In dieser Unterrichtseinheit entscheiden die Schülerinnen und Schüler, ob sie die Idee des Fracking unterstützen oder nicht. Sie greifen auf ihr Wissen über die Eigenschaften von Steinen zurück, um zu entscheiden, ob die durch das Fracking entstehenden Substanzen in das Wasser gelangen können und um zu lernen, wie man seine Meinung rechtfertigt.Die Gewinnung von Gas aus Schiefergestein – Hydraulic Fracturing, oder Fracking – ist in den USA weit verbreitet. Während einige Länder in Europa Fracking wegen Bedenken, dass die in diesem Prozess verwendeten Substanzen das Wasser verschmutzen könnten, verboten haben, möchten andere weiterhin auf die Schiefergasreserven zurückgreifen, um neue – und günstige – Gasquellen zu haben. Erweitertes Material "Fracking oder nicht?" ist die Bündelung zweier Unterrichtseinheiten. Die erweiterten Materialien sind ausführlicher als die üblichen ENGAGE-Materialien, denn zusätzlich zur Anwendung wissenschaftlicher Inhalte lehren sie explizit Anwendungsverfahren. Jede Einheit hat eine eigene Zielsetzung: Einheit 1 : Die Wissenschaft hinter der Thematik verstehen und die Schülerinnen und Schüler dazu bringen, ihr Wissen anzuwenden. Es ist anzunehmen, dass dies bereits in einer früheren Einheit eingeführt wurde. Einheit 2 : Die Argumente prüfen, indem man lernt, eine Methode zu gebrauchen, so wie das Beurteilen von Risiken, das Untersuchen von Konsequenzen oder – wie in diesem Fall – das Rechtfertigen von Meinungen. Verbindung zum Lehrplan Wissenschaftlich arbeiten : Die Entwicklung von wissenschaftlichem Denken: die alltäglichen und technologischen Anwendungen von Wissenschaft erklären; die zugehörigen personellen, sozialen, wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen bewerten; Entscheidungen basierend auf der Bewertung von Belegen und Argumenten treffen. Chemie : Die Wasserressourcen der Erde und die Erhaltung von Trinkwasser: Beschreiben Sie die Methoden, um Trinkwasserreserven durch Trennungstechniken zu erhöhen, zum Beispiel durch die Behandlung von Abfällen, Boden und Salzwasser. ENGAGE-Materialien Die PowerPoint-Präsentation enthält sowohl die Präsentation für Lehrkräfte als auch die Schüler-Informationsblätter. ENGAGE Materialien werden durch das von der Europäischen Kommission durchgeführte Projekt ENGAGE als Open Educational Resources herausgegeben; außerdem werden ihre Inhalte durch CC-Lizenzverträge geregelt. Sie stehen frei zur Verfügung und dürfen in geänderter Form weiterveröffentlicht werden. Besuchen Sie die ENGAGE Website auf www.engagingscience.eu; dort finden Sie weitere Aufgaben zum Thema der wissenschaftlichen Praxis. Ablauf Ablauf der Unterrichtseinheit "Fracking oder nicht?" Der Ablauf der Unterrichtssequenz "Fracking oder nicht?" ist auf dieser Seite übersichtlich für Sie zusammengestellt. In dieser Einheit lernen die Schülerinnen und Schüler eine Stellungnahme zu geben und Beweise aufzuzeigen, die ihre Meinung unterstützen und ihre Argumentation erklären. zu erklären, warum ein Stein eine bestimmte Eigenschaft hat, je nachdem, wie er gebildet wurde. 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. Engagieren Zeigen Sie (2) und (3), um mögliche Risiken des Frackings aufzuzeigen, und (4), um einige Vorteile des Prozesses darzustellen. Betonen Sie, dass die Aussagen auf den Folien Meinungen sind. Dann zeigen Sie (5), um zu erklären, wie natürliches Gas durch Fracking von Schiefergestein extrahiert wird. Folie (6) zeigt das Hauptproblem. Fragen Sie die Schülerinnen und Schüler nach ihren unmittelbaren Gedanken zu dem Problem und erfragen Sie per Handzeichen, wer für und wer gegen ein Fracking-Verbot ist. An diesem Punkt können Sie ein Video über Fracking zeigen (siehe Weblinks). Fragen Sie die Schülerinnen und Schüler, welche Meinungen in dem Video zum Ausdruck gebracht werden, und bitten Sie sie herauszuarbeiten, welchen Standpunkt die Organisation einnimmt, die das Video produziert hat. Folie (7) zeigt, wie die Schülerinnen und Schüler die wissenschaftlichen Belege aus Einheit 1 nutzen, um sie in Einheit 2 für die Festigung des eigenen Standpunkts zu verwenden. Die Ziele folgen auf Folie (8). Überprüfen Sagen Sie den Schülerinnen und Schülern, dass sie das kürzlich Gelernte nun wiederholen werden, um mit (9) die folgende Frage zu beantworten: " Können die Substanzen der Fracking-Flüssigkeit ins Wasser gelangen?" In Zweiergruppen bearbeiten die Schülerinnen und Schüler anschließend praktische sowie Diskussionsaufgaben in SS1 bis 3. Nachdem sie diese Aufgaben beendet haben, beantworten die Schülerinnen und Schüler in Einzelarbeit die Fragen A, B und C auf SS5, um ihre bisherigen Erkenntnisse zusammenzufassen. Eine mögliche Antwort auf Frage C ist, dass die Substanzen der Fracking-Flüssigkeit unter bestimmten Umständen in das Wasser gelangen können. Aber ob das passiert oder nicht, hängt von den Gesteinen im Bohrgebiet, Höhe und Ort der Wasservorräte und Bohrlöcher sowie von