Treibende Kräfte: Physik in den Ozeanen Teach article

Übersetzt von Kathrin Schäker. Im Gegensatz zum Sprichwort, sind tiefe Wasser oft das Gegenteil von still - dies gilt genauso für das marine Leben. Versuche mit gewöhnlichen Wasserbecken sind eine gute Möglichkeit um etwas über die physikalischen Vorgänge unterhalb der Wellen…

Mit freundlicher Genehmigung
von Isolino; Bildquelle: Flickr

Wenn wir an den Klimawandel denken, ist eine der größten Sorgen, dass große Meeresströme, wie der Golfstrom, von ihren Bahnen abweichen und so das von ihnen abhängige Wettersystem durcheinander bringen. Aber was ist die Ursache, dass sich solche Ströme überhaupt erst bilden?

Der Golfstrom ist einer der
stärksten Ozeanströme der
Welt. Er entspringt an der
Spitze von Florida in den
USA und folgt der östlichen
Küstenlinie der USA und
Neufundland, Kanada, bevor
er den Atlantischen Ozean in
Richtung der Britischen
Inseln überquert.
Der
Golfstrom wird von Winden
und Unterschieden in der
Dichte des Wassers
angetrieben.
Oberflächenwasser im
nördliche Atlantik wird vom
Wind aus der Arktis
abgekühlt, daraufhin wird es
dichter und sinkt zum
Ozeanboden. Dieses kalte
Wasser bewegt sich dann
zum Äquator, wo es sich
langsam aufwärmt. Um das
kalte Wasser, welches zum
Äquator fließt, zu ersetzen,
bewegt sich warmes Wasser
aus dem Golf von Mexiko
nördlich in den Atlantik. Zum
Vergrößern auf das Bild
klicken.

Mit freundlicher Genehmigung
von Nicola Graf

Ein Teil der Antwort ist die Gravität. Die Gravität wirkt auf Wassermassen mit unterschiedlichen Dichten und dies, zusammen mit dem Wind und der Erdrotation, erschafft Kräfte und Ströme in den Ozeanen. Diese Prozesse haben nicht einfach nur mögliche Auswirkungen auf unser Klima, sie haben auch einen großen Einfluss auf die Lebenswelt der marinen Organismen.

Daraus folgend benötigt jeder Student der Ozeanographie ein gutes Verständnis dieser Vorgänge. Jedoch bemerkte eine Gruppe von Meeresforschern der Universität von Maine, USA, vor ein paar Jahren, dass ihre Studenten der Meereskunde unwissend bezüglich der physikalischen Grundlagen ihres Faches waren und sich hauptsächlich auf die Biologie konzentrierten. Daraus resultierend beschlossen sie Lehrmittel zusammenzutragen um Studenten davon zu überzeugen, dass Ozeane ein ungewöhnlich spannendes Feld sind, um sich mit Physik zu befassen. Dieser Artikel basiert auf diesen Lehrmitteln (Karp-Boss et al., 2009) und konzentriert sich auf Schlüsselkonzepte der Physik, die auch fundamental für die Ozeanographie sind und bietet so einen überzeugenden, umweltbezogenen Kontext für das Verständnis von physikalischen Vorgäng.

Natürlich lernen Schüler am besten wenn sie aktiv eingebunden werden, daher beinhalten die Lehrmittel verschiedene Versuche um die Schüler zu animieren und um ihre Anschauungen zu hinterfragen. Zwei Versuche, die die Ozeanographen erfolgreich in ihren Klassen durchgeführt haben, sind hier beschrieben: einen mit Fokus auf Dichte, der andere auf Wellen. Beide können mit Schülern weiterführender Schulen aller Altersklassen durchgeführt werden (11-19 Jahre).

Im ersten Versuch wird gezeigt, wie die Schichtung des Wassers, als Resultat von Dichteunterschieden aufgrund von Temperatur oder Salzgehalt, zustande kommt. Der zweite Versuch fokussiert sich auf interne Wellen; Resonanz und natürliche Frequenz werden auch demonstriert. Für beide Experimente wird der Versuchsaufbau vor Beginn aufgebaut und die Schüler führen die Experimente bis zu 30 Minuten pro Experiment aus (Arbeitsblätter hierfür finden sich weiter unten und zum Herunterladen von der Science in School Webseitew1). Der letzte Teil der Schulstunde wird zur Zusammenfassung der Ergebnisse und für Diskussionen genutzt.

