„Den  Rest meines Lebens werde ich darüber nachsinnen, was Licht ist.“  

A.  Einstein (1917)  

Gliederung   

Gliederung   2

1.  Einführung  3

1.1  Was ist Licht?  3

1.2  Der Aufbau der Erdatmosphäre  4

1.3  Die Lichtstreuung  5

2.  Herausragende Wissenschaftler und ihre Entdeckungen.  7

2.1  John William Strutt Lord Rayleigh  7

2.1.1  Kurzbiografie.  7

2.1.2  Rayleigh- Streuung  7

2.2  Gustav Mie  8

2.2.1  Kurzbiographie  8

2.2.2  Mie- Streuung  8

3.  Streuungsphänomene und ihre Erklärung  9

3.1  Die Blaufärbung des Himmels  9

3.2  Morgen- bzw. Abendrot  10

3.3  Weitere Phänomene.  10

Die  Erde - Der blaue Planet  10

Warum  scheint ein Schatten immer bläulich zu sein?  11

Der  blaue Dunst  11

4.  Die Umsetzung im HSK-Unterricht  12

4.1  Geeignete Experimente für den Grundschulunterricht  12

4.2  Umsetzung des Themas in Kinderliteratur  14

5.  Literaturangaben  15

6.  Anhang  16

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1. Einführung

Fragt man ein Kind nach der Farbe des Himmels wird es mit großer Wahrscheinlichkeit ohne zu zögern antworten: „Blau!“ Natürlich, der Himmel ist blau, wie sollte es auch anders sein. Doch warum ist das eigentlich so? Selbst der Großteil der Erwachsenen weiß darauf nur spekulierend zu antworten. „Vielleicht wegen des Meeres oder auf Grund der Luftfeuchtigkeit..?“ Tatsache ist, der Himmel ist nicht immer einfach nur blau. Staunen wir nicht alle über die prächtigen Farbenspiele in Rot am Abend oder Morgen? Außerdem kann selbst die Blaufärbung ganz differenziert sein. Manchmal erscheint der Himmel in einem ganz kräftigen Blau, oft aber eher in einem blassen Hellblau. Wie kommt es also zu diesen Erscheinungen? Die Erklärung dafür liegt in der Lichtstreuung innerhalb der Erdatmosphäre. Dieser physikalische Vorgang, der die Grundlage für Himmelblau und Morgenrot bietet, soll in dieser Hausarbeit behandelt werden. Dafür soll zunächst auf die Zusammensetzung des Lichts und den Aufbau der Erdatmosphäre eingegangen werden. Im Anschluss daran möchte ich die Physiker Rayleigh und Mie, sowie ihre Entdeckungen zum Thema Lichtstreuung vorstellen. Den Schwerpunkt der Arbeit bilden verschiedene Leuchterscheinungen in der Atmosphäre und ihre Erklärungen. Anschließend möchte ich die Möglichkeiten erläutern, diese Naturphänomene in der Grundschule im Heimat- und Sachkundeunterricht zu behandeln. Verschiedene Bilder und Modelle zu den Teilbereichen finden sich nummeriert im Anhang.

1.1 Was ist Licht?

Licht ist eine Vorraussetzung für den geregelten Ablauf des menschlichen Alltags. In vollkommener Dunkelheit, also ohne Licht, wären die selbstverständlichsten Dinge nur schwer möglich. Lesen, Auto fahren oder auch das Sehen an sich - alles eine Frage des guten Lichts. Was aber genau ist das Licht eigentlich? Licht ist der Teil der elektromagnetischen Strahlung von der wir umgeben sind, der vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Dies sind Wellen im Bereich von etwa 400 bis 750 Nanometern (nm). Wellen, die außerhalb dieser Frequenz liegen, wie die Infrarot-Strahlung oder Ultraviolett-Strahlung, sind für den Menschen

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nicht sichtbar. Das Licht unserer natürlichen Lichtquelle, der Sonne erscheint uns weiß.