anderen Faktoren, die mit dem Bohrprozess verbunden sind, ab. Überlegen Bereiten Sie die letzte Aufgabe vor (10), in welcher die Schülerinnen und Schüler in Zweiergruppen die Fakten über die Fracking-Flüssigkeit (SS4) dazu nutzen, um zu überlegen, ob die Substanzen aus der Fracking-Flüssigkeit Menschen schaden können. Die Schülerinnen und Schüler schreiben ihre Entscheidung einzeln als Antwort auf Frage D auf SS5 auf. Eine mögliche Antwort ist, dass manche Substanzen in der Fracking-Flüssigkeit Menschen schaden können, was jedoch von der Konzentration dieser Substanzen im Wasser abhängt. An diesem Punkt könnten Sie die Schülerinnen und Schüler bitten, ihre Antworten in kleinen Gruppen zu besprechen, um herauszustellen, dass es auf diese Frage keine klare Antwort gibt. Engagieren Wiederholen Sie das Dilemma (2). Erinnern Sie die Schülerinnen und Schüler an die Argumente aus Einheit 1 und deuten Sie an, dass die Fracking-Flüssigkeit unter bestimmten Umständen möglicherweise ins Wasser gelangen und dem Menschen schaden kann. An diesem Punkt könnten Sie ein weiteres Video über Fracking zeigen, idealerweise eines, das andere Standpunkte zeigt als das, welches Sie in Einheit 1 gezeigt haben (siehe Weblinks). Decken Sie anschließend Folie (3) auf, um klarzustellen, dass verschiedene Menschen verschiedene Meinungen über Fracking haben. Mit Folie (4) zeigen Sie, dass die Rechtfertigung der eigenen Meinung eine wichtige Rolle einnimmt. Enthüllen Sie die Ziele dieser Einheit (5) und zeigen Sie auf, dass mit diesen Argumenten und den neuen Fertigkeiten die eigene Meinung über das Fracking bekundet werden soll. Spielen Nun spielen die Schülerinnen und Schüler in Dreiergruppen ein Spiel, um zu lernen, wie man eine Meinung rechtfertigt (6). In ihren Gruppen bereiten die Schülerinnen und Schüler das Spiel vor, indem sie Meinungskarten an einige Spielerinnen und Spieler austeilen (SS1b) und die Beweiskarten mit Bild nach unten auf einen Stapel legen (SS2a – c). Dann folgen sie den Anweisungen auf SS1a, um das Spiel durchzuführen. Es gibt in diesem Spiel keine richtigen Antworten. Ziel ist es, den Schülerinnen und Schülern beizubringen, wie man Beweise nutzt, um Meinungen zu rechtfertigen. Mit Folie (7) zeigen Sie die durch das Spiel neu erlernten Fähigkeiten. Entscheiden Bereiten Sie die nächste Aufgabe vor (8). Bitten Sie die Schülerinnen und Schüler, in Einzel- oder Partnerarbeit die Beweiskarten über Fracking (SS4) zu lesen und zu entscheiden, ob es ein Fracking-Verbot geben sollte oder nicht. Die Schülerinnen und Schüler planen anschließend ein einminütiges Gespräch, um ihre Meinung zu rechtfertigen. Dabei folgen sie der Anleitung auf Folie (8). Als nächstes halten die Schülerinnen und Schüler ihren Vortrag gegenüber einem anderen Lernenden oder einer Zweiergruppe. Durch ein Feedback erfahren die Vortragenden, ob sie die gewünschte Struktur befolgt haben. Dabei gibt es folgende Qualitätsmerkmale: eine Meinung festlegen Beweise aufzeigen erklären, wie ein Beleg die jeweilige Meinung unterstützt Beenden Sie die Einheit, indem Sie per Handzeichen erfragen, wer für und wer gegen ein Fracking-Verbot ist. Wessen Meinung hat sich seit Beginn von Einheit 1 verändert? Wer verteidigt seine Meinung nun noch stärker? Bitten Sie die Schülerinnen und Schüler zu überlegen, auf welche Weise die Notwendigkeit, ihre Meinung zu rechtfertigen, zu diesen Veränderungen beigetragen hat.

1933 erschoss sich der Klinikarzt und SS-Mann Walter Müller aus dem schwäbischen Waiblingen – weil er Jude war. Der Fall beschäftigt jetzt die Kleinstadt. Es wird darüber gestritten, ob das Grab von Walter Müller weiterhin gepflegt werden soll oder nicht."Es ist eine Tragödie im klassischen Sinne" - so beschreibt der Stadthistoriker von Waiblingen, Hans Schultheiß, den Fall Walter Müller. Dessen Tragödie ist rasch beschrieben: Er war überzeugter Nationalsozialist, SS-Mann und Jude. Im Juni 1933, nachdem den Behörden seine "jüdische Abstammung" bekannt wurde, nahm sich Walter Müller das Leben. Das Arbeitsblatt und die Materialien, die hier zum Download bereit stehen, eignen sich für eine kurze Unterrichtssequenz zum Nationalsozialismus. Das Fallbeispiel Walter Müller und damit verknüpft die Entscheidungsfrage, wie mit seinem Grab umgegangen werden soll, bietet einen problemorientierten und gegenwartsbezogenen Zugang zur Frage nach der Erinnerung an Täter und Opfer des Nationalsozialismus.Als Methode, um die voraussichtlich kontroverse Diskussion zu führen, eignet sich ein Entscheidungsspiel. Als Einstieg wird der Abschiedsbrief Müllers an seine Frau vorgelesen und die Schülerinnen und Schüler mutmaßen, was Walter Müller zu seinem Schritt bewogen haben mag. Anschließend werden die Schüler über die aktuelle Debatte in Waiblingen und die Frage nach dem Umgang mit Walter Müllers Grab informiert. Danach bearbeiten die Lernenden in Einzelarbeit das Arbeitsblatt und verfassen mittels der Materialien