NWT9 - Die Sonne als Energiequelle der Erde
NWT9 - Die Sonne als Energiequelle der Erde
NWT9 - Die Sonne als Energiequelle der Erde
Einleitung
Die Sonne ist für fast alle Prozesse an der Erdoberfläche die wichtigste Energiequelle. Ihre Strahlungsenergie erwärmt Land, Wasser und Atmosphäre, treibt große Teile von Wetter und Klima an, ermöglicht die Fotosynthese und kann technisch als elektrische Energie oder Wärme genutzt werden. Auch Windenergie, Wasserkraft und Biomasse sind überwiegend indirekte Formen der Nutzung von Sonnenenergie.
Die Sonne ist allerdings nicht die einzige Energiequelle der Erde. Geothermie stammt überwiegend aus dem Erdinneren, Gezeiten werden vor allem durch die Gravitation von Mond und Sonne angetrieben, und bei Kernenergie wird Kernbindungsenergie genutzt. Im Mittelpunkt dieses aiMOOCs steht deshalb die Frage: Wie wird aus Sonnenstrahlung ein Netzwerk natürlicher und technischer Energieumwandlungen?
Das Satellitenbild zeigt die von der Sonne beleuchtete Erde. Wolken, Eis, Ozeane, Wüsten und Vegetation reflektieren und absorbieren Strahlung unterschiedlich stark. Diese Unterschiede sind entscheidend für die Strahlungsbilanz und damit für die Temperaturverteilung auf der Erde.
Lernziele und Differenzierung G/M/E
Du kannst auf drei Niveaustufen arbeiten. G steht für grundlegendes Niveau, M für mittleres Niveau und E für erweitertes Niveau.
| Bereich | G | M | E |
|---|---|---|---|
| Sonnenstrahlung | Du beschreibst die Sonne als wichtigste Energiequelle der Erdoberfläche. | Du erklärst Absorption, Reflexion und Strahlungsbilanz. | Du nutzt Größen wie Leistung, Energie, Wirkungsgrad und Einstrahlungswinkel zur quantitativen Analyse. |
| Jahreszeiten | Du nennst die Neigung der Erdachse als Ursache der Jahreszeiten. | Du erklärst Tageslänge und Sonnenstand als zusammenwirkende Ursachen. | Du beurteilst Modelle und widerlegst die verbreitete Abstandshypothese. |
| Fotosynthese | Du nennst Licht, Wasser und Kohlenstoffdioxid als Ausgangsbedingungen. | Du erklärst die Umwandlung von Strahlungsenergie in chemische Energie. | Du analysierst limitierende Faktoren und Energieflüsse im Ökosystem. |
| Wind | Du beschreibst Wind als bewegte Luft. | Du erklärst Wind durch ungleichmäßige Erwärmung und Luftdruckunterschiede. | Du beziehst großräumige Zirkulation und Corioliskraft in deine Erklärung ein. |
| Technische Nutzung | Du unterscheidest Photovoltaik und Solarthermie. | Du vergleichst direkte und indirekte Solarenergienutzung. | Du bewertest Systeme anhand von Energieertrag, Wirkungsgrad, Speicherbedarf und Standortbedingungen. |
Die Sonne als Energielieferant
Woher kommt die Energie der Sonne?
Im Inneren der Sonne verschmelzen bei der Kernfusion Wasserstoffkerne zu Helium. Dabei wird ein kleiner Teil der Masse in Energie umgewandelt. Diese Energie gelangt durch Strahlungs- und Konvektionsprozesse nach außen und wird schließlich als elektromagnetische Strahlung in den Weltraum abgegeben.
Für die Erde ist vor allem die Strahlung relevant, die als sichtbares Licht, Infrarotstrahlung und in kleineren Anteilen als Ultraviolettstrahlung eintrifft. An der Obergrenze der Erdatmosphäre beträgt die Strahlungsleistung auf eine senkrecht zur Sonnenstrahlung ausgerichtete Fläche in mittlerem Sonnenabstand ungefähr 1361 W/m². Weil die Erde kugelförmig ist und immer nur eine Halbkugel beleuchtet wird, verteilt sich diese Energie im globalen Mittel auf eine deutlich größere Fläche. Im Mittel über die gesamte Erdoberfläche entspricht die einfallende Sonnenleistung an der Atmosphärenobergrenze ungefähr 340 W/m².
