• No results found

Handreiking voor docenten

Zonder te pretenderen compleet te zijn of alle mogelijke misvattingen bij leerlingen te voorkomen volgt hieronder een korte handreiking voor docenten die de lessenserie gaan gebruiken.

Afstemming met andere vakken

Dit lesmateriaal bouwt voort op natuurkundige basiskennis over resonantie, trillingen,

elektromagnetische straling en absorptie en emissie van die straling. Die kennis moet van tevoren aanwezig zijn bij leerlingen. Het is dus belangrijk dit goed af te stemmen met de natuurkundesectie. De kennis van de interactie tussen een elektromagnetisch veld en een bewegende lading (een vibrerend dipool) valt onder de noemer ‘elektrodynamica’ en wordt niet behandeld in het

natuurkunde curriculum. Deze lessenserie geeft op dat gemis geen antwoord maar werkt er omheen. Aan de andere kant beoogt deze serie voor te bereiden op NLT-modules over klimaatverandering, die moeten dus juist nog niet behandeld zijn. Ook hier is afstemming vereist.

Plaats in het programma

De stof kan pas goed worden begrepen als ook Lewisstructuren en daarmee de driedimensionale vormen en ladingsverdeling (vrije elektronenparen) van moleculen zijn behandeld (dus in 5 VWO) en kan worden herhaald tijdens de behandeling van duurzame chemie (dus in 6 VWO) waarbij de context van opwarming van de aarde direct relevant is.

Valkuilen, lastige begrippen en mogelijke misconcepten bij leerlingen

Naast de in de lessen expliciet benoemde bekende misconcepten (o.a. natuurlijk vs. versterkt broeikaseffect, ozon in de troposfeer vs. ozonlaag, etc.) is het belangrijk zorgvuldig om te gaan met:

 Warmte en moleculen: moleculen zijn of worden niet warm of koud maar absorptie van straling leidt tot kinetische energie (vibratie) die weer kan worden doorgegeven door emissie of botsing

 Terugkaatsing en absorptie/emissie: wolken en ijs kaatsen zonlicht terug waarbij de golflengte van de straling niet verandert. Het donkere aardoppervlak absorbeert zonlicht (zichtbaar licht) en emitteert IR-straling, waarbij de golflengte dus wel verandert. Broeikasgassen absorberen en emitteren straling van een bepaalde energie (golflengte verandert niet)

 Omdat de meeste plaatjes en applets straling beschrijven in termen van golflengte (micrometers) wordt het begrip frequentie zoveel mogelijk vermeden om verwarring te voorkomen. Dat maakt het lastig om te spreken van eigenfrequentie van een vibratie die resoneert met bepaalde straling met diezelfde frequentie. Waar het gaat over gekwantificeerde absorptie van straling door moleculen wordt gesproken van ‘vrijwel dezelfde energie’ en ‘extra vibreren’

 Alleen symmetrische 2-atomige moleculen zoals O2 en N2 hebben geen (tijdelijk) dipool en absorberen geen IR-straling. Alle moleculen die bestaan uit drie of meer atomen kennen een tijdelijk dipool in bepaalde asymmetrische vibratie-toestanden, of hebben een permanent dipool en absorberen IR-straling. De hiervoor benodigde theorie van elektrodynamica wordt bij

natuurkunde niet onderwezen en het voert te ver om dat binnen deze lessenserie te behandelen

 Behalve de besproken absorptiepieken kennen de (laboratoria) spectra van de meeste moleculen nog meer pieken door ‘overtonen’. Deze pieken liggen echter veelal buiten de bandbreedte van de straling die de aarde emitteert en zijn dus zoveel mogelijk weggelaten uit het lesmateriaal

19 februari 2020 31

 Bij het gebruik van de PHET en KVCS applets is het van belang te benadrukken dat moleculen ook in hun rusttoestand nooit stil staan en wel degelijk in beweging zijn, die (asymmetrische)

beweging leidt tot een vibrerend dipool waardoor de straling kan worden geabsorbeerd

 Bij het gebruik van het MODTRAN model is het goed om te benadrukken dat de schaal op het plaatje in het lesmateriaal omgedraaid is, de golflengte neemt af van links naar rechts, bij het modelleren zelf kunnen leerlingen de schaal zelf instellen

 Meer moleculen (een hogere concentratie van bijvoorbeeld CO2 in de atmosfeer) leidt tot meer absorptie en dus een sterker broeikaseffect. Dit blijft zo, ook als alle IR-straling van een bepaalde golflengte is geabsorbeerd (d.w.z. de band is verzadigd) doordat vervolgens straling net buiten die golflengte ook wordt geabsorbeerd (piekverbreding). Omdat CO2 al in een relatief hoge concentratie aanwezig is, is het effect van verdere toename niet meer zo groot. Dit in tegenstelling tot bijvoorbeeld methaan waarvan de concentratie nog relatief laag is en een toename een grote impact (stralingsforcering) heeft

 De troposfeer is een dynamisch systeem waarin de door broeikasgassen geabsorbeerde warmte door botsingen en door emissie van laag naar laag wordt overgedragen, zie eindsamenvatting

 De stralingsforcering die in de laatste figuur wordt getoond (IPCC AR5: radiative forcing of climate 1750 and 2011) komt neer op ca. 2 Watt per m2, oftewel ongeveer 1% van de

‘natuurlijke’ stralingsbalans. Dit effect is al genoeg voor de opwarming van de aarde. In hetzelfde plaatje worden naast broeikasgassen en aerosolen ook andere veel geringere factoren genoemd die in het lesmateriaal niet aan de orde komen. Daarnaast is uit de mate van zekerheid af te lezen dat vooral over aerosolen nog behoorlijk veel onzeker is

 Aerosolen worden in het lesmateriaal aangestipt als voorbeeld van een gevolg van menselijke activiteit die juist tot minder opwarming leidt. Dit onderwerp dient er vooral voor om de complexiteit aanschouwelijk te maken en niet zozeer om in detail te worden begrepen (de wetenschap is zover nog niet dat de effecten echt in detail worden doorgrond)

Behalve een apart optioneel kader over ozon is ook een optioneel kader over klimaatontkenning toegevoegd. Hoewel het lesmateriaal zelf zo feitelijk mogelijk is, is de publieke kennis dat niet. Voorbereiding

Naast het bestuderen van de theoretische achtergrond is het verstandig om de verschillende applets en het MODTRAN model zelf ook goed te leren gebruiken.

De samenvatting van Bell (2019) die in vertaling is opgenomen aan het eind van de lessenserie biedt een helder en beknopt overzicht van wat leerlingen idealiter zouden moeten begrijpen uit de lessen. Voor verdere zelfstudie verwijs ik naar de literatuur die in mijn ontwerp is opgenomen. De website van het IPCC was mijn eigen startpunt. Als handboek heb ik veel gebruik gemaakt van het online beschikbare Modern Climate Change Science (Farmer, 2015).

19 februari 2020 32