Eine Milliarde Kilometer von der Sonne entfernt umkreist ein winziger Mond namens Enceladus den Saturn. Enceladus ist eines der hellsten Objekte im Sonnensystem. Vermutungen zufolge sollen sich auf ihm Ozeane mit heißem, flüssigem Wasser befinden. Könnte Enceladus demnach Heimat für außerirdisches Leben sein?Durch Hinweise der Weltraumsonde Cassini vermutet man Ozeane heißen Wassers auf Saturns Eismond Enceladus. Könnte sich in diesen Ozeanen außerirdisches Leben befinden? In dieser Unterrichtseinheit wenden die Lernenden ihr Wissen über das Verhalten von Wasser in flüssigem und gefrorenem Zustand an, um die Beweise für oder gegen die Existenz flüssigen Wassers auf Enceladus abzuwägen. Anschließend entscheiden sie, ob es sinnvoll ist, eine zweite Raumsonde ins Weltall zu schicken, die nach außerirdischem Leben auf diesem Eismond sucht. Bezug zum Lehrplan Wissenschaftliches Arbeiten Experimentelle Fähigkeiten und Recherchen: Interpretation von Beobachtungen und weiteren Daten und Darstellung begründeter Erklärungen Physik Materie: Die Unterschiede der Partikelanordnungen erklären Zustandsänderungen, Form und Dichte sowie die Dichteanomalie von Eiswasser. Chemie Partikel: Beschreibung der wichtigsten Merkmale des Partikelmodells in Bezug auf Zustände der Materie. Ablauf Ablauf der Unterrichtseinheit "Enceladus" Der Ablauf der Unterrichtssequenz "Gibt es Leben auf Enceladus?" ist auf dieser Seite übersichtlich für Sie zusammengestellt. Die Schülerinnen und Schüler lernen, wie durch Partikelanordnungen die Eigenschaften flüssigen Wassers und Eis erklärt werden können. bewerten die Bedeutung eines Beweises für eine Schlussfolgerung. Über das Projekt Das Projekt ENGAGE ist Teil der EU Agenda "Wissenschaft in der Gesellschaft zur Förderung verantwortungsbewusster Forschung und Innovation" (Responsible Research and Innovation, RRI). ENGAGE Materialien werden durch das von der Europäischen Kommission durchgeführte Projekt ENGAGE als Open Educational Resources herausgegeben. Erste Aufgabe Zeigen Sie Folie 2 der PowerPoint-Präsentation (PPT), um Enceladus vorzustellen, ein Mond des Saturns. Die Schülerinnen und Schüler sollen paarweise Vermutungen anstellen, warum der Mond so hell ist. Bitten Sie um Feedback. Zeigen Sie Folie 3 der PPT und erklären Sie, dass die eisige Oberfläche von Enceladus 99 Prozent des Sonnenlichts reflektiert, das auf ihm ankommt. Aus diesem Grund erscheint er so hell. Eruieren Sie den Schmelzpunkt des Wassers auf der Erde (0 ºC) und bitten Sie die Schülerinnen und Schüler um Vorschläge, wo sich das flüssige Wasser auf Enceladus befinden könnte. Überprüfen Sie, ob die Lernenden den Unterschied der Partikelanordnung in einer typischen Substanz in ihrem festen und flüssigen Zustand kennen. Zeigen Sie Folie 4 der PPT, um eine Theorie über die Ursprünge des Lebens auf der Erde zu präsentieren. Könnten auf Enceladus ähnliche Quellen unterhalb der Wasseroberfläche vorkommen? Könnte sich auf diesem Mond außerirdisches Leben befinden? Wenn Sie möchten, können Sie einen Videoclip über Enceladus und sein Potential für die Entwicklung von Leben zeigen. Stellen Sie anschließend die Lernziele auf Folie 5 der PPT vor. Beweise zuordnen Zeigen Sie Folie 6 der PPT und erzählen Sie den Schülerinnen und Schülern von Cassini, einer Roboter-Weltraumsonde, die seit 2004 täglich einen Datenstrom aus dem System des Saturns schickt. Die Folie stellt zwei Schlussfolgerungen