Debreceni Egyetem Gyermeknevelési és Felnıttképzési Kar

Átírás

1 Debreceni Egyetem Gyermeknevelési és Felnıttképzési Kar Környezeti nevelés és módszertana I. (Jegyzet belsı használatra) Készítette: Dr. Varga Imre január

2 Környezeti nevelés módszertana I. Tartalomjegyzék Elıszó... 1 A természettudományok alapjai... 2 Anyagszerkezet... 8 Az anyag építıkövei... 8 Alapvetı kölcsönhatások Kémia Az Univerzum A Föld Litoszféra Atmoszféra Idıjárási jelenségek Hidroszféra Bioszféra Kölcsönhatások a bioszférában Élettelen-élı kölcsönhatás Élı-élı kölcsönhatás Biogeokémiai ciklusok a bioszférában Energiaáramlás a bioszférában Társadalmi környezet Energiaforrások Nyersanyag, hulladék A társadalmi környezet komplex hatása a természeti környezetre Környezettudatos magatartás Irodalom... 63

3 Környezeti nevelés módszertana I. 1 Elıszó Ez a jegyzet azt a célt szolgálja, hogy segítse a Debreceni Egyetem Gyermeknevelési és Felnıttképzési Kar óvodapedagógus hallgatóit abban, hogy megszerezzék azokat az ismeretanyagokat, amelyek a Környezeti nevelés és módszertana I (régebbi nevén Természetismeret ) címő tantárgy teljesítéséhez szükségesek. Témáját tekintve természettudományok azaz fizika, kémia, földrajz, csillagászat, biológia témakörét érinti. Ez a terület sajnos kissé távol áll a többnyire humán beállítottságú hallgatóság számára. Gondot jelenthet számukra az, hogy az anyag nem lineáris felépítéső, a témák között rengeteg kapcsolat van, szinte mondhatnánk azt, hogy minden összefügg minden mással. A felkészülés során erre fokozottan oda kell figyelni, mert nem a tartalmak tudása az elsıdleges, hanem a tartalmak közötti összefüggések átlátása. Nem szükséges elveszni a számokban, adatokban inkább a megértésen van a hangsúly. Az elıadások által érintett témák a hétköznapokban is megjelennek, akár a kisgyermekek is felvethetnek olyan kérdéseket, amelyekre a válasz egyszerő, de csak kevesen tudnak rá kielégítıen felelni. Az általános mőveltség és a széles látókör nélkülözhetetlen elemei azok a tények, elvek, jelenségek melyekkel a jegyzet keretein belül ismerkedhetnek meg a hallgatók. Mindezek szükségesek ahhoz, hogy a környezettudatos magatartás kialakuljon a pedagógusban, majd pedig ez a gyermekek nevelésében is megjelenjen.

4 Környezeti nevelés módszertana I. 2 A természettudományok alapjai A korábban különálló tudományágak, mint a fizika, kémia, biológia, földrajz, csillagászat fejlıdésük során egyre újabb területeket tártak fel a világból. Ezek a területek mára már átfedésbe kerültek, gondoljunk csak az atomfizikára, biokémiára vagy az asztrofizikára. Ezeket a tudományágakat átfogóan, egységesen kell ma már szemlélnünk, melynek hátterében mindig ott van egy speciális nyelv a matematika. A természettudományokban a dolgokról nem csak minıségileg (kvalitatívan), hanem mennyiségileg (kvantitatívan) is beszélünk. Ahhoz viszont, hogy ezt megtehessük a mennyiségek pontos leírására mértékegységeket kell bevezetnünk. Például a hosszúság mérésére a méter nevő mennyiséget. Így ahhoz, hogy egy mennyiségrıl pontosan tudjunk beszélni mindig meg kell adnunk egy mérıszámot és egy mennyiséget. Például egy test hossza 21 méter. A különbözı mennyiségekhez különbözı mértékegységek rendelhetık. A mértékegységeket többféleképpen csoportosíthatjuk. Lehetnek például metrikus (méter, liter) vagy angolszász mértékegységek (inch, font). Egyes mértékegységek kifejezhetıek másokkal, mások nem. Az SI mértékegységekbıl (méter, kilogramm, másodperc, stb.) az összes mértékegység származtatható. Nézzünk egy konkrét esetet: a Newton felírható kg*m/s 2 alakban is. Azért hogy az kisebb-nagyobb mennyiségek leírásához ne kelljen túl kicsi vagy túl nagy mérıszámokat használni alkalmazhatjuk az alábbi elıtagokat. név jel érték név jel érték nano n 0, deka dk 10 mikro µ 0, hekto h 100 milli m 0,001 kilo k 1000 centi c 0,01 mega M deci d 0,1 giga G A természettudományokban vannak olyan alapvetı törvények illetve alapelvek, amelyek a gerincét képezik a természettudományoknak. Ilyenek többek között a Newton törvények, a megmaradási törvények, a szimmetria, stb. Ismerkedjünk meg most ezekkel! Newton I. törvénye: Egy test megırzi mozgásállapotát (egyenes vonalú egyenletes mozgást végez, vagy állva marad) mindaddig, amíg egy külsı tényezı

5 Környezeti nevelés módszertana I. 3 annak megváltoztatására nem kényszeríti. Ennek a törvénynek a szemléltetésére leggyakrabban használt példa az, amikor a fékezı buszon az addig álló labda elkezd gurulni. Hogy is van ez? Senki nem nyúlt a labdához mégis elkezd mozogni. Akkor nem igaz az I. törvény? Nyugodjunk meg igaz. A labda ugyanis nem állt, hanem a busszal együtt mozgott. Viszont a labdát nem érdekli, hogy a busz mit csinál. Ha a busz fékez (csökkenti a sebességét) a labda akkor is tovább fog menni azonos sebességgel. Csak akkor fogja megváltoztatni a sebességét, ha egy másik tárgy arra kényszeríti, tehát például akkor, amikor mozgása során eléri a busz elejét és nekiütközik annak. Vagy nézzünk egy másik példát! Tegyük fel egy őrhajó halad a Föld és a Hold között, mondjuk fél úton v sebességgel a Hold felé. Vajon mennyi üzemanyag szükséges neki 100 km megtételéhez? Közelítsük meg a problémát fizikus szemmel! Mi hat az őrhajóra? Mivel kerül kölcsönhatásba? Mivel érintkezik? Semmivel. Akkor továbbra is v sebességgel fog mozogni, minden beavatkozás nélkül. Vagyis ilyenkor nincs szüksége üzemanyagra!!! (Az csak a lassításhoz, gyorsításhoz, irányváltozáshoz, azaz a mozgásállapot megváltoztatásához szükséges.) A Földön az autóknak azért van szükségük üzemanyagra, mert az alkatrészek, a kerekek súrlódása, a közegellenállás mind kényszeríti az autót mozgásállapotának megváltozatására (lassulásra), így az állandó sebességnek ára van, tankolnunk kell. Newton II. törvénye: Egy test mozgását környezete befolyásolja. Sokak számára ez a törvény csak F=ma, egy üres képlet. Pedig ennek tartalma is van. Egy m tömegő test mozgását az ı gyorsulása ( a ) jellemzi, ezt pedig a test környezete határozza meg, amely környezeti hatást az erınek ( F ) nevezett mennyiséggel fejezzük ki tömören. Ez azt a nagyszerő képességet adja meg számunkra, hogy ha ismerjük, hogy egy test milyen kapcsolatban áll környezetével ismerjük annak hatását meg tudjuk mondani minden idıpontban a gyorsulását. Ez azt jelenti, hogy ismerjük a mozgását, meg tudjuk mondani hol lesz a következı percben, vagy hol volt 5 perccel ezelıtt. Betekinthetünk a múltba vagy a jövıbe. A II. törvény alapján azt is tudjuk, hogy ugyanakkora (erı)hatás egy nagyobb tömeget kevésbé tud megmozdítani. Minél nagyobb egy test tömege annál nehezebben lehet megmozdítani, azaz annál nagyobb a tehetetlensége (tehetetlenség = tömeg).

