Κουνήματα και τραντάγματα: η φυσική στους ωκεανούς

Όταν αναλογιζόμαστε την κλιματική αλλαγή, μια από τις μεγαλύτερες ανησυχίες είναι ότι μεγάλα ωκεάνια ρεύματα όπως εκείνο του Κόλπου του Μεξικού θα βγουν εκός πορείας, θέτοντας σε κίνδυνο τα καιρικά συστήματα που εξαρτώνται από αυτά. Αλλά τι είναι αυτό που αρχικά οδηγεί στην εδραίωση των ρευμάτων αυτών;

Ένα μέρος της απάντησης είναι η βαρύτητα. Η βαρύτητα δρα σε υδάτινες μάζες διαφορετικής πυκνότητας και αυτό, σε συνδυασμό με τον άνεμο και την περιστροφή της γης, δημιουργεί δυνάμεις και ρεύματα μέσα στους ωκεανούς. Τέτοιες διαδικασίες δεν έχουν μόνο μια εν δυνάμει επίδραση πάνω στο κλίμα, αλλά ασκούν και μεγάλη επίδραση στο περιβάλλον στο οποίο ζουν θαλάσσιοι οργανισμοί.

Κατά συνέπεια, οποιοσδήποτε φοιτητής ωκεανογραφίας θα χρειαστεί να έχει κατανοήσει βαθιά αυτές τις διαδικασίες. Αλλά μία ομάδα πανεπιστημιακών ωκεανογράφων στο Μέιν, ΗΠΑ, παρατήρησαν πριν από μερικά χρόνια ότι οι φοιτητές των θαλάσσιων επιστημών φαίνονταν ότι δεν γνώριζαν σχετικά με τη φυσική τη σχετική με το αντικείμενό τους, και επικεντρώνονταν κυρίως στη βιολογία. Ως συνέπεια αυτού αποφάσισαν να συνθέσουν μία πηγή υλικού διδασκαλίας για να πείσουν τους φοιτητές ότι οι ωκεανοί είναι ένα ασυνήθιστα ενδιαφέρον μέρος για να μελετήσει κανείς φυσική. Το άρθρο αυτό βασίζεται σε εκείνο το υλικό (Karp-Boss et al., 2009), το οποίο επικεντρώνεται σε έννοιες-κλειδιά της φυσικής οι οποίες είναι βασικές και στην ωκεανογραφία, και παρέχει ένα ελκυστικό περιβαλλοντικό πλαίσιο για ιδέες προερχόμενες από τη φυσική.

Βέβαια, οι φοιτητές μαθαίνουν καλύτερα όταν  συμμετέχουν ενεργά, κι έτσι ουσιώδης για το υλικό διδασκαλίας είναι μια σειρά δραστηριοτήτων, οι οποίες είναι έτσι σχεδιασμένες ώστε να προσελκύσουν την προσοχή των φοιτητών και να τους κάνουν να αμφισβητήσουν τα συμπεράσματά τους. Δύο δραστηριότητες που χρησιμοποιήθηκαν επιτυχώς από τους ωκεανογράφους περιγράφονται εδώ: μία που επικεντρώνεται στην πυκνότητα και μια άλλη που επικεντρώνεται στα κύματα. Και οι δύο θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν από μαθητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης όλων των ηλικιών (11-19).

Η πρώτη δραστηριότητα δείχνει πώς η στρωματοποίηση δημιουργείται ως αποτέλεσμα διαφορών πυκνότητας εξαιτίας της θερμοκρασίας ή της αρμύρας. Η δεύτερη δραστηριότητα εξετάζει τα εσωτερικά κύματα. Επίσης επιδεικνύεται ο συντονισμός και η φυσική συχνότητα. Και για τις δύο αυτές δραστηριότητες, η πειραματική διάταξη συναρμολογείται πριν από το μάθημα, και οι μαθητές εκτελούν τις δραστηριότητες έως και 30 λεπτά ανά δραστηριότητα (χρησιμοποιώντας φύλλα εργασίας, κάτω και διαθέσιμα για κατέβασμα στην ιστοσελίδα του Science in School^w1). Το τελευταίο μέρος του μαθήματος χρησιμοποιείται για τη σύνοψη των ευρημάτων και για τη συζήτησή τους.