G: Beschreibe, welche Strahlungsarten Du aus Alltag und Unterricht kennst.
M: Erkläre, warum 1361 W/m² nicht an jedem Ort der Erdoberfläche gleichzeitig ankommen.
E: Begründe geometrisch, warum sich die auf die Kreisfläche der Erde eingestrahlte Leistung im globalen Mittel auf die vierfache Fläche verteilt.
Was geschieht mit der Sonnenstrahlung?
Ein Teil der eintreffenden Sonnenstrahlung wird von Wolken, Atmosphäre und Erdoberfläche reflektiert. Ein weiterer Teil wird absorbiert und in innere Energie umgewandelt. Die erwärmte Erde gibt Energie vor allem als langwellige Infrarotstrahlung wieder ab. Treibhausgase und Wolken absorbieren einen Teil dieser Wärmestrahlung und emittieren selbst Infrarotstrahlung. So entsteht der natürliche Treibhauseffekt, ohne den die mittlere Oberflächentemperatur der Erde wesentlich niedriger wäre.
Die Albedo beschreibt, welcher Anteil der kurzwelligen Strahlung reflektiert wird. Helle Oberflächen wie Schnee oder dichte Wolken haben meist eine höhere Albedo als dunkle Böden, Wälder oder Ozeane. Eine hohe Albedo bedeutet jedoch nicht automatisch ein einfaches Klimaverhalten, denn Wolken beeinflussen gleichzeitig kurz- und langwellige Strahlung.
Das Video zeigt einen experimentellen Zugang zum Albedo-Effekt. Entscheidend ist die Energiebilanz: Wird mehr Strahlung absorbiert, kann sich ein Material stärker erwärmen.
Satellitenbeobachtung der Energieverteilung
Satelliten ermöglichen es, Wolken, Oberflächen, Strahlungsflüsse und Wetterentwicklung großräumig zu beobachten. Das folgende Bild wurde zur Juni-Sonnenwende aufgenommen.
Beim Vergleich der Nord- und Südhalbkugel kannst Du erkennen, dass die Beleuchtung der Erde jahreszeitlich asymmetrisch ist. Noch deutlicher wird die Dynamik in einer Folge von Satellitenbildern über ein Jahr:
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Beobachtungsauftrag: Achte auf Wolkenbewegungen, die Lage der beleuchteten Erdfläche, jahreszeitliche Veränderungen der Vegetation und den Unterschied zwischen kurzfristigem Wettergeschehen und langfristigen Klimamustern.
Jahreszeiten: Warum ändert sich die Sonnenenergie im Jahreslauf?
Die Neigung der Erdachse
Die Rotationsachse der Erde ist gegenüber der Senkrechten auf die Erdbahnebene um etwa 23,4° geneigt. Während eines Umlaufs um die Sonne bleibt die Richtung dieser Achse im Raum annähernd gleich. Dadurch ist im Verlauf des Jahres abwechselnd die Nord- beziehungsweise Südhalbkugel stärker der Sonne zugeneigt.
Für die Jahreszeiten sind zwei Effekte besonders wichtig:
- Sonnenstand: Steht die Sonne höher am Himmel, trifft dieselbe Strahlungsleistung auf eine kleinere Bodenfläche. Die Energie pro Fläche ist größer.
- Tageslänge: Längere Tage bedeuten eine längere tägliche Einstrahlungsdauer.
Wichtig: Die Jahreszeiten entstehen nicht dadurch, dass die Erde im Sommer grundsätzlich näher an der Sonne wäre. Auf der Nordhalbkugel liegt der sonnennächste Punkt der Erdbahn sogar Anfang Januar. Der Abstand verändert zwar die Einstrahlung etwas, ist aber nicht die Ursache der Jahreszeiten.
Energie pro Fläche und Einstrahlungswinkel
Trifft ein Lichtbündel nahezu senkrecht auf eine Fläche, konzentriert sich seine Energie auf einen kleineren Bereich. Trifft es flach auf, verteilt sich dieselbe Strahlungsenergie auf eine größere Fläche. Das kannst Du mit einer Taschenlampe an einer Wand beobachten: Bei schrägem Einfall wird der Lichtfleck größer und die Beleuchtungsstärke pro Fläche geringer.
Für fortgeschrittene Betrachtungen kann die auf eine Fläche bezogene direkte Einstrahlung näherungsweise mit dem Kosinus des Einfallswinkels beschrieben werden. Je stärker die Fläche von der optimalen Ausrichtung abweicht, desto kleiner ist der direkt wirksame Anteil.
