Einführung in die Meteorologie und Klimaphysik (Vorlesung)

Ziele/Motive/Ausgangslage/Problemstellung

Der Klimawandel ist eine der großen Herausforderungen unserer Zeit, und in der Atmosphäre spielen sich viele Prozesse ab, die nur auf den ersten Blick einfach sind – und oft falsch verstanden werden. Im günstigsten Fall können Physikerinnen und Physiker tatsächlich – in Ansätzen – „die Welt erklären“ (zumindest einige ihrer physikalischen Aspekte). Das ist die Kompetenz, die als großes Ziel am Horizont steht – aber schwer zu erreichen ist (mir gelingt es ja auch nur gelegentlich, und oft nachdem ich lange über Zusammenhänge nachdenken musste).

Ein Beispiel: Haben wir nicht alle in der Schule gelernt, dass der "Luftdruck das Gewicht der Luftsäule ist"? Die Gewichtskraft wirkt aber genau nach unten, der Luftdruck in alle Richtungen. Tatsächlich ist (nicht immer, aber im Fall des "Hydrostatischen Gleichgewichts") der Druck des Gases (der durch die Bewegung der Teilchen entsteht, *gleich groß* wie das Gewicht (pro Fläche) der jeweils darüber liegenden Luftsäule. Sehr oft sind es "Kinderfragen" die am Beginn stehen - wie: "Warum ist der Himmel blau?" - und dann für ihre Beantwortung ein gerütteltes Maß an physikalischem Wissen brauchen. Falls die Frage zu leicht war: "Warum ist das Meer blau?"

Die Breite der Themen bietet viele Möglichkeiten, das in den Physik-Grundvorlesungen erworbene Wissen anzuwenden, was auch für den Schulunterricht interessant ist. Außerdem gibt es viele Bereiche, in denen die unterschiedlichsten Teile der Erde miteinander wechselwirken. Im Idealfall gelingt es Studierenden hier, Zusammenhänge zwischen den einzelnen Kapiteln – oder sogar zwischen verschiedenen Vorlesungen zu erkennen.

Kurzzusammenfassung des Projekts

Die Vorlesung soll Studierenden der Physik und der Umweltsystemwissenschaften (bzw. in einer Parallelveranstaltung auch Lehramtskandidat*innen) einen ersten Einblick in die faszinierenden Phänomene liefern, die sich in unserer Atmosphäre abspielen - von grundlegenden physikalischen Zusammenzuhängen bis "Treibhauseffekt", Eisregen, Taifun und Jetstream.

Parallel zur VO findet eine UE statt, in der die VO-Inhalte vertieft werden - mit möglichst anschaulichen Beispielen, die auch immer wieder einmal aus Katastrophenfilmen entlehnt sind.

Aus der LV-Beschreibung: "Die Studierenden sollen nach Besuch der LV in der Lage sein:

- die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge im System Erdatmosphäre zu beschreiben und zu verstehen,

- die wichtigsten physikalischen Prozesse zu nennen und zu beschreiben,

- einen Überblick über das Gebiet der Meteorologie zu geben, sowie aktuelle Wetter- und Klimaereignisse zu diskutieren."

Die VO-Prüfungen finden mündlich statt, wobei der Fokus auf Verständnis liegt. Für mich ist das (auch wenn es zeitaufwendig ist) ganz essentiell, weil man nur so sieht, was auch wirklich "angekommen ist".

Kurzzusammenfassung des Projekts in englischer Sprache

The lecture is intended to give students of Physics and Environmental Systems Sciences (and in a parallel course also high school teacher candidates) a first insight into the fascinating phenomena that take place in our atmosphere - from basic physics to the "greenhouse effect", freezing rain, typhoons and jet streams.

In parallel to the lecture, there are exercises, in which the lecture content is deepened - with examples as illustrative as possible, which may also borrowed from disaster movies.

By the end of the course, I expect the participants to be able to:

- understand interrelations within the system atmosphere,

- describe the important processes influencing the atmosphere and its role in the climate system,

- give an overview on the field of meteorology,

- discuss relevant current events (like current weather extremes, tropical storms ...)."

The lecture exams are oral, with a focus on understanding. For me, this is quite essential (even though it is time-consuming), because it is the only way to see what has really "gotten through".

Nähere Beschreibung des Projekts

Der Fokus ist „Lehrergebnisorientierte Lehr- und Prüfungskultur“ – wie bringt man also Studierende dazu, „grundlegenden physikalischen Zusammenhänge im System Erdatmosphäre zu beschreiben und zu verstehen“?