6 Környezeti nevelés módszertana I. 4 Newton III. törvénye: Ha egy test valamekkora erıt fejt ki egy másikra, akkor a másik is ugyanakkora nagyságú, de ellentétes irányú erıt fejt ki az elıbbire. Mondhatnánk tréfásan azt is, hogy ezt a törvényt még egy egyszerő szék is ismeri. Hogyan vizsgáztassuk le a széket? Egyszerő. Álljunk rá! İ abban a pillanatban kiszámolja a rá ható erıt és pontosan akkora erıvel fogja ellensúlyozni, aminek köszönhetıen meg tudunk állni a széken. Newton IV törvénye: Ha egy testre egyszerre több test hat akkor a test ezek együttes hatásának megfelelıen fog mozogni. Ez azt a könnyítést adja meg a fizikus számára, hogy ha ismerjük B hatását A-ra (meg tudjuk mondani, hogy mozogna az A test) és C önálló hatását is A-ra, akkor egyszerően azt is meg tudjuk mondani, hogyan fog mozogni A ha egyszerre B és C is hat rá. Ha egy rendszer semmilyen kölcsönhatásban nincs a környezetével, akkor azt mondjuk, hogy a rendszer zárt, ellenkezı esetben nyílt rendszerrıl beszélünk. Egy nyílt rendszer mindig zárttá tehetı, ha a környezetnek azt a részét, amelyikkel kölcsönhatásban van, hozzárendeljük a rendszerhez. Ez azért fontos, mert zárt rendszerekben van jó néhány mennyiség, amelyik egy speciális viselkedést mutat, kimondható rájuk egy megmaradási tétel. Zárt rendszerben lejátszódó bármilyen folyamat során az adott mennyiség értéke nem változik, a kezdeti és a végállapotban is ugyanannyi. Nézzünk példákat megmaradási törvényekre! Tömegmegmaradás: egy zárt rendszer össztömege állandó. Mit jelent ez konkrét esetekben? Oldjunk fel 1kg vízben 10g konyhasót. Oldás elıtt a rendszer össztömege 1010g, az elkészült oldaté szintén 1010g. Ha elégetünk egy kg fát nem egy kg hamu keletkezik. Az égı fa nem zárt rendszer, kölcsönhatásban van a levegıvel, mivel az égéshez oxigén kell és közben széndioxid keletkezi. Ha megmérnénk a fa és az égéshez szükséges oxigén tömegét az ugyanannyi lenne, mint a keletkezı gázok, hamu és pernye össztömege. Energiamegmaradás: a rendszer összenergiája állandó, csak az egyes energiaformák átalakulnak egymásba. A forró víz hőlése során hıenergiát ad át a környezı testeknek, akik ezáltal felmelegednek. A fa égése során keletkezı hıenergia nem a semmibıl jön. Ez az energia korábban a fa anyagának kémiai kötéseiben volt tárolva kémiai energiaként. A lejtın leguruló golyó egyre gyorsabban mozog, azaz nı

7 Környezeti nevelés módszertana I. 5 a mozgási energiája. Ennek viszont az az ára, hogy folyamatosan csökken a helyzeti energiája. Az elızı két megmaradási törvényt ki kell egészítenünk egy kicsit, ahhoz, hogy minden esetben igaz legyen. Einstein relativitáselmélete óta tudjuk, hogy az energia és a tömeg ekvivalens azaz egyenértékő mennyiségek, egymásba át tudnak alakulni a híres E=mc 2 képlet alapján. Így megmaradási törvényt igazából csak kettejükre együttesen tudunk értelmezni. Hol jelentkezik ez a gyakorlatban? Vegyük például a Napot! Honnan származik a napsugarak energiája? Mitıl olyan forró a Nap? Honnan az a rengeteg energia? A csillagok belsejében lejátszódó nukleáris folyamatok (magfúzió) során hidrogénbıl hélium keletkezik. Csakhogy 1 kg hidrogénbıl nem egészen 1kg hélium lesz. Néhány gramm anyag eltőnik. Nem más anyaggá alakul, nem elpárolog, hanem megszőnik anyagnak lenni, átalakul energiává. Lendületmegmaradás: Egy test lendülete nem más, mint a tömegének és sebességének szorzata. Zárt rendszerben az elemek lendületének összege sohasem változik. Lövés elıtt a puska és a töltény is állnak, sebességük nulla, így lendületük egyenként is összességében is nulla. Lövés után a kis tömegő golyó nagy sebességgel halad elıre, van valamekkora lendülete. Hogyan lehet akkor a rendszer összlendülete nulla? Úgy, hogy a puska ellentétes irányú ugyanakkora nagyságú lendületre tesz szert (Newton III. törvény). Azaz a lövedékkel ellentétes irányban visszalökıdik, de mivel jóval nagyobb tömegő, mint a lövedék, ahhoz hogy ugyanakkora lendülete legyen sokkal kisebb sebességgel fog visszalökıdni. Perdületmegmaradás: A perdület a lendülethez hasonló mennyiség csak ez a forgó rendszereket írja le (nem a haladót). Ez is megmaradó mennyiség. Emiatt van szükség a helikoptereken farokrotorra, különben a géptest a fırotorral ellentétes forgást végezne. Elektromos töltés megmaradás: Egy zárt rendszer össztöltése mindig ugyanannyi. A klóratomban 17 elektron és 17 proton (azonos nagyságú ellentétes töltés) van, így a klóratom semleges. Azonban beszélünk klór ionról is, ami egyszeresen negatív töltéső. Mivel az elektromos töltésre érvényes a megmaradási törvény klóratomból csak úgy lehet klór ion, ha egy elektront szerez a környezetébıl, máshogy nem.

8 Környezeti nevelés módszertana I. 6 Anyagmegmaradás: Bármilyen kémiai folyamatban a kiindulási és a keletkezı anyagokban ugyanazok az atomok vannak, ugyanolyan létszámban, csak máshogy kapcsolódnak egymáshoz. Ha sósavba (HCl) vasat (Fe) teszünk Hidrogén gáz (H 2 ) keletkezik. A hidrogén nem jelenhet meg a semmibıl, a kiindulási anyagok között volt eddig. A vas és a klór atomok pedig nem tőnnek el, hanem vaskloriddá alakulnak. Ráadásul a különbözı atomok darabszámának aránya is állandó marad. Ezt írja le a reakció kémiai egyenlete: 2HCl+2Fe 2FeCl+H 2. Ezért nem tudtak az alkimisták egyszerő anyagokból aranyat elıállítani. Azonban a radioaktivitás felfedezésével olyan (magfizikai) folyamatokat is megfigyelhetünk, amelyek során az atom belsejében történı változások miatt egy atom egy másik elem atomjává alakul. Barionszám és leptonszám megmaradás: Az atomokat alkotó részecskékre bevezethetünk megmaradási törvényeket, amelyekkel bármilyen (nem csak kémiai) folyamatokra kiterjeszthetı az anyagmegmaradás törvénye. A megmaradási törvényeken túl a természetben nagyon fontos a szimmetria és az arra való törekvés. Szimmetriára szükség van például az egyensúlyi állapotok kialakulásához is. Newton II. törvénye, azaz a hatás-ellenhatás törvénye is szimmetriát fejez ki. A pozitív töltések mellett mindig vannak ellentétes, negatív töltések, melyek egymás hatásait semlegesítik. A biológiában a serkentı hormonok mellett mindig vannak gátló hormonok, egyensúlyt csak együttesen tudnak kialakítani. Ha egy felmágnesezett acél rudat eléggé felmelegítünk, elveszti mágnesességét. Ez elég jelentıs változás, pedig az egész mögött csak az áll, hogy az atomi szinten fennálló szimmetria változik. Van egy fontos elv, amelynek kémiai megnyilvánulása a Le Chatelier-Braun-elv, fizikában történı megjelenése a Lenz-törvény. Lényege, hogy egy egyensúlyban lévı rendszer megzavarásakor olyan folyamatok indulnak be, amelyek csökkenteni igyekeznek a zavaró hatást. A széndioxid vízben történı oldódása során szénsav keletkezik (H 2 O+CO 2 H 2 CO 3 ), amely egy megfordítható reakció. A szódásszifonban a szénsav és a széndioxid egyensúlyban van. A reakció mind a két irányban lejátszódik folyamatosan. Akkor amikor kiengedünk egy pohárba egy kis szódát, a keletkezı széndioxid elszökik. Ezért olyan folyamatok játszódnak le, amelyek pótolni igyekeznek a gázt. Ezért a szóda ereje elmegy.

