Influencia de la concentración del gas CO 2 en la temperatura de la superficie de la Tierra Guía para el Profesor

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1 Influencia de la concentración del gas CO 2 en la temperatura de la superficie de la Tierra Guía para el Profesor INTRODUCCIÓN La Tierra se divide en tres capas. La capa sólida es la litósfera, la capa acuosa en la superficie de la Tierra es la hidrósfera y la capa de aire sobre la litósfera es la atmósfera. La atmósfera está compuesta por nubes, viento, lluvia y gases de efecto invernadero (GEI). Los GEI permiten la retención de energía solar como calor de manera similar a un invernadero. Un invernadero tiene techo y paredes de plástico o vidrio y se utiliza para el crecimiento de plantas debido su interior es templado, incluso en invierno. Los rayos solares atraviesan el vidrio y son absorbidos por las plantas y objetos dentro del invernadero. Luego, las plantas y objetos emiten la energía absorbida como radiación infrarroja (energía calórica). El vidrio del invernadero absorbe esa radiación infrarroja y la emite devuelta al interior del invernadero. En consecuencia, el invernadero se mantiene caliente en comparación con el exterior. La atmósfera de la tierra cumple el mismo objetivo que las paredes del invernadero; mantener energía calórica en la superficie de la tierra. Gracias a este efecto invernadero natural, es posible que existan temperaturas adecuadas para la vida. Los GEI, como el dióxido de carbono (CO 2 ), el metano (CH 4 ), y el vapor de agua, tienen la capacidad de absorber y emitir radiación infrarroja. Cuando la radiación solar entra a la atmósfera, los GEI dejan pasar los rayos solares hacia la superficie de la Tierra. Luego, la superficie de la Tierra emite radiación infrarroja (energía calórica) y parte de esta radiación es atrapada por los GEI evitando que se pierda hacia el espacio. Por último, los GEI emiten la radiación infrarroja hacia la superficie de la tierra, repitiendo el ciclo una y otra vez. Si no fuera por los GEI, la temperatura de la tierra descendería a -18 C y los océanos estarían congelados. Desde el comienzo de la Revolución Industrial, los seres humanos han cambiado la composición de los gases en la atmósfera. A través del talaje de árboles y la quema de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) se ha aumentado la concentración de GEI como CO 2, metano y ozono, siendo el CO 2 el que ha mostrado el mayor aumento en su concentración. Incluso, se han sumado nuevos gases creados por el hombre como los clorofluorocarbonos. El aumento antropogénico de la concentración de los GEI, en especial el CO 2, ha amplificado el efecto invernadero natural. Como consecuencia, la temperatura de la superficie de la tierra se ha elevado. A este fenómeno se le conoce como Calentamiento Global. PREPARACIÓN PREVIA AL DÍA DEL EXPERIMENTO Esta actividad tiene una duración aproximada de dos bloques de clase. Alternativa de energía solar: En el caso que el experimento se realice en invierno o en un día nublado, se puede utilizar una lámpara como recurso de energía solar*. 1. Materiales para el profesor:

2 - Cinta adhesiva - Tijeras - Plumón - Papel 2. Reunir los materiales necesarios por grupo (4 alumnos). - 2 vasos iguales de plástico o botellas cortadas de plástico o vasos de precipitado (todos deben ser transparentes para observar la reacción que ocurrirá en su interior). Se sugire que las dimensiones de las botellas o vasos sean: boca del vaso de 7-8 cms de diametro, fondo del vaso de 6-7 cms de diametro y cms de alto. - 2 termómetros de laboratorio - Plásticos transparentes o bolsas para cubrir la boca de cada vaso - 2 elásticos - 2 vasos plásticos pequeños o servilletas para poner el bicarbonato de sodio - Medidor de líquidos - Cuchara de Té - Vinagre trasparente (uva o manzana) - Bicarbonato de sodio - Cartulina negra - Lapices de colores - Reloj o cronómetro para medir el tiempo (puede ser un celular) 3. Rotular un vaso con las palabras Nuestro planeta sin contaminación y el otro Nuestro planeta con contaminación. 