Auch die Temperatur wird sich verändern
Weiteres
Bis jetzt haben wir außer acht gelassen, dass auch die Temperatur auf der Erde zur Zeit immer weiter steigt. Das könnte zu einem Kipppunkt führen.
Wie wir schon wissen, ist der Lösevorgang von Kohlenstoffdioxid exotherm.
Weiteres
Ist die Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid in Wasser unterschiedlicher Temperatur verschieden groß? Und welchen Einfluss wird dann eine Temperaturerhöhung auf ein bestehendes Löslichkeitsgleichgewicht haben?
Wie würdest Du dies untersuchen? Schlage einen prinzipiell geeigneten Versuchsaufbau vor.
Aufgaben
- Wir setzen V1 zusammen in der gesamten Lerngruppe an. Führen Sie parallel dazu V2 in Kleingruppen durch. Alternativ steht eine Videografie von V2 zur Verfügung.
- Legen Sie ein Versuchsprotokoll an. Halten Sie alle Beobachtungen aus V1 und V2 fest und schlussfolgern Sie, welchen Zusammenhang die Versuche zwischen der Temperatur des Wassers und der Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid zeigen.
- Vervollständigen Sie die Vorlage zur Sicherung zu V1 mit geeigneten Pfeilen.
Erhöhung der Temperatur einer Lösung von Kohlenstoffdioxid
Materialien
- Schutzbrille
- Becherglas 400 mL
- Heizplatte mit Magnetrührer und Magnetkern
- Thermometer
Chemikalien
- Mineralwasser
-
Mischindikator Nr. 5 in Ethanol
- auch Tashiro-Indikator, Farbumschlag bei ca. pH 5,2
Entsorgen und Aufräumen
-
Reste in den Ausguss geben und mit viel Wasser nachspülen.
-
Alle verunreinigten Labormaterialien spülen.
-
Alle Materialien an ihren Ursprungsort zurückstellen.
Aufbau und Durchführung
- Das Becherglas wird zu ca. einem Viertel mit Mineralwasser gefüllt und es werden so viele Tropfen Indikator hinzugegeben, bis eine Färbung deutlich wahrnehmbar ist.
- Das Becherglas wird auf der Heizplatte unter ständigem Rühren über mehrere Minuten auf ca. 50°C erwärmt
Vorlage zur Sicherung
Lösen von Kohlenstoffdioxid in verschieden warmem Wasser
Materialien
- Schutzbrille
- 3 x Spritzen 30 mL
- 3 x Spritzen 50 mL
- 3 x Dreiwegehahn
-
Thermometer
- zentral in den Bechergläsern
-
3 x großes Becherglas
- zentral befüllt
- ggf. Isoliermaterial
Chemikalien
-
wässrige Lösungen unterschiedlicher Temperatur
- enthalten Tashiro-Indikator, Farbumschlag bei ca. pH 5,2. Drei verschiedene Temperaturen, z. B. mit Eiswürfel auf 5°C; 25°C, mit Sieder auf max. 50°C sonst droht Verbrühungsgefahr
Aufbau und Durchführung
Aufbau – dreimal ansetzen2
Eine Spritze wird mit 25 mL Wasser (Raumtemperatur) befüllt, die andere mit 30 mL Kohlenstoffdioxid.
Über den Dreiwegehahn wird das Gas zügig immer wieder durch das Wasser gedrückt, bis sich das Gesamtvolumen nicht mehr ändert. Das Gasvolumen über der Flüssigkeit wird abgelesen.
Der Versuch wird mit deutlich kälterem und deutlich wärmerem Wasser parallel durchgeführt. Dazu kann die 50 mL Spritze vorab mit einer Wärmeisolierung überzogen werden, damit sich die Wassertemperatur während des Versuchs möglichst wenig verändert
Entsorgen und Aufräumen
-
Reste in den Ausguss geben und mit viel Wasser nachspülen.
-
Geräte mit Wasser spülen und an der Luft trocknen.