9 Környezeti nevelés módszertana I. 7 Van egy mennyiség, amely egy rendszer rendezetlenségét írja le. Ez az entrópia. Rendezett állapot az, amikor a lencse és a hamu külön kupacban van, rendezetlen az, amikor össze vannak keveredve. Elıbbi esetben az entrópia kicsi, utóbbiban nagy. A zárt rendszerekben lejátszódó folyamatok mindig olyanok, hogy a rendszer entrópiája nem csökkenhet. Hamupipıkének tehát a mostohája azt a feladatot adta, hogy csökkentse a világ entrópiáját. Ez csak akkor tehetı meg, ha egy másik rendszer entrópiája még nagyobb mértékben nı (Hamupipıke nagyon elfárad). Egyébként ez az elv határozza meg a folyamatok irányát és így ezzel az idı irányát is. Vannak még ezen kívül is fontos elvek a természetben, vegyük például az evolúció motorját, a természetes kiválasztódást, de ezekrıl most nem beszélünk.

10 Környezeti nevelés módszertana I. 8 Anyagszerkezet Az anyag építıkövei Mindannyian jól ismerjük az alumíniumot. Ebbıl készülnek például az elektromos vezetékek, az alufólia. Tudjuk, hogy ez egy szilárd fém, szürke színő, jól vezeti az elektromosságot és a hıt, viszonylag puha, nem rozsdásodik, sósav hatására hidrogént termel, stb. Végezzük el a következı gondolatkísérletet. Vegyünk egy 1 m hosszú alumínium drótot! Vágjuk ketté! Ha megvizsgáljuk a két darabot, azt vehetjük észre, hogy fizikai és kémiai tulajdonságai nem változtak. Az egyik darabot újra vágjuk ketté! Ezek a kis darabok is a fent leírt tulajdonságokkal rendelkeznek. Vágjuk újra ketté, majd újra! Azt tapasztaljuk, hogy ez az aprócska drótdarab még mindig szürke, szilárd, jól vezeti az elektromosságot és a hıt, viszonylag puha és nem rozsdásodik és sósav hatására hidrogént termel. Tehát tulajdonságai függetlenek a mérettıl. De vajon meddig folytathatnánk ezt a kísérletet? Elıbb-utóbb azt tapasztalnánk, hogy ez a folyamat nem folytatható a végtelenségig. Egy idı után már nem írhatnánk le az anyag tulajdonságait a fenti jelzıkkel. Eljuthatunk egy olyan legkisebb méretig, ahol, még az anyag kémiai tulajdonságai ugyanazok. Minden anyag elemi építıkövekbıl áll, amelyek magukban hordozzák az anyag kémiai tulajdonságait. Ezek az építıkövek az atomok, molekulák. Az azonos atomokból álló anyagokat kémiai elemeknek nevezzük. Ha megvizsgáljuk, hogy az egyes anyagok hogyan viselkednek, milyen kölcsönhatásba, reakcióba lépnek egymással és ezek során mivé alakulnak, rájöhetünk, hogy a molekulák is kisebb egységekbıl állnak, de ezek már más-más tulajdonságokkal bírnak, mint maga a molekula. A vizsgálatok azt mutatják, hogy az univerzumban található szinte megszámlálhatatlanul sokféle molekula mindössze kb. 90 eltérı tulajdonságú egységbıl, atomból áll össze. Ezeket (és még kb. 30 mesterségesen elıállított atomot) a Mengyelejev-féle periódusos rendszer foglalja össze. Például a vizet (H 2 O) alkotó molekulák két hidrogén atomból (H) és egy oxigén atomból (O) állnak, vagy például az inzulin molekulát 791 atom alkotja megfelelı egyedi struktúrában elrendezve. Ha az atomok nagyságát szeretnénk megmérni a milliméter milliárdod részét jelentı pikométeres skálán kell dolgoznunk.

11 Környezeti nevelés módszertana I. 9 Szemléltetésként ez azt jelenti, hogy kb. 10 milliárd atomot kellene egymás mellé helyezni egy egyenes mentén, hogy e láncolat hossza elérje az 1 m-t. Míg az anyagok makroszkopikus tulajdonságaival (olvadáspont, elektromos vezetıképesség, sőrőség, stb.) a fizika foglalkozik, az atomi szintő felépítését, kölcsönhatásait, reakcióit, stb. a kémia tudománya írja le. A tudósok a XX. század elején kísérleteik, vizsgálataik során azt tapasztalták, hogy az atomok úgy viselkednek, mintha nem tömör, nem folytonosan kitöltött gömbök lennének, mint pl. egy biliárdgolyó, hanem csak a közepükben lenne egy kismérető, sőrő mag. Másrészt az elektromos tulajdonságok miatt valamiféle elektromos töltéssel rendelkezı részecskéket is kell tartalmazniuk az atomoknak. Így szülelett meg az atomok Rutherford-féle modellje, mely szerint egy atom kis méterő (10-14 m), de nagy tömegő (nagy sőrőségő) pozitív elektromos töltéső atommagból és a körülötte keringı parányi, kis tömegő negatív töltéső elektronokból (elektronburok) áll. Szemléltessük a méreteket! Ha az atommag egy cseresznye nagyságú lenne, akkor az elektronok tıle kb. 100 méterre keringenének. Ha pedig egy 4kg tömegő 10cm átmérıjő vasgolyóból (lásd súlylökés) egy képzeletbeli speciális eszközzel külön tudnánk választani a vas atomok magjait és elektronjait, akkor az atommagok súlya 3,999kg lenne az elektronoké, pedig 1g. Ráadásul az atommagok mindössze egy baktérium mérető kupacot alkotnának. Tehát az atommag nagyon kicsi és nagyon sőrő, az anyagot alkotó atomok, pedig tele vannak üres hellyel. További vizsgálatok során kiderült, hogy az atommag sem egy egyszerő homogén gömb, ennek is van szerkezete, ez is részecskéket tartalmaz: protonokat és neutronokat. Ezek mérete és tömege nagyjából egyforma, de a proton (az elektronéval megegyezı nagyságú) pozitív elektromos töltéső, a neutron viszont elektromosan semleges. A mag alkotóit, azaz a neutronokat és a protonokat együttesen nukleonoknak hívjuk. Az atomok elektromos semlegességét annak köszönhetjük, hogy bennük az elektronok és a protonok egyenlı számban fordulnak elı. Egy atom protonszáma, azaz az ún. rendszám meghatározza, hogy milyen anyagról van szó. Ha például egy anyag atomjaiban 47 proton van akkor az ezüst, ha 79 akkor az arany. Persze a semleges arany atomokban ekkor pontosan 79 elektron található. Speciális körülmények között