Es ist aber zusammengesetzt aus den Spektralfarben, auch Regenbogenfarben genannt. Durch Dispersion (Zerlegung) des Lichts durch ein Prisma, wird diese Zusammensetzung deutlich (siehe Abbildung 1). Dieses kleine Experiment wird dadurch ermöglicht, dass das Licht beim Übergang von einem Medium (zum Beispiel Luft) in ein anderes (Wasser, Glas, etc.) gebrochen. Die Einzelnen Farben haben unterschiedliche Wellenlängen, werden also unterschiedlich gebrochen. Dadurch werden die Spektralfarben sichtbar. Diese sind: Violett 400- 420 nm Blau 420- 490 nm Grün 490- 575 nm Gelb 575- 590 nm Orange 590- 650 nm Rot 650- 700 nm

In der Natur wird dieses Phänomen beim Regenbogen deutlich. Das Sonnenlicht wird in den Regentropfen gebrochen und zerlegt, sodass der Sonne gegenüber ein Regenbogen erscheint

Neben der Sonne gibt es auch künstliche Lichtquellen, zum Beispiel Glühlampen, Laser oder Leuchtdioden. (vgl. Schmidt, 1996, S.196-198)

1.2 Der Aufbau der Erdatmosphäre

Die Atmosphäre ist eine Gashülle, die unseren Planeten umgibt. Sie bildet eine Grundlage des Lebens. Sie schützt uns vor der gefährlichen UV-Strahlung der Sonne und dem Auskühlen der Erde durch die Kälte im Weltall. Das gesamt Klima der Erde spielt sich in der Atmosphäre ab.

Sie ist wie folgt zusammengesetzt. Im trockenen Zustand besteht sie zu 78% aus Stickstoff, Sauerstoff hat einen Anteil von 21%, Argon 0,9% und Kohlendioxid 0,03%. Außerdem enthält die Atmosphäre noch Spuren verschiedenster Edelgase und Gasverbindungen (z.B. Neon, Helium, Ozon, Wasserdampf, Schwefelsäure, etc.). Diese Zusammensetzung hat sich im Laufe von vielen Millionen Jahren entwickelt.

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Die Atmosphäre ist etwa 100 km hoch und in verschiedene „Stockwerke“ eingeteilt, die spezifische Eigenschaften haben. Das menschliche Leben spielt sich vor allem innerhalb der Troposphäre ab. Sie ist zwischen 17 km (am Äquator) und 8 km (an den Polen) dick. Mit zunehmender Höhe sinkt die Temperatur kontinuierlich ab, an der Obergrenze der Troposphäre beträgt sie noch etwa -60 C°. Innerhalb ihr spielt sich das Wetter ab.

Die sich ihr anschließende Stratosphäre hat eine Dicke von etwa 30 km. Die Temperatur ist nimmt dort wieder zu und beträgt an der höchsten Stelle etwa 0 C°. In der Stratosphäre findet man die Ozonschicht, die die UV- Strahlung größtenteils absorbiert.

In etwa 50- 90 km Höhe befindet sich die Mesosphäre, in der es zum Temperaturabfall bis auf -100 C° kommt. Die letzte Schicht der Atmosphäre bildet die Thermosphäre in einer Höhe bis 100 km. Die Temperatur steigt dort wieder rasch an, bis zu mehren hundert Grad Celsius. Die Übergangszone von der Atmosphäre ins Weltall bezeichnet man mit Exosphäre. (vgl. Schneider, 1997, S.32-33)

1.3 Die Lichtstreuung

Unter Lichtstreuung versteht man die Umverteilung des Lichtes auf verschiedene Richtungen. Dieses Phänomen kann man zum Beispiel feststellen, wenn man in einem dunklen Raum, in dem die Luft recht staubig ist, eine Taschenlampe einschaltet. Es ist ein deutlicher Widerschein des Lichts zu erkennen. Ähnlich ist es auch, wenn man bei Nebel das Fernlicht des Autos einschaltet. Es entsteht eine Art „Lichtwand“, die undurchdringbar scheint. Diese Phänomene werden also durch die Lichtstreuung erzeugt.

Diese findet statt, wenn ein Lichtstrahl auf kleine Teilchen oder eine sehr fein strukturierte Oberfläche gerichtet ist. Dies können, wie im Beispiel Staubpartikel oder Nebeltröpfchen sein, aber auch Wolkentröpfchen, Aerosole oder die Luftmoleküle selbst. Das Licht wird dann in verschiedene Richtungen umgelenkt, also gestreut. Dies kann man sich ähnlich vorstellen, wie bei folgendem Modell:

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