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Meeresströmungen im Wassertank

Wer genaue Wetter- und Klimavorhersagen treffen möchte, muss dafür vor allem eins haben: mathematisches Verständnis. Denn knochentrockene Gleichungen sind die Basis aller Klimaprozesse. Um seine Lehre aufzulockern, setzt Diplom-Meteorologe Dr. Torge Martin mit Unterstützung des PerLe-Fonds für Lehrinnovation auf nasse Experimente.

Farbige Wolken in einem runden Wassertank
© pur.pur

Wie wird sich die zugegebene Farblösung vermischen? Bildet sich ein rotes Wölkchen oder - bei Drehung - doch eher eine Säule?

Wie wird das Wetter morgen? Auf welche Klimaveränderungen müssen wir uns in diesem Jahrzehnt einstellen? Das sind Fragen, mit denen sich unter anderem Meteorologinnen und Meteorologen sowie Ozeanographen und Ozeanographinnen beschäftigen. »Um Klimaprozesse jedoch richtig zu verstehen, um die Zugbahn von Hoch- und Tiefdruckgebieten zu berechnen oder um Temperaturen für Kiel und den Rest der Welt vorherzusagen, müssen die Studierenden erst einmal die Grundlagen der globalen Bewegung von Luft- und Wassermassen und ihre Auswirkungen auf das Wetter erlernen und verinnerlichen«, erklärt Dr. Torge Martin vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel. Das passiert im Bachelorstudiengang Physik des Erdsystems an der CAU.

Grundlagen erlernen: Das bedeutet nichts anders, als dass sich die Studierenden mit jeder Menge Mathematik und Physik beschäftigen. Wie sich zum Beispiel der warme Golfstrom im Atlantik vorwärtsbewegt, wie schnell das Wasser fließt, wie es zu der kreisenden oder wirbelnden Bewegung der Wassermassen kommt und was das für die Temperaturen an Land bedeutet, das alles wird mit mathematischen Gleichungen erklärt. Und die sind, ob der komplexen globalen Zusammenhänge, nicht eben einfach zu verstehen. »Zum besseren Verständnis wird jedes Phänomen in kleinere Einheiten aufgebrochen und erklärt, wie zum Beispiel die Entstehung eines Wirbels – eines sogenannten Eddies – im Golfstrom«, erklärt Dr. Martin. Das ändere jedoch nichts daran, dass seine Übung – mit der er die Vorlesung von Professor Arne Biastoch ergänzt – oft sehr theoretisch sei.

Zwei Studierende in einem Labor
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Mit der Pipette geben Christiane Lösel (links) und Ludwig Bitzan tropfenweise Farblösung in den rotierenden Wassertank. Wie sich die Flüssigkeiten vermischen, hängt von der Drehung des Tanks ab, wie die Studierenden anhand der Experimente herausfinden konnten. Das praktische Wissen hilft beim Verstehen von trockenen Fakten.

Um bei den Studierenden mehr Verständnis, aber auch Spaß, Freude und Neugier an der Thematik zu wecken, wagt der Meteorologe in diesem und im kommenden Semester zusammen mit Ozeanographin Dr. Mirjam Gleßmer etwas Neues: »Wir wollen die Grundlagen von Wasserströmungen mit praktischen Experimenten in Wassertanks und am Computer erlebbar und besser verstehbar machen.« Dafür hat er, nach ersten Experimenten in der heimischen Küche, Drehteller besorgt und darauf gefüllte Wassertanks von rund 35 Zentimetern Durchmesser gestellt. Ein kleiner Lego-Technik-Motor treibt den Teller an und simuliert die Erdrotation. Mit Farbe, tröpfchenweise dazugegeben, können die Studierenden testen, wie in dem rotierenden System ein Wirbel entsteht. Und wie die Vermischung der Farbe aussieht, wenn sich der Teller nicht dreht. Das Lehrprojekt wird im Rahmen des Qualitätspakts Lehre vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) durch den PerLe-Fonds für Lehrinnovation gefördert.

Die erste Stunde sei schon sehr spannend gewesen, berichtet Martin, dem es selbst »sehr viel Spaß macht, mit Wasser zu spielen und Experimente zu gestalten«. Statt Frontalunterricht gab es interaktive Arbeit in kleinen Gruppen, die mit viel Elan getestet haben, ob sich der Drehteller auch mit der Hand bewegen lässt (»nein, die Geschwindigkeit ist nicht gleichmäßig genug«) und ob Töpfe oder Vasen für diese Experimente als Alternative zum Tank geeignet sind (»nein, nur unzureichend«). Dreht sich der Teller und mit ihm das Wasser nicht, verteilt sich die hineingetropfte Farbe im Wasser wie eine Wolke, »ähnlich wie Sahne im heißen Tee«, so Martin. Dreht sich der Teller hingegen gleichmäßig, entsteht ein Wirbel – ähnlich den Eddies im Golfstrom. »Um diesen Unterschied zu erklären, gibt es eine Formel, das Taylor-Proundman-Theorem. Und das lässt sich einfacher verstehen, wenn man den Wirbel selbst erzeugt hat«, ist er sich sicher. Den Studierenden jedenfalls hat die andere Form von Unterricht gut gefallen. Die Übung wird zwar überwiegend theoretisch bleiben – »letztendlich sollen die Studierenden ihre Prüfungen bestehen« – doch weitere Experimente sollen folgen. Damit auch andere Studierende davon etwas haben, gibt es eine digitale Dokumentation der Experimente im projekteigenen Blog.

Autorin: Jennifer Ruske

Zum Weiterlesen: www.oceanblogs.org/teachingoceanscience

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