12 Környezeti nevelés módszertana I. 10 elıfordulhat, hogy egy atom elveszít, vagy szerez néhány elektront, ekkor elveszti semlegességét, ionná válik. Az atomok neutronszáma változó lehet, tehát elıfordulhat, hogy ugyanazon anyag két atomjának nem egyezik meg a neutronszáma csak a protonszám. Az olyan atomokat, amelyek rendszáma (azaz protonszáma) megegyezik, de neutronszáma eltér izotópoknak nevezzük. Például egy átlagos hidrogénatom (H) 1 protont és egy elektront tartalmaz. Viszont elıfordul olyan hidrogén atom is, amely még 1 vagy 2 neutront is tartalmaz. (Elıbbi változatot deutériumnak ( 2 H vagy D) utóbbit tríciumnak ( 3 H vagy T) nevezzük, bár ezek is hidrogén atomok.) A kis rendszámú atomokban a neutronszám nagyjából megegyezik a protonszámmal, a nagyobb rendszámú atomokban a neutronok száma nagyobb, mint a protonoké. Mivel az atomok tömegét döntıen a protonok és a neutronok adják, ezért ezek együttes darabszámát tömegszámnak nevezzük. Tehát minden olyan anyagot, amelyekkel a hétköznapi életben találkozunk elektronok, protonok és neutronok alkotnak, ezért ıket már általános iskolában is elemi részecskéknek neveztük. Azonban speciális körülmények között megfigyeltek még legalább 100 eleminek vélt részecskét. Pontosabb vizsgálatok azonban azt mutatták, hogy ezek többsége (még a proton és a neutron is) belsı szerkezettel rendelkezik, ık is kisebb egységekbıl állnak, azaz nem tekinthetıek eleminek. Ezeket az új alkotóelemeket kvarkoknak nevezzük. Egy proton két u-kvarkból és egy d- kvarkból áll, míg a neutron egy u-kvarkot és két d-kvarkot tartalmaz. Ma 13 részecskét tekintünk eleminek. Az egyik a foton ( fényrészecske ). A többi 12 két csoportra (leptonok és kvarkok) osztható (1. Táblázat). Ezek közül a hétköznapi élet minden tárgyát u-kvarkok, d-kvarkok és elektronok alkotják. Lepton Kvark elektron u-kvark elektron neutrínó d-kvark müon c-kvark müon neutrínó s-kvark tau b-kvark tau neutrínó t-kvark

13 Környezeti nevelés módszertana I. 11 Ezek a részecskék alkotják a világegyetem anyagát. Ezek mellett azonban megfigyelhetı még másik 12 részecske, amelyek szintén elemiek, szinte teljes mértékben azonos tulajdonságaik vannak a fent említett 12 részecskével, csak egyetlen tulajdonságuk tér el (az viszont ellentétes). Ez a tucat új részecske alkotja az ún. antianyagot. Az anyag és az antianyag egymás ellentettjei. A tisztánlátás végett nézzünk egy példát! A hétköznapi elektron nagyon kis mérető, kis tömegő (a proton tömegének 1840-ed része), a protonéval megegyezı nagyságú, de ellentétes elıjelő elektromos töltéssel rendelkezı elemi részecske. Az ı anti részecske párja az ún. pozitron (anti-elektron) is nagyon kis mérető, kis tömegő (egyenlı az elektron tömegével), a protonéval megegyezı nagyságú, és azonos elıjelő elektromos töltéssel rendelkezı elemi részecske. Tehát mindenben megegyeznek, csak a töltésük ellentétes. Hasonló módon léteznek anti-kvarkok, amelyek anti-protonokat és anti-neutronokat alkotnak. Nagyon fontos tulajdonsága az anyagnak és az antianyagnak, hogy ha találkoznak kölcsönösen megsemmisítik egymást. Ez a folyamat az annihiláció. Ennek során két nagy energiájú foton keletkezik, amelyek egymással 180 -ot bezáró szögben sugárzódnak szét. Ennek hatására a világunkban (amelyet anyag alkot) bármilyen antianyag nagyon hamar megsemmisül. Az annihilációval ellentétes folyamat, az ún. párkeltés során két megfelelı szögben érkezı, nagy energiájú fotonból anyaganytianyag pár jöhet létre. Alapvetı kölcsönhatások Miután megismertük az anyag építıköveit, nézzük meg milyen kölcsönhatásban állnak ezek egymással! Elsı lépésben egy nagyon fontos fizikai mennyiségrıl, az erırıl kell beszélnünk, mely valamiféle hatást testesít meg. Azt mondhatjuk, hogy a testek mozgását a rájuk ható erık határozzák meg. Az általános- és középiskolás fizika tanulmányok révén mindenkinek van már valamiféle tapasztalata ebben a témában. Sokat beszélünk általánosságban az erıkrıl, most nézzünk néhányat ezek közül, amelyekkel a hétköznapi életben találkozhatunk! Gravitációs erı, rugó erı, felhajtó erı, elektromos erı, súrlódási erı, tartó erı, mágneses erı, nyomó erı, izomerı, közegellenállási erı, stb. A tudósok megállapították, hogy alapjában véve összesen négy féle erı létezik. Ezeket alapvetı kölcsönhatásoknak nevezzük.

14 Környezeti nevelés módszertana I Gravitációs kölcsönhatás: Newton óta tudjuk, hogy minden tömeggel rendelkezı test vonz minden másik tömeggel rendelkezı testet. Ez a vonzás végtelen hatótávolságú. Ez a kölcsönhatás a felelıs az alma fáról való leesésért és a bolygók Nap körüli keringéséért is. 2 Elektromágneses kölcsönhatás: Legtöbben az elektromos és a mágneses erıt két külön kölcsönhatásnak vélik, azonban ezek csak egy átfogóbb hatás eltérı megnyilvánulási formái. Az álló illetve a mozgó töltések kölcsönhatását írják le. Az azonos töltések (és az ellentétes áramok) taszítják egymást, az ellentétes töltések (és az azonos áramok) vonzzák egymást. Ez a kölcsönhatás is végtelen hatótávolságú, de árnyékolható (a töltések hatását a környezı ellentétes töltések hosszútávon gyengíthetik). Minden olyan jelenségben szerepet játszik, ahol elıfordul elektromosság, mágnesesség vagy fény. 3 Erıs kölcsönhatás: A kvarkok között lép fel. Hatására alakulnak ki a kvarkokból a nukleonok, és az atommagot (nukleonokat) is ez tartja össze. Hatótávolsága nagyon kicsi, csak az atommagon belül érvényesül. 4 Gyenge kölcsönhatás: Hatótávolsága szintén nagyon rövid, csak az atomokon belül érzékelhetı a hatása. A radioaktív β bomlásban játszik fontos szerepet. A hétköznapokban csak a gravitációs erı és az elektromágneses erı érzékelhetı, a rövid hatótávolságú kölcsönhatások nem. Tehát a mindennapokban tapasztalható erık mindegyike e két kölcsönhatásból származik. Vegyük például az egyszerő mechanikai erıket (nyomó erı, tartóerı, rugó erı, súrlódási erı, stb.). Ezek az elektromágneses erıbıl származnak. Miért is? Ahogy a testet, úgy a felületét is atomok alkotják. Mi történik akkor, ha két felületet közelítünk egymáshoz? Az atomok és így a test is összességében elektromosan semlegesek, de ha a két felületen lévı atomok elégé megközelítik egymást, akkor az elektronjaik jóval közelebb kerülnek egymáshoz, mint az atommagok. Ezért az elektronok sokkal jobban taszítják egymást, mint ahogy az atommagok vonzzák ıket. Ez a taszítás megakadályozza, hogy az egyébként szinte teljesen üres atomok egymásba hatoljanak. Ettıl kemények a testek. Ez adja az érintkezı felületek között fellépı nyomóerıt, ez a taszítóerı egyenesíti ki az összenyomott rugót, és még sorolhatnánk. Az elektronok taszításának van egy másik következménye is. Minél jobban próbáljuk összenyomni a