In der ersten VO-Einheit gibt es ein Einstiegs-Quiz - bei dem es viele "falsche" Antworten gibt (was aber keine Rolle spielt, weil die Studierenden den Zettel nicht abgeben müssen) - oder hätten Sie gewusst, dass Wasserdampf das wichtigste Treibhausgas ist, ein Regentropfen *nie* wie ein "Tropfen" aussieht, Tag und Nacht zur "Tag-und-Nacht-Gleich" *nicht* gleich lang sind, oder dass feuchte Luft *leichter* ist als trockene? Alle Fragen werden dann natürlich im Laufe der VO beantwortet - wo dann auch immer wieder (scheinbar) einfache Fragen gestellt werden:

Wir wissen alle, dass warme Luft aufsteigt, und kalte absinkt. Dann lernen wir, dass die Luft in der oberen Troposphäre sehr kalt ist - warum sinkt sie dann nicht ab?

Wolken bestehen größtenteils aus flüssigem Wasser (oft tausende Tonnen davon) - warum fallen sie dann nicht herunter?

Wie können die Wolken bei Temperaturen weit unter 0 °C aus flüssigem Wasser bestehen?

Im Film „The Day after tomorrow“ wird u. A. die englische Königsfamilie bei ca. –100 °C tiefgefroren, weil in Super-Zyklonen kalte Luft aus der Stratosphäre zum Erdboden vordringt. Warum kann das so nie passieren?

Antworten auf Fragen: Auch das beste Lehrbuch kann keine Fragen beantworten. Wenn spannende Fragen von den Studierenden kommen, versuche ich immer, sie so gut wie möglich zu beantworten, auch wenn (oder manchmal auch gerade wenn) die Antworten dann bisweilen recht weit vom ursprünglichen Thema wegführen können. Eine gewisse eigene Sattelfestigkeit ist in einem solchen Fall hilfreich, um sich auch auf ungewohntes Terrain vorzuwagen.

Unterschiedliche Erklärungen: Erst durch die Reaktion von Studierenden (manchmal auch erst bei den ersten mündlichen Prüfungen), stellt sich heraus, dass auch „klassische“ Erklärungen nicht immer gut funktionieren. Oft hilft ein nur geringfügig anderer Blickwinkel (z.B. bei der Wiederholung in der nächsten Einheit), um das Problem dann zu verstehen. In diesem Zusammenhang sind mündliche Prüfungen extrem hilfreich, da hier das Haupt-Augenmerk auf das Verstehen und Erklären gelegt werden kann.

Viele Studierende entschließen sich dazu, ihre Bachelorarbeit im Rahmen dieser LV zu verfassen – dann ist auch eine individuelle Betreuung möglich.

Nutzen und Mehrwert

Hier erlaube ich mir, die Studierenden zu Wort kommen zu lassen (Evaluierung, O-Ton): online.uni-graz.at/kfu_online/qt_eval1.display_result

Ein paar Beispiele, warum sich laut Studierenden die LV von anderen positiv abhebt:

* Der Lehrende schafft es mit einer Prise Humor und einer angenehmen Arbeitsatmospähre das Interesse der Studierenden zu wecken und zu halten. Inhalte werden meist in den realen Kontext gesetzt und so noch greifbarer gemacht.

* Durchgehend guter Vortrag(!), durchgehend gute Unterlagen, Lehrperson schafft es, einen "abzuholen" und "mitzunehmen". Es wird meiner Meinung nach sehr viel Wissen vermittelt, aber in verdaubare Portionen verpackt. In Summe die 'beste' LV, die ich in diesem Semester besucht habe.

* Dem Lehrenden ist wichtig, dass die Studierenden sowohl auf fachlicher als auch auf alltäglicher Ebene Wissen erwerben und Fehlvorstellungen aus dem Weg geräumt werden.

* Mehr als noch bei anderen LVs legt der Vortragenden großen Wert auf das Verständnis des Stoffes. Viel zu oft begeht man im Zuge des Physikstudiums den Fehlschluss, dass man etwas verstanden hat, nur weil man dessen Herleitung reproduzieren kann. Dass dennoch Verständnislücken vorliegen, wird dann klar, wenn man mit Fragestellungen konfrontiert wird, die nicht genau so in der Vorlesung behandelt wurden. Genau hier hebt sich diese Veranstaltung von anderen LVs ab.

* Es werden viele Verknüpfungen zu anderen LVs und zum alltäglichen Leben aufgezeigt. Außerdem hat Prof. Foelsche mich motiviert außerhalb der Box zu denken und neue Lösungswege zu finden. Noch dazu habe ich mich auch außerhalb der LV für Veranstaltungen und Vorträge zum Thema interessiert bzw selbst mehr recherchiert. Es gefällt mir auch auf Augenhöhe behandelt zu werden.

Nachhaltigkeit

Das Konzept ist auf ähnliche Lehrveranstaltungen übertragbar und ganz konkret wird es auch bei der „Einführung in die Geophysik“ umgesetzt.

Aufwand

Es kostet natürlich Zeit, in einem breiten Fachgebiet auf dem letzten Stand zu bleiben – andererseits hilft das natürlich auch für die eigene Forschung.

Die mündlichen Prüfungen sind zeitaufwändig – aber das zahlt sich aus: Häufig berichten Studierende, dass sie einige Zusammenhänge erst bei der Prüfung verstanden haben.