Zjawiska wielkoskalowe – fizyka oceanów Teach article

Tłumaczenie: Grzegorz Glubowski. Inaczej niż w popularnym powiedzeniu, w głębokiej wodzie często daleko od spokoju – z ogromną korzyścią dla morskiego życia. Ćwiczenia przy użyciu małych zbiorników na wodę stwarzają okazję do poznania fizyki zjawisk zachodzących poniżej…

Dzięki uprzejmości Isolino;
źródło obrazu: Flickr

Gdy rozważamy zmiany klimatu, jedną z większych trosk wzbudza to, że główne prądy oceaniczne, jak choćby Prąd Zatokowy, zbaczają ze swoich tras, zagrażając zależnym od nich układom pogodowym. Co skłania te prądy do powrotu w ich pierwotne tory?

Prąd Zatokowy jest jednym z
najsilniejszych prądów
oceanicznych na świecie.
Pojawia się u wierzchołka
Florydy, podąża później
wzdłuż wschodnich wybrzeży
USA i kanadyjskiej Nowej
Funlandii, by ostatecznie
ruszyć wszerz Oceanu
Atlantyckiego w kierunku
Wysp Brytyjskich.
Prąd
Zatokowy jest napędzany
przez wiatry i różnice w
gęstościach wód.
Powierzchniowe wody
północnego Atlantyku,
chłodzone przez wiatry
znad Arktyki, gęstnieją i
opadają na dno oceanu. Tam
przemieszczają się ku
równikowi, gdzie powoli się
ogrzewają. W miejsce wody
zimnej, przemieszczającej się
w kierunku równika, napływa
ciepła woda z północnej
części Zatoki Meksykańskiej.
Kliknij na zdjęcie, by je
powiększyć.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Nicola Graf

Częściowo odpowiedź podsuwa grawitacja. Grawitacja inaczej działa na masy wody o różnych gęstościach, a to razem z wiatrem oraz ruchem obrotowym Ziemi wywołuje siły i prądy oceaniczne. Procesy te nie tylko mają potencjalny wpływ na nasz klimat, ale ogromnie wpływają na środowisko zamieszkałe przez organizmy morskie.

Każdemu studentowi oceanografii przyda się dobre rozumienie tych procesów. Jednakże grupa oceanografów uniwersyteckich z Maine w USA spostrzegła kilka lat temu, że studenci wydawali się nieświadomi fizyki zaangażowanej w ich przedmiot nauczania, skupiając się głównie na biologii. Postanowili zatem tak dobrać materiał dydaktyczny, aby przekonać ich, że oceany stanowią niezwykle atrakcyjne miejsce dla badań fizykalnych. Niniejszy artykuł oparty jest ich pomyśle (Karp-Boss et al., 2009), którym skupia uwagę na kluczowych koncepcjach fizycznych, fundamentalnych również dla oceanografii, oraz przedstawia ich kontekst środowiskowy.

Oczywiście, uczniowie uczą się najlepiej, gdy aktywnie się zaangażują. Dlatego szczególną rolę pełnią tu ćwiczenia, które mają ich zaangażować i skłonić do formułowania hipotez. Opisano tutaj dwa ćwiczenia, stosowane z powodzeniem podczas zajęć. Jedno dotyczy gęstości, drugie zjawisk falowych. Oba mogą być wykonywane przez uczniów szkół średnich (wiek 11-19 lat).

Pierwsze z ćwiczeń pokazuje rozwarstwienie na skutek różnic gęstości, spowodowanych zmianami temperatury lub zasolenia. Drugie daje wgląd w zjawisko fal wewnętrznych, rezonans i częstotliwość drgań własnych. Aparaturę dla obu ćwiczeń należy zestawić przed zajęciami, a czas trwania pojedynczego ćwiczenia nie powinien przekroczyć 30 minut (z wykorzystaniem arkuszy pracy poniżej lub dostępnych na stronie Science in School w1). Końcową część lekcji należy wykorzystać na podsumowanie i dyskusję.