15 Környezeti nevelés módszertana I. 13 két felületet az elektronok, annál jobban taszítják egymást, tehát sohasem kerülnek egymáshoz igazán közel, a két felület között mindig van egy kis rés, lehet, hogy csak a µm tört része, de rés. Mivel az atomoknak nincs éles határfelülete és az elektronburkok is csak megközelítik egymást nem is létezik a hagyományos értelemben vett érintkezés. Nézzük egy másik fontos jelenségkört, amelyik az elektromágneses kölcsönhatáshoz kapcsolható. E az optika. A megértéshez elég lehet az is, ha tudjuk, hogy a fény nem más, mint elektromágneses hullám. Amikor egy izzó wolfram szál fényt bocsát ki az azért történik, mert a wolfram atomok elektronburkában az egyik elektron helyzete megváltozik. Ugyanezzel magyarázható a fény elnyelés is. Ráadásul mivel a látható fény csak egy kis része az elektromágneses hullámoknak a jelenségkör jóval tágabb. (Elektromágneses hullámok frekvencia szerint növekvı sorrendben: rádióhullám, mikrohullám, infravörös fény, látható fény, ultraibolya fény, röntgensugárzás, radioaktív γ sugárzás.) Így tehát a rádió, a mobil telefon, a mikrohullámú sütı, a tőzfény, a napbarnulás, a röntgen diagnosztika mind szorosan kapcsolódik az elektromágneses kölcsönhatáshoz. Létezik még egy fontos terület, amely az elektromágneses kölcsönhatáshoz köthetı. Ez a kémia, de errıl a következı fejezetben részletesen beszélünk.

16 Környezeti nevelés módszertana I. 14 Kémia Az anyag építıköveit jelentı atomok atommagból és elektronburokból állnak. Az anyag kémiai tulajdonságait (más anyagokkal történı reakcióit) az elektronburok felépítése határozza meg. Nézzük meg, hogyan is épül fel ez a burok! Mivel az atomok elektromosan semlegesek így a protonjaik és elektronjaik száma egyenlı. A protonokat és neutronokat tartalmazó atommag körül az elektronok (adott távolságokra elhelyezkedı) elektronhéjakra rendezıdnek. Minden héjon meghatározott számú elektron fér el. A maghoz legközelebbi, legbelsı héjon maximum 2 elektron tartózkodhat, a következı héjon 8 elektron, a harmadikon 18, a negyediken 32 negatív töltéső elemi részecske helyezkedhet el. Ezek a héjak alhéjakra oszthatóak. Ezeket az alhélyakat s, p, d és f betőkkel jelöljük. Az elektronok mindig úgy helyezkednek el, elıször a legkisebb energiájú (legbelsı) héjat töltik be, ha itt nem férnek el következik a második héj, ha amelyik ott sem fér el az a harmadik héjra kerül, és így tovább. Ennek eredményeképpen a belsı héjak mindig teljesen betöltöttek és a legkülsı héj (amin kívül már nincsenek elektronok) vagy teljesen vagy részlegesen van betöltve az atom elektronszámától függıen. Az a legkülsı héj nagyon fontos szerepet játszik az anyag kémiai viselkedésében, külön névvel is rendelkezik, vegyértékhéjnak nevezzük. Az elıbbiek alapján tehát ha tudjuk mennyi a rendszáma (protonok száma) egy atomnak, akkor tudjuk, hogy ugyanennyi elektronja van. Ekkor viszont meg tudjuk mondani, hogyan néz ki, épül fel az elektronburka, amibıl következtethetünk a kémiai tulajdonságaira. Ha egy anyag minden atomja ugyanannyi protont tartalmaz, akkor az anyagot kémiai elemnek nevezzük (ellenkezı esetben vegyületrıl, elegyrıl, keverékrıl, stb. beszélünk). A természetben 90 féle különbözı elemet találhatunk és további kb. 20 elemet sikerült mesterségesen elıállítani. Ezeket kémiai tulajdonságaik alapján rendszerezve alkotta meg Mengyelejev az ún. periódusos rendszert. Mivel az elektronszerkezet szoros összefüggésben van a kémiai tulajdonságokkal így a periódusos rendszer végül is az elemek atomjainak elektronszerkezetére épül. A táblázat sorai -amelyeket periódusoknak nevezünk- határozzák meg, hogy hány elektronhéja van az atomnak, oszlopai (ún. fıcsoport), pedig azt mutatják meg hány eletronja van az adott atomnak a vegyértékhéján. A táblázat s,,p,d, f mezıkre

17 Környezeti nevelés módszertana I. 15 osztható a vegyértékhéj alhéjainak megfelelıen. A táblázatban az elemek növekvı rendszám szerint vannak elrendezve. Mivel az elemek kémiai tulajdonságait a vegyértékhéjon elhelyezkedı elektronok határozzák meg, így az azonos oszlopban lévı elemek kémiai tulajdonságai azonosak. (pl. 8. fıcsoport: nemesgázok, 7. fıcsoport halogének, 2. fıcsoport alkáliföldfémek, stb). A hétköznapi élet legtöbb anyagát azonban nem elemek alkotják, hanem elemekbıl felépülı kötött szerkezetek, pl. molekulák. Miért kötıdnek az atomok egymáshoz? Minden atom arra törekszik, hogy minden elektronhéja teljesen betöltött legyen (a vegyértékhéj is), energetikailag ugyanis ez a legkedvezıbb. A különbözı atomok együttmőködve próbálják ezt a problémát megoldani, melynek eredményeképpen kémiai kötés alakul ki. Most négy különbözı kémiai kötés mechanizmust nézzünk meg! Az ionos, kovalens és fémes kötést elsıdleges kötésnek is hívjuk, mert jóval erısebb, mint a hidrogénkötés. 1 Ionos kötés: Ha egy atomnak például csak egy elektronra lenne szüksége ahhoz, hogy teljesen betöltse vegyértékhéját, akkor próbál egyet elvenni egy másik atomtól, például olyantól, akinek csak egy elektronja van a külsı héján és így ha megszabadulna tıle ı is csak zárt (teljesen betöltött) héjjal rendelkezne. Ez fordul elı például akkor amikor az egy fölösleges elektront tartalmazó nátrium (Na) odaadja az elektronját egy klór (Cl) atomnak, akinek így a külsı héja teljesen betöltıdik. Viszont ilyenkor a nátriumban kevesebb elektron lesz, mint proton a klórban pedig több, azaz az elıbbi pozitív ionná válik, az utóbbi pedig negatív ionná. Mivel ezek ellentétes elektromos töltésőek vonzani fogják egymást, kötés alakul ki köztük, melynek az eredménye a nátriumklorid (NaCl) azaz a közönséges konyhasó. 2 Kovalens kötés: Bizonyos esetekben az atomok nem sajátítják ki teljesen a másik atom elektronjait, hanem inkább közös elektronpárokon osztozkodnak. Például a hidrogénatomnak egy elektronja van és mivel az elsı héjon maximum két elektron lehet a hidrogénatom vegyértékhéja (azaz egyetlen héja) akkor lenne betöltve ha rajta két elektron lenne. Viszont nem elég erıs ahhoz, hogy elvegyen egyet másik atomtól. Ezt úgy oldja meg a természet, hogy két hidrogénatom megosztja az egy-egy elektronját (közös elektronpár), amelyek mind a két atommag körül fognak keringeni (mintha mindkét elektronhéj két elektront tartalmazna). Így a két

