Ένας ωκεανός στο σχολικό εργαστήριο: άνοδος της στάθμης της θάλασσας Teach article

Όχι μόνο λιώσιμο του πάγου: ένα απλό πείραμα δείχνει πως η θερμική διαστολή συμβάλλει στην άνοδο της στάθμης της θάλασσας ως μια απο τις συνέπειες της κλιματικής…

Silas Baisch/Unsplash.com

Ένας διαστελλόμενος ωκεανός

Ο πλανητικός ωκεανός είναι μια μάζα νερού που καλύπτει το μεγαλύτερο μέρος του πλανήτη μας και συνδέει όλα τα μέρη της υδρογείου. Παίζει έναν σημαντικό ρόλο στο κλίμα της Γης και, αν και είναι ένα πολύπλοκο σύστημα, εξακολουθεί να υπακούει στους απλούς νόμους της φυσικής και της χημείας που διδάσκονται στα σχολεία. Κατά τη διδακαλία αυτών των νόμων, οι εκπαιδευτικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτό το παράδειγμα για να ευαισθητοποιήσουν σχετικά με τη δυναμική του ωκεανού και τον αντίκτυπό του στη ζωή μας.

Θερμική διαστολή και συντελεστής θερμικής κυβικής διαστολής

Όταν μιλάμε για άνοδο της στάθμης της θάλασσας εξαιτίας της παγκόσμιας θέρμανσης, πολλοί άνθρωποι σκέφτονται μόνο την τήξη των πάγων και των παγετώνων και δε συνειδητοποιούν ότι η θερμική διαστολή είναι στην πραγματικότητα ένα σημαντικός παράγοντας.

Τα περισσότερα υλικά διαστέλλονται όταν θερμαίνονται. Λέμε «τα περισσότερα υλικά» γιατί το νερό σε υγρή κατάσταση δεν ακολουθεί αυτή την τάση μεταξύ 0 και 4οC. Παρά αυτή τη συμπεριφορά, πάνω απο τους 4οC, το νερό θα διασταλεί όταν θερμανθεί. Αυτό είναι ένα απο τα προβλήματα με την αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της θάλασσας – το νερό διαστέλλεται και συμβάλλει στην άνοδο της στάθμης της θάλασσας. Η θερμική διαστολή είναι υπεύθυνη για περίπου το 43% της ανόδου της στάθμης της θάλασσας,[1] η οποία αποτελεί σοβαρή απειλή για τους πληθυσμούς που ζουν κατά μήκος των ακτών.

Δραστηριότητα 1: Παρατηρώντας τη θερμική διαστολή του νερού

Οι μαθητές μπορούν να δουν απο πρώτο χέρι πως συμπεριφέρεται το νερό με τη θερμοκρασία. Αυτό το απλό πείραμα είναι κατάλληλο για μαθητές ηλικίας 11-14 ετών και δείχνει πως ο όγκος του νερού αλλάζει με τη θερμοκρασία. Η δραστηριότητα διαρκεί περίπου 15 λεπτά.

Υλικά

  • Κωνική φιάλη των 250 cm3
  • Περίπου 300 cm3 νερό που περιέχει χρωστική τροφίμων
  • Βαθμονομημένη πιπέτα
  • Ελαστικό πώμα
  • Ποτήρι ζέσεως 500 cm3
  • 200 cm3 ζεστό νερό, περίπου 50 οC

Διαδικασία

Ένα υδατόλουτρο που περιέχει μια φιάλη με χρωματιστό νερό με μια προσαρμοσμένη πιπέτα προσαρμοσμένη.
Πειραματική διάταξη για την επίδειξη της θερμικής διαστολής του νερού.
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Ole Ahlgren
  1. Κάντε μια οπή στο πώμα, έτσι ώστε να μπορεί να τοποθετηθεί η βαθμονομημένη πιπέτα.
  2. Γεμίστε την κωνική φιάλη με νερό που περιέχει χρωστική τροφών.
  3. Κλείστε τη φιάλη με το πώμα και προσθέστε περισσότερο νερό μέχρι να μπορεί να παρατηρηθεί στην κλίματα της πιπέτας.
  4. Ζητήστε απο τους μαθητές να σημειώσουν τη στάθμη του νερού (ο όγκος του νερού δεν είναι σημαντικός, αλλά η ανάγνωση θα επιτρέψει στους μαθητές να εντοπίσουν τυχόν αλλαγές).
  5. Βυθίστε τη φιάλη μέσα σε ένα μεγάλο δοχείο, όπως ένα ποτήρι ζέσεως 500 cm3 που περιέχει ζεστό νερό, αφήνοντας το νερό μέσα στη φιάλη να ζεσταθεί μέχρι να σταματήσει η διαστολή (αυτό διαρκεί αρκετά λεπτά) και τότε ζητήστε από τους μαθητές να σημειώσουν τη στάθμη του νερού.