Gęstość i rozwarstwienie

Gęstość jest podstawową własnością materii. Liczbowo jest to masa jednostki objętości substancji – inaczej ile masy mieści dana objętość. W oceanografii stosuje się gęstość do charakteryzowania mas wód i badania cyrkulacji wód w oceanie. Wiele zjawisk oceanicznych wywołanych jest różnicami gęstości. Cyrkulacja wód w dużej skali oraz transport węgla przez cząsteczki opadające w głąb z powierzchni są zaledwie dwoma przykładami.

O ile gęstość wody może przyjąć wartość od 998 kg/m3 dla wody słodkiej w temperaturze pokojowej do prawie 1250 kg/m3 w słonych jeziorach, zakres gęstości wód oceanicznych jest znacznie mniejszy (1020–1030 kg/m3). Różnice gęstości wody morskiej są skutkiem głównie zmian temperatury i zasolenia. Gdy w wyniku parowania lub tworzenia się lodu wzrasta stężenie soli, zwiększa się gęstość. Wyższe temperatury obniżają gęstość, podczas gdy schładzanie zwiększa ją.

Gęstość wody w oceanie wzrasta wraz z głębokością, lecz niejednostajnie. Wody o różnych gęstościach tworzą wiele warstw (rys. 1).

Rys. 1: W otwartych oceanach są co najmniej trzy warstwy: górna, zmieszana warstwa ciepłej wody; termoklin, gdzie temperatura spada gwałtownie wraz ze wzrostem głębokości oraz położona nisko strefa zimnej i gęstej wody, w której gęstość rośnie wolno wraz z głębokością.
Warstwy te ilustruje schematyczny przekrój Oceanu Atlantyckiego. Należy zauważyć, że grubości warstw zależą od szerokości geograficznej. W dużych szerokościach istnieje tylko warstwa wód głębinowych. Kliknij zdjęcie, aby je powiększyć.
Obraz z projektu DataStreme Ocean. Za zgodą ©American Meteorological Society.

 

Plankton
Dzięki uprzejmości Biopics;
źródło obrazu: Wikimedia
Commons

Rozwarstwienie stwarza barierę dla wymiany substancji odżywczych i rozpuszczonych gazów między górną, nasłonecznioną warstwą, w której rozwija się fitoplankton, a wodami głębinowymi, bogatymi w składniki odżywcze. Wymiana między warstwami wymaga pracy – pomyśl jak mocno trzeba wstrząsać butelką sosu do sałatek, aby wymieszać olej i ocet. Bez dostatecznie energicznego mieszania, wywołanego przez wiatr i załamywanie się fal, fitoplanktonowi na powierzchni oceanu zabraknie pokarmu.

 

Różnej gęstości warstwy wody. Górny obrazek pokazuje wodę z kranu i roztwór soli przed usunięciem przegrody. Następnie (obraz dolny), roztwór soli utworzy stabilną warstwę na dnie zbiornika, z wodą z kranu powyżej.
Dzięki uprzejmości Lee Karp-Boss
Gęstość jest podstawą rozumienia jak zamarzają jeziora. Gdy w dużych szerokościach geograficznych nadchodzi zima, wody jezior są chłodzone od góry. Górne warstwy wody stają się chłodniejsze i bardziej gęste niż znajdujące się poniżej, zatem opadają. Zastępuje je cieplejsza, mniej gęsta woda spod spodu. Jeśli niska temperatura powietrza utrzyma się, doprowadzi to w końcu do schłodzenia całego jeziora do 4 °C – temperatury słodkiej wody o maksymalnej gęstości. Przy dalszym chłodzeniu powierzchniowym, gęstość górnej warstwy wody zmniejszy się, a wody jeziora stabilnie się rozwarstwią, z chłodniejszą i mniej gęstą wodą na wierzchu. Gdy wody powierzchniowe ostygną do 0 °C, zaczną zamarzać. Jeśli chłodzenie trwa, zamrożona warstwa pogłębia się.
1) Górna warstwa wody stygnie i tonie.
2)
Cieplejsza (jeszcze nie ochłodzona) woda wypływa by ją zastąpić.
3)
Proces doprowadza do schłodzenia wody w całym jeziorze do temperatury wody o maksymalnej gęstości (4°C).
4)
Warstwa powierzchniowa schładza się dalej i na powierzchni zaczyna tworzyć się lód. Utrzymuje się na powierzchni, ponieważ jest mniej gęsty niż woda poniżej.
5) Przy trwającym nadal chłodzeniu zamarza całe jezioro.
Kliknij obraz, by go powiększyć.