G: Erkläre mit einem Taschenlampenmodell, warum flacher Sonnenstand weniger Energie pro Quadratmeter liefert.
M: Verbinde Sonnenstand und Tageslänge zu einer Erklärung der Jahreszeiten.
E: Diskutiere Grenzen des Taschenlampenmodells: Atmosphäre, diffuse Strahlung, Bewölkung und Wärmespeicherung werden darin nicht realistisch abgebildet.
Klimadiagramme als Datenspur der Jahreszeiten
Ein Klimadiagramm zeigt typischerweise mittlere Monatswerte von Temperatur und Niederschlag. Es misst die Sonneneinstrahlung nicht direkt. Trotzdem lassen sich jahreszeitliche Temperaturmuster mit Sonnenstand und Tageslänge in Beziehung setzen. Dabei musst Du beachten, dass Meeresnähe, Höhenlage, Bewölkung, Luftströmungen und Bodenbedeckung das Klima zusätzlich prägen.
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Vergleichsauftrag: Beschreibe zunächst nur die Datenmuster. Formuliere danach Hypothesen dazu, warum Temperatur und Niederschlag in Stuttgart und Kairo unterschiedlich verlaufen. Trenne dabei Beobachtung und Erklärung.
Fotosynthese: Sonnenenergie wird chemische Energie
Die Grundidee
Bei der Fotosynthese nutzen Pflanzen, Algen und einige Bakterien Lichtenergie, um energiereiche organische Stoffe aufzubauen. Vereinfacht kann die Gesamtreaktion so geschrieben werden:
6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
Die Lichtenergie wird dabei nicht zu Materie. Sie ermöglicht chemische Reaktionen, durch die Energie in chemischen Bindungen gespeichert wird. In Pflanzen findet ein wesentlicher Teil der Fotosynthese in den Chloroplasten statt. Das Pigment Chlorophyll absorbiert Licht besonders in bestimmten Wellenlängenbereichen.
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Sonnenenergie als Grundlage von Nahrungsketten
Pflanzen speichern einen kleinen Teil der eingestrahlten Sonnenenergie in Biomasse. Diese chemische Energie kann in Nahrungsketten weitergegeben werden. Bei jeder trophischen Stufe wird ein Teil der aufgenommenen Energie für Stoffwechsel, Bewegung und Wärmeabgabe genutzt. Deshalb steht nicht die gesamte ursprünglich gespeicherte Energie der nächsten Stufe zur Verfügung.
Auch Holz und andere Biomasse enthalten chemisch gespeicherte Sonnenenergie. Kohle, Erdöl und Erdgas entstanden aus alter Biomasse beziehungsweise organischem Material über geologische Zeiträume. Man kann sie deshalb im weitesten Sinn als langfristig gespeicherte frühere Sonnenenergie verstehen, auch wenn ihre Entstehung komplex ist.
Limitierende Faktoren der Fotosynthese
Mehr Licht führt nicht unbegrenzt zu mehr Fotosynthese. Die Rate kann durch Licht, Kohlenstoffdioxid, Temperatur, Wasser oder weitere Faktoren begrenzt sein. Ist ein anderer Faktor knapp, bringt zusätzliche Lichtenergie kaum noch eine Steigerung.
G: Ordne Licht, Wasser und Kohlenstoffdioxid als notwendige Bedingungen ein.
M: Erkläre, warum eine Pflanze trotz starker Beleuchtung bei Wassermangel nicht beliebig schnell fotosynthetisieren kann.
E: Entwirf eine Untersuchung, in der Du nur einen Faktor veränderst und die übrigen möglichst konstant hältst.
Interaktives OER-Modell: Fotosynthese – Prinzip, interaktive Grafik der Siemens Stiftung. Die Ressource ist als interaktive Grafik verfügbar und eignet sich zum Verschieben und Zuordnen der beteiligten Stoffe und Energieflüsse.
Wind: Sonnenenergie setzt Luft in Bewegung
Vom Temperaturunterschied zum Luftdruckunterschied
Die Sonnenstrahlung erwärmt die Erdoberfläche nicht überall gleich stark. Land und Wasser erwärmen sich unterschiedlich schnell, verschiedene Oberflächen absorbieren unterschiedlich viel Strahlung, und der Einfallswinkel der Sonne hängt von Breite, Tageszeit und Jahreszeit ab.