-
Alle Materialien an ihren Ursprungsort zurückstellen.
Modellhafte Auswertung
- Vollziehen Sie die Analogie in M2 nach und beschreiben Sie, was sich im Modell verändert, wenn die Temperatur erhöht wird.
- Gehen Sie dabei gezielt auf die Wurfhäufigkeiten von Mama (alternativ Papa) und Baby ein.
- Erklären Sie den Unterschied zu den Störungen durch Konzentrationsänderung aus den vorherigen Einheiten: Was verändert sich dort – und was verändert sich hier? Nutzen Sie dazu die Begriffe Q und K.
- Erklären Sie auf dieser Grundlage, warum eine Erwärmung der Ozeane deren Fähigkeit verringert, Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre aufzunehmen.
Modellhafte genauere Betrachtung
Veränderung der Temperatur im Modell
Verändert man die Temperatur, verändert sich K. Dies zeigen vielleicht am besten die Analogie oder animierte Diagramme
Auch wenn es sich bei unserem Beispiel um gekoppelte Gleichgewichte handelt, können wir uns den Zusammenhang sehr leicht mit unserer Analogie und den Modellrechnungen erklären.
In den vorherigen Einheiten haben wir das Gleichgewicht gestört, indem wir Bälle hinzugefügt oder entfernt – also Konzentrationen verändert haben. Die Wurfhäufigkeiten von Mama und Baby blieben dabei gleich. K blieb gleich. Nur Q hatte sich verändert.
Bei einer Temperaturänderung ist das anders: Hier verändern sich die Wurfhäufigkeiten selbst – und zwar unterschiedlich stark. Papa und Baby werfen nicht mehr gleich oft wie vorher.
Diesmal werden nicht einfach Bälle hinzugefügt
Analogie zur Erhöhung der Temperatur3
Diagramme dazu
Das System befindet sich im Gleichgewicht und wird nach 5s gestört, indem die Temperatur verändert wird. Dadurch verändert sich das Verhältnis von k(P) zu k(B). In der Realität wird durch eine Temperaturerhöhung immer die endotherme Reaktion bevorzugt ablaufen. Hier profitiert das Baby mehr.
Veränderung der Temperatur im Modell
Verändert man die Temperatur, verändert sich K. Dies zeigen vielleicht am besten die Analogie oder animierte Diagramme
Auch wenn es sich bei unserem Beispiel um gekoppelte Gleichgewichte handelt, können wir uns den Zusammenhang sehr leicht mit unserer Analogie und den Modellrechnungen erklären.
In den vorherigen Einheiten haben wir das Gleichgewicht gestört, indem wir Bälle hinzugefügt oder entfernt haben – also Konzentrationen verändert. Die Wurfhäufigkeiten von Mama und Baby blieben dabei gleich. K blieb gleich. Nur Q hatte sich verändert.
Bei einer Temperaturänderung ist das anders: Hier verändern sich die Wurfhäufigkeiten selbst – und zwar unterschiedlich stark. Mama und Baby werfen nicht mehr gleich oft wie vorher.
Diesmal werden nicht einfach Bälle hinzugefügt
Analogie zur Erhöhung einer Konzentration auf Seiten von Mama3
Diagramme dazu
Das System befindet sich im Gleichgewicht und wird nach 5s gestört, indem die Temperatur verändert wird. Dadurch verändert sich das Verhältnis von k(M) zu k(B). In der Realität wird durch eine Temperaturerhöhung immer die endotherme Reaktion bevorzugt ablaufen. Hier profitiert das Baby mehr.
Was bedeutet das für die Weltmeere?
- Recherchieren Sie ggf. nochmal, wofür die Abkürzungen SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0 und SSP5-8.5 stehen. Notieren Sie in einem Satz, was jedes Szenario über den zukünftigen CO2-Ausstoß aussagt.