und eventuell einer Internetrecherche ihr "Gutachten" der Schülerinnen und Schüler . Dafür benötigen sie ein bis zwei Unterrichtsstunden. In der folgenden Unterrichtsstunde wird mit der ganzen Lerngruppe eine Debatte über das Erinnern an Walter Müller und den Umgang mit seinem Grab geführt. Wichtig ist dabei, dass die Schüler in drei Gruppen umgesetzt werden. In einen Teil des Klassenzimmers setzen sich alle Schülerinnen und Schüler, die sich bei Aufgabe 1 für a (Grab einebnen) entschieden haben, in eine andere Ecke alle Schüler, die für b (Grab sich selbst überlassen) gestimmt haben, sowie in eine dritte Ecke diejenigen mit der Antwort c. Sie kennen somit den Standpunkt ihrer Mitschülerinnen und Mitschüler und von nun an kann die Debatte über Meldekette geführt werden. Am Schluss der Debatte wird nachgefragt, ob jemand seinen Standpunkt im Laufe der Diskussion verändert hat.Die Schülerinnen und Schüler sollen anhand der aktuellen Debatte über Walter Müller die Frage nach Täterschaft und Schuld im Dritten Reich problematisieren und darauf aufmerksam werden, dass Auseinandersetzung mit Geschichte immer auch die Gegenwart beeinflusst. üben sich durch die Methode des Entscheidungsspiels darin, einen Standpunkt zu beziehen und in der Debatte zu vertreten. lernen, durch das Verfassen des Gutachtens aus Perspektive eines unabhängigen Historikers einen Standpunkt argumentativ schlüssig darzulegen. Thema Täter, Opfer oder beides? Suizid eines jüdischen SS-Manns Autor Dr. Christoph Pallaske Fach Geschichte Zielgruppe Sekundarstufe II, gegebenenfalls Jahrgangsstufe 9 und 10 Zeitumfang zwei bis drei Unterrichtsstunden

Mit dieser Unterrichtseinheit können Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe I ihre Rechtschreibkenntnisse im Hinblick auf die verschiedenen s-Laute trainieren. Gleichzeitig erlernen sie den Umgang mit der Korrekturfunktion des Textverarbeitungsprogramms "Word".Während nach der Rechtschreibreform "Biß" nun mit Doppel-s geschrieben wird, ändert sich an "Fleiß" in puncto Orthografie nichts. Die Unterscheidung zwischen stimmlosen und stimmhaften s-Lauten bleibt eine häufige Fehlerquelle bei der Rechtschreibung. Diese Unterrichtssequenz liefert Materialien, mit denen Ihre Klasse den Gebrauch der unterschiedlichen s-Laute trainieren kann. Rechtschreibregeln selbstständig erschließen Die Schülerinnen und Schüler sollen die Regeln der s-Schreibung im Rahmen des Unterrichts selbst erarbeiten und gleichzeitig ihre Medienkompetenz schulen, indem sie den Umgang mit Übungen und Informationen im Internet erproben und sich kritisch damit auseinander setzen. Anhand der Arbeitsblätter zur Unterrichtssequenz reflektieren sie selbstständig die Probleme der s-Schreibung. Verschiedene Übungen runden die Erarbeitung des Themenfeldes ab. Binnendifferenzierung im Blick Durch das Lernen an Stationen wird die Binnendifferenzierung in der Klasse gefördert. Die Schülerinnen und Schüler können ihr Lerntempo in dieser Arbeitsphase selbst bestimmen. Auch alle weiteren Übungen haben verschiedene Schwierigkeitsgrade, so dass die Lehrkraft die Erarbeitung gegebenenfalls binnendifferenzierend steuern kann. Beim (Partner-)Diktat am Computer ist ebenfalls die Selbstständigkeit der Schülerinnen und Schüler gefragt. Grundkenntnisse im Umgang mit "Word" und dem Speichern von Dateien werden in der Lerngruppe dabei vorausgesetzt. Einführung in die s-Laute und ihre Regeln Die Zusammenhänge zwischen Lautung und Schreibung Training an Stationen Stationenlernen fördert Selbstständigkeit und Binnendifferenzierung Der sprachgeschichtliche Hintergrund Ein Exkurs zum ß, zum Duden und zur Rechtschreibreform Vertiefung und Sicherung Weitere Anwendungsübungen und ein Abschlussdiktat Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen die verschiedenen s-Laute (s, ss, ß) unterscheiden und wissen, wann welcher s-Laut verwendet wird. können die verschiedenen s-Laute sicher einsetzen und trainieren die richtige Schreibung von Wörtern mit s-Lauten. bekommen Einblicke in ausgewählte Aspekte der deutschen Sprachgeschichte (die Geschichte des ß, des Dudens und der Rechtschreibreform) (fakultativ). Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren ihre Medienkompetenz im Umgang mit digitalen Rechtschreibprogrammen, indem sie die Korrekturfunktion des Textverarbeitungsprogramms "Word" kennen lernen und nutzen. vergleichen verschiedene Online-Quellen und bewerten sie inhaltlich. Zum Einstieg ein Gedicht Als Hinführung zum Problem der s-Laute dient das Gedicht "Die s-Laute-Maus" von Günther Würdemann. Der Text steht sowohl im Internet als auch auf einem Arbeitsblatt (siehe Download) zur Verfügung und wird in einer späteren Übung als Lückentext aufgegriffen. Die Schülerinnen und Schüler lesen den Text laut vor und sollen anschließend sagen, was ihnen an dem Text auffällt. Leistungsstarke Klassen stellen vielleicht selbst den Bezug zwischen Lautung und Schreibung her und können