Wird bodennahe Luft erwärmt, dehnt sie sich aus und ihre Dichte nimmt ab. In großräumigen Wettersystemen entstehen dadurch zusammen mit weiteren Prozessen Unterschiede im Luftdruck. Luft wird durch Druckgradientkräfte in Bewegung gesetzt: Es entsteht Wind. Auf der rotierenden Erde wird die Richtung großräumiger Luftbewegungen zusätzlich durch die Corioliskraft beeinflusst.
Lokales Beispiel: See- und Landwind
Am Tag kann sich Land schneller erwärmen als ein großes Gewässer. Über dem wärmeren Land steigt Luft stärker auf. In Bodennähe kann dadurch Luft vom Wasser zum Land nachströmen. Nachts kann sich das Temperaturgefälle umkehren, weil Land schneller auskühlt. Dieses vereinfachte Modell zeigt, wie Sonnenenergie über Temperatur- und Druckunterschiede Luftbewegung erzeugt.
G: Zeichne Pfeile für Luftbewegung über Land und Wasser an einem sonnigen Nachmittag.
M: Erkläre die Abfolge Sonnenstrahlung → Erwärmung → Dichteunterschied → Druckunterschied → Wind.
E: Begründe, warum reale Küstenwinde durch Gelände, großräumige Wetterlagen und Reibung vom einfachen Modell abweichen können.
Windenergie als indirekte Solarenergie
Eine Windenergieanlage entzieht bewegter Luft einen Teil ihrer kinetischen Energie. Der Rotor wird gedreht, ein Generator wandelt mechanische in elektrische Energie um.
Die Energiekette lautet vereinfacht:
Sonnenstrahlung → Temperaturunterschiede → Luftdruckunterschiede → Wind → Rotationsenergie → elektrische Energie
Damit ist Windenergie eine indirekte Nutzung von Sonnenenergie.
Weitere indirekte Wege der Sonnenenergie
Wasserkraft und Wasserkreislauf
Die Sonne liefert Energie für die Verdunstung. Wasserdampf kann aufsteigen, kondensieren und als Niederschlag auf höher gelegene Flächen gelangen. Fließt das Wasser anschließend bergab, kann seine Lage- und Bewegungsenergie in Wasserkraftwerken genutzt werden.
Energiekette: Sonnenstrahlung → Verdunstung → Lageenergie des Wassers → Bewegungsenergie → Turbine → Generator → elektrische Energie.
Biomasse und fossile Energieträger
Bei Biomasse wird chemisch gespeicherte Energie aus aktueller oder relativ junger Fotosynthese genutzt. Bei fossilen Energieträgern stammt ein großer Teil der gespeicherten chemischen Energie aus früherer Fotosynthese, wurde aber über sehr lange geologische Zeiträume umgewandelt und gespeichert. Ihre Verbrennung setzt zusätzlich Kohlenstoffdioxid frei, das zuvor lange in geologischen Speichern gebunden war.
Technische Nutzung der Sonnenenergie
Photovoltaik
Bei der Photovoltaik wird Lichtenergie in Solarzellen direkt in elektrische Energie umgewandelt. In einer Halbleiterstruktur entstehen durch absorbierte Photonen bewegliche Ladungsträger, die durch ein internes elektrisches Feld getrennt werden können. Über einen äußeren Stromkreis kann elektrische Energie abgegeben werden.
Der elektrische Ertrag hängt unter anderem von Einstrahlungsstärke, Ausrichtung, Neigungswinkel, Temperatur, Verschattung, Modulwirkungsgrad und Systemverlusten ab.
Solarthermie
Bei der Solarthermie wird Sonnenstrahlung genutzt, um einen Wärmeträger oder Luft zu erwärmen. Die Wärme kann beispielsweise zur Warmwasserbereitung oder Heizungsunterstützung eingesetzt werden.
Photovoltaik und Solarthermie nutzen also dieselbe Energiequelle, erzeugen aber unterschiedliche Nutzenergie:
| Technik | Direkte Energieumwandlung | Typische Nutzenergie |
|---|---|---|
| Photovoltaik | Strahlungsenergie → elektrische Energie | Strom |
| Solarthermie | Strahlungsenergie → innere Energie | Wärme |
| Windenergie | Strahlungsenergie → atmosphärische Bewegung → mechanische Energie → elektrische Energie | Strom |
| Wasserkraft | Strahlungsenergie → Wasserkreislauf → Lage- und Bewegungsenergie → elektrische Energie | Strom |
| Biomasse | Strahlungsenergie → chemische Energie | Wärme, Kraftstoff oder Strom nach weiterer Umwandlung |
Wirkungsgrad, Leistung und Energie
Die Leistung gibt an, wie schnell Energie umgesetzt wird. Sie wird in Watt angegeben.