4. Verter 50 ml de vinagre en cada vaso. **[ALTERNATIVA: si va a utilizar vasos con las dimensiones sugeridas, mida 2.5 cms desde el fondo del vaso y haga una marca. Luego agregue vinagre hasta esa marca] 5. Pegar, con cinta adhesiva, los termómetros a las paredes de cada vaso por dentro. Para no interferir con las mediciones se debe evitar pegar la cinta adhesiva sobre el bulbo (compartimiento que contiene el alcohol o mercurio). También debe asegurarse que el bulbo no toque el vinagre dentro de los vasos, en otras palabras, que el bulbo no este sumergido dentro del vinagre. Para ello, mida 5 cms a lo largo del termómetro desde el bulbo y haga una marca. Luego inserte el termómetro dentro del vaso y haga coincidir la boca del vaso con la marca que usted hizo en el termómetro. Pegue la cinta adhesiva sobre el termómetro contra las paredes del vaso. Puede utilizar más de un trozo de cinta adhesiva para asegurar el termómetro al vaso, pero no puede pegar la cinta sobre el bulbo del termómetro. 6. Cortar dos trozos de plástico transparente o bolsa plástica transparente de un tamaño suficientemente grande para cubrir la boca de cada vaso y que desborde unos 4 cms por fuera de las paredes de cada vaso y así poder mantenerlos en su lugar con un elástico o cinta adhesiva. 7. Hacerles un hoyo pequeño a los plásticos o bolsas transparentes. Pasarlos a través del termómetro y dejarlos a la altura de la boca del vaso. Sellar cualquier agujero, entre el termómetro y la bolsa, con cinta adhesiva. Verificar que estén bien sellados para que no se pierda CO 2 al realizar el experimento. 8. Rotular un vaso pequeño o servilleta BICARBONATO DE SODIO y poner dos cucharadas de Té rasas o 9.8 gramos de bicarbonato de sodio. Tenerlo listo para que los alumnos se

3 lo agreguen al vaso rotulado Nuestro planeta con contaminación. 9. Despejar las ventanas para poder utilizar la energía solar **[ALTERNATIVA: lámpara con una ampolleta corriente de 100 watts] DÍA DEL EXPERIMENTO 1. Discusión antes de comenzar el Experimento Discutir con los alumnos quiénes han escuchado sobre el Calentamiento Global. Qué lo causa? [Emanaciones de los autos, contaminación del aire, gas CO 2, etc.]. Por qué creen que estas actividades aumentan la temperatura del planeta? Preguntarles si han escuchado sobre el Efecto Invernadero y usar ejemplos para graficar: qué sucede cuando se deja un auto estacionado en un día de sol, cómo es la temperatura en el interior del auto? Explicar a los alumnos cuál es la fuente de energía de la Tierra [el Sol], las diferentes capas de la Tierra (atmósfera, hidrósfera y litósfera) y concentrarse en especial en la atmósfera. La atmósfera esta compuesta de varios gases. Brevemente explicar lo que es un gas. Dentro de los gases que componen la atmósfera se encuentran los GEI (vapor de agua (H 2 O), dióxido de carbono (CO 2 ), metano (CH 4 ), óxido nitroso (N 2 O) y ozono (O 3 ), que nos protegen de los rayos ultravioleta del sol y mantiene la temperatura de la Tierra. Para explicar la importancia de los GEI en la mantención de la temperatura, comentarles cómo funciona un invernadero y cómo las paredes de este representarían los GEI de la atmósfera. Los GEI sirven como una manta que evitan que la Tierra pierde energía calórica en forma de radiación hacia el espacio, haciéndola rebotar hacia la Tierra nuevamente. Pero, si uno o más de estos gases, como el CO 2 aumenta mucho su concentración, entonces esta manta se transforma en una barrera más gruesa, acumulando mayor calor y, como consecuencia, aumentando la temperatura de la Tierra. Preguntar a los alumno si saben qué acciones del hombre han incrementado la concentración de los GEI en la atmósfera [El CO 2 aumenta por quema de compuestos orgánicos, deforestación, CH 4 aumenta por el cultivo de arroz porque microorganismos en los arrozales producen metano, crianza de vacuno porque su sistema digestivo genera metano, N 2 O aumenta por el uso de fertilizantes a base de nitrógeno en los cultivos agrícolas]. En esta actividad estudiaremos cómo influye la concentración del gas CO 2 en la temperatura de nuestro planeta. 