so die Gesetzmäßigkeiten entdecken. Leistungsschwächeren Klassen hilft es dagegen, wenn die Lehrkraft konkrete Wortbeispiele herausgreift, an der Tafel / auf Folie fixiert und die Regeln gemeinsam abgeleitet werden. Online-Übungen Anschließend setzen sich die Schülerinnen und Schüler in Gruppen mit den Regeln der Rechtschreibung auseinander und trainieren mit Online-Übungen, die auf dem Arbeitsblatt "Einstiegsübungen" angegeben werden (Arbeitsblatt 2). Selbstständig üben und korrigieren Nach der Begrüßung bildet die Klasse einen Sitzkreis. Die Lehrkraft verweist auf die im Computerraum geltenden Regeln und stellt die einzelnen Stationen vor. Anschließend finden sich die Schülerinnen und Schüler paarweise zusammen und begeben sich zu den Stationen, mit denen sie beginnen möchten. Die Schülerinnen und Schüler haben für jede Station unterschiedlich viel Zeit. Das bedeutet, dass jede Station mehrfach aufgebaut sein muss. Nachdem eine Station bearbeitet ist, bekommen die Schülerinnen und Schüler von der Lehrerin oder dem Lehrer Lösungsblätter, damit sie ihre Übungen kontrollieren können. Idealerweise tauschen sie ihre Lösungen aus und korrigieren die Arbeit des Partners/der Partnerin, wenn sie diese Art des Teamworks gewohnt sind und gewissenhaft ausführen. Schwierigkeitsgrad variiert Die Reihenfolge der Stationen für die Schülerinnen und Schüler ist festgelegt und wird an der Tafel notiert. Ein Beispiel: Wer bei Station 4 beginnt, geht weiter zu Station 1 und so weiter. So entsteht kein Chaos, und es gibt keine unnötigen Streitigkeiten. Der Schwierigkeitsgrad der Stationen variiert ebenso wie die Bearbeitungsdauer: leicht: Station 3 (circa 5 Minuten) mittelschwer: Station 2 (circa 5 Minuten), Station 4 (circa 10 Minuten) schwer: Station 1 (circa 10 Minuten), Station 5 (circa 30 Minuten) Partnerdiktat am PC Da der Zeitumfang für das Partnerdiktat an Station 5 wesentlich größer ist als an den anderen Stationen, sollte diese Übung zum Schluss erfolgen. An dieser PC-Station erübrigt sich allerdings die Ausgabe von Lösungsblättern, da die Schülerinnen und Schüler hier mit der Rechtschreibkorrektur von "Word" arbeiten. Das komplett korrigierte Diktat sollten sie allerdings mit ihrem Namen abspeichern und zur Sicherung ausdrucken und ins Heft einkleben. ß, Duden und Rechtschreibreform Die Schülerinnen und Schüler eignen sich in dieser Doppelstunde einige allgemeine Kenntnisse der deutschen Sprachgeschichte an, indem sie eigenständig im Internet recherchieren, was es mit dem ß, der Rechtschreibreform und dem Duden auf sich hat. Einige Online-Quellen werden auf dem Arbeitsblatt "Sprachgeschichte" (Arbeitsblatt 3) bereits vorgegeben, doch die Klasse soll trotzdem allgemein darauf achten, wie brauchbar die Seiten sind und die jeweiligen Informationen miteinander vergleichen. Folgende Fragen können bei der Recherche ein Bewertungskriterium sein: Ist es eine private oder eine offizielle Website? Wer steht als Autor/Autorin hinter der Website? Gibt es ein Impressum? Gibt es Werbe-PopUps oder Banner? Gibt es weiterführende Links zu Seiten oder Quellen, die die Informationen stützen? Lassen sich die angegebenen Informationen mit anderen Seiten/Quellen abgleichen? Arbeitsteilig recherchieren die Schülerinnen und Schüler zu den Aspekten, die sie besonders interessieren, und präsentieren ihre Ergebnisse am Ende der Doppelstunde im Plenum. Erweiterung für leistungsstarke Lerngruppen Diese Doppelstunde bietet sich als thematische Erweiterung insbesondere im Gymnasium und in der Mittelstufe an, ist aber fakultativ. Gegebenenfalls kann Sie an das Ende der Sequenz gestellt werden. Nach der intensiven Arbeit an Stationen bietet sie jedoch eine willkommene Unterbrechung, um im Unterricht nicht mehrere Stunden hintereinander ausschließlich mit Rechtschreibübungen zu verbringen. Wörter und ihre Regeln Die Schülerinnen und Schüler sollen ihre Rechtschreibung weiter verbessern, indem sie die Regeln zu den s-Lauten richtig anwenden. Jetzt reflektieren die den Gebrauch der s-Laute im Gedicht "Die s-Laute-Maus" eigenständig, indem sie nicht nur das Gedicht als Lückentext ausfüllen, sondern gleichzeitig die jeweiligen Regeln angeben. Arbeitsteilig werden die Worte aus jeweils drei Strophen erarbeitet. Anschließend tauschen die Schülerinnen und Schüler ihre Blätter aus, um ihre Lösungen gegenseitig zu kontrollieren. Zum Abschluss werden alle Lösungen im Klassenverband besprochen. Tipp- und Rechtschreibfehler im Focus Am Schluss der Sequenz steht ein weiteres Übungsdiktat. Die Schülerinnen und Schüler tippen den Text am PC ein und müssen ihn anschließend selbst korrigieren, indem sie das Korrekturprogramm nutzen. Unterscheiden müssen sie dabei zwischen einfachen Tippfehlern (die je nach Übungspraxis der Lerngruppe relativ häufig sein können) und Fehlern im Hinblick auf die s-Laute. Ist die Klasse bereits in der Anwendung der Rechtschreibkorrektur geübt, bietet sich auch die