P = E / t
Der Wirkungsgrad beschreibt, welcher Anteil der zugeführten Energie als gewünschte Nutzenergie zur Verfügung steht.
η = Enutz / Ezu
Ein Wirkungsgrad von 100 Prozent ist bei realen technischen Energieumwandlungen nicht erreichbar. Verluste treten beispielsweise als Wärme, elektrische Widerstandsverluste, Reibung oder optische Reflexion auf.
G: Vergleiche Photovoltaik und Solarthermie anhand der erzeugten Nutzenergie.
M: Erstelle für Photovoltaik, Windenergie und Wasserkraft je eine Energiekette.
E: Berechne aus Messwerten Leistung und Wirkungsgrad und diskutiere, welche Messunsicherheiten das Ergebnis beeinflussen.
Experimente und Untersuchungen
Experiment 1: Albedo und Erwärmung
Fragestellung: Erwärmen sich helle und dunkle Oberflächen unter gleicher Bestrahlung gleich stark?
Material: Zwei gleichartige Gefäße oder Platten, eine helle und eine dunkle Oberfläche, zwei Thermometer oder Temperaturfühler, Lampe mit ausreichendem Abstand, Stoppuhr.
Durchführung: Stelle beide Oberflächen gleich weit von der Lampe entfernt auf. Miss die Anfangstemperatur. Beleuchte beide gleichzeitig und protokolliere in gleichen Zeitabständen die Temperatur.
Auswertung: Zeichne Temperatur-Zeit-Diagramme. Prüfe, welche Oberfläche sich schneller oder stärker erwärmt.
G: Beschreibe den Verlauf.
M: Erkläre ihn mit Reflexion und Absorption.
E: Untersuche Störgrößen wie Abstand, Luftzug, Materialdicke, Emissionsvermögen und Wärmeleitung.
Experiment 2: Einfallswinkel und Solarzelle
Fragestellung: Wie verändert sich die elektrische Leistung einer Solarzelle mit dem Einfallswinkel des Lichts?
Material: Kleine Solarzelle, Lampe, Winkelmesser, Multimeter, geeigneter Widerstand, Halterung.
Durchführung: Halte Abstand und Lampenleistung konstant. Verändere nur den Winkel der Solarzelle. Miss Spannung und Stromstärke. Berechne die elektrische Leistung mit P = U · I.
| Winkelstellung | Spannung | Stromstärke | Leistung |
|---|---|---|---|
| nahezu senkrecht | |||
| mäßig geneigt | |||
| stark geneigt |
G: Vergleiche die Messwerte.
M: Erkläre die Messreihe mit der Energieverteilung auf der Fläche.
E: Stelle die Leistung gegen den Winkel grafisch dar und vergleiche das Muster qualitativ mit einer Kosinusabhängigkeit.
Experiment 3: Fotosynthese und Lichtintensität
Eine Wasserpflanze wie Wasserpest kann für einen Schulversuch genutzt werden. Unter geeigneten Bedingungen entstehen bei der Fotosynthese Gasbläschen. Ihre Anzahl pro Zeit kann als grober Indikator dienen, ist aber kein exaktes Maß für die Fotosyntheserate.
Fragestellung: Wie verändert sich die beobachtbare Gasentwicklung mit der Beleuchtungsstärke?
Durchführungsidee: Verändere den Abstand einer Lampe schrittweise. Halte Pflanzenmaterial, Wassertemperatur und Messzeit möglichst konstant. Beobachte die Bläschenzahl pro Minute.
G: Ordne die Messwerte.
M: Erkläre, warum die Rate nicht unbegrenzt mit der Lichtstärke steigt.
E: Formuliere eine verbesserte Methode, mit der Sauerstoffvolumen oder gelöster Sauerstoff genauer gemessen werden könnte.
Experiment 4: Modell für thermisch erzeugte Luftbewegung
Fragestellung: Wie kann ein Temperaturunterschied Luftbewegung erzeugen?
