Bedienungsanleitung - Conatex

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Bedienungsanleitung
BAD_2012103 Konvektionsströme
Konvektionsströme
Best.- Nr 2012103
Übersicht
1.
Beschreibung
2.
Einleitung
3.
Betroffene Lehrpläne
4. Durchführbare Modellversuche
4.1
Physikalisches Prinzip
4.2
Parallelität mit der Erdkugel
5.
Fazit
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CONATEX-DIDACTIC Lehrmittel GmbH - Rombachstr. 65 - D-66539 Neunkirchen
Kundenservice (kostenfrei): 00800 0266 2839 (D, CH, A, L) oder 0049 (0) 6821 - 94 11-0
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BAD_2012103 Konvektionsströme
1.
Beschreibung
Der Versuchsaufbau besteht aus den folgenden Elementen:
¾ einem Gefäß mit elektrischem Widerstand
¾ einem Beutel mit weißem Pulver
2.
Einleitung
Mit diesem Modell lassen sich die Konvektionsströme darstellen, die den Erdmantel
anregen, damit die Energie aus dem Erdinnern nach außen abgegeben wird.
Außerdem kann mit diesem Modell nachvollzogen werden, warum die lithosphärischen
Platten sich bedingt durch die Konvektionsströme verschieben.
3.
Betroffene Lehrpläne
Letztes Schuljahr der Sekundarstufe I
„Die Grundzüge der Theorie der Erdtektonik können dargestellt werden. Das
Vorhandensein der durch die Akkretionsbereiche begrenzten Platten sowie die
Notwendigkeit einer die Akkretion ergänzenden Unterschiebung (Subduktion) werden in
ein kohärentes Gesamtbild eingebunden, das sich auf die Struktur und die ständige
Bewegung der Lithosphäre stützt.“
Erstes Schuljahr der Sekundarstufe II
„Die Dynamik der Kontinentalmassen“
4.
Durchführbare Modellversuche
4.1 Physikalisches Prinzip
Eine Vielzahl von Versuchen basiert auf den Konvektionsströmen, die in einer von unten
erhitzten Flüssigkeit entstehen. Wenn man zum Beispiel Wasser erhitzt, dehnt es sich aus
und verringert seine Dichte.
Der weniger dichte erwärmte Teil befindet sich am Boden, und der dichte kalte Teil oben.
Das ganze Gebilde ist instabil und in Bewegung: der warme Anteil steigt spontan auf und
der kalte sinkt ab.
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BAD_2012103 Konvektionsströme
Beim Aufsteigen kühlt sich der warme Anteil wieder ab, und dadurch wird die Wärme sehr
gut abgeleitet.
Das System funktioniert zeitlich unbegrenzt.
Wenn man die Wärmequelle abschaltet, hören die Bewegungen nach einigen Minuten auf,
wenn sich die Temperaturen zwischen oben und unten ausgeglichen haben.
4.2 Parallelität mit der Erdkugel
Die Erdkugel ist durch eine innere Wärmequelle gekennzeichnet, aus der die Wärme
abgeleitet werden muss – die Plastizität des Erdmantels ermöglicht sehr langsame
Konvektionsbewegungen.
Das kalte Wasser mit
höherer Dichte sinkt ab
Wärme
(Widerstand)
Kalte Zone / kalte Wand
des Behälters
Das warme Wasser
dehnt sich aus und
steigt nach oben
¾
¾
¾
An Punkt A, im Bereich der warmen Zonen, steigen die Teilchen sehr langsam auf (in
Analogie zu den Gebirgsrücken),
dann verlagern sie sich waagerecht,
und schließlich sinken sie im Bereich der kalten Zonen (Unterschiebungsbereiche) in
die Tiefen des Erdmantels ab.
In das mit kaltem Wasser gefüllte Gefäß gibt man einen Löffel des weißen Pulvers. Es
wird empfohlen:
¾
¾
¾
das Pulver zu waschen, um ganz klares Wasser zu haben,
das Pulver bei jedem Versuch zu verwenden:;
man kann die Teilchen auch mit Tusche schwärzen, um sie gut sichtbar zu machen;
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BAD_2012103 Konvektionsströme
¾
(zusätzlich einen Projektor zu verwenden, kann auch sehr nützlich sein, um damit die
durch Transparenz sichtbaren Konvektionszellen gut auszuleuchten, deren
Bewegungen sowohl gleich-gerichtet als auch gegenläufig sind).
Man kann an der Oberfläche das langsame Abdriften der Teilchen sehen, welche die
Ausdehnung des Meeresbodens als doppelten Rollteppich veranschaulichen.
Aus klar auf der Hand liegenden Gründen der Massenerhaltung muss diese Bewegung mit
einem tiefen Gegenstrom einhergehen, der die Teilchen des Erdmantels aus den
Unterschiebungsbereichen hin zu den Gebirgsrücken befördert.
Anmerkung:
Die thermische Konvektion ist nicht ganz so simpel:
Im Einzelnen können Konvektionszellen geringerer Größe die normale Zirkulation
überlagern.
Außerdem wurden verschiedene Modelle für unsere Erdkugel vorgeschlagen, nämlich
¾
¾
eines mit einer einzigen Konvektionsebene
oder eines mit zwei unabhängigen, übereinander liegenden Konvektionsebenen, von
denen eine im oberen Erdmantel liegt und die andere im Erdmantel darunter.
Alles in allem scheint der Ablauf der sichtbaren Bewegungen in der Lithosphäre an der
Oberfläche ganz simpel zu sein, was wiederum eine direkte Folge dieses starren
Bewegungsablaufs ist. Die Ströme im Erdmantel könnten komplexer sein, denn sie
vollziehen sich auf drei Ebenen und nicht nur auf zweien.
5.
Fazit
Die Bewegungen der Platten ergeben sich aus der thermischen Konvektion, wobei die
dabei auftretenden Kräfte mehr als ausreichen, um die durch Erdbeben freigesetzte
Energie zu liefern.
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