handschriftliche Übertragung des Diktattextes ins Heft an. Nach einer ersten Eigenkorrektur werden dann die Hefte mit dem Partner oder der Partnerin getauscht, die bei Fehlern allerdings nur Fragezeichen am Rand machen. Anschließend schaut sich jeder Schüler beziehungsweise jede Schülerin den Text noch einmal an und vergleicht ihn zu Hause mit der ausgeteilten Lösung. Die selbstständige Fehlerkorrektur soll so trainiert werden. Bei leistungsschwachen Schülerinnen und Schülern oder bei denen, die es wünschen, bietet es sich dennoch an, den Text anschließend zur Endkontrolle noch einmal einzusammeln. Das Diktat "Die Entdeckung der Steinkohle" zu den s-Lauten ist veröffentlicht in Kurt Schreiner: Diktate und Ergänzungsübungen. Deutsch, 5. bis 9. Klasse, Bassermann Verlag 2003. Auf Seite 53 findet sich der längere Übungstext. (Siehe externe Links)

Die als Fixsterne bezeichneten Himmelsobjekte erweisen sich bei näherem Hinsehen durchaus nicht als ortsfest, sondern zeigen eine "Eigenbewegung". Für sonnennahe Sterne lässt sich diese Bewegung mit einfachen astrometrischen Methoden erfassen. Auch Astronomie-Neulinge können mit den hier zur Verfügung gestellten Materialien motivierende Ergebnisse erzielen. Zunächst werden einige Grundlagen zu den Themen sonnennahe Sterne, Himmelskoordinaten, Sternhelligkeiten und zum Begriff der Parallaxe erläutert. Diese sind notwendig zum Verständnis der darauf folgenden praktischen Übung: CCD-Bilder von Teegarden's Star, die im Abstand von einem Jahr aufgenommenen wurden, werden mit der kostenlosen Software Fitswork bearbeitet. Anschließend wird aus den Bildern die Positionsänderung des betrachteten Sterns ermittelt. Andreas Gerhardus und Steffen Straub haben das hier vorgestellte Verfahren zur Bestimmung der Eigenbewegung von Sternen während ihres Schülerpraktikums am Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn unter Anleitung von Dr. Michael Geffert erlernt. Sie praktizierten die Methode am Beispiel von Teegarden's Star und erzielten gute und leicht nachvollziehbare Ergebnisse. Aus diesem Grund stellen wir hier das Projekt "Messung der Eigenbewegung von Teegarden's Star" astronomisch interessierten Lehrerinnen und Lehrern als Anregung für den eigenen Unterricht oder für die Bearbeitung in der Astronomie-AG vor. Die dafür benötigten CCD-Bilder wurden uns freundlicherweise von Dr. Michael Geffert zur Verfügung gestellt. Fachliche Voraussetzungen Zu Beginn der Unterrichtseinheit werden einige elementare astronomische Begriffe eingeführt, die im weiteren Verlauf hilfreich oder erforderlich sind. Bezugssystem und Positionsberechnung Der Berechnung der Eigenbewegung von Teegardens' Star auf der Grundlage von CCD-Bildern geht die Positionsbestimmung "unbewegter" Sterne eines Bezugssystems voraus. Darstellung der Ergebnisse und Fehlerbetrachtung Die Rektaszensions- und Deklinationskoordinaten von Teegarden's Star und eines Vergleichssterns ohne messbare Eigenbewegung werden in Diagrammen dargestellt. Die Schülerinnen und Schüler sollen verschiedene sonnennahe Sterne kennen lernen. die Begriffe Parallaxe und Eigenbewegung verstehen. aus CCD-Aufnahmen die Koordinaten von Sternen ermitteln. die Eigenbewegung von Teegarden's Star aus vorhandenen CCD-Aufnahmen bestimmen. Diagramme erstellen, in denen die ermittelte Eigenbewegung veranschaulicht wird. Um die Positionsbestimmung am Himmel zu ermöglichen, ist die Himmelskugel genauso wie die Erde in ein Gradnetz unterteilt (Abb. 1). Dieses Gradnetz ist fest mit der Himmelskugel verbunden, es rotiert also scheinbar. Den Längenkreisen auf der Erde entsprechen die Rektaszensionskreise am Himmel, den Breitenkreisen die Deklinationskreise. Erste Schritte zur Orientierung am Sternhimmel In diesem Artikel finden Sie weitere Informationen, Anregungen und Materialien zur Orientierung am Himmel. Deklination Die Deklination (DE) wird in Winkelgraden von -90 Grad bis +90 Grad gemessen. Weil bei der Bestimmung der Eigenbewegung von Sternen sehr kleine Winkel betrachtet werden, müssen die Schülerinnen und Schülern auch die Begriffe "Bogenminute" (1 Bogenminute = 1/60 Grad) und "Bogensekunde" (1 Bogensekunde = 1/60 Bogenminute) kennen. Rektaszension Die Rektaszension (RA) wird traditionell nicht in Grad sondern in Stunden, Minuten und Sekunden angegeben. Dabei entsprechen 360 Grad den 24 Stunden eines Tages und somit 15 Grad einer Stunde. Eine Minute in Rektaszension entspricht damit (15/60) = 0,25 Grad. Eine Sekunde in Rektaszension ist gleichbedeutend mit (15/3.600) = (1/240) Grad. Die Umrechnung der Rektaszension (RA = hh.mm.ss) in Winkelgrad erfolgt gemäß der Formel: Winkel (in Grad) = 15 [hh+(1/60)**mm+(1/3.600) ss] Hierbei stehen hh für Stunden, mm für Minuten und ss für Sekunden. Diese sind nicht mit Bogenminuten beziehungsweise Bogensekunden zu verwechseln. Die Bewegung der Erde um die Sonne hat zur Folge, dass ein erdnaher Stern im Verlauf eines Jahres seine scheinbare Position