Nutze zwei benachbarte Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen, beispielsweise einen vorsichtig erwärmten und einen kühleren Untergrund, und beobachte die Luftbewegung mit sehr leichten Papierstreifen oder einem empfindlichen Luftstromanzeiger. Vermeide offene Flammen.
G: Beschreibe die beobachtete Bewegung.
M: Erkläre den Zusammenhang zwischen Erwärmung, Luftdichte und Konvektion.
E: Übertrage das Modell auf See- und Landwind und benenne Grenzen der Modellübertragung.
Interaktive Modelle
Mit interaktiven Simulationen kannst Du Variablen gezielt verändern und Ursache-Wirkungs-Beziehungen prüfen.
PhET – Treibhauseffekt: Verändere in der Simulation die Sonnenstrahlung, Albedo, Wolken oder Eigenschaften der Atmosphäre und beobachte Energieflüsse und Temperaturen.
Arbeitsauftrag G: Verändere jeweils nur eine Einstellung und beschreibe die sichtbare Wirkung.
Arbeitsauftrag M: Vergleiche zwei Modellzustände und erkläre die veränderte Energiebilanz.
Arbeitsauftrag E: Bewerte, welche realen Prozesse im Modell stark vereinfacht werden und warum solche Vereinfachungen für naturwissenschaftliche Modelle trotzdem nützlich sind.
Das Gesamtsystem: Von der Sonne zur nutzbaren Energie
Die verschiedenen Themen dieses aiMOOCs lassen sich als vernetztes System betrachten:
| Ausgang | Zwischenprozess | Ergebnis | mögliche technische Nutzung |
|---|---|---|---|
| Sonnenstrahlung | Absorption an der Erdoberfläche | Erwärmung | Solarthermie |
| Sonnenstrahlung | Halbleitereffekt | elektrische Energie | Photovoltaik |
| Sonnenstrahlung | ungleichmäßige Erwärmung der Atmosphäre | Wind | Windenergie |
| Sonnenstrahlung | Verdunstung und Wasserkreislauf | Lage- und Bewegungsenergie von Wasser | Wasserkraft |
| Sonnenstrahlung | Fotosynthese | chemische Energie | Biomasse |
| jahreszeitlich veränderte Einstrahlung | veränderte Tageslänge und Sonnenhöhe | Temperatur- und Ökosystemänderungen | Einfluss auf Solarertrag, Landwirtschaft und Energiebedarf |
Zentrale Einsicht: Sonnenenergie wirkt nicht nur direkt. Sie wird in der Atmosphäre, in Ökosystemen, im Wasserkreislauf und in technischen Systemen immer wieder umgewandelt, gespeichert und transportiert.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was ist die wichtigste unmittelbare Ursache der Jahreszeiten auf der Erde? (Die Neigung der Erdachse) (!Die tägliche Erdrotation) (!Der Mondabstand) (!Die wechselnde Sonnenmasse)
Welche Aussage zur Photovoltaik ist richtig? (Sie wandelt Lichtenergie direkt in elektrische Energie um) (!Sie wandelt Wind direkt in Wärme um) (!Sie nutzt ausschließlich Infrarotstrahlung zur Wasserverdampfung) (!Sie erzeugt elektrische Energie durch Verbrennung)
Welche Stoffe gehören zu den Ausgangsstoffen der vereinfachten Fotosynthesereaktion? (Kohlenstoffdioxid und Wasser) (!Sauerstoff und Glukose) (!Stickstoff und Sauerstoff) (!Helium und Wasserstoff)
Warum liefert ein hoher Sonnenstand meist mehr Strahlungsenergie pro Bodenfläche? (Die Strahlung verteilt sich auf eine kleinere Fläche) (!Die Sonne produziert dann mehr Kernenergie) (!Die Erde rotiert im Sommer schneller) (!Die Atmosphäre verschwindet teilweise)
Welche Größe beschreibt den reflektierten Anteil der einfallenden Strahlung? (Albedo) (!Dichte) (!Spannung) (!Frequenzgang)
Welche Energiekette beschreibt Windenergie am besten? (Sonnenstrahlung zu Luftbewegung zu Rotation zu elektrischer Energie) (!Kernenergie zu Photosynthese zu Wind zu elektrischer Energie) (!Gezeiten zu Verdunstung zu Wind zu chemischer Energie) (!Sonnenstrahlung zu Kernspaltung zu Wind zu Wärme)
