Produttori e promotori: la fisica negli oceani Teach article

Tradotto da Rocco G. Maltese. Contrariamente a quanto immaginiamo, le acque profonde non sono affatto immobili – così come non lo è la vita degli esseri marini. Utilizzando dei recipienti in attività di classe si può avere un'idea di come la fisica interviene in questi fenomeni al di sotto…

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concessa da Isolino; fonte
dell’immagine: Flickr

Quando ci soffermiamo a pensare al cambiamento climatico, ci preoccupiamo del fatto che le grandi correnti oceaniche, come ad esempio la Corrente del Golfo sia andata fuori rotta, mettendo a repentaglio il sistema climatico che dipende da esse. A cosa è dovuta, in primo luogo, la loro formazione?

La Corrente del Golfo è una
delle più forti correnti
oceaniche del mondo. Essa ha
origine all’estremità degli US,
quindi segue la costa est
degli USA sino alla penisola
del Newfoundland, Canada,
prima di attraversare l’
Oceano Atlantico verso le
Isole Britanniche.
Il motore
della Corrente del Golfo è
rappresentato dai venti e
dalle differenze della densità
dell’ acqua. L’acqua in
superficie è raffreddata nel
Nord Atlantico, dai venti
provenienti dall’ Artico e a
causa di ciò diventa più
densa e scende verso il
fondo dell’oceano. Queste
acque fredde si muovono
quindi verso l’Equatore dove
viene leggermente riscaldata.
Per rimpiazzare le acque
fredde che si muovono verso
l’Equatore, le acque calde si
spostano dal Golfo del
Messico verso l’Atlantico in
direzione nord. Cliccare sull’
immagine per ingrandirla
.
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concessa da Nicola Graf

In parte è la gravità. La gravità agisce sulle masse d’acqua di diversa densità, e questo, assieme alla rotazione della Terra, produce forze e correnti all’interno degli oceani. Tali processi non solo hanno un potenziale impatto sul nostro clima, ma rappresentano una enorme influenza sull’ambiente popolato dagli organismi marini.

Per questo, ogni studente di oceanografia avrà bisogno di una solida comprensione di questi processi. Alcuni anni fa, un gruppo di oceanografi dell’università del Maine, USA, notarono che, i loro studenti di scienze marine sembravano disconoscere la fisica che stava alla base dei loro studi, focalizzando la loro attenzione maggiormente sulla biologia. Alla luce di questo, decisero di collaborare al fine di creare un supporto didattico che convincesse gli studenti che gli oceani sono scenari inusualmente eccitanti per studiare la fisica. Questo articolo si basa su quel supporto didattico (Karp-Boss et al., 2009), incentrato sui concetti base della fisica fondamentali per l’oceanografia, e fornisce un ambiente accattivante per idee contenenti concetti fisici.

Naturalmente, gli studenti apprendono con maggior profitto quando si coinvolgono attivamente nello studio, quindi questo supporto didattico era incentrato in una serie di attività progettate appositamente per coinvolgere gli studenti e sfidarli nella dimostrazione delle loro ipotesi. Le due attività che gli oceanografi hanno proposto con successo nelle loro lezioni sono descritte qui: una riguarda la densità e l’altra le onde. Entrambe si possono proporre agli studenti della scuola secondaria superiore di tutte le età (11-19).

La prima attività mostra come la stratificazione si forma in conseguenza della differente densità dovuto alla temperatura o alla salinità. La seconda attività si occupa delle onde interne; viene evidenziata l’esistenza sia delle frequenze di risonanza che delle frequenze naturali. Per entrambe le attività, la strumentazione necessaria viene preparata in anticipo rispetto alla lezione, e quindi gli studenti si cimenteranno per un tempo di 30 minuti per esperimento (utilizzando come schema il file del foglio elettronico illustrato qui di seguito e scaricabile dal sito di Science in Schoolw1).

Densità e stratificazione

La densità è una proprietà fondamentale della materia. Essa è la massa per unità di volume di un materiale – cioè, quanta massa è contenuta in un dato volume. In oceanografia, la densità si usa per caratterizzare delle masse d’acqua e per studiare la circolazione dell’oceano. Molti dei processi negli oceani sono causati dalla differenza delle densità: nella circolazione su larga scala e il trasporto del carbonio dalle particelle che affondano dalla superficie verso le acque profonde, ne sono due esempi.

Mentre i valori della densità dell’acqua variano da 998 kg/m3 per l’acqua dolce e a temperatura ambiente, fino a quasi 1250 kg/m3 per i laghi salati, l’acqua degli oceani varia in un intervallo più ristretto (circa 1020-1030 kg/m3). Principalmente la variabilità dell’acqua di mare è dovuta alla salinità e alla temperatura. Quando la concentrazione di sale aumenta, per la evaporazione o la formazione di ghiaccio, anche la densità aumenta. Un innalzamento della temperatura riduce la densità, mentre un raffreddamento l’aumenta.