dar, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus diesen Daten gewonnen haben. Zeigen Sie Folie 7 der PPT und definieren Sie die Aufgabe. Die Schülergruppen analysieren die im Klassenzimmer aufgehängten Beweiskarten (SI1a-h) und entscheiden, welcher Beweis für oder gegen die Schlussfolgerung, es gäbe heißes Wasser auf Enceladus, spricht. Sie sollen den Titel jeder Beweiskarte in eines der Kästchen auf Folie SI2 schreiben. Die vorgeschlagenen Antworten lauten: Beweis für die Schlussfolgerung - A, B, C, E, F, H Beweis gegen die Schlussfolgerung - D, G Bearbeitung der Aufgaben Die Schülergruppen lösen nun Aufgabe 3 auf Folie 7 der PPT. Es existiert nicht die eine richtige Antwort - es liegt an den Lernenden, die Beweise für sich selbst abzuwägen. Einzelne Schülerinnen und Schüler können Aufgabe 4 auf Folie 7 der PPT lösen, um eine Bewertung für individuelles Lernen zu erhalten. Zeigen Sie Folie 8 der PPT. Die Schülergruppen oder die gesamte Klasse sollen darüber diskutieren, ob es sich lohnt, eine weitere Weltraumsonde auf Enceladus landen zu lassen, um nach außerirdischem Leben zu suchen. Während der Diskussion werden weitere Fragen auftauchen, wie zum Beispiel: Welchen Nutzen hätte es für verschiedene Personengruppen, wenn sich auf Enceladus Lebewesen befinden? Wie viel kostet es, eine Raumsonde zu diesem Mond zu schicken? Wann könnten Wissenschaftler mithilfe der Daten der Raumsonde diese Frage beantworten?

In der Unterrichtseinheit "Saturn" nehmen die Lernenden den Ringplaneten unter Beobachtung. Die Observation der Saturnringe mit eigenen Augen hinterlässt einen bleibenden Eindruck. Auch der außergewöhnliche Mond Titan kann mit einfachen Mitteln gesichtet werden. Ein Blick auf den Gasriesen lohnt sich besonders während der Monate um die jährlichen Oppositionen. Mit dem Erscheinungsbild des Saturn und seines eindrucksvollen Ringssystems sind wir bestens vertraut: Im Internet und in Fernsehsendungen begegnen uns immer wieder Bilder der Raumsonden Voyager und Cassini. Und trotzdem löst der Blick mit dem eigenen Auge auf das Original - auch in vergleichsweise kleinen Amateurgeräten - Verwunderung, Überraschung und Faszination aus. Zur Vorbereitung und Auswertung von Saturn-Beobachtungen steht eine ganze Palette digitaler Werkzeuge kostenfrei zur Verfügung. Der fachliche Hintergrund kann mithilfe von Internetrecherchen und interaktiven Online-Anwendungen im Computerraum oder am heimischen Rechner abwechslungsreich und auch spielerisch vertieft werden. Informationen zur Sichtbarkeit des Planeten am Abendhimmel finden Sie unter Links und Literatur . Zur Vorbereitung der Beobachtung können mithilfe kostenfreier Planetarium-Software (z.B. Stellarium ) Simulationen durchgeführt und Sternkarten ausgedruckt werden. Die Beschäftigung mit dem Thema Saturn kann im Rahmen einer Astronomie AG oder des Differenzierungsunterrichts methodisch und inhaltlich sehr vielseitig gestaltet werden: Neben Internetrecherchen und der Nutzung des Rechners als Werkzeug gilt es die positiven Effekte eines gemeinsamen Naturerlebnisses mitzunehmen. Inhaltlich spannt sich der Bogen von den Beobachtungen und Zeichnungen Galileo Galileis (1564-1642) und Christiaan Huygens' (1629-1695) bis hin zur Landung einer Sonde auf der Oberfläche des Saturnmonds Titan im Jahr 2005 und den Ergebnissen der Cassini-Mission. Beobachtung der Saturnringe Was sieht man von den Ringen mit welcher Ausrüstung? Wie entstehen die verschiedenen Ringstellungen? Welche