vor dem Hintergrund weit entfernter Fixsterne verändert. Dabei ist die Parallaxe des erdnahen Sterns definiert als halber Öffnungswinkel des Kegels, dessen Mantel der Sehstrahl von der Erde zum nahen Stern in einem Jahr festlegt. Abb.2 veranschaulicht die Verschiebung der scheinbaren Sternposition innerhalb eines halben Jahres. Aus der Parallaxe eines Sterns, die man mithilfe von Fotos bestimmt, die im Abstand von einem halben Jahr aufgenommen werden, lässt sich mit trigonometrischen Verfahren unter Kenntnis des Abstands Sonne-Erde die Entfernung des Sterns zur Sonne beziehungsweise zur Erde berechnen. Das Phänomen der Parallaxe kann man Schülerinnen und Schülern mit einem einfachen Experiment sehr gut veranschaulichen: Hält man einen Daumen in Augenhöhe und schließt abwechselnd das linke und das rechte Auge, so scheint der Daumen seine Position vor dem Hintergrund zu verändern. Dabei nimmt die Parallaxe mit zunehmender Entfernung des Daumens vom Auge ab. Im Gegensatz zur Parallaxe hat die Eigenbewegung eines Sterns ihre Ursache in einer tatsächlichen Veränderung des Sternenortes. Weil der Effekt der Eigenbewegung sehr klein ist, wird sie in Deklination und Rektaszension in Bogensekunden angegeben. Die Messung der Eigenbewegung von Sternen erfolgt mithilfe von Fotografien, die im Abstand von ganzzahligen Vielfachen eines Jahres aufgenommen werden. Abb. 3 zeigt ein Beispiel: Die beiden Bilder wurden im Abstand mehrerer Jahre aufgenommen. Deutlich ist die Positionsänderung des markierten Sterns vor dem Hintergrund zu erkennen. Die Erde befindet sich nach einem Jahr wieder am selben Ort. Deshalb wird das Ergebnis nicht durch die parallaxenbedingte Bewegung verfälscht. Scheinbare Helligkeit ( m ) Die scheinbare Helligkeit eines Sterns ist diejenige, die ein Beobachter auf der Erde registriert. Sie wird in Größenklassen oder Magnituden angegeben (Symbol: hochgestellter Kleinbuchstabe m). Dabei leuchten die Sterne umso schwächer, je höher ihre Größenklasse ist. Die Magnitudenskala ist logarithmisch eingeteilt: Ein Stern erster Größenklasse ist definitionsgemäß 100-mal lichtstärker als einer der sechsten Klasse. Weil nun 100 = 2,512 5 gilt, bedeutet eine Größenklasse Unterschied also ein Helligkeitsverhältnis von 2,512. Die scheinbare Helligkeit kann auch Werte annehmen, die kleiner als Null sind. Der Nullpunkt der Magnitudenskala entspricht der Helligkeit von Alpha Centauri, dem sonnennächsten Stern. Das menschliche Auge kann maximal Objekte bis zu einer scheinbaren Helligkeit der sechsten Größenklasse erkennen. Es ist zu beachten, dass die Lichtintensität der Sterne mit der Entfernung natürlich abnimmt. Absolute Helligkeit ( M ) Um Sternhelligkeiten besser vergleichen zu können, wurde die absolute Helligkeit eingeführt (Symbol: hochgestellter Großbuchstabe M). Darunter versteht man die Helligkeit eines Sterns, die auf der Erde wahrgenommen würde, wenn er sich in einer genormten Entfernung von 10 Parsec befände (1 Parsec = 3,3 Lichtjahre). Die folgende Formel beschreibt den Zusammenhang zwischen scheinbarer Helligkeit m und absoluter Helligkeit M sowie der Entfernung r (in Parsec): m - M = -5 + 5 lg(r) Die Erarbeitung von Informationen zum Thema "Sonnennahe Sterne" eignet sich sehr gut zur selbstständigen Schülertätigkeit in Form einer Internet-Recherche. Dabei sollen Informationen über verschiedene sonnennahe Sterne zusammengetragen werden. Es ist empfehlenswert, den Lernenden unter anderem die drei sonnennächsten Sterne als Ziel der Recherche vorzugeben: Alpha Centauri Barnards Pfeilstern Wolf 359 Sirius und Teegarden's Star Weitere wichtige sonnennahe Sterne sind der bekannte Sirius (Fixstern mit der größten scheinbaren Helligkeit) auf Platz 6 und Teegarden's Star auf Platz 23 in der Entfernungsskala. Im Idealfall finden die Schülerinnen und Schüler auch heraus, warum Teegarden's Star bei seiner Entdeckung im Jahr 2003 für großes Aufsehen sorgte: Seine Entfernung wurde zunächst fälschlicherweise auf 7,5 Lichtjahre geschätzt, womit er der Stern mit der drittgeringsten Entfernung zur Sonne gewesen wäre. Die wichtigsten "Eckdaten" sonnennaher Sterne haben wir in dem Dokument "sonnennahe_sterne.pdf" zusammengestellt. Bei ihren Recherchen nach sonnennahen Sternen werden die Schülerinnen und Schüler häufig auf den Begriff "Roter Zwerg" stoßen. Dieser Begriff kann auch direkt als Rechercheziel vorgegeben werden. Lernende kann dieses Thema motivieren, sich auch über die Unterrichtseinheit hinaus mit der Astronomie zu beschäftigen. Die Größe von Roten Zwergen im Vergleich zu anderer Sternentypen veranschaulicht Abb. 4. Rote Zwerge zeichnen sich durch die folgenden Eigenschaften aus: Rote Zwerge sind sehr kleine Sterne. Die Kernfusion in ihrem Inneren ist nur schwach. Die rote Farbe entsteht, weil ihr Strahlungsmaximum im roten Spektralbereich liegt (Spektralklasse M). Die Oberflächentemperatur ist gering (2.200-3.800 Grad Kelvin; die Oberflächentemperatur