Δραστηριότητα 2:Μετρώντας τον συντελεστή θερμικής διαστολής του νερού

Οι μεγαλύτεροι μαθητές μπορούν να επεκτείνουν την Δραστηριότητα 1 και να υπολογίσουν προσεγγιστικά τον συντελεστή θερμικής διαστολής του νερού. Αυτή η φυσική ποσότητα, σε Κ-1, μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση:

Όπου ΔV είναι η μεταβολή (αύξηση) του όγκου, V είναι ο αρχικός όγκος, και ΔT είναι η μεταβολή της θερμοκρασίας.

Αυτός είναι ένας πρόχειρος υπολογισμός γιατί, όπως προτείνεται, το πείραμα περιλαμβάνει αρκετά σφάλματα που είναι δύσκολο να ξεπεραστούν, όπως θα εξηγήσουμε παρακάτω. Παρόλα αυτά, αν αυτό αναγνωριστεί και ο κύριος στόχος δεν είναι να προσδιοριστεί μια ακριβής τιμή για το συντελεστή θερμικής διαστολής, αλλά μάλλον μια τιμή της ίδιας τάξης μεγέθους με την πραγματική, οι μαθητές μπορούν ακόμα να κάνουν μετρήσεις και να βγάλουν κάποια συμπεράσματα.

Ένα απο τα προβλήματα αυτού του πειράματος είναι ότι ο συντελεστής θερμικής διαστολής του νερού ποικίλει ανάλογα με τη θερμοκρασία: για παράδειγμα, στους 10°C είναι 8.8×10-5 K-1, στους 20°C είναι 2.07×10-4 K-1, και στους 30°C είναι 3.03×10-4 K-1.[2] Η τιμή είναι επίσης μικρή, για αυτό, για να επιτραπεί μια μετρήσιμη μεταβολή στον όγκο του νερού, είναι καλύτερα να χρησιμοποιηθεί ένας σημαντικός αρχικός όγκος νερού και μια σημαντική μεταβολή της θερμοκρασίας.

Η δραστηριότητα είναι κατάλληλη για μαθητές ηλικίας 14-16 ετών και διαρκεί γύρω στα 45 λεπτά.

Υλικά

  • Κωνική φιάλη 250 cm
  • Περίπου 300 cm3 νερού που περιέχει χρωστική φαγητού
  • Βαθμονομημένη πιπέτα
  • Βαθμονομημένος κύλινδρος 500 cm3
  • Ελαστικό πώμα
  • Ποτήρι ζέσεως 500 cm3
  • 200 cm3 ζεστό νερό, περίπου 50 οC
  • Θερμόμετρο

Διαδικασία

  1. Η διαδικασία είναι ίδια όπως και στην Δραστηριότητα 1, αλλά πρέπει να γίνουν και κάποιες μετρήσεις.
  2. Η θερμοκρασία του νερού μετριέται στην αρχή του πειράματος (Ti), όταν είναι σε θερμοκρασία δωματίου, και στο τέλος (Tf), έτσι ώστε να μπορούμε να προσδιορίσουμε τη μεταβολή της θερμοκρασίας (ΔT).
  3. Η στάθμη του νερού μέσα στη βαθμονομημένη πιπέτα μετριέται στην αρχή και στο τέλος του πειράματος για να υπολογιστεί η μεταβολή του όγκου ΔVpipette). Ο συνολικός όγκος του νερού V, μετριέται χρησιμοποιώντας έναν βαθμονομημένο κύλινδρο στο τέλος του πειράματος, αφού το νερό επανέλθει σε θερμοκρασία δωματίου ξανά. Με αυτόν τον τρόπο το εκτόπισμα που προκύπτει απο την εισαγωγή του πώματος δεν θα μετρηθεί.
Η στάθμη του νερού στη βαθμονομημένη πιπέτα στην αρχή και το τέλος του πειράματος, δείχνοντας την αύξηση του όγκου
Στάθμη νερού στην πιπέτα
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Ole Ahlgren 

