Hör mal – die Elektronendichte! Didaktische Erschließung eines geo/astrophysikalischen Parameters durch Messung mit einfachen Mitteln, Elementarisierung der Hintergrundtheorie und Lernaufgaben

Abstract

Hätten wir Antennen statt Ohren, so wären wir von einem allgegenwärtigen und immerwährenden Konzert im VLF-Bereich (Very Low Frequency) umgeben, mit "Instrumenten", die von der globalen Gewitteraktivität sowie vom Sonnenwind gespielt werden und von deren Signalen aller Art: z. B. Knistern (Sferics), eine Art Vogelgezwitscher (Tweeks) oder in der Frequenz abfallende Pfeiftöne (Whistlers); siehe [1] für faszinierende Hörbeispiele. Im vorliegenden Artikel wird vorgestellt, wie diese Höreindrücke (i) empfangen und (ii) zur Abschätzung eines mikroskopischen sowie geo/astro-physikalischen Parameters – nämlich zur Bestimmung der Elektronendichte im erdnahen Weltraum – genutzt werden können. Die benötigte Hintergrundtheorie ist für Schule und Lehrerbildung im Allgemeinen zu komplex, weshalb (iii) außerdem ein Zugang entwickelt wurde, der es Lernenden erlaubt, ohne jegliche Vorkenntnisse aus dem Bereich der Magnetohydrodynamik (z. B. Begriffe wie Plasma- oder Gyrationsfrequenz) und allein unter Nutzung von Schulmathematik, die notwendige Berechnungsgleichung (von einem Faktor der Größenordnung 1 abgesehen) zu erschließen.

Darüber hinaus werden eine Reihe weiterer Phänomene des VLF-Bereichs sowie geophysikalische Abschätzungen (z. B. der Ionosphärenhöhe und der Feldlinienlänge) vorgestellt, die in Form von Aufgabenstellungen mit ausführlichen Lösungen präsentiert werden.

Es wird somit in mehreren konkreten Fragestellungen gezeigt, wie zunächst sehr schwer zugänglich erscheinende Größen, weil sie u. a. die atomare Größenskala (Elektronendichte) und tausende von Kilometern entfernte Ereignisse (obere Atmosphäre, erdnaher Weltraum) betreffen, mit einfachen experimentellen und mathematischen Mitteln "vom Boden aus" (in doppeltem Sinne) bestimmt werden können. Damit bietet das Thema ein Beispiel für Grundformen naturwissenschaftlichen Arbeitens (indirekte Messung, Näherungen u. a. m.) anhand eines Gegenstandes der modernen Physik (ab ca. 1950), der von Schülerinnen und Schülern eigenständig untersucht werden kann.