- Werten Sie die Abbildung in M3 aus: Beschreiben Sie, wie sich der pH-Wert im Weddellmeer bis 2100 je nach Szenario entwickelt. Nutzen Sie konkrete Werte aus der Grafik.
- Erklären Sie fachlich, warum Polarregionen wie die Antarktis besonders stark von Ozeanversauerung betroffen sind. Berücksichtigen Sie dabei den Zusammenhang zwischen Wassertemperatur, Löslichkeit von CO2 und der Lage des Gleichgewichts.
- Bewerten Sie abschließend: Unter welchen Bedingungen könnten die Meeresschutzgebiete rund um die Antarktis langfristig erhalten bleiben? Stützen Sie Ihre Bewertung auf die Grafik in M3 und Ihre Erklärung aus c).
Anregungen
SSP steht für Shared Socioeconomic Pathway – gemeinsam genutzte sozioökonomische Entwicklungspfade. Die Zahl nach dem Bindestrich gibt den Strahlungsantrieb in W/m² an, den das jeweilige Szenario bis 2100 erzeugt: Je höher der Wert, desto stärker die Erwärmung.
- SSP1-2.6 – Nachhaltige Entwicklung, starke Klimaschutzmaßnahmen, CO₂-Emissionen sinken schnell und stark. Erwärmung bis 2100: ca. +1,5–2 °C.
- SSP2-4.5 – Mittlerer Weg, moderate Klimaschutzmaßnahmen, CO₂-Emissionen steigen zunächst weiter. Erwärmung bis 2100: ca. +2,7 °C.
- SSP3-7.0 – Regionale Rivalitäten, wenig internationale Kooperation, CO₂-Konzentration wird mehr als verdoppelt. Erwärmung bis 2100: ca. +3,6 °C.
- SSP5-8.5 – Fossil befeuertes Extremszenario: energieintensiver Lebensstil, massive Nutzung fossiler Brennstoffe. Erwärmung bis 2100: ca. +4,4 °C.
Merke: SSP1-2.6 ist das einzige der vier Standardszenarien, das mit den Zielen des Pariser Klimaabkommens vereinbar ist.
Kaltes Wasser löst mehr CO2 als warmes – das habt ihr in V2 gezeigt. Was bedeutet das umgekehrt für Polarregionen, wenn die Wassertemperatur dort steigt? Und welche Rolle spielt dabei die Lage des Gleichgewichts – also K?
Werden wir noch einmal konkret
Wir müssen energisch handeln!
Die Ozeane spielen eine entscheidende Rolle als CO2-Speicher, aber ihre Kapazität nimmt mit steigender Temperatur ab. Daraus ergibt sich eine Dringlichkeit des Handelns, denn mit steigender Temperatur werden die Ozeane
- weniger Treibhausgase aufnehmen oder sogar welche freisetzen – also im schlechtesten Fall vom Speicher zur Quelle werden,
- und teilweise irreversible Veränderungen durchlaufen, selbst wenn die Erwärmung später wieder abnimmt.4
Hierzu forschen auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Auftrag des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), einer Institution der Vereinten Nationen, auch als Weltklimarat bekannt.
Eine gute und aktuelle Übersicht zu den Forschungsergebnissen und mehr findet man online z. B. bei der Landeszentrale für politische Bildung BW.