der Sonne beträgt etwa 5.800 Grad Kelvin). Rote Zwerge haben eine enorme Lebensdauer von bis zu 13 Milliarden Jahren. Etwa 70 Prozent der Sterne in der Milchstraße sind Rote Zwerge. Notwendigkeit eines Bezugssystems Zum prinzipiellen Nachweis der Eigenbewegung von Teegarden's Star ist zunächst die Festlegung eines Bezugssystems aus Sternen erforderlich, welche bekanntermaßen (Literaturangaben) eine zu vernachlässigende Eigenbewegung aufweisen. Dann ist zu entscheiden, ob Teegarden's Star sich relativ zu den Sternen des Bezugssystems messbar bewegt. Zum Ausschluss systematischer Fehler im Auswerteverfahren wird die an Teegarden's Star durchgeführte Prozedur zur Messung der Eigenbewegung zusätzlich an einem Vergleichsstern wiederholt, der gemäß der Literatur keine Eigenbewegung zeigen sollte. CCD-Bilder und Bildbearbeitung Die hier zum Download zur Verfügung gestellten CCD-Bilder ("einzelbilder.zip") sind - sortiert nach den Aufnahmezeitpunkten - auf vier Ordner verteilt. Alle Bilder sind bereits bezüglich Dunkelbildsubtraktion und Flat-Field korrigiert. Sie haben die in der Astronomie übliche Orientierung: Norden ist oben, Westen ist rechts. Die im Folgenden beschriebene Bildbearbeitungs- und Auswerteprozedur wird von den Lernenden für alle Bilder aus jedem der vier Ordner separat durchgeführt. Sämtliche Schritte der Bildbearbeitung erfolgen mit der kostenlosen Software Fitswork. Zur Rauschminderung und zum Ausgleich von Bildungenauigkeiten durch Luftunruhen werden alle Bilder eines Ordners aus "einzelbilder.zip", also alle Aufnahmen eines bestimmten Aufnahmedatums, addiert und zu einem Summenbild gemittelt. Dabei geht man wie folgt vor: Nach dem Start des Programms öffnet man die ersten beiden Bilder eines Ordners. Diese werden nun addiert: Dazu sucht man sich zwei gut erkennbare Sterne, die auf beiden Bilder vorhanden sind. Man markiert nun nacheinander in beiden Bildern den ersten Stern, indem man bei gedrückter linker Maustaste einen kleinen rechteckigen Rahmen um den Stern zieht. Beide Rahmen erscheinen in derselben Farbe. Man wiederholt die Prozedur in beiden Bildern für den zweiten Stern. Beide Sterne sollten möglichst weit auseinander liegen, denn sie dienen der punktgenauen Anpassung und Überlagerung beider Bilder. Abb. 5 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt den entsprechenden Screenshot: Die beiden als Fixpunkte der Bildausrichtung gewählten Sterne sind durch farbige Rechtecke markiert. Dann wählt man im Menüpunkt "Bearbeiten" den Unterpunkt "Bild addieren (mit Verschiebung)". Das jetzt angezeigte Bild ist die Summe der ersten beiden Bilder. Zu diesem Summenbild addiert man schrittweise alle weiteren Bilder des jeweiligen Ordners. Auf beschriebene Weise gewinnt man aus jedem der vier Ordner ein Summenbild. Nur auf diesen vier Summenbildern basiert die weitere Auswertung. Wer die Prozedur des Addierens auslassen möchte, findet die fertigen Summenbilder im Downloadpaket "summenbilder.zip". Die Aufnahmezeitpunkte der Bilder sind an den jeweiligen Dateinamen erkennbar. Koordinaten der Bezugssterne Nach der Bildaddition gilt es nun, die Positionen von Teegarden's Star und des Vergleichssterns im System der Bezugssterne zu bestimmen. Die Koordinaten der Bezugssterne 1 bis 6 (grüne Ziffern in Abb. 6) sind in den Tabellen des Dokuments "bezuggssterne_positionsbestimmung.pdf" zu finden. Orientierung der Bilder Alle Bilder der Downloadmaterialien sind so orientiert, dass die langen, horizontalen Seiten parallel zu den Deklinationskreisen am Himmel liegen. Die kurzen, vertikalen Seiten sind entsprechend parallel zu den Rektaszensionskreisen. In allen Bildern nimmt die Rektaszension von rechts nach links, also von West nach Ost, zu. Orientierung des Koordinatensystems bei Fitswork Damit die im Folgenden beschriebene Positionsberechnung für Teegarden's Star überschaubar wird, weist man jedem in die Berechnung eingehenden Stern zunächst die Pixelkoordinaten X und Y zu. Bei Fitswork hat das (X/Y)-Koordinatensystem seinen Ursprung in der linken oberen Bildecke. Die X-Achse ist nach rechts, die Y-Achse nach unten orientiert. Ermittlung der Pixelkoordinaten eines Sterns Die Ermittlung der Pixelkoordinaten eines Sterns verläuft in Fitswork wie folgt: Man bewegt den Cursor, der in Abb. 7 (Platzhalter bitte anklicken) als gelbes Kreuz dargestellt ist, im auszuwertenden Bild auf den betrachteten Stern. In diesem Fall ist "Vergleichsstern 6" aus Abb. 6 markiert. Am rechten Bildrand erscheint oben eine Vergrößerung des Bildausschnitts um die Cursorposition. Darunter werden die Intensitätsverteilungen dieses Ausschnitts in X- und Y-Richtung dargestellt. Im Textfeld darunter steht bei "max" die größte Pixelhelligkeit im Bild des betrachteten Sterns. Am unteren Rand des Fitswork-Fensters erscheinen ganz links die X- und Y-Koordinaten der aktuellen Cursorposition, sowie die Helligkeit des Pixels am Ort des Cursors. Man bewegt den