Πυκνότητα και στρωματοποίηση

Η πυκνότητα είναι μια βασική ιδιότητα της ύλης. Είναι η μάζα ανά μονάδα όγκου του υλικού – δηλαδή πόση μάζα συγκεντρώνεται σε συγκεκριμένο όγκο. Στην ωκεανογραφία η πυκνότητα χρησιμοποιείται για το χαρακτηρισμό των υδάτινων μαζών και για τη μελέτη της κυκλοφορίας του νερού στους ωκεανούς. Πολλές ωκεάνιες διαδικασίες προκαλούνται από διαφορές πυκνότητας: η μεγάλης κλίματας ωκεάνια κυκλοφορία και η μεταφορά του άνθρακα από σωματίδια που βουλιάζουν από την επιφάνεια στο βάθος του ωκεανού είναι μόνο δύο παραδείγματα.

Ενώ η πυκνότητα του νερού κυμαίνεται από 998 κιλά ανά κυβικό μέτρο για γλυκό νερό σε θερμοκρασία δωματίου έως και 1250 κιλά ανά κυβικό μέτρο σε αρμυρές λίμνες, τα ωκεάνια νερά έχουν πολύ μικρότερο εύρος πυκνοτήτων (περίπου 1020-1030 κιλά ανά κυβικό μέτρο). Το μεγαλύτερο μέρος της μεταβλητότητας στην ωκεάνια πυκνότητα είναι εξαιτίας της αρμυρότητας και της θερμοκρασίας. Όσο αυξάνεται η συγκέντρωση των αλάτων, εξαιτίας εξάτμισης ή δημιουργίας πάγου, τόσο η πυκνότητα αυξάνει. Η αύξηση της θερμοκρασίας μειώνει την πυκνότητα, ενώ η ψύξη την αυξάνει.

Η πυκνότητα του ωκεάνιου νερού αυξάνεται με το βάθος, αλλά όχι με ομοιόμορφο τρόπο: το νερό διαφορετικών πυκνοτήτων δημιουργεί μία σειρά στρωμάτων (Σχήμα 1).

Αυτή η στρωματοποίηση λειτουργεί ως φράγμα για την ανταλλαγή θρεπτικών ουσιών και διαλυμένων αερίων μεταξύ του επιφανειακού στρώματος που θερμαίνεται από τον ήλιο και των βαθιών στρωμάτων, τα οποία είναι πλούσια σε θρεπτικές ουσίες. Η ανάμειξη των στρωμάτων δεν είναι εύκολη δουλειά: σκεφτείτε πόσο δυνατά πρέπει να κουνήσετε ένα μπουκάλι με σως για σαλάτα προκειμένου να αναμειχθεί το λάδι με το ξύδι. Έτσι, χωρίς αρκετή δυνατή μίξη εξαιτίας ανέμων ή κυμάτων, το φυτοπλαγκτόν στην επιφάνεια των ωκεανών δεν λαμβάνει αρκετά θρεπτικά συστατικά.
 

Τύποι κυμάτων

Παρόλο που η πυκνότητα δεν είναι το πρώτο πράγμα που μας έρχεται στο μυαλό όταν σκεφτόμαστε τη θάλασσα, τα κύματα είναι άλλη υπόθεση. Τα κύματα υπάρχουν παντού στον ωκεανό, στις λίμνες, και φυσικά στις παραλίες – και προκαλούν δέος και φόβο στην καταστροφική μορφή τους ως τσουνάμι.

