Un oceano nel laboratorio scolastico: l’aumento del livello dei mari Teach article

Non solo scioglimento del ghiaccio: un semplice esperimento che dimostra come l’espansione termica contribuisce all’incremento del livello dei mari come una delle conseguenze della variazione climatica.

Silas Baisch/Unsplash.com

Un oceano in espansione

L’oceano del pianeta è una massa d’acqua che copre la maggior parte del nostro pianeta e interconnette tutte le parti del globo. Gioca un ruolo importante sul clima della Terra, e sebbene sia un sistema complesso, obbedisce a leggi di fisica e chimica,  semplici come quelle che impariamo a scuola. Quando l’insegnante insegna queste leggi può utilizzare questo esempio per stimolare l’interesse sulla dinamica dell’oceano e suo impatto sul nostro modo di vivere.

Espansione termica e coefficiente volumetrico di espansione termica

Quando parliamo di innalzamento del livello del mare dovuto al riscaldamento globale, molti pensano che ci riferiamo esclusivamente allo scioglimento dei ghiacci e non che l’espansione termica è attualmente un fattore significativo.

La maggior parte dei materiali si espande quando riscaldato. Diciamo ‘la maggior parte dei materiali’ perché l’acqua allo stato liquido non segue questo comportamento fra  0° e 4 °C. Nonostante questo comportamento, al di sopra 4 °C, l’acqua si espanderà quando riscaldata. Questo è uno dei problemi con un aumento della temperatura della superficie del mare – l’acqua si dilata e contribuisce al sollevamento del livello dei mari. L’espansione termica è responsabile di circa il 43% dell’incremento del livello dei mari,[1] che pone una seria minaccia alle popolazioni che vivono sui litorali. 

Attività 1: Osserviamo l’espansione termica dell’acqua

Gli studenti possono vedere di prima mano come si comporta l’acqua a seconda della temperatura. Questo semplice esperimento è adatto anche per studenti di età 11-14 anni e mostra come varia il volume dell’acqua a seconda della temperatura. L’attività dura all’incirca 15 minuti.

Materiali

  • Una matraccio Erlenmeyer da 250 cm
  • Circa 300 cm3 di acqua contenente del colorante per alimenti
  • Una pipetta graduata
  • Un tappo di gomma da laboratorio
  • Un beaker da 500 cm3
  • 200 cm3 di acqua calda, a circa 50 °C

Procedura

A water bath containing a flask of coloured water fitted with a graduated pipette.
Composizione dell’esperimento che dimostra l’espansione termica dell’acqua.
Immagine gentilmente concessa da Ole Ahlgren
  1. Fare un foro nel tappo di gomma, in modo da inserire la pipetta graduata.
  2. Riempire il matraccio Erlenmeyer con acqua contenente un colorante alimentare.
  3. Chiudere il matraccio con il tappo di gomma e aggiungere ancora acqua affinché poter vedere il livello sulla scala attraverso la pipetta.
  4. Chiedere agli studenti di registrare il livello dell’acqua (il volume dell’acqua non è importante, ma la lettura permetterà agli studenti di osservare le variazioni).
  5. Immergere la fiasca in un contenitore più grande come il beaker da 500 cm3 contenente acqua calda, lasciare che l’acqua all’interno della fiasca si riscaldi fino a quando l’espansione si ferma (questo avviene dopo alcuni minuti) e quindi chiedere agli studenti di prendere nota del livello dell’acqua.

Attività 2: Misura del coefficiente termico di espansione dell’acqua

Gli studenti più grandi possono allargare l’Attività 1 per calcolare con approssimazione il coefficienete di espansione termica dell’acqua. Questa quantità fisica, con dimensione di K-1, si può calcolare utilizzando la seguente equazione:

Dove ΔV è la variazione (incremento) di volume, V è il volume iniziale, e ΔT è la variazione di temperatura.

Questo rappresenta un calcolo approssimativo poiché, come proposto, l’esperimento contiene diversi errori che sono difficili da evitare, come spiegheremo qui di seguito. Tuttavia, se questo è considerato l’obiettivo principale non è quello di determinare un valore esatto del coefficiente  di espansione termico, ma piuttosto un valore dello stesso ordine di grandezza del valore reale, gli studenti possono effettuare delle misure e trarre egualmente alcune conclusioni.

Uno dei problemi con questo esperimento è che il coefficiente di espansione termica dell’acqua varia con la temperatura: per esempio a 10 °C è 8.8×10-5 K-1, a 20°C è 2.07×10-4 K-1, e a 30°C è 3.03×10-4 K-1.[2] Il valore è comunque piccolo; perciò per permettere la misura di una variazione in un volume d’acqua, è meglio utilizzare un volume iniziale significativo e una significativa variazione di temperatura.

L’attività è adeguata per studenti di età tra 14-16 anni e termina in circa 45 minuti.