Ausstattung benötigt man für fotografische Dokumentationen? Der Saturnmond Titan Titan ist bereits mit leichtem Gerät sichtbar. Er ist der einzige Mond des Sonnensystems mit einer Atmosphäre. Dies macht ihn zum Spekulationsobjekt der Exobiologie. Virtuelle Exkursionen Mit Online-Anwendungen von ZDF und NASA können Schülerinnen und Schüler das Saturnsystem virtuell erkunden. Eigene Beobachtungen werden mit Stellarium vorbereitet. Die Schülerinnen und Schüler beobachten gemeinsam den Abendhimmel und finden mithilfe einer Aufsuchkarte (Planetariumsoftware) den Planeten Saturn. sehen mithilfe eines Spektivs (wie es zum Beispiel Hobby-Ornithologen verwenden) oder eines Amateurteleskops (Schulteleskop, Volkssternwarte) das Ringsystem des Planeten mit eigenen Augen. verstehen die Entwicklung der Ringöffnung im Laufe eines Saturnjahres und schulen so ihr räumliches Vorstellungsvermögen. identifizieren den Saturnmond Titan am Himmel und lernen die Ergebnisse der Huygens-Mission kennen. wissen, was Galileo Galilei (1564-1642) und Christiaan Huygens (1629-1695) mit den Teleskopen ihrer Zeit gesehen und wie sie ihre Beobachtungen interpretiert haben. informieren sich mithilfe von Internetrecherchen und interaktiven Online-Anwendungen über Saturn und Titan, seinen größten Mond. lernen Stellarium und Bildbearbeitungssoftware als Werkzeuge zur Vorbereitung kennen und nutzen diese. Zudem erlernen sie die Dokumentation und Auswertung astronomischer Beobachtungen. Der Besuch einer Volkssternwarte lohnt sich! Betrachtet man den gelblich leuchtenden Saturn in einem fest montierten Fernglas bei 15-facher Vergrößerung, kann man bei entsprechender Ringstellung bereits eine elliptische Form erkennen. Im Jahr der Veröffentlichung dieses Artikels hat sich sich dieser Effekt allerdings nicht eingestellt, denn zur Zeit der Opposition im Jahr 2010 beträgt die Ringöffnung nur 3,2 Prozent. Bei 40-facher bis 60-facher Vergrößerung sieht Saturn dann daher wie ein "Durchmesser-Symbol" aus - das Ringsystem erscheint als Strich. Dieser Anblick lässt sich bereits mit einem guten Spektiv erzielen, wie es von Hobby-Ornithologen verwendet wird. Eine Volkssternwarte in Ihrer Nähe finden Sie mithilfe des German Astronomical Directory: German Astronomical Directory (GAD) Hier finden Sie eine Zusammenstellung astronomischer Vereine, Sternwarten und Planetarien von David Przewozny. Geringe Ringöffnung Eine "Kantstellung" der Ringe macht sich durch eine relativ geringe Leuchtkraft des Planeten in diesem Jahr bemerkbar: Bei maximal geöffneten Ringen reflektieren diese 1,5 Mal soviel Licht wie das Planetenscheibchen selbst, das im Jahr 2010 mehr oder weniger auf sich allein gestellt ist. Bei weit geöffneten Ringen ist die Cassini-Teilung mit Amateurteleskopen, wie sie Schul- oder Volkssternwarten zur Verfügung stehen, unter sehr guten Bedingungen zu erkennen (150- bis 200-fache Vergrößerung). Abb. 1 zeigt eine Aufnahme des Saturns von Thomas Borowski mit einem Amateurteleskop (Februar 2009, 150 Millimeter Fernrohröffnung, 4.800 Millimeter Brennweite). Zum Zeitpunkt der Aufnahme präsentierte uns Saturn sein Ringsystem in "Kantstellung". Form und Atmosphäre Eine Kantstellung der Ringe begünstigt die Wahrnehmung der abgeplatteten Gestalt des Planeten (siehe Abb. 1). Diese ist eine Folge der Kombination aus geringer mittlerer Dichte (in Wasser würde Saturn schwimmen) und schneller Rotation (ein Saturntag dauert weniger als elf Stunden). Der