Meet a scientist – Interviews mit Forschenden

Wellen in der Wetterforschung

(empfohlen für 12 bis 18 Jahre; SEK I & II)

Inhalt

Wir untersuchen die Physik des Wetters, d.h. wir fragen uns, wie Wind, Wolken und Regen entstehen und warum das Wetter sich oft so stark ändert, von einem Tag auf den anderen, oder von einem Sommer zum nächsten. Wellen in der Atmosphäre spielen dabei eine sehr wichtige Rolle: Diese Wellen entstehen und vergehen, sie erstrecken sich manchmal um die ganze Welt und sie sind von Auge nicht sichtbar – aber ihre Bewegungen bestimmen das Wetter am Boden und sind deshalb für die Wettervorhersage ganz wichtig.

In unserer Arbeitsgruppe arbeiten wir mit Messdaten, die weltweit von den nationalen Wetterdiensten gesammelt werden, aber noch mehr arbeiten wir mit eigenen Computersimulationen. Die Physik des Wetters ist sehr kompliziert und wir brauchen sehr grosse Computerprogramme und schnelle Hochleistungsrechner, um die Phänomene am Himmel, z.B. die Ausbreitung der Wellen, rechnerisch erfassen zu können. Der Computer ist dabei unser Labor. Mit Simulationen können wir Tiefdruckgebiete entstehen lassen und untersuchen, warum einige so intensiv werden und starke Stürme und Überschwemmungen verursachen – und andere nicht. Diese Simulationen liefern uns sehr viele Daten, die wir oft monatelang am Computer auswerten und interpretieren, bis wir ein Wettersystem besser verstehen. Immer wieder nehmen wir auch an internationalen Feldexperimenten teil, bei denen wir mit speziellen Forschungsflugzeugen und -schiffen an den unterschiedlichsten Orten der Welt neuartige Messungen zu Wetterphänomen sammeln, die wir danach zu Hause wieder im Detail analysieren.

Beim Besuch unserer Forschungsgruppe besprechen wir eure Fragen zum Wetter, zeige ich euch Wellen in Computersimulationen und stelle ich vor, was wir erleben, wenn wir mit Forschungsflugzeugen neue Messungen atmosphärischer Wellen durchführen.

Was Wellen über die Erde verraten

(empfohlen für 12 bis 18 Jahre; SEK II)

Inhalt

Jedes Jahr werden riesige Flächen des Regenwaldes abgeholzt. Das Meereis in der Arktis wird weniger und weniger. In den Schweizer Wäldern leben über 500 Millionen Bäume. Doch woher wissen wir das? Viele dieser Informationen erhalten wir über die Plattformen der Erdbeobachtung, die uns täglich mit unglaublich vielen Daten versorgen – Drohnen, Flugzeuge und Satelliten, die mit einer Vielzahl an unterschiedlichen Sensoren ausgestattet sind. Diese Sensoren arbeiten fast alle mit Licht und können daraus wertvolle Informationen über das Wetter, über das Wachstum der Pflanzen, das Verhalten von Tieren oder die Auswirkungen von Erdbeben und Vulkanaktivitäten extrahieren. Aktuelle Satelliten kann man einfach über das Smartphone «anweisen», dass sie am nächsten Tag von fast jedem beliebigen Ort auf der Erde eine Aufnahme machen – und zwar so genau, dass man problemlos Autos, Bäume und Häuser erkennen kann. Doch was genau ist die Funktionsweise der verschiedenen Satelliten, was gibt es für Sensoren, und wie kommen die Informationen wieder auf die Erde?

In diesem Workshop werden wir spannende Einblicke in die aktuelle Forschung bekommen, das Konzept hinter der Fernerkundung verstehen und verschiedene Satellitensysteme und deren Sensoren kennenlernen. Mit einfachen Photospektrometern werden die Grundprinzipien der Licht-Materie-Interaktion experimentell nachvollzogen und über unterschiedliche Web-Tools werden aktuelle Satellitendaten gesucht, dargestellt und ausgewertet. Darüber hinaus gibt es einen Exkurs zum Thema Sicherheit und Privatsphäre – vom Einsatz von Spielzeugdrohnen bis hin zu Spionage- und Überwachungssatelliten.