Dichte und Schichtung

Dichte ist eine fundamentale Eigenschaft eines Stoffes. Sie ist als die Masse pro Volumen eines Materials definiert, also wieviel Masse in einem gegebenen Volumen vorhanden ist. In der Ozeanographie wird die Dichte zur Charakterisierung von Wassermassen und zur Untersuchung der Zirkulation von Ozeanen genutzt. Viele Vorgänge in den Ozeanen werden durch Unterschiede in der Dichte hervorgerufen: die großflächige Zirkulation und der Kohlenstofftransport von Partikeln, die von der Oberfläche in das Tiefwasser sinken, sind nur zwei Beispiele.

Obwohl die Wasserdichte von 998 kg/m3 bei Süßwasser bei Raumtemperatur bis zu beinahe 1250 kg/m3 in Salzseen reichen kann, hat das Ozeanwasser einen viel kleineren Dichtenbereich (ungefähr 1020-1030 kg/m3). Der Salzgehalt und die Temperatur sind die Ursache für den Großteil der Variabilität in der Dichte des Meerwassers. Wenn die Salzkonzentration steigt, ausgelöst durch Verdunstung oder Eisbildung, steigt auch die Dichte. Höhere Temperaturen reduzieren die Dichte, während Abkühlung sie erhöht.

Die Dichte von ozeanischen Meereswasser steigt jedoch nicht gleichmäßig mit der Tiefe: stattdessen bildet sich eine Reihe von Schichten aus Wasser mit unterschiedlichen Dichten (Abbildung 1).

Abbildung 1: In offenen Teilen des Ozeans gibt es mindestens drei verschiedene Wasserschichten: eine obere durchmischte Schicht warmen Wassers; die Thermokline, in der die Temperatur rapide mit zunehmender Tiefe abnimmt; und eine tiefe Zone mit kalten, dichten Wasser in der die Dichte langsam mit der Tiefe zunimmt.
Die drei Zonen werden in diesem Diagramm, das einen Querschnitt durch den Atlantischen Ozean dar stellt, abgebildet. Beachten Sie, dass die Dicke der Schichten sich mit dem Breitengrad ändert. Bei hohen Breitengraden ist nur die Tiefwasserschicht vorhanden. Zum Vergrößern das Bild klicken.
Abbildung vom DataStreme Ocean project. ©American Meteorological Society. Mit Erlaubnis abgebildet

 

Plankton
Mit freundlicher Genehmigung
von Biopics; Bildquelle:
Wikimedia Commons

Diese Schichtung bildet eine Barriere für den Austausch von Nährstoffen und gelösten Gasen zwischen dem oberen, sonnenbeschienenen Abschnitt in dem das Phytoplankton gedeiht und dem tiefen, nährstoffreichen Wasser. Die Durchmischung von geschichteten Abschnitten erfordert Arbeit: denken Sie daran wie stark Sie eine Flasche mit Salatdressing schütteln müssen um Öl und Essig zu mischen. Daher würde ohne ausreichende Energie, wie von Wind oder sich brechenden Wellen, das Phytoplankton an der Oberfläche des Ozeans keine Nährstoffe erhalten.

 