18 Környezeti nevelés módszertana I. 16 hidrogénatom kötıdésével létrejön a hidrogén molekula (H 2 ). Hasonlóképpen viselkedik a levegı oxigénje (O 2 ) és kovalens kötés tartja össze a vízmolekula (H 2 O) hidrogén és oxigén atomjait is. 3 Fémes kötés: Egyes atomok úgy válnak meg a vegyértékelektronjaiktól, hogy egyszerően eladják ıket és így az atomtörzseket egy nagy, közös elektronfelhı veszi körül. A leadott elektronok szinte szabadon mozoghatnak a testeken belül, az atomok között és ez a negatív elektrontenger tartja össze a pozitív atomtörzseket. Mivel a vegyértékelektronok majdnem teljesen szabadok elektromos tér (feszültség) hatására könnyen elmozdulnak és így vezetik az elektromos áramot. Az ilyen atomokból álló elemek a fémek, például: vas, alumínium, higany, arany. 4 Hidrogén kötés: Ha a hidrogén elveszti egyetlen elektronját, akkor nem marad más, mint egy szimpla proton (nincsenek lezárt elektronhéjak, nincs nagy neutronokat is tartalmazó atommag). Ha egy molekulában elıfordul egy ilyen kötött hidrogén, akkor az a része a molekulának pozitív töltéső lesz (a zárt elektronhéjak nem árnyékolják a magot). Más molekuláknak lehet kissé negatív oldala, ahol több elektron van. Így a két ellentétesen töltött oldal kissé vonzza egymást, ami egy gyenge kötést eredményez. Például a vízmolekula hidrogénje bizonyos körülmények között kötıdik egy másik vízmolekula oxigén atomjához. Ez a kötés eredményezi azt, hogy a víz sőrősége 4 C alatt csökkeni kezd. A kémiai reakciók során a kiinduló anyag(ok)ból más anyag(ok) keletkeznek eközben új kémiai kötések jöhetnek létre vagy a meglévı kötések felbomolhatnak, átalakulhatnak. A reakciók során azonban mindig teljesülnie kell az anyagmegmaradás elvének, miszerint a kémiai folyamatok során a különbözı rendszámú atomok száma nem változik. Tekintsük át egy példát! A fotoszintézis során széndioxidból (CO 2 ) és vízbıl (H 2 O) szénhidrát (C 6 H 12 O 6 ) és oxigén (O 2 ) keletkezik. Ha fel szeretnénk írni a pontos reakcióegyenletet, akkor figyelembe kell venni, hogy a szén, oxigén és hidrogénatomok mennyisége a reakció során ne változzon. Így az egyenletet a következıképpen kell megadnunk: 6H 2 O + 6CO 2 C 6 H 12 O 6 + 6O 2 A kémiai reakciók sebességét több tényezı befolyásolja: anyagminıség, koncentráció, hımérséklet, katalizátorok.

19 Környezeti nevelés módszertana I. 17 A reakciók egy részének lejátszódásához energia szükséges, amely energiát a rendszer a környezetétıl vonja el. Ezek az endoterm folyamatok. Más reakciók során energia szabadul fel. Ezeket hívjuk exoterm folyamatnak. Tehát egyes kémiai reakciók lezajlásával energiát nyerhetünk. A kémiai úton tárolt energia hasznosítása a hétköznapi élet része. A szén, a fa, a gázolaj, a benzin, a földgáz égése mind olyan kémiai reakció (oxidáció) melynek során hıenergia szabadul fel. Az akkumulátorok és szárazelemek belsejében lejátszódó kémiai folyamatok eredményeképpen elektromos energiát nyerhetünk. Az élılények táplálkozása is arra szolgál, hogy a táplálékban tárolt kémiai energiát az élılények kinyerjék. Beszélhetünk protonátmenettel és elektronátmenettel járó kémiai reakciókról. Protonátmenettel járó reakciók során hidrogén ion (H + ), azaz proton kerül átadásra. A proton leadó vegyületet savnak, a felvevıt bázisnak nevezzük. Például a hidrogén-klorid (HCl) gáz vízzel (H 2 O) reakcióba lépve a hidrogén ionját (proton) átadja a víznek és így kloridion (Cl - ) és oxóniumion (H 3 O + ) keletkezik. A savak bázisokkal lejátszódó reakcióját közömbösítésnek nevezzük ennek hatására víz és különbözı sók képzıdnek. Például sósav (HCl) és nátrium-hidroxid (NaOH) reakciójából víz (H 2 O) és nátrium-klorid (NaCl) azaz konyhasó keletkezik. A tiszta vízben is lejátszódik protonátmenettel járó reakció a vízmolekulák között. Ezt disszociációnak nevezzük, és a következıképpen írhatjuk le: H 2 O+H 2 O H 3 O + +OH -. Ez az alapja a kémhatás fogalmának. Az a vizes oldat, amelyikben több oxóniumion van, mint hidroxidion azt savas kémhatásúnak nevezzük. Azt a vizes oldatot pedig, amelyik több hidroxidiont tartalmaz lúgos kémhatásúnak nevezzük. Ha a kétféle ion mennyisége egyenlı semleges kémhatásról beszélünk. Az oxóniumionok koncentrációjának negatív logaritmusát ph-értéknek nevezzük. A savak ph-ja 7-nél kisebb, a lúgoké 7-nél nagyobb, a semleges kémhatású oldatok ph-ja pedig pontosan 7. A ph-érték fontos az élıvilágban. A talaj ph-ja 3,0 és 8,4 között lehet. Egyes növények eltérı ph-jú talajban képesek megélni. Az állatok emésztése savas és lúgos környezetben is történik. Az embernél is fontos a sav-bázis egyensúly fenntartása. Néhány emberi testnedv ph-értékét összehasonlíthatjuk. Gyomornedv ph: 1,0-3,0, nyál ph: 6,5-7,5, vér ph: 7,35-7,45, hasnyálmirigy váladék ph: 8,8.