Αποτελέσματα

Σε αυτό το πείραμα λάβαμε τις ακόλουθες τιμές:

Ti [°C]Ti [K]Tf [°C]Tf [K]ΔT [K]ΔV [cm3]V [cm3]
21.2294.330.4303.59.20.52298
Πειραματικά δεδομένα για να προσδιοριστεί ο συντελεστής θερμικής διαστολής του νερού.

Χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1), ο συντελεστής θερμικής διαστολής του νερού μπορεί να υπολογιστεί:

Ζητήστε απο τους μαθητές πιθανές αιτίες σφαλμάτων.

Όπως εξηγήθηκε προηγουμένως, η τιμή δεν είναι ακριβής και πιθανότατα θα είναι υψηλότερη απο την πραγματική τιμή για το εύρος θερμοκρασιών που εφαρμόζονται στο πείραμα, αλλά εξακολουθεί να είναι της ίδιας τάξης μεγέθους.

Συζήτηση

Πως μπορεί αυτή η τιμή να μεταφραστεί σε άνοδο της στάθμης της θάλασσας; Σε τελική ανάλυση, ο συντελεστής είναι πολύ μικρός, το νερό που επηρεάζεται απο την αύξηση της θερμοκρασίας του ωκεανού είναι κυρίως αυτό που είναι πιο κοντά στην επιφάνεια, και ακόμη και αυτή η αύξηση είναι μικρή σε σχέση με τη μεταβολή της θερμοκρασίας στο πείραμα. Ωστόσο, οι μαθητές δεν πρέπει να ξεγελιούνται απο αυτό, ο ωκεανός είναι τεράστιος, και ακόμη μια μικρή αύξηση στη θερμοκρασία θα προκαλέσει διαστολή του ωκεανού που συνεισφέρει στην άνοδο της στάθμης της θάλασσας.

Αν και ο ωκεανός δεν έχει ομοιογενή θερμοκρασία, κατά μέσο όρο, ένα τμήμα του ωκεανού βάθους 700m έχει αύξηση στη θερμοκρασία κατά 0.1°C από το 1961 ως το 2003.[3] Με κάποιες απλουστεύσεις, είναι δυνατό να εκτιμηθεί η άνοδος στη στάθμη της θάλασσας για την κατάσταση που μόλις περιγράφηκε.

Παρουσιάστε το ακόλουθο πρόβλημα στους μαθητές σας: ας υποθέσουμε ότι ο ωκεανός είναι μια στήλη με εμβαδό Α και ύψος height h, ή όγκου V = A×h. Πόσο θα ανέβει η στάθμη του νερού, ή πόσο θα αλλάξει το ύψος μιας στήλης νερού ύψους 700m, αν το νερό θερμανθεί κατά 0.1°C (0.1 K) και μπορεί να επεκταθεί μόνο κατακόρυφα (στην κατεύθυνση του ύψους της στήλης); Πείτε στους μαθητές να υποθέσουν ότι η τιμή του αV που υπολογίζουν είναι μια αποδεκτή προσέγγιση.

Χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1), οι μαθητές μπορούν να κάνουν τους ακόλουθους υπολογισμούς:

Όπως αναφερθηκε, πρόκειται για  μια  απλούστευση. Η θερμική διαστολή δεν είναι γραμμική με τη θερμοκρασία, και ο ωκεανός επεκτείνεται επίσης στο εσωτερικό, με την άνοδο της στάθμης του νερού να εξαρτάται απο την κλιση της ακτής. Παρόλα αυτά, το αποτέλεσμα τονίζει ότι αυτή η διαστολή δεν είναι αμελητέα.

