La fuerza que mueve las aguas: la física de los mares Teach article

Traducido por José L. Cebollada. Al contrario de lo que comúnmente se piensa, ni las aguas profundas de los océanos ni los seres vivos que las habitan, no son nada tranquilos. Vamos a usar una pecera como modelo para estudiar la física de las olas.

Imagen cortesía de Isolino;
origen de la imagen: Flickr

Una de las mayores preocupaciones, cuando pensamos en el cambio climático son las corrientes oceánicas como la del Golfo. Los cambios en su trayectoria afectan a los sistemas acuáticos que dependen de ella. Pero primero debemos comprender por qué se crearon esas corrientes?

La corriente del Golfo es una
de las mayores corrientes
oceánicas. Comienza en
Florida, EE.UU., después sigue
la costa oriental de EE.UU y
Newfoundland, Canadá, antes
de cruzar el océano Atlántico
y dirigirse hacia las Islas
Británicas.
Los vientos y las
diferencias de densidad
gobiernan la corriente del
golfo. La superficie del agua
se enfría en el Atlántico
Norte por los vientos
procedentes del Ártico,
aumenta su densidad y se
sumerge hacia el fondo del
océano. Esta corriente
submarina se mueve hacia
el Ecuador, donde poco a
poco se calienta. Para
reemplazar el agua fría que
se mueve hacia el Ecuador, el
agua caliente del Golfo de
Méjico se mueve hacia el
norte, hacia el Atlántico. Haga
clic sobre la imagen para
ampliarla
.
Imagen cortesía de Nicola Graf

Parte de la respuesta es la gravedad. La gravedad actúa sobre las masas de agua de diferente densidad y, junto con la rotación de la Tierra y los vientos, producen fuerzas y corrientes en los océanos. Esos procesos no sólo tienen un impacto sobre el clima, también ejercen gran influencia sobre los entornos habitados por organismos marinos.

Por eso, cualquier estudiante de oceanografía necesita comprender bien estos procesos. Hace unos años un grupo universitario de oceanógrafos de Maine, EE.UU. se dieron cuenta de que los estudiantes de Ciencias del Mar no daban mucha importancia a los conceptos físicos y se centraban en la biología. Por eso decidieron elaborar un recurso para convencer a los estudiantes de que los océanos son un lugar de lo más interesante para aprender física. Este artículo está basado en ese recurso (Karp-Boss et al., 2009), que se centra en los conceptos claves de la física que también lo son en la oceanografía y constituye un interesante ejemplo de aplicación de la física en un contexto medioambiental.

Los estudiantes aprenden mejor cuando toman parte activa, por eso este e recurso contiene una serie de actividades para motivar a los alumnos y poner a prueba sus ideas. Aquí se presentan dos actividades probadas con éxito con estudiantes de oceanografía: una centrada en la densidad y otra en las olas. Las dos son adecuadas para alumnos de secundaria de cualquier edad (11-19 años).

La primera actividad muestra que la estratificación se produce por diferencias de densidad debidas a la temperatura o a la salinidad. La segunda, analiza las olas usando conceptos de frecuencia natural de oscilación y resonancia. Para las dos actividades hay que preparar el material antes de la clase; los alumnos necesitará unos 30 minutos por actividad (y usarán las hojas de trabajo que se pueden descargar desde la web de Science in Schoolw1). La parte final se dedica a recoger los resultados y discutirlos.

Densidad y estratificación

La densidad es una propiedad fundamental de la material. Representa la masa por unidad de volumen de un material, es decir, cuánta masa hay en un determinado volumen. En oceanografía se utiliza la densidad para caracterizar las masas de agua y estudiar la circulación oceánica. Muchos procesos se deben a diferencias de densidad, como por ejemplo la circulación oceánica a gran escala o los flujos de carbono generado por partículas que se sumergen desde la superficie a aguas profundas.