Cursor vorsichtig innerhalb des Sterns, bis der in der rechten Leiste angegebene maximale Intensitätswert angezeigt wird. Die zugehörigen Cursorkoordinaten X und Y sind die Pixelkoordinaten des Sterns, die in die weitere Auswertung eingehen. Koordinatenbestimmung In zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen Fotos werden die Positionen von Teegarden's Star im System unserer Bezugssterne bestimmt. Aus den unterschiedlichen Orten von Teegarden's Star schließt man dann auf die Geschwindigkeit seiner Eigenbewegung. Die Koordinaten von Teegarden's Star und von zwei Bezugssternen (siehe Abb. 7) werden im (X/Y)-Koordinatensystem der Software Fitswork - wie oben beschrieben - ermittelt. In Verbindung mit den Daten aus Tabelle 2 (siehe Datei "bezugssterne_positionsbestimmung.pdf") können dann die Koordinaten von Teegarden's Star im Rektaszension/Deklination-System berechnet werden. Der Vergleich der letzteren Koordinaten in beiden Bildern liefert in Verbindung mit dem Zeitintervall zwischen den beiden Aufnahmezeitpunkten für die Bilder die Geschwindigkeit der Eigenbewegung von Teegarden's Star. Auswertungsbeispiel Bei den Downloadmaterialien finden Sie ein detailliertes Auswertungsbeispiel (auswertung_beispiel.pdf). Die dargestellte Rechnung basiert auf den Summenbildern vom August der Jahre 2005 und 2007 und verwendet als Bezugssterne die Sterne 2 und 6 aus Abb. 6. Der so gewonnene Wert der Eigenbewegung (etwa 9 Bogensekunden pro Jahr) ist größer als der Literaturwert von 5,1 Bogensekunden pro Jahr. Auf diese Abweichung wird im Rahmen der "Fehlerbetrachtung" eingegangen. Vergleichsstern ohne Eigenbewegung Nach dem gleichen Verfahren bestimmt man die Positionen eines Vergleichssterns für die beiden relevanten Zeitpunkte. Wir schlagen dafür den in Abb. 6 entsprechend gekennzeichneten Stern vor. Er hat, wie alle Sterne im Bildfeld (außer Teegarden's Star), im Rahmen unserer Messgenauigkeit keine Eigenbewegung. Wenn sich für den Vergleichsstern aus beiden CCD-Bildern, die ja zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen wurden, mehr oder weniger die selben Koordinaten in Rektaszension und Deklination ergeben, ist davon auszugehen, dass das Auswerteverfahren fehlerfrei praktiziert wurde. Aufbau der Diagramme Damit man die ermittelte Eigenbewegung von Sternen direkt erkennen kann, werden die gemessenen Wertepaare (Messzeitpunkt/Rektaszension beziehungsweise Messzeitpunkt/Deklination) für Teegarden's Star und den Vergleichsstern in getrennten Diagrammen (für Rektaszension und für Deklination) aufgetragen. In jedem der Diagramme erscheinen vier Messpunkte für die vier verschiedenen Aufnahmezeiten (August 2005, August 2006, August 2007, Oktober 2007). Auf der X-Achse wird der Zeitraum von August 2005 bis Oktober 2007, und auf der Y-Achse jeweils die Rektaszension beziehungsweise Deklination in geeigneten Intervallen aufgetragen. Eigenbewegung von Teegarden's Star Die ersten drei Messpunkte für Teegarden's Star (Abb. 8) liegen in beiden Diagrammen nahezu auf einer Geraden. Das bedeutet, dass der Stern seine Position mit konstanter Geschwindigkeit verändert. Der vierte Messpunkt muss in den Diagrammen von dem erhaltenen linearen Graphen abweichen: Weil die ihm zugrunde liegenden Bilder statt im August im Oktober aufgenommen wurden, werden die Messwerte hier durch den Parallaxeneffekt verfälscht. Vergleichsstern ohne Eigenbewegung Beim Vergleichsstern (Abb. 9) liegen alle Messpunkte in beiden Diagrammen auf nahezu waagerechten Geraden. Der gewählte Vergleichsstern besitzt keine messbare Eigenbewegung. Dies gilt auch für den jeweils vierten Messpunkt, weil sich der Effekt der Parallaxe aufgrund der großen Entfernung des Sterns nicht bemerkbar macht. Während unseres Praktikums im Argelander-Institut für Astronomie in Bonn hatten wir genug Zeit für die Auswertung einer wesentlich größeren Datenmenge. Pro Aufnahmezeitpunkt mittelten wir bis zu 50 Einzelaufnahmen. Die Berechnungen der Koordinaten für Teegarden's Star wurden für jedes Summenbild auf der Basis mehrerer Paare von Bezugssternen durchgeführt. Bei sechs Bezugssternen gibt es für jeden Aufnahmezeitpunkt "sechs über zwei", also 15 Möglichkeiten. Wir verwendeten dazu die leider nicht kostenfreie Software Astroart. Als Mittelwert zahlreicher Einzelrechnungen ermittelten wir für die Eigenbewegung von Teegarden's Star einen Wert von 5 Bogensekunden pro Jahr. Dieser Wert kommt dem Literaturwert von 5,1 Bogensekunden pro Jahr recht nahe. Er ist durchaus mit den oben genannten 9 Bogensekunden pro Jahr verträglich, wenn man bedenkt, dass dieses Ergebnis nur auf einer von etwa 45 möglichen Auswertungen beruht. Um zuverlässigere Werte für die Eigenbewegung zu erhalten, ist also eine Vielzahl von Einzelrechnungen nach dem oben beschriebenen Verfahren durchzuführen. Die Ergebnisse der Einzelrechnungen sind dann zu mitteln. Hier setzt der erforderliche Zeitaufwand im Unterricht natürlich Grenzen.