Τα περισσότερα από αυτά τα κύματα είναι εκείνα που οι φυσικοί ονομάζουν επιφανειακά κύματα. Αλλά υπάρχουν και εσωτερικά κύματα, που εμφανίζονται στην επιφάνεια επαφής μεταξύ στρωμάτων νερού διαφορετικής πυκνότητας. Στον ωκεανό, εσωτερικά κύματα αναμειγνύουν τα στρώματα νερού και ωθούν τα θρεπτικά συστατικά που αυτά περιέχουν προς την επιφάνεια.

Η γεωμετρία μιας δεξαμενής νερού (όπως μία λίμνη ή ένας κόλπος) καθορίζει ποια κύματα διεγείρονται όταν μία δύναμη εφαρμόζεται και μετά εκλείπει (όπως π.χ. εξαιτίας μιας περαστικής καταιγίδας). Αυτά τα κύματα είναι οι “φυσικές καταστάσεις” της δεξαμενής – με τρόπο παρόμοιο με αυτόν των ηχητικών κυμάτων σε ένα μουσικό όργανο, στο οποίο μια συγκεκριμένη συχνότητα παράγεται από μια χορδή ή στήλη αέρα συγκεκριμένου μήκους. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται συντονισμός.

Στην ωκεανογραφία, υπάρχει ένα επιπλέον φαινόμενο που ονομάζεται κυματανάπαλση (ή “σέις”, από μια παλιά γαλλική λέξη που σημαίνει “ταλαντεύομαι”). Αυτό είναι το φαινόμενο κατά το οποίο ένα στάσιμο κύμα δημιουργείται σε μία ημίκλειστη κοιλότητα που περιέχει ένα σώμα νερού, το οποίο κινείται από την μία πλευρά στην άλλη ως μία μάζα, κάπως σαν παλίρροια. Για παράδειγμα η Αδριατική κυματανάπαλση, που έχει περίοδο 21,5 ωρών, έχει συνδεθεί με ισχυρές πλημμύρες στην Βενετία της Ιταλίας. Άλλα φαινόμενα κυματανάπαλσης που εμφανίζονται στη φύση έχουν παρατηρηθεί στη λίμνη της Γενεύης και στη Βαλτική θάλασσα.

Δραστηριότητα 2: Διερευνώντας τα εσωτερικά κύματα

Υλικά

• Παραλληλεπίπεδη δεξαμενή με διαχώρισμα.
• Χρονόμετρο.
• Χρώμα ζαχαροπλαστικής ή άλλη κατάλληλη βαφή.
• Δύο δεξαμενές: μία με γλυκό νερό και μία με χρωματισμένο αλατόνερο (περίπου 75 γραμμάρια αλατιού διαλυμένα σε 1 λίτρο νερού βρύσης).
• Ένα κουπί κυμάτων (ένα πλατύ κομμάτι πλαστικού με ύψος περίπου 2 εκατοστών και πλάτος παρόμοιο αυτού της δεξαμενής).
• Προαιρετικά: ένα κομμάτι πλαστικού με πλάτος όμοιο αυτού της δεξαμενής, αλλά μήκος όσο περίπου το ένα τρίτο αυτής.

Διαδικασία

1. Τοποθετήστε το νερό βρύσης σε ένα διαχώρισμα της δεξαμενής και το χρωματισμένο διάλυμα άλατος στο άλλο.
2. Αφαιρέστε το διαχώρισμα μεταξύ των δύο διαμερισμάτων και παρατηρείστε τι συμβαίνει. Σημειώστε όποια κύματα παρατηρήσετε και περιγράψτε τις κινήσεις τους.
3. Αναγνωρίστε το εσωτερικό κύμα – αυτό ταξιδεύει μπρος και πίσω κατά μήκος της επιφάνειας επαφής των δύο διαφορετικά χρωματισμένων υγρών. Μετρήστε την ταχύτητα αυτού του κύματος, χρονομετρώντας πόση ώρα του παίρνει να διασχίσει το μήκος της δεξαμενής. (Βεβαιώστε ότι μετράτε μια μέση τιμή, μετρώντας περισσότερα από ένα περάσματα κατά μήκος του δοχείου.) Υπολογίστε την ταχύτητα του κύματος χρησιμοποιώντας τον τύπο:
   
