Die Sonne ist die Hauptenergiequelle für das Klimasystem der Erde.

Die Energie der Sonne treibt das Klimasystem an

Die Sonne erwärmt den Planeten, treibt den Wasserkreislauf an und ermöglicht das Leben auf der Erde. Die Menge des Sonnenlichts, die auf der Erdoberfläche ankommt, wird durch das Reflexionsvermögen der Oberfläche, den Winkel der Sonne, die Leistung der Sonne und die zyklischen Schwankungen der Erdumlaufbahn um die Sonne beeinflusst.

Die Grundlagen der Sonnenenergie und die Rolle, die sie für das Klima der Erde spielt, können von Schülern der Mittelstufe verstanden werden, aber die Komplexität des Energiehaushalts der Erde bleibt ein Gebiet aktiver wissenschaftlicher Forschung. Daher ist dieses Thema sowohl elementar als auch komplex.

Dieser Grundsatz steht im Zusammenhang mit dem Energy Literacy Principle 2: Physikalische Prozesse auf der Erde sind das Ergebnis eines Energieflusses durch das System Erde.

Schülern die grundlegenden Mechanismen des Klimasystems zeigen

Die Rolle der Sonnenstrahlung im Klimasystem der Erde zu verstehen, kann uns helfen, wichtige Konzepte zu begreifen, wie zum Beispiel:

Die Ursachen der Jahreszeiten.

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Diese Abbildung zeigt die Neigung der Erdachse, die die Jahreszeiten verursacht. (Hinweis: Entfernung und Durchmesser sind nicht maßstabsgetreu.)

Die Jahreszeiten werden durch die Neigung der Erdachse verursacht. Die gekippte Achse bedeutet, dass die nördlichen und südlichen Teile der Erde nicht die gleiche Menge an Sonnenstrahlung (Energie pro Flächeneinheit) erhalten. Wenn die südliche Hemisphäre der Sonne zugewandt ist, ist auf der südlichen Hemisphäre Sommer und auf der nördlichen Hemisphäre Winter. (Prinzip 1c)

Die Gründe für das Auftreten von Eiszeiten.

Die Eiszeiten wurden durch Veränderungen in der Verteilung der Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche verursacht. Die Bahn der Erdumlaufbahn ist nicht konstant. Schwankungen in der Erdbahn bewirken, dass sich die Sonnenstrahlung, die jeden Punkt der Erdoberfläche erreicht, verändert. (Prinzip 1d)

Wie sich die von der Sonne ausgestrahlte Energiemenge (Sonnenleuchtkraft) mit der Zeit verändert.

Die Leistung der Sonne ist nicht konstant. Ihre Leuchtkraft (die gesamte von der Sonne ausgestrahlte Energie) hat im Laufe der Erdgeschichte zugenommen und schwankt auf kürzeren Zeitskalen leicht.

Warum die jüngste Klimaerwärmung nicht durch einen Anstieg der Sonnenenergie verursacht wurde.

Die Energieabgabe der Sonne hat sich in den letzten Jahrzehnten nicht ausreichend verändert, um den in dieser Zeit beobachteten Anstieg der Temperaturen zu erklären. (Grundsatz 1e)

Die meisten Formen von Energie, die der Mensch nutzt, werden aus Sonnenenergie gewonnen.

Viele Formen von Energie, die der Mensch nutzt, stammen letztlich von der Sonnenstrahlung ab, z. B. Nahrungsmittel, Kohlenwasserstoffe (wie Erdöl und Erdgas), Windenergie, Wasserkraft und natürlich Sonnenenergie.

Hilft Schülern, diese Ideen zu verstehen

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Diese Abbildung zeigt eine 1.000.000-Jahres-Ansicht der Schwankungen der Erdumlaufbahn (Milankovitch-Zyklen genannt) und die daraus resultierende Auswirkung auf den solaren Antrieb. Die untere Kurve zeigt die Zyklen der jüngsten Eiszeiten.

In den meisten Programmen und Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht wird die Rolle der Sonne bei der Bereitstellung von Energie für das Erdsystem behandelt, aber oft nur unzusammenhängend. Die Jahreszeiten und ihre Bedeutung für das jahreszeitliche Wettergeschehen und die Wanderungen der Tiere werden vielleicht schon in der Grundschule gelehrt und dann erst nach vielen Jahren wieder aufgegriffen, wenn überhaupt.

Außerdem haben Schüler aller Altersgruppen, einschließlich Studenten und Erwachsene, Schwierigkeiten zu verstehen, was die Jahreszeiten verursacht. Neben der Achsenneigung spielen in den mentalen Modellen der Menschen auch Faktoren eine Rolle wie der Glaube, dass die Erde die Sonne auf einer langgestreckten elliptischen Bahn umkreist, die Verwirrung über die relative Größe, Bewegung und Entfernung der Erde von der Sonne, die Ausbreitung des Lichts, die Dauer des Erdumlaufs um die Sonne und sogar die Dauer der Rotation. Eine Strategie zur Abschwächung dieser häufigen Missverständnisse besteht darin, dafür zu sorgen, dass die „Gründe für die Jahreszeiten“ in der High School angemessen behandelt werden, wenn die Schüler über ausreichende Kenntnisse in Geometrie und Physik verfügen, um die Konzepte zu verstehen (McCaffrey & Buhr, 2008).

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Die Menge an Sonnenenergie, die die Erde empfängt, folgt dem natürlichen 11-Jahres-Zyklus der Sonne mit kleinen Auf- und Abschwüngen, ohne dass es seit den 1950er Jahren zu einem Nettoanstieg kommt. Im gleichen Zeitraum ist die globale Temperatur deutlich angestiegen. Es ist daher äußerst unwahrscheinlich, dass die Sonne den beobachteten globalen Temperaturanstieg im letzten halben Jahrhundert verursacht hat. Bild von der NASA.