Äquatordurchmesser beträgt 120.000 Kilometer, der Poldurchmesser nur 108.000 Kilometer. Wolkenbänder sind in kleineren Amateurgeräten (ohne Bildbearbeitung) nicht zu erkennen. Das heißt aber nicht, dass es in der Saturnatmosphäre ruhig zugeht - hier treten Windgeschwindigkeiten von 1.800 Kilometern pro Stunde auf! Das Ringsystem des Saturns ist um etwa 27 Grad zur Bahnebene des Planeten geneigt. Da die Ringe "raumfest" sind, präsentieren sie sich uns während einer Sonnenumrundung des Planeten - die etwa dreißig Erdenjahre in Anspruch nimmt - aus ganz unterschiedlichen Perspektiven. Dies wird durch die Fotoserie in Abb. 2 deutlich. Die Bilder zeigen verschiedene Ringstellungen, die das Hubble-Weltraumteleskop in den Jahren 1996 bis 2000 aufgenommen hat. Die verschiedenen Etappen, über die ein kompletter Ringzyklus verläuft, werden in der folgenden Aufzählung kurz skizziert. Etwa alle 15 Jahre schließen sich dabei die Ringe, sodass wir von der Erde aus auf ihre "Kante" blicken. Für eine kurze Zeit scheinen Sie dann zu verschwinden. Der Wechsel der Ringstellungen verläuft über folgende Etappen: Der Planet wendet uns seine Südhalbkugel maximal zu. Seine Ringe sind maximal geöffnet. Etwa 7,5 Jahre später blicken wir auf die Ebene der Ringe, die dann nur als Strich erscheinen und für kurze Zeit verschwinden. Nach weiteren etwa 7,5 Jahren wendet uns der der Planet seine Nordhalbkugel maximal zu, und die Ringe erscheinen wiederum weit geöffnet. In den nächsten Jahren schließen sich die Ringe für uns wieder, bis wir nach 7,5 Jahren wiederum ihre Kante betrachten. Danach öffnen sie sich und nach dreißig Jahren ist ein "Ringzyklus" vollendet: Saturn wendet uns wieder seine Südhalbkugel bei maximal geöffneten Ringen zu. Dokumentation der Eigenbewegung des Planeten Mit einer einfachen Digitalkamera und einer kostenfreien Bildbearbeitungssoftware können Schülerinnen und Schüler die Eigenbewegung des Planeten vor dem Fixsternhimmel dokumentieren. Abb. 3 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt ein mögliches Teilergebnis: Drei Einzelbilder (in diesem Beispiel erstellt mit einer Planetarium-Software) wurden zu einem Bild addiert, das drei Positionen des Saturns unterhalb des Sternbilds Löwe zeigt (Simulation für das Jahr 2009). Durch eine entsprechende Fotoserie lässt sich eine Spur erzeugen, die die Bewegung des Planeten über mehrere Wochen oder Monate zeigt. Praktische Hinweise zur Bedienung der Digitalkamera und eine kurze Anleitung, wie aus den Einzelfotos die Spur des Saturns mit der kostenfreien Software Fitswork rekonstruiert werden kann, finden Sie in dem folgenden Beitrag: Saturn-Portraits Wer Gelegenheit hat, mit einem Schulteleskop oder in Zusammenarbeit mit einer Volkssternwarte Saturn bei 150- bis 200-facher Vergrößerung zu fotografieren oder zu filmen, kann die kostenfreie Software RegiStax nutzen, um aus einer Vielzahl von Einzelbildern ein optimiertes Summenbild zu berechnen. Dieses bringt Einzelheiten zum Vorschein, die beim Blick durch das Teleskop nur andeutungsweise oder gar nicht erkennbar sind. Abb. 4 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt ein in RegiStax geladenes Einzelfoto des Planeten. Nach dem Abschluss des so genannten "Stacking" ("Stapeln" von Bildern) sind die Cassini-Teilung sowie Wolkenbänder deutlich erkennbar (Abb. 5). Eine ausführliche Beschreibung der entsprechenden Arbeitschritte mit Screenshots finden Sie in diesem Artikel: Das gute alte