   Μήκος δεξαμενής (m) / απαιτούμενος χρόνος (s) = ταχύτητα κύματος (m/s)
    
4. Προσπαθήστε να παράγετε επιφανειακά και εσωτερικά κύματα χρησιμοποιώντας το κουπί κυμάτων. Για επιφανειακά κύματα, εισάγετε το κουπί μέσα στο νερό και σηκώστε το πάλι έξω από αυτό, επαναλαμβάνοντας τον κύκλο αυτόν με μεγάλη συχνότητα (τουλάχιστον μία φορά ανά δευτερόλεπτο). Για εσωτερικά κύματα, επαναλάβετε τη διαδικασία πιο αργά (περίπου μία φορά ανά 10 δευτερόλεπτα).
5. Συζητήστε τα αποτελέσματά σας
6. Προαιρετικά: αν έχετε χρόνο, μπορείτε να επαναλάβετε τα πειράματα εισάγοντας το κομμάτι πλαστικό σε κάποια γωνία σχετικά με το βυθό της δεξαμενής, για να αναπαραστήσετε την επίδραση ενός ρηχού θαλάσσιου βυθού. Τοποθετήστε το πλαστικό όπως φαίνεται παρακάτω.

Συζήτηση

Η ενέργεια των εσωτερικών κυμάτων είναι γενικά μικρότερη από αυτή των επιφανειακών κυμάτων. Αυτό συμβαίνει επειδή η βαρυτική δύναμη επαναφοράς είναι μικρότερη στην περίπτωση των εσωτερικών κυμάτων, εξαιτίας της σχετικά μικρής διαφοράς στην πυκνότητα μεταξύ στρωμάτων νερού (συγκρινόμενη με τη διαφορά μεταξύ νερού και αέρα στην περίπτωση των επιφανειακών κυμάτων). Αυτή η μικρότερη ενέργεια σημαίνει ότι, για μία δεξαμενή (ή μία φυσική λεκάνη νερού) συγκεκριμένου μεγέθους, η φυσική συχνότητα των εσωτερικών κυμάτων θα είναι επίσης χαμηλότερη από εκείνη των επιφανειακών κυμάτων.

Εκτός από τα επιφανειακά κύματα, τα στρωματοποιημένα υγρά έχουν και εσωτερικά κύματα. Σε υγρά δύο στρωμάτων, αυτά τα κύματα αναπτύσσονται πάνω στην επιφάνεια επαφής μεταξύ των δύο υγρών. Οι περίοδοί τους είναι σημαντικά μεγαλύτερες από αυτές των επιφανειακών κυμάτων και τα πλάτη τους μπορούν να γίνουν σημαντικά μεγαλύτερα. Όταν αναταράσσουμε ένα σύστημα δύο στρωμάτων, δημιουργούνται αρχικά πολλά κύματα, αλλά μόνο αυτά που ταιριάζουν (δηλαδή συντονίζονται) με τη γεωμετρία της δεξαμενής παραμένουν. Τοποθετώντας το κομμάτι πλαστικού στο ένα άκρο της δεξαμενής, προσομοιώνοντας ένα σταδιακά ρηχότερο θαλάσσιο βυθό, μπορούμε να προκαλέσουμε τα εσωτερικά κύματα να “σκάσουν”, όπως τα επιφανειακά κύματα σκάνε στην ακτή, αλλά κάτω από την επιφάνεια του νερού.

Ευχαριστίες

Το παρόν άρθρο βασίζεται στην εκπαιδευτική πηγή η οποία αναπτύχθηκε μέσω της οργάνωσης Κέντρο Αρίστευσης στην Εκπαίδευση των Ωκεάνιων Επιστημών COSEE (Center for Ocean Sciences Education Excellence) από τους ωκεανογράφους Lee Karp-Boss, Emmanuel Boss, Herman Weller, James Loftin και Jennifer Albright (Karp-Boss et al., 2009).