Ozeanwellen

(empfohlen für 12 bis 18 Jahre; SEK II)

Inhalt

Erfahrt, wie es sich als Wissenschaftlerin oder Wissenschaftler auf hoher See lebt und wie Roboter (und Tiere) uns helfen, die Weltmeere zu beobachten.

Weitere Details folgen

Hinweis: Dieses Thema wird in einer Kombination aus Deutsch und Englisch durchgeführt.

Mit seismischen Wellen das Innere von Planeten erforschen

(empfohlen für 15 bis 18 Jahre; SEK II)

Inhalt

Am 5. Mai 2018 startete die InSight-Mission mit dem Ziel, das Innere des Mars zu erforschen – indem man mit einem Seismometer Marsbeben detektiert und aufzeichnet. Die Daten werden an die ETH Zürich übermittelt, wo sie vom Marsquake Service (MQS) analysiert werden. Seit dem Januar 2019 hat der MQS über 1’100 Marsbeben detektiert. Viele dieser Beben passieren in einem Grabenbruch namens Cerberus Fossae, 1’500 km östlich unseres Instruments. Aus dieser Beobachtung und daraus, dass dort alte Lavaschichten zu finden sind, vermuten wir, dass sich dort heute ein schlafender Vulkan befindet.

Aus den Signalen können wir ausserdem mehr über den tiefen Untergrund des roten Planeten herauszufinden, ohne dass man hineinbohren muss. Zum Beispiel konnten wir in den Daten eines besonders deutlichen Bebens ein "Echo" des Marskerns finden und daraus seinen Durchmesser bestimmen. Da wir wissen, wie schwer der Mars ist, können wir aus der Grösse des Kerns auch schätzen, woraus er besteht. Neben Eisen, wie auf der Erde, muss es auch mehr leichte Elemente geben; eventuell, weil sich der Mars weiter draussen im Sonnensystem gebildet hat. Auch auf der Erde werden Bebenwellen genutzt, um z.B. Rohstoffe zu finden oder die Stabilität des Baugrunds zu bestimmen.

Der Mars ist nicht der erste Himmelskörper, der mit Bebenwellen durchleuchtet wurde. Auf dem Mond wurden während der Apollo-Missionen in den späteren 1960er und frühen 1970er Jahren sowohl natürliche Beben gemessen als auch Einschläge von Raketenstufen. In den kommenden Jahren werden ESA und NASA hoffentlich zum Mond zurückkehren, um dort auch neue Regionen, zum Beispiel den Südpol, wo es Wasser geben könnte, zu erforschen.

Bei einem Besuch wird gezeigt, wie man in der Schweiz Erdbeben misst und was man dafür machen muss, dasselbe auf einem anderen Planeten zu tun.

Meteorite und die Entstehung des Sonnensystems

(empfohlen für 12 bis 18 Jahre; SEK I & II)

Inhalt

Das Universum dehnt sich kontinuierlich aus. Es war gestern also kleiner als es heute ist. Daraus kann man berechnen, dass vor 14 Milliarden Jahren alle Materie in einem Punkt zusammengepresst sein musste. Unser Universum wurde geboren, nachdem diese Masse explodierte (Urknall). Vor dem Urknall war das Universuch unendlich klein, unendlich heiss und unendlich schwer. Raum und Zeit hatten noch keine Bedeutung. Erst durch die darauffolgende Abkühlung des Universums entstand Materie, Raum und Zeit, so wie wir sie heute kennen.

Anhand von Meteoriten kann man viel über das Sonnensystem und dessen Entstehung herausfinden. Meteoriten entstehen meist aus Asteroiden. Diese kreisen vorwiegend zwischen Mars und Jupiter um die Sonne und bestehen aus Gestein. Zerbrechen sie und verlassen ihre Trümmer den Asteroidengürtel, spricht man von Meteoroiden. Asteroide sind nicht mit Kometen zu verwechseln. Diese stammen vom äusseren Rand des Sonnensystems und sind vor allem aus Eis und Staub aufgebaut. Tritt ein Meteoroid in die Erdatmosphäre ein, nennt man ihn Meteor. Durch Reibung mit der Luft wird der Meteor aufgeheizt und beginnt zu glühen, eine Sternschnuppe entsteht. Die meisten Meteore verglühen vollständig. Bruchstücke, die dennoch die Erde erreichen, heissen Meteorite. Es sind aber nicht alle Meteorite gleich – jeder erzählt seine eigene Geschichte.