Mientras que la densidad del agua varía desde los 998 kg/m3 del agua a temperatura ambiente hasta los 1250 kg/m3 en los lagos salados, las aguas oceánicas fluctúan en un rango menor de densidades (1020–1030 kg/m3). Cuando aumenta la concentración de sal por evaporación o por formación de hielo, la densidad aumenta. A altas temperaturas disminuye la densidad y a bajas, aumenta.

La densidad de las aguas oceánicas aumenta con la profundidad, pero no de manera uniforme sino que el agua forma capas de diferentes densidades (figura 1).

Figura 1: en mar abierto hay al menos tres tipos diferentes de capas: la superior de agua templada; la termoclina en la que la temperatura disminuye rápidamente al aumentar la profundidad; y la zona más profunda de agua fría y densa en la que la densidad aumenta ligeramente al aumentar la profundidad.
Las tres capas se muestran en este corte transversal del Océano Atlántico. Observa que el grosor de las capas varían con la latitud. En latitudes altas solo existe la capa más profunda. Haga clic sobre la imagen para ampliarla.
Imagen propiedad de DataStreme Ocean project. ©American Meteorological Society. Reproducida con permiso.

 

Plancton
Imagen cortesía de Biopics;
origen de la imagen: Wikimedia
Commons

Esta estratificación actúa como barrera para el intercambio de nutrientes y gases entre la capa superior, que recibe luz solar y donde prolifera el fitoplancton y las aguas profundas, ricas en nutrientes. La mezcla de estas capas estratificadas requiere energía: piensa en el trabajo que tienes que hacer para mezclar en aceite y el vinagre de un frasco para aliñar ensaladas. Así que si no hay una intensa mezcla debida a olas que rompen o al viento, el fitoplancton de la superficie se quedará sin nutrientes.

 

Capas de diferente densidad. La imagen superior muestra el agua y la solución salina antes de quitar el separador. Después (imagen inferior) la solución salina forma una capa estable en el fondo del tanque, dejando el agua del grifo sobre ella.
Imagen cortesía de Lee Karp-Boss
La densidad es fundamental para entender cómo se congela un lago. Cuando en latitudes altas se acerca el invierno se enfría la parte superior del agua de los lagos. La bajada de la temperatura hace al agua superficial más densa que las más profundas y se hunde. El agua más cálida y menos densa que estaba debajo, asciende ocupando el lugar del agua fría. Si la temperatura del aire es muy baja puede enfriar toda el agua del lago hasta 4º -la temperatura de máxima densidad del agua. Si prosigue el enfriamiento, la densidad de las aguas superficiales disminuirá y el lago quedará estabilizado y estratificado con el agua más fría pero menos densa en la superficie. Cuando el agua se enfría a los 0ºC comienza a congelarse. Si el proceso continúa, la capa de hielo se hace más gruesa.
1) La capa superior de agua se enfría y se hunde.
2)
El agua más cálida (aún no enfriada) sube y reemplaza a la fría.
3)
Se repite el proceso hasta que se enfría todo el lago a una temperatura de máxima densidad (4ºC).
4)
La capa superior continúa enfriándose y comienza a formarse hielo en la superficie. Se queda estable porque es menos denso que el agua.
5) Al enfriarse más se acaba congelando todo el lago.
Haga clic sobre la imagen para ampliarla
.
Imagen cortesía de Nicola Graf
Acqua alta (agua alta) es el
nombre que se da a la subida
del nivel del agua que sucede
periódicamente en la laguna
de Venecia. Una de las causas
es el seiche adriático. Aquí se
ve la famosa Piazza San
Marco de Venecia, inundada
durante una ‘acqua alta’ en
2004
.
Imagen cortesía de Moroder;
origen de la imagen: Wikimedia
Commons

Tipos de ondas

Cuando pensamos en el mar, lo primero que nos viene a la mente son las olas, no la densidad. Las olas están por todas partes: en el océano, en los lagos y por supuesto en las playas. Las más temidas por su efecto destructivo son los tsunamis.