Συμπέρασμα

Έτσι, ακόμη και μια μικρή αύξηση της θερμοκρασίας κατά 0,1°C μπορεί να μεταφραστεί σε σημαντική άνοδο της στάθμης της θάλασσας. Και είναι μόνο η θερμική διαστολή στο παιχνίδιη άνοδος της θερμοκρασίας στον πλανήτη προκαλεί επίσης το λιώσιμο των στρωμάτων πάγου και των παγετώνων, γεγονός που συμβάλλει στην άνοδο της στάθμης της θάλασσας. Κατά μέσο όρο, και κατά τα τελευταία 25 χρόνια, η στάθμη της θάλασσας αυξάνεται κατά περίπου 3 mm το χρόνο, όπως προσδιορίζεται από δορυφορικά δεδομένα, και η άνοδος αυτή επιταχύνεται.[4]

Γράφημα της διακύμανσης του ύψους της θάλασσας μεταξύ 1993 και 2020. Η στάθμη της θάλασσας αυξήθηκε κατά 3,3 mm το χρόνο σε εκείνη την περίοδο.
Αλλαγή της στάθμης της θάλασσας από το 1993 ως το 2020
NASA’s Goddard Space Flight Center[5] Μετάφραση από τη Σεβαστή Μαλάμου

Ερωτήσεις για να υποβάλλεται τους μαθητές:

  1. Γιατί η παγκόσμια υπερθέρμανση οδηγεί σε άνοδο της στάθμης της θάλασσας;
  2. Πως θα επηρεαστούν οι πληθυσμοί που ζουν κοντά στις ακτές απο την άνοδο της στάθμης της θάλασσας;
  3. Με μια σταθερή άνοδο 3,3 mm το χρόνο, πόσο ψηλότερη θα είναι η στάθμης της θάλασσας το έτος 2100;

References

[1] Γραφήματα της ESA σχετικά με τις αιτίες αύξησης της στάθμης της θάλασσας: https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2018/09/Causes_of_sea-level_rise

[2] Ένας διαδικτυακός υπολογιστής για τον προσδιορισμό της ογκομετρικής θερμοκρασιακής διαστολής: https://www.engineeringtoolbox.com/volumetric-temperature-expansion-d_315.html

[3] Silver J (2008) Global Warming and Climate Change Demystified, McGraw-Hill. ISBN: 0-07150-240-8

[4] ] Ένα βίντεο απο την ESA για την άνοδο της στάθμης της θάλασσας: https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Videos/2018/09/Sea-level_rise/

[5] Δορυφορικά δεδομένα για τη στάθμη της θάλασσας: https://climate.nasa.gov/vital-signs/sea-level/

Resources

  • Διαβάστε σχετικά με το ρόλο των ωκεανών μας στην κλιματική αλλαγή: Harrison T, Khan A, Shallcross D (2017) Climate change: why the oceans matter. Science in School 39:12–15.
  • Εξερευνήστε άλλα πειράματα χημείας σχετικά με την κλιματική αλλαγή: Shallcross D, Harrison T (2008) Practical demonstrations to augment climate change lessons. Science in School 10:46–50.
  • Εξερευνήστε άλλα πειράματα χημείας σχετικά με την κλιματική αλλαγή: Follows M (2019) Ten things that affect our climate. Science in School 47:19–25.
  • Μάθετε για ορισμένες από τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής που έχουν ήδη αντίκτυπο σε πολλές κοινότητες: Unwin H (2020) The social science of climate change. Science in School 49:18–22.

Author(s)

Η Carla Isabel Ribeiro διδάσκει χημεία και φυσική σε ένα σχολείο δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης στην Πορτογαλία, και ο Ole Ahlgren είναι ένας Δανός συνταξιούχος εκπαιδευτικός φυσικής, χημείας και βιολογίας. Οι συγγραφείς έχουν ήδη συνεργαστεί και έχουν δημοσιεύσει άλλα πειράματα στο Science in School.


Review

Όλοι πιστεύουν ότι με την παγκόσμια θέρμανση, η στάθμη των ωκεανών θα ανέβει λόγω της τήξης των πάγων. Αυτό το άρθρο τονίζει τη σύνδεση ανάμεσα στην θέρμανση και σε ένα παλιό φυσικό φαινόμενο, τη θερμική διαστολή των υγρών. 


Η Corina Lavinia Toma, καθηγήτρια φυσικής, στο Λύκειο Πληροφορικής “T. Popoviciu” στη Ρουμανία




License

CC-BY