Es gibt differenzierte Meteorite, die aus Asteroiden entstehen, die einst aufgeheizt wurden und deshalb einen Schalenbau besitzen: einen Mantel aus Stein und einen Kern aus Eisen, dazwischen die Kern-Mantel Grenze. Findet man auf der Erde nun einen differenzierten Meteoriten, so besteht er entweder aus einem Stück Mantel des Asteroiden (Steinmeteorit), einem Stück Kern (Eisenmeteorit) oder einem Stück, das den Übergang von Mantel zu Kern aufzeigt (Stein-Eisen-Meteorit).

Es gibt auch undifferenzierte Meteorite, welche aus Asteroiden entstehen, die nicht aufgeheizt wurden und daher keinen Schalenaufbau aufweisen. Sie sind seit ihrer Entstehung unverändert geblieben und sind somit kosmische Zeitkapseln. Ein Meteorit, der aus einem nicht aufgeheizten Asteroiden entsteht, nennen wir Chondrit.

Die Meteoriten können im Edelgaslabor der ETH Zürich analysiert werden und verraten so, ob der Stein ausserirdisch ist und wie lange er durchs All geflogen ist. Im Asteroidengürtel kommt es immer wieder zu gewaltigen Kollisionen zwischen Asteroiden. Dabei entstehen grosse Mengen kosmischen Staubs sowie Gesteinstrümmer, die auch auf die Erde treffen können. Im Edelgaslabor werden nicht nur Meteorite auf ihre Herkunft untersucht, sondern auch der Kollisionsstaub. Im Edelgaslabor verdampft man mithilfe eines Lasers die handverlesenen Staubkörnchen und misst verschiedene Isotope, wie z.B. die von Helium. Dabei erhält man ein Isotopenverhältnis, das man mit dem der Erdatmosphäre vergleichen kann, um zu bestimmen, ob das untersuchte Material wirklich aus dem All kommt oder doch von der Erde selbst stammt.

Die Schülerinnen und Schüler (SuS) können Berufswelten erkunden und Berufe nach ausgewählten Kriterien beschreiben.

Die SuS können…

g) … Frauen und Männer zu ihrer Berufsarbeit befragen und die Bedeutung der Berufsarbeit für das familiäre Leben erkennen.

Die SuS können Wege zur Gewinnung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse beschreiben und deren kulturelle Bedeutung reflektieren.

Die SuS können…

b) … können sich angeleitet über die Nachhaltigkeit von naturwissenschaftlich-technischen Anwendungen informieren sowie Chancen und Risiken diskutieren (z.B. Verbrennungsmotoren, Kernenergie, Herstellung von Düngemittel, Computer).

d) … generalisieren, wie naturwissenschaftliche Erkenntnisgewinnung abläuft, welchen Prinzipien sie unterliegt und diese nicht naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung gegenüberstellen.

Die SuS können Naturphänomene und Naturereignisse erklären.

Die SuS können…

d) … Naturlandschaften und Spuren von Naturereignissen an ausserschulischen Lernorten erkennen und untersuchen.

Die SuS können sich an ausserschulischen […] Bildungsorten zurechtfinden und sie zum Lernen nutzen.

Die SuS können…

a) … nach einem Museumsbesuch einen Ausstellungsgegenstand beschreiben und dazu eine Geschichte erzählen.

d) … Mitschülerinnen/Mitschüler durch einen Teil eines Museums […] führen und dabei ausgewählte Gegenstände bzw. Orte erklären.

Methodische Kompetenzen

• Die SuS können Informationen aus Beobachtungen und Experimenten, aus dem Internet, aus Büchern und Zeitungen, aus Texten, Tabellen und Statistiken, aus Grafiken und Bildern, aus Befragungen und Interviews suchen, sammeln und zusammenstellen.
• Die SuS können die gesammelten Informationen strukturieren und zusammenfassen und dabei Wesentliches von Nebensächlichem unterscheiden.
• Die SuS können Lern- und Arbeitsprozesse durchführen, dokumentieren und reflektieren.

Soziale Kompetenzen

• Die SuS können sich aktiv und im Dialog an der Zusammenarbeit mit anderen beteiligen.
• Die SuS können aufmerksam zuhören und Meinungen und Standpunkte von andern wahrnehmen und einbeziehen.
• Die SuS können sachlich und zielorientiert kommunizieren, Gesprächsregeln anwenden und Konflikte direkt ansprechen.