Zeichnen trainiert wie kaum eine andere Übung die naturwissenschaftliche Grundfertigkeit des genauen Beobachtens. Das Zeichnen zwingt uns, wirklich genau hinzusehen und ermöglicht die Wahrnehmung vieler Details, die dem in der Regel flüchtigen ersten Blick fast immer entgehen. Zeichenstunden am Teleskop Lernende auf den Spuren Galileis: Objekte werden studiert und die naturwissenschaftlichen Grundtechniken des genauen Beobachtens und Protokollierens geübt. Im Rahmen der Beschäftigung mit dem Thema Saturn sollten die Schülerinnen und Schüler auch die Meilensteine der Saturnforschung kennen lernen und insbesondere wissen, was Galileo Galilei (1564-1642) und Christiaan Huygens (1629-1695) mit den Teleskopen ihrer Zeit gesehen und wie sie ihre Beobachtungen interpretiert haben. Informationen dazu bieten die folgenden Internetseiten: astronomy2009.org: Darstellung der Venusphasen von Galileo Galilei Die Darstellung von 1623 zeigt Saturn, Jupiter, Mars und die Phasen der Venus (aus: Il saggiatore, In Roma, appresso Giacomo Mascardi). Galilei deutete die Ringe als "Henkel". Astrolexikon: Die Erforschung des Saturn Meilensteine in der Saturnforschung; hier finden Sie unter anderem eine Skizze von Christiaan Huygens, der als erster die Natur der Saturnringe verstand. Titan ist schon in einem lichtstarken Feldstecher als leicht rötlicher Begleiter des Ringplaneten zu sehen. Mit einem Durchmesser von 5.150 Kilometern ist er nach dem Jupitermond Ganymed der zweitgrößte Mond im Sonnensystem. Auch die anderen größeren Saturnmonde, wie Dione und Rhea, sind für mittlere Amateurteleskope kein Problem. Insgesamt kennt man heute etwa 60 Saturntrabanten. Die Positionen der fünf hellsten Saturnmonde kann man über ein Applet auf der Webseite der Western Washington University für jeden gewünschten Zeitpunkt anzeigen lassen: Western Washington University Planetarium Das Java-Applet zeigt die Position der fünf größten Saturnmonde. Beachten Sie die verschiedenen Darstellungsmöglichkeiten („Direct view“, Inverted view“, „Mirror reversed“). Einzigartige Atmosphäre Titan ist der einzige Mond in unserem Sonnensystem, der eine dichte Atmosphäre besitzt. Auf seiner Oberfläche herrscht mit 1,5 bar ein höherer Druck als auf der Erde. Wie die Atmosphäre der Erde besteht die von Titan hauptsächlich aus Stickstoff. Der orangefarbene Nebel, der den Mond verhüllt (Abb. 6), enthält zudem einen interessanten Cocktail verschiedener organischer Verbindungen. Sauerstoff ist in der Atmosphäre praktisch nicht vorhanden. Da diese Bedingungen denen auf der Urerde ähneln könnten, ist Titan ein interessantes Spekulationsobjekt für die Exobiologen. Über erste Schritte einer "chemischen Evolution" wird Titan aufgrund der niedrigen Temperaturen (etwa -170 Grad Celsius) aber nicht hinausgekommen sein. Leben, wie wir es kennen, kann dort nicht existieren. Die Erkundung der Oberfläche Im Rahmen der Cassini-Huygens-Mission von NASA und ESA wurde im Januar 2005 der Lander Huygens auf der Titanoberfläche abgesetzt. Dieses Projekt gewährte erstmals einen Blick auf die Oberfläche des Mondes im sichtbaren Licht. Während des turbulenten Abstiegs an Fallschirmen gab der Dunst erst ab einer Höhe von 20 Kilometern den Blick frei auf eine vielfältig interpretierbare Landschaft mit küstenartigen Formationen, Abflussgräben, mäandrierenden Flusssystemen oder Dünenformationen. Bilder vom Landeplatz (Abb. 7) kommen uns "vertraut" vor: Die Ebene mit zahlreichen