Ein hartnäckiges Missverständnis besteht darin, dass unsere jüngste Klimaerwärmung auf Veränderungen der von der Sonne einfallenden Energie und nicht auf eine Zunahme der Treibhausgasemissionen zurückzuführen ist. Diesem Irrglauben kann man entgegenwirken, indem man die Aufzeichnungen der Sonneneinstrahlung untersucht und mit den globalen Temperaturaufzeichnungen vergleicht. Die Daten zeigen eindeutig, dass die Sonneneinstrahlung nicht mit der Temperatur der Erde korreliert.

Exzellente Erklärungen hierzu finden sich bei Skeptical Science: Sun and Climate: Moving in Opposite Directions und mit einer Grafik von Bloomberg: What’s Really Warming the World?

Bringen Sie diese Ideen in Ihr Klassenzimmer

Die Sonnenstrahlung ist die grundlegende Energie, die unser Klimasystem antreibt, und fast alle klimatischen und biologischen Prozesse auf der Erde sind von der Sonneneinstrahlung abhängig. Die Energie der Sonne ist für viele Prozesse auf der Erde unerlässlich, darunter die Erwärmung der Erdoberfläche, die Verdunstung, die Photosynthese und die atmosphärische Zirkulation. Daher kann die Untersuchung, wie die Sonne verschiedene Prozesse auf der Erde antreibt, Teil vieler Arten von Wissenschaftskursen sein. Viele der wissenschaftlichen Konzepte, die sich auf dieses Prinzip beziehen, können behandelt werden, indem man saisonale Beobachtungen fördert, mit Schülern an Citizen-Science-Programmen (wie GLOBE) teilnimmt und in regelmäßigen Abständen die Grundlagen der Auswirkungen von Menge und Intensität der Sonnenenergie auf das Klima der Erde wieder aufgreift.

Die Art und Weise, wie die Sonnenenergie das Klimasystem antreibt, kann von einem sehr grundlegenden Niveau an bis hin zu den anspruchsvollsten wissenschaftlichen Ansätzen gelehrt werden.

Lösungen integrieren – Die wissenschaftlichen Konzepte, die sich auf die Sonnenstrahlung beziehen, können erweitert werden, um Solarenergietechnik und -technologie einzubeziehen, einschließlich Solaröfen, passives Solardesign, Solarthermie und Solarstrom. Dies kann dazu beitragen, das Bewusstsein für Alternativen zur Nutzung fossiler Brennstoffe zu schärfen und ein Forum für Diskussionen über Lösungen für den Klimawandel zu schaffen, die unsere Gesellschaft übernehmen kann.

Unterrichtsmaterialien aus der CLEAN-Sammlung

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Diese Abbildung zeigt, wie weißes Eis das Sonnenlicht reflektiert, während dunkleres Ozeanwasser das Sonnenlicht absorbiert. Dies wird als Albedo oder Reflexionsvermögen bezeichnet.

Mittelstufe

• Globen und andere physikalische Modelle können verwendet werden, um die Neigung der Erdachse zu veranschaulichen und zu zeigen, wie sie sich auf die Verteilung des Sonnenlichts während der verschiedenen Jahreszeiten auswirkt, wie z. B. in My Angle on Cooling: Auswirkungen von Entfernung und Neigung.
• Einführung in das Erdklima – Diese Lektion ist eine Einführung in das Erdklima und deckt die wichtigsten Prinzipien in Bezug auf das einzigartige Klima der Erde, die Atmosphäre sowie regionale und zeitliche Klimaunterschiede ab.
• Fühlen Sie sich abenteuerlustig? Amazing Albedo ist eine praktische Aktivität, bei der die Temperatur von verschiedenfarbigen Oberflächen gemessen wird.

Highschool

• Das Klima: A Balancing Act ermöglicht es den Schülern, Parameter einzustellen, die sich auf die Energiebilanz der Erde auswirken: die eingehende Sonnenstrahlung, den Albedo-Effekt, den Treibhauseffekt und die ausgehende Strahlung.
• Schüler können mit dem Milankovitch Cycles Climate Applet lernen, wie orbitale Zyklen und Eiszeiten miteinander korrelieren.
• Dieses interaktive Visualisierungstool für Jahreszeiten kann als Grundlage für eine offene Untersuchung dienen, wie die Sonnenstrahlung je nach Ort und Jahreszeit variiert.
• Der Einfluss der Sonne: Climate Change Video von den National Academies kann dazu beitragen, die Beweise dafür zu untermauern, dass die Sonnenaktivität nicht die globale Erwärmung verursacht.

Hochschule

• Der Wärmehaushalt der Erde ist eine praktische Laboraktivität, die die Auswirkungen von Entfernung und Winkel auf den Eintrag von Sonnenstrahlung, die Albedo, die Wärmekapazität von Land und Wasser und die Ursache der Jahreszeiten untersucht.
• Motions of the Sun Lab verwendet einen animierten Simulator, der es den Schülern ermöglicht, Variablen zu manipulieren, um die scheinbare Bewegung der Sonne am Himmel zu verstehen.
• Observe changes in Earth’s orbit that contribute to climate change – Diese animierte Visualisierung der Milankovitch-Zyklen kann die Grundlage für eine fortgeschrittene Diskussion der Klimaerwärmung bilden.
• Ein quantitativer Ansatz kann mit dieser schrittweisen Einführung in ein einfaches STELLA-Modell verwendet werden: Modeling Earth’s Energy Balance.
• Modeling Early Earth Climate with GEEBITT hilft den Schülern, sich mit den physikalischen Prozessen vertraut zu machen, die das frühe Klima der Erde so unterschiedlich zu dem heutigen machten.