Dichteschichten. Das obere Bild zeigt das Leitungswasser und die Salzlösung bevor die Trennwand entfernt wird. Danach (unteres Bild) bildet die Salzlösung eine stabile Schicht am Boden des Beckens mit dem darüber liegenden Leitungswasser.
Mit freundlicher Genehmigung von Lee Karp-Boss
Die Dichte ist von Bedeutung beim Gefrieren eines Sees. Beim Einsetzen des Winters in hohen Breitengraden wird das Seewasser von der Oberfläche an abgekühlt. Wenn das obere Wasser kühler und dichter wird als das darunter liegende, sinkt es ab. Das wärmere, weniger dichte Wasser darunter steigt dann auf um das absinkende zu ersetzen. Wenn die niedrige Lufttemperatur anhält, wird sich dieser Vorgang wiederholen bis der ganze See letztendlich auf 4 °C abgekühlt ist; die Temperatur der maximalen Dichte von Süßwasser. Bei andauender Kühlung der Oberfläche wird die Dichte des oberen Wassers abnehmen und der See wird stabil überschichtet mit kälteren, aber weniger dichten Wasser. Wenn das Oberflächenwasser auf 0 °C abkühlt, beginnt es einzufrieren. Wenn die Kühlung anhält vertieft sich die Eisschicht.
1) Die obere Schicht des Wassers kühlt ab und sinkt herunter.
2)
Wärmeres (noch nicht abgekühltes Wasser) steigt auf um es zu ersetzen.
3)
Der Vorgang wiederholt sich und kühlt den ganzen See auf die Temperatur der maximalen Dichte (4°C).
4)
Die Oberfläche kühlt weiter ab und Eis bildet sich. Dies verbleibt auf der Oberfläche da es weniger dicht als das darunterliegende Wasser ist.
5) Bei anhaltender Kühlung friert der ganze See zu.
Zum Vergrößern auf das Bild klicken.

Mit freundlicher Genehmigung von Nicola Graf
Acqua alta (italienisch für
„Hochwasser”) ist der Name
für die hohen Wasserstände
die periodisch in der
venezianischen Lagune
auftreten. Dieses Phänomen
entsteht teilweise aufgrund
der Adriatischen Seiche. Hier
wird die berühmte
venezianische Piazza San
Marco im Jahr 2004 gezeigt,
die während eines acqua alta
teilweise überschwemmt war.

Mit freundlicher Genehmigung
von Moroder; Bildquelle:
Wikimedia Commons

Wellentypen

Die Dichte ist nicht die erste Sache die uns einfällt wenn wir ans Meer denken, dies sieht bei Wellen jedoch anders aus. Wellen gibt es überall – in den Ozeanen, in Seen und natürlich an Stränden und sie werden aufgrund ihrer destruktiven Ausbildung, als Tsunamis, gefürchtet.

Die meisten dieser Wellen sind die, von den Physikern, sogenannten Oberflächenwellen. Aber es gibt auch interne Wellen, die an den Grenzflächen zwischen den Dichteschichten des Wassers auftreten. Im Ozean durchmischen brechende interne Wellen die Schichten und holen so die darin enthaltenden Nährstoffe herauf.

Die Geometrie eines Wasserbassins (so wie ein See oder eine Bucht) bestimmt welche Wellen sich bilden wenn Kraft ausgeübt und dann abgegeben wird (z.B. durch einen vorbei ziehenden Sturm). Diese Wellen sind der „natürliche Modus“ des Beckens, ähnlich wie Schallwellen in einem Musikintrument, wo eine bestimmte Frequenz durch die gegebene Länge einer Saite oder einer Luftsäule erzeugt wird. Dieses Phänomen wird Resonanz genannt.

In der Meereskunde gibt es ein weiteres Phänomen, bekannt als Seiche (abgeleitet von einem alten französischen Wort das „hin und her schaukeln“ bedeutet). Dies passiert wenn eine stehende Welle in einem halbgeschlossenen Wasserkörper entsteht und sich als eine Masse von der einen zur anderen Seite hin- und herbewegt, ähnlich wie die Gezeiten. Ein Beispiel ist die Adriatische Seiche, die eine Periode von 21,5 Stunden hat und mit ernsthaften Überschwemmungen in Venedig, Italien, in Zusammenhang steht. Andere natürlich vorkommende Beispiele einer Seiche wurden im Genfer See und in der Ostsee beobachtet.

 

Versuch 1: Untersuchung von Wasserdichte und Schichtung

Materialien

  • Rechteckiges Becken mit Trennwand
  • Flasche mit Salzlösung (ungefähr 75 g Salz gelöst in 1 l Wasser)
  • Zwei Bechergläser gefüllt mit Leitungswasser, bei Raumtemperatur
  • Lebensmittelfarbe (zwei verschiedene Farben)
  • Eis