Welche Aussage über ein Klimadiagramm ist richtig? (Es zeigt typischerweise langfristige Monatsmittel von Temperatur und Niederschlag) (!Es misst direkt die Kernfusion in der Sonne) (!Es zeigt ausschließlich die tägliche Windgeschwindigkeit) (!Es gibt den Wirkungsgrad einer Solarzelle an)
Was geschieht bei der Solarthermie hauptsächlich? (Sonnenstrahlung wird in Wärme umgewandelt) (!Wind wird in chemische Energie umgewandelt) (!Licht wird ausschließlich in Schall umgewandelt) (!Wasser wird durch Kernspaltung erwärmt)
Warum steigt die Fotosyntheserate bei zunehmender Lichtstärke nicht unbegrenzt? (Andere Faktoren können limitierend werden) (!Chlorophyll verschwindet bei jedem Licht) (!Wasser wird durch Licht zu Sauerstoff ohne weitere Reaktionen) (!Pflanzen können nur nachts Kohlenstoffdioxid aufnehmen)
Welche Aussage zur Sonne als Energiequelle der Erde ist richtig? (Viele Oberflächenprozesse werden direkt oder indirekt durch Sonnenenergie angetrieben) (!Jede Energieform auf der Erde stammt ausschließlich von der Sonne) (!Geothermie wird direkt durch Sonnenlicht erzeugt) (!Gezeiten entstehen nur durch die Erwärmung der Ozeane)
Memory
| Photovoltaik | elektrische Energie aus Licht |
| Solarthermie | Wärme aus Sonnenstrahlung |
| Fotosynthese | Speicherung von Lichtenergie in chemischen Stoffen |
| Albedo | Anteil reflektierter Strahlung |
| Erdachsenneigung | zentrale Ursache der Jahreszeiten |
| Windenergie | indirekte Nutzung von Sonnenenergie |
| Chlorophyll | lichtabsorbierendes Pigment |
| Wirkungsgrad | Verhältnis von Nutzenergie zu zugeführter Energie |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Erdachsenneigung | Jahreszeiten |
| Chlorophyll | Fotosynthese |
| Luftdruckunterschied | Windentstehung |
| Halbleiter | Photovoltaik |
| Absorber | Solarthermie |
| Albedo | Reflexion |
Kreuzworträtsel
| Strahlung | Welche Energieform erreicht die Erde von der Sonne? |
| Neigung | Welches Merkmal der Erdachse ist entscheidend für die Jahreszeiten? |
| Chlorophyll | Welches grüne Pigment absorbiert Licht für die Fotosynthese? |
| Luftdruck | Welche atmosphärische Größe unterscheidet Hoch- und Tiefdruckgebiete? |
| Generator | Welches Bauteil wandelt Rotationsenergie in elektrische Energie um? |
| Albedo | Wie heißt das Maß für den reflektierten Strahlungsanteil? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Energiekette zeichnen: Erstelle eine Bildfolge, die den Weg von Sonnenstrahlung bis zu elektrischem Strom aus einer Windenergieanlage zeigt.
- Jahreszeitenmodell: Baue mit Lampe und Globus ein Modell und fotografiere vier typische Positionen der Erde. Beschrifte Sonnenstand und beleuchtete Halbkugel.
- Fotosynthese-Comic: Gestalte einen sechsbildrigen Comic, in dem ein Blatt erklärt, wie Licht, Wasser und Kohlenstoffdioxid zusammenwirken.
- Solartechnik im Alltag: Dokumentiere in Deiner Umgebung Beispiele direkter oder indirekter Solarenergienutzung und ordne sie begründet ein.
Standard
- Klimadiagramme vergleichen: Vergleiche die eingebundenen Diagramme von Stuttgart und Kairo. Trenne Beobachtung, Erklärung und offene Fragen.
- Solarzellenversuch: Plane und dokumentiere eine Messreihe zur Abhängigkeit der Solarzellenleistung vom Einfallswinkel.
- Windmodell: Entwickle ein erklärendes Modell für See- und Landwind und teste, welche Vorhersagen sich daraus ableiten lassen.
- Albedo-Experiment: Führe einen Vergleich heller und dunkler Oberflächen durch, stelle Messwerte grafisch dar und bewerte die Aussagekraft.
Schwer
- Energiesystemanalyse: Vergleiche Photovoltaik, Windenergie, Wasserkraft und Biomasse hinsichtlich Energieumwandlung, Speicherbarkeit, Flächenbedarf und Wetterabhängigkeit.