2. Explicación del Experimento Este experimento permitirá que los estudiantes utilicen modelos que simulen el rol y la importancia de la concentración de los GEI en la atmósfera de la Tierra. El profesor debe dejar claro que, a pesar de que la actividad experimental se enfoca solo en un gas invernadero, el CO 2, los resultados obtenidos se pueden extrapolar a los otros GEI debido a que estos se comportan de la misma forma que el CO 2 cuando su concentración aumenta en la atmósfera. Para estudiar si la concentración de los GEI afecta la temperatura del aire se construirán dos modelos; uno representando el efecto invernadero natural y el otro el efecto invernadero amplificado o antropogénico. Estas dos condiciones atmosféricas serán representadas por vasos cubiertos con una lámina de plástico y los GEI serán representados por un gas

4 invernadero: el CO 2. Para estudiar si el aumento de la concentración de CO 2 afecta la temperatura del aire dentro de los vasos, se genera CO 2 en uno de los vasos y se cubrirá (vaso rotulado Nuestro planeta con contaminación ), mientras que el otro vaso sólo se cubrirá (vaso rotulado Nuestro planeta sin contaminación ). Posteriormente, ambos vasos se colocarán bajo la luz directa del sol o una lampara, y se monitoreara su temperatura. Generación de CO 2 : en el vaso CO 2 se agrega bicarbonato de sodio y vinagre y se cubre rápidamente con una lámina de plástico. Cuando el vinagre entre en contacto con el bicarbonato de sodio, se producirá efervescencia y burbujeo indicando la generacion de CO 2. La reacción química es la siguiente: CH 3 COOH + NaHCO 3 CH 3 COONa + H 2 O + CO 2 Vinagre (acido acético) + bicarbonato de sodio acetato de sodio + agua + CO 2 En el vaso rotulado Nuestro planeta sin contaminación se agrega sólo vinagre. Por qué se debe tener un vaso en que se agrega bicarbonato de sodio y otro en que no se agrega? Podríamos sacar conclusiones sobre el efecto de la concentración de CO 2 en la temperatura del aire observando sólo el vaso rotulado Nuestro planeta con contaminación? Explicar a los alumnos la importancia de tener un punto de referencia, comparación o control. En este caso, el control será el vaso rotulado Nuestro planeta sin contaminación y que sólo contiene vinagre. Es importante tener la misma cantidad de vinagre en cada vaso? Por qué? Hay que usar vasos iguales? Explicar a los alumnos que la cantidad de vinagre, vasos y la energía solar o la lámpara se les llaman variables. Y que es muy importante mantener todas las variables iguales y sin cambios para así poder estudiar nuestra variable de interés: la concentración o cantidad de CO 2. Esta variable se registrará midiendo la temperatura dentro de los vasos durante su exposición a la energía solar o la lámpara. Explicarle a los alumnos que la lámpara representa la energía solar. De esta forma, si se observa una diferencia de temperatura entre el vaso rotulado Nuestro planeta sin contaminación y el vaso rotulado Nuestro planeta con contaminación, sabremos que la diferencia es causada por la concentración o cantidad de CO Explicación de los Materiales y Procedimiento de la Guía Experimental para el Alumno Materiales: - 1 vaso con un letrero que dice: Nuestro planeta sin contaminación. - 1 vaso con un letrero que dice: Nuestro planeta con contaminación. Explicar a los alumnos que cada vaso representa a nuestro planeta (con sus árboles, ríos, montañas, océanos, etc etc et.) en dos condiciones distintas, una sin contaminación y otra con contaminación. Explicar que el líquido en ambos vasos es vinagre, que deben ser cuidadosos con los termómetros y el plastico pegado al termómetro. Que en el vaso rotulado Nuestro planeta sin contaminación no se va a producir CO 2 mientras que en el vaso rotulado Nuestro planeta con contaminación se producirá CO elásticos. - 1 vasito o servilleta con bicarbonato de sodio con un letrero que dice: BICARBONATO