Prognosen für den antarktischer Ozean
In den antarktischen Küstengewässern befinden sich mehrere Meeresschutzgebiete (MPA), die eine außergewöhnliche Artenvielfalt beherbergen. Mithilfe von Computermodellen simulierten Forscherinnen und Forscher 2024, wie sich das Wasser des antarktischen Ozeans im 21. Jahrhundert verändern würde. Sie prognostizieren, dass bis zum Jahr 2100 in den oberen 200 Metern des antarktischen Ozeans – wo sich ein Großteil der Meereslebewesen aufhält – ein erheblicher Anstieg des Säuregehalts zu erwarten ist. Die Versauerung des Wassers ist eine ernsthafte Bedrohung für das Leben im Meer, da sie sich direkt auf kalkbildende Organismen wie Korallen, Krebstiere und Weichtiere auswirkt. Die Studie wurde für vier Emissionsszenarien durchgeführt und legt nahe, dass wir diese schwerwiegende Versauerung nur im Szenario mit geringeren Emissionen vermeiden könnten, bei dem die CO2-Emissionen schnell und massiv reduziert werden.56
prognostizierte Entwicklung des pH-Wertes je nach Szenario in Schutzgebieten nahe der Antarktis7
Nutze die originale Legende
Die folgende Legende stammt aus dem Originalartikel (auf Englisch). Nutze sie, um die Kurven und Szenarien in der Abbildung zu entschlüsseln – du brauchst nicht jeden Satz zu verstehen.
a, b Time series of a the top 200 m average pH and b bottom pH in the proposed Weddell Sea Marine Protected Area (MPA) for the historical time period (black) and the SSP1-2.6 scenario (light gray), the SSP2-4.5 scenario (light blue), the SSP3-7.0 scenario (intermediate blue) and the SSP5-8.5 scenario (dark blue). Solid lines show the time series for the whole MPA and dashed lines for the continental shelves south of the 2000 m isobath (see dark gray contour in map). The numbers printed in each panel denote the percent increase in acidity, which was computed from the H+ concentration in the 2090s and the 1990s. c–j Same as (a) and (b), but for (c) and (d) the proposed East Antarctic MPA, e, f the adopted Ross Sea region MPA, g, h the proposed Antarctic Peninsula MPA, i, j the adopted South Orkney Islands Southern Shelf MPA. Note that only the time series for the whole MPA are shown in (i) and (j) (see Methods).
- top 200 m average pH – durchschnittlicher pH-Wert in den oberen 200 Metern des Ozeans
- bottom pH – pH-Wert am Meeresboden
- historical time period – gemessene Vergangenheitsdaten (schwarz dargestellt)
- SSP1-2.6 / SSP2-4.5 / SSP3-7.0 / SSP5-8.5 – die vier Emissionsszenarien (siehe Infokasten)
- percent increase in acidity – prozentualer Anstieg des Säuregehalts, berechnet aus der H⁺-Konzentration der 2090er im Vergleich zu den 1990er Jahren
- continental shelves – Kontinentalschelfe, d. h. die flachen Meeresgebiete nahe der Küste
- MPA (Marine Protected Area) – Meeresschutzgebiet
a, b Zeitreihen des durchschnittlichen pH-Werts in den oberen 200 m (a) und des pH-Werts im Boden (b) des vorgeschlagenen Meeresschutzgebiets (MPA) im Weddellmeer für den historischen Zeitraum (schwarz) und das Szenario SSP1-2.6 (hellgrau), das Szenario SSP2-4.5 (hellblau), das Szenario SSP3-7.0 (mittelblau) und das Szenario SSP5-8.5 (dunkelblau). Die durchgezogenen Linien zeigen die Zeitreihen für das gesamte MPA und die gestrichelten Linien für die Kontinentalschelfe südlich der 2000 m „Isobathe“ (Linie auf einer Karte, die alle Punkte gleicher Tiefe unter einer Wasseroberfläche verbindet, siehe dunkelgraue Kontur in der Karte). Die Zahlen in den einzelnen Feldern geben den prozentualen Anstieg des Säuregehalts an, der aus der H+-Konzentration in den 2090er und 1990er Jahren berechnet wurde.
c-j wie (a) und (b), aber für (c) und (d) das vorgeschlagene MPA in der Ostantarktis, e, f das vorgeschlagene MPA in der Rossmeer-Region, g, h das vorgeschlagene MPA auf der Antarktischen Halbinsel, i, j das vorgeschlagene MPA auf dem Südlichen Orkney-Insel-Südschelf. Beachten Sie, dass in (i) und (j) nur die Zeitreihen für das gesamte MPA gezeigt werden.