La densità dell’acqua di mare aumenta in relazione alla profondità, ma non in modo uniforme: l’acqua di differente densità forma una serie di strati (figura 1).

Figura 1: Nelle zone di mare aperto, vi sono almeno tre distinti strati d’acqua : uno strato misto superiore composto da acqua tiepida; il termoclino, indica che la temperatura decresce rapidamente all’aumentare della profondità; una zona profonda di acqua fredda nella quale la densità aumenta più lentamente in relazione alla profondità.
I tre strati sono illustrati in sezione nel diagramma dell’Oceano Atlantico. Si noti che lo spessore degli strati varia con la latitudine. A latitudini più elevate esiste solo lo strato delle acque profonde. Cliccare sull’immagine per ingrandirla.
Imaggine gentilmente concessa da DataStreme Ocean project. ©American Meteorological Society. Utilizzata con il loro permesso.

 

Plankton
Imaggine gentilmente
concessa da Biopics; fonte
dell’imaggine: Wikimedia
Commons

Questa stratificazione agisce come una barriera impedendo lo scambio di nutrienti e di gas disciolti tra lo strato superiore, esposto ai raggi del sole dove il fitoplancton prospera, e quello profondo, ricco di nutrienti. Miscelare gli strati richiede lavoro: pensate a quanto possa essere faticoso agitare una bottiglietta che contiene il condimento per l’insalata per miscelare bene olio e aceto. Allo stesso modo senza una energica agitata, con l’aiuto del vento e delle onde che si infrangono, il fitoplancton della superficie dell’oceano soffrirebbe per la mancanza di nutrienti.

 

Strati di differente densità, L’immagine mostra l’acqua del rubinetto e la soluzione salina prima che venga rimosso il setto separatore. Successivamente (immagine in basso), la soluzione salina forma uno strato stabile sul fondo del recipiente con l’acqua di rubinetto al di sopra di essa.
Imaggine gentilmente concessa da Lee Karp-Boss
La densità è fondamentale per il congelamento dei laghi: all’avvicinarsi dell’inverno alle alte latitudini, le acque dei laghi si raffreddano a partire dalla superficie. Quando le acque di superficie diventano più fredde e più dense di quelle sottostanti, affondano. Le acque più tiepide, meno dense che si trovano al di sotto, tendono a risalire per sostituire le acque che affondano. Se la bassa temperatura dell’aria persiste, questi processi raffredderanno tutto il lago sino a 4 °C – la temperatura di massima densità per l’acqua dolce. Con un ulteriore raffreddamento superficiale, la densità dello strato superiore diminuirà ulteriormente, e il lago si stratificherà stabilmente con l’acqua più fredda ma meno densa alla superficie. Non appena le acque in superficie si raffreddano a 0 °C, esse cominciano a congelarsi. Se il raffreddamento continua, lo strato congelato aumenta di spessore.
1) Lo strato d’acqua superiore si raffredda e affonda.
2)
L’acqua più tiepida (non ancora raffreddata) sale per sostituirla.
3)
Il processo si ripete, raffreddando l’intero lago sino alla temperatura di massima densità (4 °C).
4)
Lo strato superficiale si raffredda ulteriormente e il ghiaccio si comincia a formarsi sulla superficie. Questo è stabile perché è meno denso dell’acqua sottostante.
5)
Con un ulteriore raffreddamento, l’intero lago congela.
Cliccare sull’immagine per ingrandirla.
Imaggine gentilmente concessa da Nicola Graf
Acqua alta è il nome dato al
fenomeno che si verifica
periodicamente nella laguna
Venezia. Il fenomeno è
dovuto in parte alla sessa
Adriatica, ciò che è mostrato
nella foto è la famosa Pizza
S. Marco, parzialmente
immersa durante un’acqua
alta avvenuta nel 2004
.
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concessa da Moroder; fonte
dell’immagine: Wikimedia
Commons

Tipi di onde

Sebbene la densità non sia la prima cosa che venga in mente quando pensiamo al mare, le onde invece lo sono. Le onde si trovano ovunque su tutti i mari, i laghi, e ovviamente sulle spiagge – sono spaventose nella loro forma distruttiva come nello tsunami.

La maggior parte di queste onde sono quelle che i fisici chiamano onde di superficie. Ma vi sono anche onde interne, che si presentano nell’interfaccia tra strati di densità dell’acqua. Nell’oceano l’evento delle onde interne mescolano gli strati e sollevano i nutrienti che essi contengono.

