse sowie die Lerngewinne erfassen lassen.
- Struktur und Eigenschaften des Ozons
- Die Schichtung der Atmosphäre und ihre Ursachen
- Ozon in der Stratosphäre. Entstehung und Schädigung der stratosphärischen Ozonschicht: das Ozonloch über der Antarktis
- Ozon in der Troposphäre. Entstehung und Abbau des bodennahen Ozons, Interpretation von Schadstoffkonzentrationen (Tagesverlauf, Sommer/Winter, Stadt/Land).
Interaktive Aufgabe zur Schichtung der Atmosphäre
Die mittlere Jahrestemperatur auf der Erdoberfläche in der Schweiz liegt ungefähr bei 6°C. Überlegen Sie sich nun, wie sich die Temperatur der Luft mit steigender Höhe verändert. Sie können Ihre Idee auf einem Blatt Papier skizzieren, indem Sie eine Kurve in eine ähnliche Grafik einzeichnen, wie sie unten dargestellt ist.
Wenn Sie Ihre Zeichnung angefertigt haben, klicken Sie auf die nächste Lasche unten, um zum nächsten Auftrag zu gelangen.
Betrachten Sie nun die folgende Kurve, welche den Verlauf der Lufttemperatur mit steigender Höhe wiedergibt und versuchen Sie, eine Erklärung für den Verlauf der Kurve zu finden.
Wenn Sie sich eine Erklärung überlegt haben, klicken Sie auf die nächste Lasche unten, um zu der richtigen Antwort zu gelangen.
Die Temperatur der Luft sinkt im Bereich von 0 bis 10 km. Da der Luftdruck mit steigender Höhe abnimmt, expandieren die Luftmassen beim Aufsteigen. Die Expansion ist rasch und führt deshalb zu einer Abkühlung (adiabatische Expansion). Der umgekehrte Vorgang, nämlich die rasche Kompression der Luft führt zu einer Erwärmung, welche wir beispielsweise beim Aufpumpen eines Fahrradreifens beobachten können.
Die Ozonschicht mit einem Maximum der Ozonkonzentration bei etwa 25 km absorbiert die hochenergetischen UV-Strahlen der Sonne, was zu einer Erwärmung der Luft führt. Ihr Einfluss erstreckt sich von etwa 10 bis 50 km und deshalb steigt die Lufttemperatur in diesem Bereich an.
Beispiel für Experimente zu den chemischen Eigenschaften von Ozon
Die stark oxidierende Wirkung des Ozons wird in diesem Versuch anhand der Zerstörung eines Gummiballons demonstriert. Der Ozonisator wurde im MINT-Lernzentrum produziert und kann von Lehrpersonen ausgeliehen werden.