Materiali

  • Una matraccio Erlenmeyer da 250 cm
  • Circa 300 cm3 di acqua contenente del colorante per alimenti
  • Una pipetta graduata
  • Un cilindro graduato da 500 cm3
  • Un tappo di gomma da laboratorio
  • Un beaker da 500 cm3
  •  200 cm3 di acqua calda, a circa 50 °C
  • Un termometro

Procedura

  1. Il processo è il medesimo di quello dell’Attività 1, ma con alcune misure che bisognerà effettuare.
  2. La temperatura dell’acqua è misurata all’inizio dell’esperimento (Ti), quando si trova a temperatura ambiente, e alla fine (Tf), così possiamo determinare la variazione di temperatura (ΔT).
  3. Deve essere misurato anche il livello dell’acqua nella pipetta graduata sia all’inizio che alla fine dell’esperimento per determinare la variazione di volume(ΔVpipette). Il volume totale dell’acqua, V, è misurato utilizzando un cilindro graduato alla fine dell’esperimento, dopo che l’acqua si è raffreddata sino a temperatura ambiente. Questo spostamento risultante dall’inserimento del tappo non sarà misurato.
The water level in the graduated pipette at the beginning and end of the experiment, showing a volume increase
Livello dell’acqua nella pipetta
Immagine gentilmente concessa da Ole Ahlgren

Risultato

In questo esperimento, otteniamo i seguenti valori:

Ti [°C]Ti [K]Tf [°C]Tf [K]ΔT [K]ΔV [cm3]V [cm3]
21.2294.330.4303.59.20.52298
Dati sperimentali per determinare il coefficiente di espansione termica dell’acqua.

Utilizzando l’equazione (1), si può calcolare il coefficiente di espansione termica:

Chiedete agli studenti le possibili fonti di errore.

Come precedentemente spiegato, il valore non è esatto e probabilmente sarà più alto di quello reale per l’intervallo di temperatura seguito nell’esperimento, ma è ancora dello stesso ordine di grandezza.

Discussione

Come si può trasferire questo valore all’innalzamento del livello del mare? Dopo tutto, il coefficiente è molto piccolo, l’acqua influenzata dall’aumento della temperatura dell’oceano è principalmente quella più vicina alla superficie, e persino questo incremento è piccolo al confronto con la variazione di temperatura dell’esperimento. Tuttavia, gli studenti non dovrebbero essere ingannate da ciò; l’oceano ha una massa molto grande, e anche un piccolo incremento di temperatura causerà una espansione dell’oceano che contribuisce all’aumento del livello del mare.

Sebbene l’oceano non abbia una temperatura omogenea, in media, una sezione di oceano alla profondità 700 m di oceano, la sua temperatura è aumentata di 0.1 °C dal 1961 al 2003.[3] Con  alcune semplificazioni, è possibile stimare l’aumento del livello del mare per la situazione descritta.

Presentate il seguente problema ai vostri studenti: assumiamo che l’oceano è una colonna d’acqua di area A e di altezza h, il volume allora è V = A×h. A quanto ammonta l’incremento del livello dell’acqua, o l’altezza della colonna d’acqua di 700 m, se l’acqua subisce un riscaldamento di 0.1 °C (0.1 K) e si possa espandere solo in senso verticale  (nella direzione dell’altezza della colonna)? Consigliare gli studenti di assumere che il valore di αV che hanno calcolato in una approssimazione accettabile.

Utilizzando l’equazione (1), gli studenti possono eseguire il seguente calcolo:

Come accennato, questa è una semplificazione. L’espansione termica non è linearmente dipendente con la temperatura, e l’oceano si espande anche nell’entroterra, con un incremento nel livello dell’acqua che dipende dal gradiente della costa. Ciononostante, il risultato illustra il punto che questa espansione non è trascurabile.

Conclusione

Così, anche un piccolo incremento di temperatura di 0.1 °C si può trasformare in un aumento significativo del livello del mare. E questo rappresenta solo l’espansione termica in gioco; l’aumento della temperatura del pianeta causa anche lo scioglimento della calotta di ghiaccio e dei ghiacciai, che contribuiscono ad innalzare il livello del mare. In media, negli ultimi 25 anni, il livello del mare si è alzato di circa 3 mm all’anno, come è stato determinato dai dati del satellite, e questo incremento sta accelerando.[4]

A graph of sea height variation in mm between 1993 and 2020. The sea level has increased by 3.3 mm per year in that period
Variazione del livello del mare dal 1993 al 2020
NASA’s Goddard Space Flight Center[5]

Domande da porre agli studenti:

  1. Perché il riscaldamento globale porta ad un aumento del livello dei mari?
  2. Come la popolazione che vive sulle coste sarà influenzata la popolazione che vive sulle coste dall’aumento del livello del mare?
  3. Con un incremento costante di 3.3 mm all’anno, di quanto si innalzerà il livello del mare nel 2100?

References

[1] ESA infografiche sulle cause dell’aumento del livello dei mari: https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2018/09/Causes_of_sea-level_rise

[2] Un calcolatore on line per determinare il coefficiente di espansione termica volumetrica: 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] Un video dell’ESA su aumento del livello del mare: https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Videos/2018/09/Sea-level_rise/

[5] Dati satellitari sul livello dei mari : https://climate.nasa.gov/vital-signs/sea-level/

Resources

Author(s)

Carla Isabel Ribeiro insegna chimica e fisica in una scuola secondaria in Portogallo, e Ole Ahlgren è una insegnante Danese in fisica e chimica e biologia, in pensione. Gli autori hanno già collaborato e pubblicato altri esperimenti in  Science in School.


Review

Tutti pensano che che con riscaldamento globale,l’aumento del livello degli oceani sia dovuto allo scioglimento dei ghiacci. Questo articolo sottolinea la connessione tra questo riscaldamento e il vecchio fenomeno fisico, l’espansione termica dei liquidi.


Corina Lavinia Toma, insegnante di fisica, “T. Popoviciu”  Computer Science High School, Romania




License

CC-BY