Durchführung

  1. Berechne die Dichte des Leitungswassers und der Salzlösung. Messe hierfür das Gewicht eines bekannten Volumens des Wassers, achte dabei darauf, dass Du die Masse des Behälters von der insgesamten Masse des Behälters mit der Flüssigkeit abziehst. Die Dichte kann dann berechnet werden, da Dichte (ρ) die Masse (m) geteilt durch das Volumen (v) ist (oder ρ = m/v).
  2. Fülle das Leitungswasser in die eine Hälfte des Beckens und die Salzlösung in die andere.
  3. Füge ein paar Tropfen Lebensmittelfarbe zu dem Wasser in jeder Hälfte des Beckens hinzu, so dass beide eine unterschiedliche Farbe haben.
  4. Was wird passieren, wenn Du die Trennwand zwischen den beiden Hälften entfernst? Begründe Deine Argumentation.
  5. Entferne die Trennwand. Was passiert? Stimmen Deine Beobachtungen mit der berechneten Dichte überein?
  6. Leere das Becken und die Bechergläser. Fülle nun ein Becherglas mit heißem und das andere mit eiskaltem Wasser.
  7. Füge ein paar Tropfen Lebensmittelfarbe zu jedem der Bechergläser hinzu (eine unterschiedliche Farbe in jedem Becherglas).
  8. Fülle das heiße Wasser in die eine Hälfte des Beckens und das eiskalte in die andere. Was wird passieren wenn Du die Trennwand entfernst? Begründe Deine Argumentation.
  9. Entferne die Trennwand. Was passiert? Ist es das, was Du erwartest?
  10. Nachdem Du das neue Gleichgewicht im Becken beobachtet hast, berühre mit Deinen Fingerspitzen die Wasseroberfläche und bewege Deine Hand langsam in Richtung des Beckenbodens. Kannst Du eine Änderung in der Wassertemperatur feststellen?
  11. Wie könnten die Auswirkungen des Klimawandels, etwa die Erwärmung und das Schmelzen von Meereis, die vertikale Struktur des Ozeanwassers beeinflussen? Diskutiere mögliche Szenarien.

Versuch 2: Untersuchung von internen Wellen

Materialien

  • Rechteckiges Becken mit Trennwand
  • Stoppuhr
  • Lebensmittelfarbe oder andere geeignete Farbe
  • Zwei Behälter: einer mit Süßwasser, der andere mit gefärbten Salzwasser (ungefähr 75 g Salz gelöst in 1 l Leitungswasser)
  • Wellenpaddel (ein breites Plastikstück ungefähr 2cm hoch, das ungefähr genauso breit wie das Becken ist)
  • Optional: ein Plastikstück mit der gleichen Breite des Tanks aber ungefähr ein Drittel so lang

Durchführung

  1. Fülle das Leitungswasser in die eine Hälfte des Beckens und die gefärbte Salzlösung in die andere.
  2. Entferne die Trennwand zwischen den beiden Hälften und beobachte was passiert. Mache eine Notiz über jede Welle die Du siehst und beschreibe deren Bewegung.
  3. Identifiziere die interne Welle – diese bewegt sich vor und zurück entlang der Grenzfläche zwischen den zwei unterschiedlich gefärbten Flüssigkeiten. Bestimme die Geschwindigkeit dieser Welle, indem du misst wie lange die Welle braucht um die ganze Länge des Beckens entlang zu wandern. (Gehe sicher dass Du einen durchschnittlichen Wert bestimmst, indem du mehrere Traversen bestimmst.) Berechne die Geschwindigkeit indem Du folgende Formel benutzt:

    Länge des Beckens (m) / gemessene Zeit (s) = Geschwindigkeit der Welle (m/s)
     

  4. Versuche Oberflächen- und interne Wellen mit dem Paddel zu erzeugen. Um Oberflächenwellen zu erzeugen, versenke das Paddel in das Wasser und hebe es wieder hoch, wiederhole dies in einer hohen Frequenz (mindestens einmal pro Sekunde). Wiederhole dies viel langsamer (ungefähr einmal jede 10 Sekunden) für interne Wellen.
  5. Diskutiere Deine Ergebnisse.
  6. Optional: Wenn Du genügend Zeit hast, kannst Du die Experimente wiederholen und das Plastikstück in einem Winkel auf den Boden des Beckens legen um den Effekt eines flachen Meeresboden zu erhalten. Positioniere das Plastikstück wie unten gezeigt.
Eine interne Welle an der Grenzfläche zwischen dem dichteren (blauen) Salzwasser und dem weniger dichten (ungefärbten) Leitungswasser. Ein Wellenpaddel ist an der rechten Seite des Beckens zu sehen und an der linken Seite ein Plastikstück um eine flache Topographie zu simulieren.
Mit freundlicher Genehmigung von Lee Karp-Boss