- Limitierende Faktoren: Entwirf ein kontrolliertes Experiment zur Fotosynthese, bei dem Du eine unabhängige Variable veränderst und Störgrößen systematisch kontrollierst.
- Solarertrag modellieren: Entwickle ein Rechenmodell, das aus Modulfläche, Einstrahlung, Wirkungsgrad und Zeit einen erwarteten Energieertrag abschätzt. Vergleiche Modell und Messung.
- Vom Photon zum Stromnetz: Produziere ein Erklärvideo, das mindestens drei unterschiedliche Wege zeigt, wie Sonnenenergie direkt oder indirekt in technisch nutzbare Energie umgewandelt wird. Kennzeichne bei jedem Schritt Energieform, Speicher und Verluste.
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Lernkontrolle
- Transfer Jahreszeiten: Eine Person behauptet, im Sommer sei es wärmer, weil die Erde dann deutlich näher an der Sonne sei. Widerlege die Aussage mit mindestens zwei voneinander unabhängigen Argumenten.
- Energieketten vergleichen: Vergleiche den Weg von Sonnenenergie zu elektrischem Strom bei Photovoltaik und Windenergie. Begründe, in welchem System mehr Umwandlungsschritte auftreten und welche Folgen das für Verluste haben kann.
- Experiment bewerten: Eine Gruppe misst bei einer Wasserpflanze mehr Gasbläschen, nachdem sie die Lampe näher gestellt hat. Nenne drei alternative Einflüsse oder Fehlerquellen und entwickle eine verbesserte Versuchsanordnung.
- Dateninterpretation: Zwei Orte auf ähnlicher geographischer Breite besitzen unterschiedliche Jahresmitteltemperaturen. Erkläre, warum die Sonnenhöhe allein diesen Unterschied nicht vollständig erklären kann.
- Anlagenentscheidung: Zwei Dächer haben dieselbe Fläche. Eines ist optimal ausgerichtet, das andere zeitweise verschattet. Entwickle Kriterien für eine begründete Entscheidung über die Platzierung einer Photovoltaikanlage.
- Systemzusammenhang: Erkläre, warum eine Windenergieanlage als Nutzung von Sonnenenergie bezeichnet werden kann, obwohl kein Sonnenlicht auf ihren Generator treffen muss.
Lernnachweis
Für einen erfolgreichen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du Zusammenhänge erklären und auf neue Situationen übertragen kannst.
- Du kannst die Sonne als wichtigste Energiequelle vieler Prozesse an der Erdoberfläche einordnen und Ausnahmen nennen.
- Du kannst die Jahreszeiten mit Erdachsenneigung, Sonnenstand und Tageslänge erklären.
- Du kannst Reflexion, Absorption, Albedo und Strahlungsbilanz in einem einfachen Modell verwenden.
- Du kannst die Fotosynthese als Umwandlung von Strahlungsenergie in chemisch gespeicherte Energie erklären.
- Du kannst Windentstehung aus ungleichmäßiger Erwärmung und Luftdruckunterschieden ableiten.
- Du kannst direkte und indirekte Formen der Sonnenenergienutzung unterscheiden.
- Du kannst Energieketten erstellen und Energieformen an den einzelnen Umwandlungsschritten benennen.
- Du kannst Photovoltaik und Solarthermie funktional unterscheiden.
- Du kannst Messdaten in Tabellen und Diagrammen auswerten und zwischen Beobachtung und Erklärung unterscheiden.
- Du kannst Versuchsergebnisse kritisch prüfen, Störgrößen erkennen und Verbesserungen vorschlagen.
- Du kannst mit Leistung und Wirkungsgrad einfache quantitative Energiefragen bearbeiten.
- Du kannst Chancen und Grenzen naturwissenschaftlicher Modelle begründet beurteilen.
OERs zum Thema
Wikipedia-Einstieg:
Weitere passende offene oder frei zugängliche Lernbereiche sind Sonne, Sonnenstrahlung, Jahreszeit, Fotosynthese, Wind, Photovoltaik, Solarthermie, Strahlungsbilanz und Treibhauseffekt.
Interaktive Ressource zur Fotosynthese: Siemens Stiftung – Photosynthesis, principle interactive
Interaktive Ressource zur Strahlungsbilanz: PhET – Treibhauseffekt
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