5 DE SODIO. Explicar a los alumnos que el bicarbonato de sodio será el compuesto que al mezclarse con el vinagre producirá CO 2. - Energía solar **[ALTERNATIVA: lámpara con una ampolleta corriente de 100 watts] - Cartulina negra. Explicar a los alumnos que la cartulina negra ayudará a que la temperatura dentro de los vasos aumente aún más ya que absorberá mayor radiación solar. - Lápices de colores. Serán necesarios para que los alumnos dibujen sus observaciones - Reloj o cronómetro para medir el tiempo. Procedimiento: El profesor entregará los materiales para realizar el experimento. Pon mucha atención a las explicaciones que él dará sobre la importancia de cada material. 1. Rellena la siguiente Tabla. Anota las mediciones de temperatura que harás, en cada vaso, durante el experimento. Tu tabla debe tener: un título, el tiempo (en minutos) en que se tomará cada medición de temperatura, espacio para las mediciones de temperatura (en grados Celcius) en los dos vasos. Titulo de la Tabla: Tiempo (minutos) Temperatura de Nuestro planeta sin contaminación (⁰C) Temperatura de Nuestro planeta con contaminación (⁰C) 2. Pon la cartulina negra bajo la luz directa del sol. Pon los vasos sobre la cartulina negra tratando que el calor no llegue directamente al bulbo del termómetro. **[ALTERNATIVA: si usas una lámpara, pon la lámpara sobre la cartulina negra y luego los vasos a cada lado de la lampara. Es importante que los dos vasos queden a la misma distancia de la lámpara (unos 10 cms de distancia) para que reciban la misma cantidad de luz y trata que el calor no le llegue directamente al bulbo del termómetro.] Explicar a los alumnos que es muy importante que calor del sol o la lámpara no lleguen directamente al bulbo del termómetro para que así no haya distorsión en los resultados. 3. Mira el termómetro en cada vaso y anota la temperatura en tu Tabla. Esta será tu primera medición. **[ALTERNATIVA: si usas una lámpara, prende la lámpara y anota la temperatura que observas en cada vaso en tu Tabla.] Explique a los alumnos que esta será la medición del tiempo cero (t=0 minutos). 4. Un compañero debe agregar el bicarbonato de sodio al vaso Nuestro planeta con contaminación. Tú y otro compañero deben tapar rápidamente cada vaso con la lámina de plástico utilizando el elástico para mantenerlo seguro. Al mismo tiempo, otro compañero debe comenzar el cronómetro. Escribe rápidamente lo que observas. Explicar a los alumnos que inmediatamente después de agregar el bicarbonato de sodio, se deben tapar AMBOS vasos. Se debe recalcar que no se deben remover las cubiertas

6 de plástico hasta que el experimento finalice para evitar que se alteren las condiciones de cada vaso. Es importante destacar que el experimento se debe hacer en equipo y que cada alumno tiene un rol clave para que el experimento funcione. 5. Mira el termómetro en cada vaso cada 2 minutos y anota la temperatura en tu Tabla. Debes hacer esto durante 20 minutos. 6. Anota cualquier cambio que observes al interior de los vasos durante el experimento (también debes incluir si es que no ves cambios). Ejemplos: Deben mencionar el fuerte burbujeo inicial en el vaso Nuestro planeta con contaminación, luego este disminuye pero sigue presente. Puede que observen aumento de volumen en el vaso Nuestro planeta con contaminación al levantarse la lámina de plástico. No deberían ver cambios en el vaso Nuestro planeta sin contaminación. Resultados: 1. Dibuja los vasos y lo que viste en su interior al principio y al final del experimento. Es importante que los alumnos dibujen la zona de burbujeo y formación de espuma y que entiendan que en esta zona se produce CO 2. El vaso sin CO 2 debe ser dibujado igual al principio y al final del experimento. 