Diskussion

Die Energie von internen Wellen ist generell geringer als die von Oberflächenwellen. Dies ist so weil die Rückstellkraft der Gravität geringer für interne Wellen ist, dies wird verursacht durch die relativ kleine Differenz in der Dichte zwischen Wasserschichten (verglichen mit der Differenz zwischen Wasser und Luft bei Oberflächenwellen). Diese geringere Energie bedeutet, dass, in einem Becken (oder Wasserbasin) einer bestimmten Größe, die natürliche Frequenz der internen Wellen auch geringer sein wird als die der Oberflächenwellen.

Zusätzlich zu Oberflächenwellen unterstützen geschichtete Flüssigkeiten interne Wellen; in zweilagigen Flüssigkeiten bewegen sich diese Wellen auf der Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten. Ihre Perioden sind signifikant länger als die der Oberflächenwellen und ihre Amplitude kann signifikant größer sein. Wenn wir das Zwei-Lagen System stören, werden viele Wellen initial angeregt, jedoch nur solche die zur Geometrie des Beckens passen (schwingen) bleiben erhalten. Das Einfügen eines Plastikstückes an einem Ende des Beckens, um ein ansteigendes flaches Stück Meeresboden zu simulieren, kann dazu führen, dass die internen Wellen brechen, ähnlich wie Oberflächenwellen, die an einem Strand brechen, jedoch unterhalb der Oberfläche.

Danksagung

Dieser Artikel basiert auf den Lehrmitteln, die von der Organisation COSEE (Center for Ocean Sciences Education Excellence) mithilfe der Meeresforschern Lee Karp-Boss, Emmanuel Boss, Herman Weller, James Loftin und Jennifer Albright (Karp-Boss et al., 2009) entwickelt wurden.

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References

Web References

  • w1 – Die Anleitungen für die Schüler können von der Science in School Webseite als Word oder PDF Dateien heruntergeladen werden.

Resources

Author(s)

Susan Watt ist eine freischaffende Autorin und Editorin und beschäftigt sich insbesondere mit wissenschaftlicher Ausbildung. Sie studierte Naturwissenschaften an der Universität von Cambridge, GB und schloss mit einem Master in Psychologie und Philosophie der Naturwissenschaften ab. Sie arbeitete als Kuratorin im Science Museum (London) und organisierte internationale Ausstellungen für den britischen Rat. Im Moment arbeitet sie als Schuldirektorin und Eventplanerin für die britische Wissenschaftsgesellschaft.


Review

Oftmals wird kein Zusammenhang zwischen der Physik und unserem alltäglichen Leben gesehen, dies führt oft dazu, dass viele Schüler kein Interesse an diesem Fach haben. Dieser Artikel bedient sich der Ozeanographie um einen Kontext für physikalische Vorgänge zu bieten und soll so helfen, das Interesse der Schüler zu wecken. Der Artikel kann im Biologie- oder Physikunterricht verwendet werden, insbesondere wenn marine Inhalte behandelt werden.

Die zwei beschriebenen Versuche können entweder vom Lehrer zu Demonstrationszwecken vorgeführt oder von den Schülern selbst durchgeführt werden. Sie können entweder vor der Erklärung der physikalischen Konzepte die sie aufzeigen durchgeführt werden (um die Schüler anzuregen über das Gesehene nachzudenken) oder nach der Erläuterung. Zusätzliche Experimente über physikalische Ozeanographie, die hilfreich für den Physikunterricht von 12-18 jährigen Schülern wären, sind am Ende des Artikels aufgeführt.

Weiterhin kann der Text helfen, Schülern das Verständnis zu vermitteln, dass anscheinend unterschiedliche wissenschaftliche Themen miteinander verknüpft sein können. Zum Beispiel, um zu verstehen wie die Umgebung das marine Leben beeinflusst, benötigen wir die Kenntnis von physikalischen Vorgängen (und auch von Chemie und Geologie).


Mireia Güell Serra, Spainien




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