20 Környezeti nevelés módszertana I. 18 A kémiai reakciók másik nagy csoportja az elektronátmenettel járó ún. redoxi reakciók. Az az anyag, amelyik elektront ad le oxidálódik, amelyik pedig felveszi az elektront, az redukálódik. A legtöbb energiatermelésre használt reakció ide tartozik, például az égés, az akkumulátorok, a táplálkozás, stb. Egy konkrét példa legyen a szén égése: C + O 2 = C O 2 = CO 2. A kémiai elemekbıl a különbözı kötések révén létrejött vegyületeket két csoportra oszthatjuk szerves és szervetlen vegyületekre. A megkülönböztetésnek az az alapja, hogy a szénatomok összekapcsolódva egyedülálló módon hosszú láncokat, elágazó szerkezeteket képesek létrehozni, melyekrıl eleinte azt gondolták, hogy csak az élılények tudják ıket elıállítani. Azokat a szénvegyületeket, amelyek tartalmaznak szén-szén illetve szén-hidrogén kötést szerves vegyületeknek nevezzük, minden más vegyületet pedig szervetlennek. A szerves vegyületek alapja tehát a szén, de tartalmazhatnak hidrogént, oxigént, nitrogént, stb. Hihetetlenül változatos és sokféle szerkezetet találhatunk itt például, szénhidrogének (földgáz, benzin), szénhidrátok (cukor), aminosavak (fehérjék), zsírsavak (zsírok, olajok), nukleinsavak (DNS), alkoholok, mőanyagok (PVC, polietilén, bakelit), és így tovább. A szervetlen vegyületek általában egyszerőbb felépítésőek és mindenféle atomot tartalmazhatnak. A konyhasó, a sósav, a víz, a rozsda, a mész mind szervetlen vegyületek. Ismerkedjünk meg a szerves vegyületek fontosabb csoportjaival! A legegyszerőbb szerves vegyületek a szénhidrogének, amelyek csak szén és hidrogén atomokat tartalmaznak. Az olyan szénhidrogéneket ahol a szénatomok között csak egyszeres kovalens kötés van telített szénhidrogéneknek nevezzük, azokat pedig ahol többszörös kovalens kötések is megtalálhatóak telítetleneknek nevezzük. A szénatomok egymáshoz kapcsolódásával kialakuló szerkezetek lehetnek nyíltak (láncszrőek) és lehetnek zártak (győrőket tartalmazók). Szénhidrogének például a metán (CH 4, földgáz), a propán és a bután (C 3 H 8, C 4 H 10, PB-gáz), oktán (C 8 H 18, benzin), acetilén (C 2 H 2 ), benzol (C 6 H 6 ), stb. Ezen kívül beszélhetünk még heteroatomokat (O, N, P, S, Cl, F) tartalmazó szerves vegyületekrıl. Alkoholok (pl.: metilalkohol, etilalkohol), aldehidek (pl.: formaldehid), ketonok (pl.: aceton, kámfor), karbonsavak (pl.: hangyasav, ecetsav, szalicilsav), észterek (pl.: zsírok, olajok), éterek (pl.: éter, hasis), szénhidrátok (pl.:

21 Környezeti nevelés módszertana I. 19 szılıcukor, cellulóz, keményítı), aminok (pl.: hisztamin, kinin), aminósavak (fehérjék alapjai), amidok (pl.: B12-vitamin, LSD, penicillin), nukleinsavak (DNS alapjai), halogénezett szénhidrogének (pl.: freon PVC, teflon, DDT).

22 Környezeti nevelés módszertana I. 20 Az Univerzum Földünk a Naprendszer része. Az univerzumnak ez a kb. 2 fényév mérető része tartalmaz egy csillagot (Nap), 8 bolygót, közel 70 holdat, sok ezer kisbolygót, üstökösöket, stb. A Naprendszer kb. 5 milliárd évvel ezelıtt alakult ki. A világegyetemnek ezen a részét akkoriban szupernóvák, felrobbant csillagok maradványaiból álló gáz és porfelhı töltötte ki. Ebben a forgó anyagfelhıben a kisebbnagyobb részecskék a tömegvonzás hatására lassan vonzani kezdték egymást, ütköztek és egyre nagyobb tömegő testekké álltak össze. A forgás középpontjában nagyon sok anyag halmozódott fel, ami az erıs gravitációs vonzás hatására nagyon összesőrősödött, felmelegedett, benne energiatermelı magfúzió indult meg, vagyis létrejött egy csillag, a Nap. A körülötte keringı apró törmelékbıl pedig fokozatosan néhány nagyobb égitest jött létre (bolygók, holdak, üstökösök, stb.). Ismerkedjünk meg a Naprendszer elemeivel részletesebben, kezdjük a Nappal! Nap Az Föld egy központi égitest, a Nap nevő csillag körül kering. A Nap-Föld távolság 150 millió km. A központi csillagunk átmérıje km (109-szerese a Föld átmérıjének), tömege 2*10 30 kg (a Föld tömegének millió szorosa), ami a Naprendszer tömegének 99,9%-át adja. Anyaga nagyrészt hidrogén (75%) és hélium (25%). Ezek az anyagok olyan folyamatokban (magfúzió) vesznek részt, amelyek alapja a relativitáselmélet által leírt tömeg-energia átalakulás. Ennek eredményeképpen hatalmas energia szabadul fel. Ennek hatására a Nap felszíne 5500 C-ra hevül, magjában pedig 15 millió C-os hımérséklet uralkodik. Ezt az energiát érezzük még ilyen hatalmas távolságból is a napsütés melegének. A Napot a következı részekre oszthatjuk: mag (a fúzió színtere), sugárzási zóna, konvekciós zóna, fotoszféra (a napsugarak szülıhelye, gyakorlatilag ezt nevezhetnénk felszínnek) és a korona. A Nap felszínén sötét (pár száz fokkal hidegebb) foltok figyelhetıek meg, ezek az ún. napfoltok. Számuk 11 évenként lecsökken és újra megnı. Hatásuk kis mértékben megfigyelhetı a Földön is. A nap felszínén idınként hatalmas láng-szerő formákat ún. napkitöréseket, protuberanciákat figyelhetünk meg. A Napból a fénysugarakon kívül erıs részecskesugárzás is indul a világőrbe. Ez a napszél. A Föld

23 Környezeti nevelés módszertana I. 21 felszínén ez kevésbé érzékelhetı, mert a Föld mágneses tere eltéríti a töltött részecskék áramát. Ennek hatására jön létra a sarkok körül a sarki fény. Bolygók A Nap körül 8 nagymérető égitest kering. İk a Nap bolygói. A bolygók tulajdonságaik alapján két nagyobb csoportba oszthatóak. A Föld típusú bolygók (Merkúr, Vénusz, Föld, Mars) a Naphoz közel helyezkednek el, átmérıjük kicsi, szilárd felszínük van, nagy a sőrőségük. A Jupiter típusú bolygók (Jupiter, Szaturnusz, Uránusz, Neptunusz) a Naptól távol helyezkednek el, nagymérető összesőrősödött gázgömbök, többnyire nem rendelkeznek szilárd felszínnel. A bolygók Nap körüli mozgását a Kepler törvények írják le. Kepler I. törvénye: A bolygók ellipszis pályán keringenek, amelynek egyik gyújtópontjában a Nap helyezkedik el. Kepler II. törvénye: Egy bolygótól a Napig húzott egyenes szakasz egyenlı idık alatt egyenlı területeket súrol. Ennek az a következménye, hogy a pálya egyes szakaszain más-más sebességgel keringenek a bolygók. Így tehát a Földön is az év egyes szakaszaiban nem egyforma hosszúak a napok (nem a nappalokról van szó), azaz egy nap nem pontosan 24,00 óra. Kepler III. törvénye: Ha a a bolygók pályasugara (fél nagytengelye) és T a keringési ideje, akkor a 2 /T 3 minden bolygóra egyenlı. Tehát a bolygók naptávolsága meghatározza a keringési idıt. A fenti táblázat alapján látható, minél messzebb van egy bolygó a Naptól annál több idı alatt kerüli meg azt (nem csak ezért mert több az út, hanem mert kisebb sebességgel is halad). Ezek a törvények mindenféle csillagászati megfigyelések nélkül is felállíthatóak a Newton törvények alapján. Ha ismerjük két test által egymásra kifejtett gravitációs erı formáját, azaz a környezet, meg tudjuk mondani, hogyan mozognak a testek. A kísérleti tapasztalatok, megfigyelések egyeznek az elméleti leírással. A Naptól való átlagos távolságuk és átmérıjük keringési- és forgási idejük a következı táblázatban tekinthetı meg:

24 Környezeti nevelés módszertana I. 22 keringési forgási idı naptávolság átmérı bolygó idı (földi (földi nap) (millió km) (km) év) Merkúr ,241 58,7 Vénusz , ,0 Föld Mars ,880 1,03 Jupiter ,9 0,411 Szaturnusz ,5 0,428 Uránusz ,0-0,720 Neptunusz ,0 0,671 Holdak és győrőrendszerek A bolygók körül is keringhetnek nagyobb testek, ezek a holdak. A Merkúrnak és a Vénusznak nincsenek holdjai a Szaturnusznak több mint 20 holdja van (összesen kb 60-70). Vannak bolygóknál is nagyobb holdak és kicsi, néhány km átmérıjőek. A Jupiter típusú bolygók körül megszámlálhatatlanul sok egészen apró mérető testek (kövek, kavicsok, por) is keringenek. Ezek alkotják a bolygók győrő rendszerét, amelyek közül kétség kívül a Szaturnuszé a legnagyobb, leglátványosabb. Bolygónktól km-re egy 3476km átmérıjő test, a Hold kering. A Föld körüli keringési ideje és a tengelyforgási ideje megegyezik (27,3 nap), ezért a Földrıl mindig ugyanazt az oldalát láthatjuk. Légköre nincs. Felszíni hımérséklete 130 C (napos oldal) és -150 C (éjszakai oldal) között ingadozik. Kisbolygók A Mars és a Jupiter pályája között több tízezer kismérető szabálytalan alakú test kering, a kisbolygók. Ezt a területet, pedig kisbolygó-övezetnek nevezzük. A legnagyobb kisbolygó a Ceres 1000km átmérıjő. Üstökösök A Naprendszerben található szabálytalan alakú jégbıl és porból álló égitestek. A Naphoz közeledve felmelegszenek és porból és gázokból álló csóvájuk keletkezik, amely mindig a Nappal ellentétes oldalon található. (kóma, mag, csóva) Talán

25 Környezeti nevelés módszertana I. 23 legismertebb képviselıjük a 76 évenként visszatérı Halley-üstökös (legközelebb ben tér vissza. Meteorok Amikor az őrben található kisebb (pár cm) őrtörmelék belép a Föld légkörébe, ott felizzik, elég és közben csóvát húz. Ezt a pár másodpercig tartó fényes csíkként látható jelenséget hívja a népnyelv hullócsillagnak, a csillagászok pedig meteornak. Ha egy nagyobb meteor nem ég el teljesen a felszínbe csapódva krátert hoz létre. A becsapódó meteort meteoritnak hívjuk. Csillagok Mi található a Nap hatáskörén, azaz a Naprendszeren kívül? Ez a terület még a Naprendszernél is ritkább, üresebb, sivárabb. Ahogy távolodunk a naptól elıbb-utóbb egy másik csillag hatáskörébe kerülünk. A csillagok a mi Napunk rokonai. Hatalmas forró gázgömbök. Méretük erısen ingadozik (0,01Nap 1000Nap méret). Színük - amelyet felszíni hımérsékletük határoz meg - is változó (vörös-3000 C; fehér C). A csillagok távolságát fényévben mérjük. 1 fényév az a távolság, amelyet a fény 1 év alatt megtesz. (1 fényév= km) A Nap után a legközelebbi csillag a Proxima Centauri, egy jelentéktelen kis csillag (szabad szemmel nem is látható), amelynek távolsága 4,2 fényév. Az égen szabad szemmel kb csillagot láthatunk. Nappal azért nem látjuk a csillagokat, mert a napfény szóródik a légkörben és ez az erıs szórt fény elnyomja a csillagok halvány fényét. (Napfogyatkozáskor, amikor a Hold eltakarja a Napot nappal is láthatunk csillagokat.) Galaxisok Ha a csillagok távolságát megmérjük, azt tapasztaljuk, hogy nem egyenletesen töltik ki a teret, többnyire egy fényév átmérıjő 2000fényév vastagságú (spirális karokból álló) korong alakú térrészben helyezkednek el. Ez a Tejútrendszer, amely közel 100 milliárd csillagból áll. Ezen kívül a tér még üresebb. Viszont nagy távolságokra újabb csillagcsoportosulásokat, újabb galaxisokat találunk. Ezek közül a 2,2 millió fényévre lévı Andromeda-köd a legismertebb (Jó esetben még szabad szemmel is látható apró halvány foltként.) A galaxisok sem egyenletesen vannak szétszórva, csoportokba rendezıdnek. A mi galaxisunk, azaz a Tejútrendszer a 20

26 Környezeti nevelés módszertana I. 24 galaxist tartalmazó Lokális rendszer tagja. Egyes galaxis halmazok akár több száz galaxist is tartalmazhatnak. A galaxishalmazok pedig szuperhalmazokat alkotnak. A lokális rendszer a Virgo szuperhalmaz tagja. A galaxisok távolodnak egymástól.

27 Környezeti nevelés módszertana I. 25 A Föld A Föld a Naprendszer (Naptól számított) 3. bolygója. A Naptól átlagosan 150 millió kilométerre kering. Pályája nem szabályos kör, hanem egy ellipszis. A Nap-Föld távolság minimálisan 147 millió km, maximálisan 152 millió km. Pályájának Naphoz közeli szakaszán télen található. Keringési ideje (év) 365,25 nap. Az egyszerőség kedvéért a hétköznapokban 365 napot nevezünk egy évnek, a maradék negyed napokból pedig minden 4. évben összegyőlik egy ún. szökınap. A Föld közel gömb alakú (kissé lapult). Egyenlítıi átmérıje 12756km, sarki átmérıje 12714km. Egy teljes tengely körüli fordulat megtételéhez szükséges idı (nap) 23 óra 56 perc, bár a mindennapokban sokkal fontosabb a Nap két delelése között eltelt idı átlagosan 24 óra. A Föld forgástengelye a Föld keringési síkjával 66,6 -os szöget zár be. Bolygónk tömege: 6*10 24 kg, átlagos sőrősége 5,5 kg/dm 3 (a víz sőrőségének 5,5-szöröse). Tömegének és átmérıjének köszönhetıen a szökési sebesség (az a sebesség, amivel egy tárgy elhagyhatja az égitestet) a felszínen 11,2 km/s. A Föld körül egy hold kering, amit Holdnak nevezünk. A Földet különbözı burkokra ún. szférákra oszthatjuk. A Föld gázburka az atmoszféra, vagyis a légkör. A vízburkot hidroszférának hívjuk. Ez magába foglalja a felszíni és a felszín alatti vizeket. A bolygónk külsı szilárd kızetburka a litoszféra. Ez alatt helyezkednek el a belsı szférák. A Föld speciális bolygó abban az értelemben, hogy rajta élet található, ezért definiálhatunk egy sajátos réteget, amely magába foglalja az élılényeket és azok élıhelyeit, környezetét. Ezt bioszférának hívjuk. A élet megjelenésével a litoszféra egyes részei átalakultak, kialakult a pedoszféra, vagyis a talaj. Mindegyik burokkal foglalkozni fogunk részletesen, most nézzük csak meg a belsı szférákat! A Föld belsı szerkezetét a legbelül elhelyezkedı mag, majd a köpeny és az azt burkoló kéreg alkotja. A mag két részre osztható a külsı folyékony mag és a belsı szilárd mag. A magon kívüli rész az alkotó anyagok keménységi foka szerint mezoszférára, asztenoszférára és litoszférára, összetételük és sőrőségük szerint, pedig alsó és felsı köpenyre és kéregre osztható. A kérgen nyugszik az óceánok és felszíni vizek alkotta hidroszféra és az élılényeket és azok élettereit (élıhelyeit) magába