Personale Kompetenzen

• Die SuS können eigene und andere Meinungen und Überzeugungen auf zugrunde liegende Argumente (Fakten, Interessen, Werte) hin befragen.

NMG.4.5

Die SuS können Erscheinungen auf der Erde und Bewegungen von Himmelskörpern wahrnehmen, beschreiben und erklären.

Die SuS können…

e) … Phänomene zu Erde, Mond, Planeten, Sonne und Sterne auf einfache Modelle übertragen und dabei Merkmale und Zusammenhänge zu Bewegungen sowie räumlichen und zeitlichen Situationen beschreiben, erklären und verknüpfen.

f) … zu ausgewählten Fragen zu Erde, Himmelskörpern und Universum Informationen erschliessen, Sachverhalte untersuchen sowie Erkenntnisse zusammenstellen, ordnen und darstellen (z.B. zu Galaxien, Sternen, Sternbildern, Planeten, Kometen, zu Raum und Zeit im Universum, zu bedeutenden Astronominnen und Astronomen).

RZG.1.3.c

Die SuS können die Auswirkungen von Naturereignissen auf Lebenssituationen von Menschen und auf die Umwelt benennen und einschätzen.

NMG 4.5

Die SuS können Erscheinungen auf der Erde und Bewegungen von Himmelskörpern wahrnehmen, beschreiben und erklären.

Die SuS können…

f) … zu ausgewählten Fragen zu Erde, Himmelskörpern und Universum Informationen erschliessen, Sachverhalte untersuchen sowie Erkenntnisse zusammenstellen, ordnen und darstellen (z.B. zu Galaxien, Sternen, Sternbildern, Planeten, Kometen, zu Raum und Zeit im Universum, zu bedeutenden Astronominnen und Astronomen).

RZG.1.3.b

Die SuS können sich über aktuelle Naturereignisse informieren und deren Ursachen erklären.

NMG.4.5

Die SuS können Erscheinungen auf der Erde […] wahrnehmen, beschreiben und erklären.

Die SuS können…

f) … zu ausgewählten Fragen zu Erde, Himmelskörpern und Universum Informationen erschliessen, Sachverhalte untersuchen sowie Erkenntnisse zusammenstellen, ordnen und darstellen (z.B. zu Galaxien, Sternen, Sternbildern, Planeten, Kometen, zu Raum und Zeit im Universum, zu bedeutenden Astronominnen und Astronomen).

NT.6.3

Die SuS können optische Phänomene untersuchen.

Die SuS können…

e) … die Entstehung der Abbildung in/mit optischen Geräten mithilfe des Strahlengangmodells erklären.

RZG.4.2

Die SuS können Karten und Orientierungsmittel auswerten.

Die SuS können…

a) … verschiedene Kartendarstellungen (z.B. euro- oder polzentriert, verzerrte Kartogramme) beschreiben und vergleichen.

b) … verschiedene Karten und Orientierungsmittel zur Beantwortung von Fragestellungen nutzen und auswerten.

NMG.4.4

Die SuS können Wetterphänomene beobachten, sich über Naturereignisse informieren sowie entsprechende Phänomene und Sachverhalte erklären.

Die SuS können…

1d) … Wetterphänomene und typische Merkmale dazu beschreiben, verschiedenen Jahreszeiten zuordnen sowie mit eigenen Erfahrungen und Beobachtungen verbinden (z.B. Wolken, Wind, Niederschlagsformen, Temperaturveränderungen).

1f) … Wetterprognosen lesen, Merkmale zu Wetterlagen einordnen und für die Planung eigener Vorhaben nutzen (z.B. Freizeit, Schulreise).

1g) … ausgewählten Fragen, Merkmalen und einfachen Zusammenhängen zu Wetter und Witterung nachgehen, Ergebnisse strukturieren und einordnen sowie Vorstellungen dazu modellartig darstellen (z.B. zu Wetterfronten, Gewitter).

RZGZ.1.2

Die SuS können Wetter und Klima analysieren.

Die SuS können…

b) … Grosswetterlagen und grossräumige Windsysteme benennen und die daraus entstehenden typischen Wetterabläufe erklären.

c) … sich über den Klimawandel informieren, Ursachen erläutern und Auswirkungen des Klimawandels auf verschiedene Regionen der Welt, insbesondere die Schweiz, einschätzen.