Brocken erinnert an die Marsoberfläche. Die Brocken auf dem Titan bestehen jedoch nicht aus Gestein, sondern - wie auch der Boden - aus gefrorenem Wasser und Kohlenwasserstoffen. Wie entstehen die Bilder? Abb. 7 zeigt ein nachbearbeitetes Foto vom Landeplatz der Huygens-Sonde - die Originaldaten lieferten lediglich Schwarzweiß-Bilder. Am Beispiel der Fotos von der Titanoberfläche kann der Frage nachgegangen werden, wie die Bilder aus den weit entfernten Winkeln des Sonnensystems entstehen und was sie eigentlich zeigen. Was ist "real", was "künstlerisch-spekulativ" und was durch die technische Bearbeitung aus den Daten zum Zwecke der Auswertung "herausgekitzelt" oder "überhöht"? Anregungen dazu finden Sie in dieser Unterrichtseinheit: Die reale Beobachtung kann durch virtuelle Exkursionen vor- oder auch nachbereitet werden. Lernende können dabei Informationen "tanken", die die Live-Begegnung mit Saturn und Titan bereichern. Für jüngere Schülerinnen und Schüler bietet sich dafür das virtuelle ZDF-Raumschiff Pegasus an. Abb. 8 zeigt einen Screenshot aus dem Cockpit mit Blick auf den Saturn. Informationen zu den Planeten und ihren Monden können über das "Infosystem" der Pegasus aufgerufen werden - Daten, Bilder und zum Teil auch Animationen (Abb. 9). Zudem informiert ein Sprecher über den jeweils anvisierten Himmelskörper. Anregungen zum Einsatz dieses Online-Angebots im Unterricht inklusive Arbeitsblatt finden Sie in dieser Unterrichtseinheit: Mit dem NASA-Simulator können sich ihre Schülerinnen und Schüler auf Planeten und Monde des Sonnensystem versetzen, zum Beispiel den Saturn auf dem Mond Mimas umrunden und dabei den Ringplaneten am Nachthimmel seines kleinen Mondes betrachten. Auch der ungewohnte Blick auf das Ringsystem "von oben" ist möglich (Abb. 10). Zudem kann man aus der Perspektive verschiedener Raumsonden (zum Beispiel Voyager, Cassini oder Deep Impact) Planeten und Monde betrachten. Datum, Uhrzeit und Blickwinkel beziehungsweise Größe der Objekte können frei gewählt werden. Maßanfertigung von Himmelskarten Stellarium ist ein ideales Werkzeug zur Vorbereitung astronomischer Beobachtungen. Mit der kostenfreien und plattformunabhängigen Software können Sie den Sternhimmel zu jeder Zeit an jedem Ort simulieren. Abb. 11 zeigt als Beispiel einen Blick auf den Kölner Abendhimmel am 22. März 2010 um etwa 21:00 Uhr in Richtung Südosten. Klicken Sie zur Vergrößerung des Ausschnitts die Himmelskarte an. Saturn hat seine Opposition erreicht und ist unterhalb des Löwe in dem eher unscheinbaren Sternbild Jungfrau nicht zu verfehlen. Stellarium als virtuelles Teleskop Das Online-Applet des Western Washington University Planetarium zur schnellen Bestimmung Position der Saturnmonde haben wir bereits vorgestellt (siehe Der Saturnmond Titan ). Zu diesem Zweck können Sie auch Stellarium verwenden, indem Sie sich "teleskopmäßig" an den Planeten heranzoomen (Abb. 12, Platzhalter bitte anklicken). Die Positionen der Monde können sich im Laufe einer Nacht deutlich ändern. (Allerdings kann Stellarium bei der Simulation der Mondbewegungen kleine Ungenauigkeiten zeigen.) Durch "Bedeckungen" und "Durchgänge" (Dione und Enceladus in Abb. 14) sind nicht immer alle Monde zu sehen. Die astronomischen Jahrbücher informieren über die Positionen von Planeten und Monden: Ahnert Astronomisches Jahrbuch, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft (Heidelberg) Keller Kosmos Himmelsjahr, Kosmos Verlag