2. Construye un gráfico de Tiempo versus Temperatura con los datos de la Tabla. Tu gráfico debe tener un título y nombres para el eje X o abscisa (tiempo, en minutos) y para el eje Y u ordenadas (temperatura, en grados Celsius). Para graficar, has un punto para cada dato de temperatura que anotaste de Nuestro planeta sin contaminación con un lápiz azul. Luego, con el mismo lápiz, une los puntos dibujando una línea o curva suave. Has lo mismo para los datos de temperatura de Nuestro planeta con contaminación pero con un lápiz rojo. Explicarle a los alumnos cómo deben graficar mediante una demostración en el pizarrón. 4. Discusión final una vez realizado el Experimento Se puede predecir lo que le ocurriría a la temperatura de la Tierra si la concentración de CO 2 sigue aumentando en la atmósfera? Qué creen que puede pasar si uno o más de los GEI aumentan en concentración? Si la concentración de CO 2 aumenta, la temperatura de la atmósfera también aumentará. Lo mismo ocurriría si aumentan otros GEI. Cuáles son las consecuencias del Calentamiento Global? Aumentan las inundaciones, los niveles del océano, la temperatura de los océanos, las sequías, las olas de calor y se producen deshielos. Todo esto tiene un fuerte impacto en el medio ambiente y en los seres humanos. Qué podemos hacer para mantener concentraciones o cantidades normales de los GEI? Hay que crear conciencia ambiental y reducir la emisión de GEI. PREGUNTAS Y RESPUESTAS DE LA GUÍA EXPERIMENTAL PARA EL ALUMNO 1. Calcula el cambio de temperatura en cada vaso restando el valor de la TEMPERATURA MÍNIMA al valor de la TEMPERATURA MÁXIMA. Los alumnos deben calcular el cambio de temperatura para cada vaso. En qué vaso hay un cambio de temperatura grande? Hay un mayor cambio de temperatura en el vaso Nuestro planeta con contaminación. A pesar que la diferencia en el cambio de temperatura entre el vaso con mayor concentración de CO 2 y el con menor concentración de CO 2 será de 1 a 2 grados, a los

7 alumnos les debe quedar claro que este cambio es relevante para la temperatura de la Tierra y que un aumento de uno o dos grados en la temperatura promedio trae cambios globales que afectan toda la vida de nuestro planeta. A qué se debe esta diferencia? Se debe a que hay una mayor absorción de calor en el vaso con mayor concentración de CO 2. Por qué ocurre esto? Porque el CO 2 es una gas que puede absorber calor, y a mayor cantidad o concentración de CO 2, mayor absorción de calor. 2. Cómo crees tú que este experimento sirve para mostrar que la contaminación del aire con CO 2 influye en el calentamiento global? Los vasos representan dos atmósferas, una con baja y otra con alta concentración de CO 2. En nuestro experimento, el vaso con mayor concentración de CO 2 mostró un mayor aumento en la temperatura en comparación con el vaso de baja concentración de CO 2. Esto demostraría que, si aumenta la concentración de CO 2 en la atmósfera debido a la contaminación de aire, entonces, aumenta el Calentamiento Global. 3. Tomando como referencia los resultados de este experimento, qué crees tú que le podría suceder a la superficie de la Tierra si aumenta la concentración de otros gases de efecto invernadero (GEI)? Los resultados obtenidos se pueden extrapolar a los otros (GEI) debido a que estos se comportan de la misma forma que el CO 2 ; también son capaces de captar radiación infrarroja (energía calórica) y emitirla hacia la superficie de la Tierra. Por ende, si aumenta la concentración de los otros GEI, aumenta la temperatura de la superficie de la Tierra. 4. Da al menos 5 ejemplos de formas en que se pueden disminuir las emisiones de los GEI. Reciclar, caminar, movilizarse en bicicleta o autos híbridos, plantar árboles, cambiar ampolletas antiguas por ampolletas eficientes, reusar las bolsas de supermercado, compartir el auto para ir al colegio o al trabajo, usar el metro o bus, apagar las luces y aparatos eléctricos cuando no estén en uso.