La mayoría de estas ondas son lo que los físicos llaman, ondas de superficie. Pero también hay ondas internas que aparecen entre capas de diferente densidad en el agua. Las ondas internas del océano rompen las capas de agua y liberan los nutrientes que contienen.

Las olas que se crean cuando se ejerce una fuerza durante un interval de tiempo (por ejemplo, cuando pasa una tormenta) varían en función de la geometría de lugar (un lago o una bahía). Las olas son los ‘modos naturales’ de vibración como los de un instrumento, que genera una determinada frecuencia en función de la longitud de la cuerda o de la columna de aire. Este fenómeno se llama resonancia.

En oceanografía, existe otro fenómeno llamado seiche (pronunciado ‘seish’; una palabra del francés antiguo que significa ‘mecer’). Sucede cuando se genera una onda en una volumen de agua que se encuentra parcialmente encerrado y es más un desplazamiento de masa de un lado a otro más que una marea. Por ejemplo, la seiche adriática, que tiene un periodo de 21’5 horas se asocia con inundaciones grandes en Venecia, Italia. Se han observado seiches naturales en el lago Ginebra y en el Mar Báltico.

 

Actividad 1: Investigar la densidad del agua y la estratificación

Materiales

  • Un recipiente rectangular con un separador
  • Una botella con agua con sal (aproximadamente 75g en un litro de agua)
  • Dos vasos de precipitados con agua del grifo a temperatura ambiente
  • Colorante alimentario (de dos colores diferentes)
  • Hielo

Procedimiento

  1. Calcula las densidades del agua del grifo y del agua salada. Para ello mide el peso de un volumen conocido de agua; no olvides restar la masa del recipiente de la masa total. La densidad (ρ) es la masa (m) dividida entre el volumen (v) (o ρ = m/v).
  2. Llena un compartimento con agua del grifo y el otro con agua salada.
  3. Añade unas gotas de colorante alimentario de diferente color a cada compartimento.
  4. ¿Qué crees que sucederá cuando quites el separador de los dos compartimentos? Explica por qué.
  5. Quita el separador, ¿Qué sucede? ¿Está de acuerdo lo que sucede con tus medidas de densidad?
  6. Vacía el recipiente y ahora coloca rellena un vaso con agua caliente y el otro con agua enfriada con cubitos de hielo.
  7. Añade unas gotas de colorante alimentario a cada vaso (diferente color en cada vaso).
  8. Vierte el agua caliente en un compartimento del recipiente y el agua fría en el otro. ¿Qué crees que sucederá cuando quites el separador? Explica por qué.
  9. Quita el separador, ¿qué sucede? ¿Coincide con tu predicción?
  10. Después de observar el nuevo equilibrio en el recipiente, coloca las yemas de los dedos en la superficie del fluido y sumerge lentamente la mano hacia el fondo, ¿notas la variación de temperatura?
  11. ¿Cómo crees que pueden afectar el calentamiento oceánico y la fusión de los hielos marinos (efectos del cambio climático) a la estructura vertical del océano? Analiza diferentes posibilidades.

Actividad 2: investiga las olas internas

Materiales

  • Recipiente rectangular con un separador
  • Cronómetro
  • Colorante alimentario u otro tipo de colorante
  • Dos recipientes: uno con agua del grifo y otro con agua salada teñida (unos 75 g de sal disueltos en 1 l de agua del grifo)
  • Pala para generar ondas (una pieza ancha de plástico de unos dos cm de alta con una anchura parecida a la del recipiente)
  • Opcional: una pieza de plástico de la misma anchura que el recipiente y de un tercio de su longitud

Procedimiento

  1. Coloca el agua del grifo en un compartimento y el agua salada y coloreada en el otro.
  2. Quita el separador y observa qué sucede. Fíjate en todas las olas que veas y describe sus movimientos.
  3. Identifica la onda interna –viaja hacia delante y hacia atrás a lo largo de la interfaz entre los dos líquidos coloreados. Mide la velocidad de estas ondas; registra el tiempo que le cuesta viajar de un extremo a otro del recipiente (realiza varias medidas y calcula la media). Calcula la velocidad de la onda con la fórmula:

    Longitud del recipiente (m) / tiempo (s) = velocidad de la onda (m/s)
     

  4. Intenta crear ondas superficiales y ondas internas con la pala. Para crear ondas superficiales introduce la pala en el agua y sácala; repítelo tan rápido como puedas (al menos una vez por segundo). Para ondas internas repite el proceso pero más despacio (una vez cada 10 segundos, más o menos).
  5. Discute los resultados.
  6. Opcional: si tienes tiempo puedes repetir los experimentos poniendo la pieza de plástico formando ángulo con el fondo del tanque para recrear el efecto de aguas poco profundas. Coloca la pieza de plástico como se muestra en la imagen.
Onda interna en la interfaz entre el agua salda más densa (azul) y el agua del grifo (blanco). Se ve una pala usada para crear ondas en la parte derecha del recipiente y en la izquierda, una pieza de plástico para simular aguas poco profundas.
Imagen cortesía de Lee Karp-Boss

Discusión

La energía interna de las ondas internas suele ser menor que la de las olas de superficie. Se debe a que la fuerza recuperadora –gravedad- es menor en las ondas internas, pues la diferencia de densidades es muy pequeña entre capas (comparada con la diferencia entre el aire y el agua en las olas de superficie). Esta menor energía significa que en un recipiente (o en una bahía) de un determinado tamaño, la frecuencia natural de las ondas internas también será menor que la de las olas de superficie.

Los fluidos estratificados propician, además de las olas de superficie, ondas internas; en los líquidos con dos capas, las olas se generan en la interfaz entre capas. El periodo es notablemente mayor que en las olas de superficie y sus amplitudes también son mayores. Cuando producimos una perturbación en un fluido en dos capas, se generan muchas ondas al principio pero sólo permanecerán las aquellas que encajen (entren en resonancia) con la geometría del recipiente. Si ponemos una pieza de plástico en un extremo del recipiente, en el fondo, simulando la profundidad creciente que hay en la orilla del mar, hace que las olas rompan, igual que en la playa, pero la ruptura de las olas sucede bajo la superficie.


 

Agradecimientos

Este artículo se basa en un trabajo realizado en la organización COSEE (Center for Ocean Sciences Education Excellence) por los oceanógrafos Lee Karp-Boss, Emmanuel Boss, Herman Weller, James Loftin y Jennifer Albright (Karp-Boss et al., 2009).

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References

Web References

  • w1 – Las instrucciones para los alumnos se pueden descargar de la web Science in School en formato Word o PDF.

Resources

Author(s)

Susan Watt es divulgadora científica freelance y editora, centrada en la enseñanza de las ciencias. Estudió ciencias en la Universidad de Cambridge, Reino Unido y posteriormente, máster en Filosofía de la Ciencia y en Psicología. Ha trabajado como conservadora en el Science Museum (Londres) y ha sido comisaria de exposiciones internacionales para el British Council; En la actualidad participa en un Consejo escolar y organiza actividades para la British Science Association.


Review

La física se suele ver alejada de la vida diaria, lo que provoca el desinterés de muchos estudiantes ante la asignatura. Este artículo utiliza la oceanografía para poner en contexto conceptos físicos y tratar de aumentar el interés de los estudiantes. Puede usarse tanto en clase de física como en biología, sobre todo al estudiar los mares y océanos.

Las dos actividades pueden mostrarse como experimento de cátedra o ser realizadas por los alumnos. Se pueden usar antes de explicar los conceptos físicos (para hacer que los estudiantes piensen en ellos) o después. Al final del artículo hay otros ejercicios de oceanografía que pueden servir para enseñar física a alumnos de 12 a 18 años.

Por último, el texto puede ayudar a los estudiantes a comprender que disciplinas científicas aparentemente separadas están relacionadas. Por ejemplo, para entender los efectos ambientales en la vida marina necesitamos conceptos de la física (también de la química y la geología).


Mireia Güell Serra, España




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