La geometria di un bacino d’acqua (come un lago o una baia) determina il modo in cui le onde vengono eccitate quando si applica una forza che subito viene rilasciata (cioè come quella dovuto al passaggio di un temporale). Queste onde rappresentano i “modi di vibrazione naturali” del bacino – come le frequenze sonore di uno strumento musicale, dove una particolare frequenza è prodotta da una corda di data lunghezza o di una colonna d’aria. Questo fenomeno è chiamato risonanza.

In oceanografia, vi è un ulteriore fenomeno conosciuto come “sessa” (seiche che si pronuncia ‘seysh’), dal termine Francese che sta ad indicare ‘oscillazione avanti e indietro – terminologia marinara ‘risacca’ N.d.T.). Questo si verifica quando un’onda stazionaria sposta da un lato all’altro una massa d’acqua – come in una marea. Ad esempio, alla sessa dell’Adriatico che ha un periodo di 21.5 ore, si associano i fenomeni di acqua alta di Venezia, Italia. Altri analoghi fenomeni che occorrono naturalmente, sono stati osservati nel Lago di Ginevra e nel Mar Baltico.

 

Attività 1: Indagine sulla densità dell’acqua e la stratificazione

Materiali

  • Un recipiente rettangolare con un setto divisorio
  • Una bottiglia contenente la soluzione salina (approssimativamente 75 g di sale sciolti in 1 l d’acqua)
  • Due beaker contenenti acqua corrente, a temperatura ambiente
  • Coloranti per alimenti (due differenti colori)
  • Ghiaccio

Procedura

  1. Calcolare le densità dell’acqua corrente e della soluzione salina. Per fare ciò, pesate un volume noto di acqua, assicuratevi di sottrarre la massa del contenitore dalla massa totale del contenitore più il liquido. La densità può essere allora calcolata, poiché la densità ( ρ ) è data dalla massa (m) diviso il volume (v) (o ρ = m/v).
  2. Mettere l’acqua corrente in un compartimento del recipiente e la soluzione salina nell’altro.
  3. Aggiungere alcune gocce di colorante per alimenti nell’acqua di ciascun compartimento, in modo che abbiano un diverso colore.
  4. Cosa pensate che possa succedere quando rimuoverete il setto divisorio tra i due compartimenti? Spiegate la vostra ipotesi.
  5. Rimuovete il divisorio. Cosa succede? Le vostre osservazioni sono coerenti con le densità che avete misurato?
  6. Svuotate il recipiente e i beaker. Riempite un beaker con acqua corrente calda e uno con acqua ghiacciata.
  7. Aggiungete alcune gocce di colorante in ognuno dei due beaker (un differente colore per ciascun beaker).
  8. Mettete l’acqua calda in un settore del recipiente e l’acqua fredda ghiacciata nell’altro. Cosa prevedete succederà quando rimuoverete il setto divisorio? Spiegate la vostra ipotesi.
  9. Rimuovete il setto. Cosa succede? E’ quello che avete predetto?
  10. Dopo aver osservato il nuovo equilibrio nel recipiente, immergete le vostre dita in prossimità della superficie del fluido e lentamente muovete la mano verso il fondo del recipiente. Riuscite a sentire una variazione di temperatura?
  11. Quali potrebbero essere gli effetti sul clima, a causa del riscaldamento e lo scioglimento dei ghiacci marini, influenzerebbero la struttura verticale degli oceani? Discutete i possibili scenari.

Attività 2: Indagine sulle onde interne

Materiali

  • Contenitore rettangolare con un setto divisorio
  • Cronometro
  • Coloranti per alimenti o altri coloranti adatti allo scopo
  • Due contenitori: uno con acqua corrente e l’altro con acqua salata colorata (approssimativamente in soluzione di 75g di sale sciolto in 1 l d’acqua corrente)
  • Ondometro ( un largo oggetto in plastica alto 2 cm e largo quanto il contenitore )
  • Opzionale: un oggetto di plastica della stessa larghezza del recipiente ma alto un terzo della sua altezza

Procedura

  1. Mettere l’acqua corrente in un compartimento del recipiente e la soluzione colorata nell’altro.
  2. Rimuovere il setto divisorio tra i due compartimenti, e osservate quello che succede. Prendete nota di ogni onda che vedrete, e descrivete i loro movimenti.
  3. Identificate le onde interne – queste viaggeranno avanti e indietro lungo l’interfaccia tra i due fluidi colorati. Misurate la velocità di questa onda cronometrando il tempo che impiega a percorrere tutta la lunghezza del recipiente. (assicuratevi di prendere la media di diverse tempi di attraversamento.) Ricavate la velocità dell’onda utilizzando la formula:

    Lunghezza del recipiente(m) / tempo osservato(s) = velocità dell’onda (m/s)
     

  4. Cercate di formare onde di superficie e onde interne per mezzo della pale che funziona come un ondometro. Per le onde di superficie, abbassate la pala nell’acqua e poi alzatela nuovamente, ripetete il ciclo con una frequenza alta (almeno una al secondo). Per le onde interne, fate lo stesso ma ad una frequenza molto più bassa (circa una volta ogni 10 secondi).
  5. Discutete i vostri risultati.
  6. Opzionale: se vi resta del tempo, potete ripetere gli esperimenti utilizzando il pezzo di plastica inclinato di un certo angolo rispetto al fondo del recipiente, in modo da riprodurre l’effetto del fondale marino in prossimità della costa. Disponi il pezzo di plastica come mostrato qui sotto.
Un onda interna nell’interfaccia tra l’acqua salata più densa (in blu) e l’acqua meno densa (in colore chiaro). Una pala è mostrata alla destra del recipiente, e un pezzo di plastica simula la topografia del fondale in prossimità della costa, alla sinistra.
Imaggine gentilmente concessa da Lee Karp-Boss

Discussione

L’energia delle onde interne è generalmente più bassa di quella delle onde di superficie. Questo è dovuto alla forza gravitazionale di rigenerazione che è minore per le onde interne , dovuta alla piccola differenza di densità tra gli strati d’acqua (in confronto a quella tra acqua e aria per le onde di superficie). Questa bassa energia ci dice che , per un recipiente (o per un bacino d’acqua) di una certa dimensione, le frequenze naturali delle onde interne saranno anche più basse di quelle delle onde di superficie.

Oltre alle onde di superficie, i fluidi stratificati presentano onde interne; in fluidi a due strati, queste onde corrono al di sopra della superficie di interfaccia tra i due fluidi. I loro periodi sono significativamente più lunghi di quelli delle onde di superficie e le loro ampiezze possono anch’esse essere significativamente più alte. Quando perturbiamo un fluido a due strati, si possono formare molte onde ma solo quelle che si adattano (risuonano) alla geometria del bacino, alla fine rimangono. Inserendo il pezzo di plastica ad un estremo del recipiente, simuliamo il fondo marino che aumenta dalla costa, che può causare onde interne che si infrangono, analogamente alle onde del mare che si infrangono sulla costa, ma che si generano al di sotto della superficie.

Ringraziamenti

Questo articolo è basato sullo sviluppo di supporti del COSEE (Centro di Eccellenza per l’Educazione alle Scienze Oceaniche – Center for Ocean Science Education Excellence) scritto dagli oceanografi Lee Karp-Boss, Emmanuel Boss, Herman Weller, James Loftin and Jennifer Albright (Karp-Boss et al., 2009).

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References

Web References

  • w1 – Le istruzioni per i studenti possono essere scaricate dal sito di Science in School in formato Word o PDF.

Resources

Author(s)

Susan Watt è una scrittrice freelance ed editrice con uno speciale interesse per la scienza dell’educazione. Ha studiato scienze naturali all’Università di Cambridge, UK, ha conseguito un master in filosofia della scienza e in psicologia. Ha lavorato come curatrice al Museo delle Scienze (Science Museum) (Londra) e ha prodotto mostre internazionali per il British Council, attualmente è governatrice scolastica e organizzatrice di eventi per l’Associazione Britannica delle Science (British Science Association).


Review

La fisica spesso non viene vista come collegata ai fatti di tutti i giorni, e ciò fa si che molti studenti non siano interessati a questa materia. Questo artico utilizza l’oceanografia come un contesto nel quale illustrare i concetti fisici, in modo da innalzare l’interesse degli studenti. Esso potrebbe essere utilizzato anche nelle lezioni di biologia e di fisica, in particolar modo quando si studiano gli elementi marini.

Le due attività possono essere utilizzate sia dagli insegnanti come dimostrazioni o elaborate dagli studenti. Possono essere utilizzate prima spiegando i concetti fisici in esse contenuti (in modo da far riflettere gli studenti su questi concetti) o successivamente alla loro spiegazione. Ulteriori esercizi sulla oceanografia fisica che potrebbero essere utili per insegnare la fisica a studenti dai 12 ai 18 anni sono riportati alla fine dell’articolo.

Infine, il testo può aiutare gli studenti a capire che differenti discipline scientifiche possono essere interconnesse. Per esempio, per capire come l’ambiente possa influenzare le forme di vita marine, abbiamo bisogno dei concetti di fisica (e anche di chimica e di biologia).


Mireia Güell Serra, Spagna




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