Obraz dzięki uprzejmości Nicola Graf
Acqua alta („wysoka woda” w
języku włoskim) jest nazwą
nadaną wysokim poziomom
wody, które występują
okresowo w Zatoce
Weneckiej. Zjawisko to
pojawia się po części na
skutek sejszy adriatyckiej.
Pokazano tu słynny wenecki
Piazza San Marco, w części
zalany podczas acqua alta z
2004 roku

Dzięki uprzejmości Moroder,
źródło zdjęcia: Wikimedia
Commons

Rodzaje fal

Chociaż gęstość nie przychodzi na myśl jako pierwsza, gdy myślimy o morzu, z falami jest inaczej. Są one wszechobecne: w oceanach, jeziorach i oczywiście na plażach. Są także groźne, gdy przyjmują swoją destrukcyjną formę jako tsunami.

Większość z fal jest tym, co fizycy nazywają falami powierzchniowymi. Istnieją także fale wewnętrzne, na powierzchni międzyfazowej warstw wody o różnych gęstościach. Załamywanie się fal wewnętrznych w oceanie miesza różne warstwy wody i wynosi zawarte w nich składniki odżywcze.

Kształt zbiornika (np. jeziora lub zatoki) decyduje o tym, jakie fale są wzbudzane gdy zostanie przyłożona siła, która następnie ustąpi (np. w przypadku przechodzącego sztormu). Są to „naturalne fale” w basenie – podobnie do fal dźwiękowych powstających w instrumencie muzycznym, gdy określona częstotliwość jest wytwarzana przez strunę o danej długości albo przez kolumnę powietrza. Takie zjawisko jest nazywane rezonansem.

W oceanografii znane jest też zjawisko o nazwie sejsza (seiche /seɪʃ/ – w dawnym języku francuskim „huśtać”). Pojawia się, gdy fala stojąca w częściowo zamkniętym zbiorniku przemieszcza masy wody z jednej strony na drugą. Woda przypomina wtedy masę bardziej niż falę. Sejszy adriatyckiej, mającej okres 21.5 godzin, towarzyszą poważne podtopienia w Wenecji. Inne przykłady sejszy powstającej w sposób naturalny były obserwowane w jeziorze Genewa i w Bałtyku.

 

Ćwiczenie 1: Badanie gęstości wody i stratyfikacji

Materiały

  • Prostokątny zbiornik z przegrodą (usuwalną)
  • Butelka zawierająca roztwór soli (około 75 g soli rozpuść w 1 l wody)
  • Dwie zlewki zawierające wodę z kranu w temperaturze pokojowej
  • Barwniki spożywcze (dwa różne kolory)
  • Lód

Procedura

  1. Wyznacz gęstości wody wodociągowej i wodnego roztworu soli. W tym celu zmierz masę danej objętości cieczy – należy od całkowitej masy pojemnika z cieczą odjąć masę pojemnika. Gęstość można obliczyć, ponieważ gęstość (ρ) jest masą (m) podzieloną przez objętość (v) (ρ = m/v).
  2. Umieścić wodę z kranu w jednej z komór zbiornika, a roztwór soli w drugiej.
  3. Dodaj kilka kropli barwnika do płynu w każdej z komór, aby nadać im różne kolory.
  4. Jak przewidujesz, co się stanie gdy usuniesz przegrodę? Objaśnij swoje rozumowanie.
  5. Usuń przegrodę. Co się dzieje? Czy twoje obserwacje mają związek z wyznaczonymi przez ciebie gęstościami cieczy?
  6. Opróżnij zbiornik i zlewki. Napełnij jedną zlewkę gorącą wodą z kranu a drugą wodą lodowato zimną.
  7. Dodaj kilka kropli barwnika dla każdej zlewki (różne kolory do różnych zlewek).
  8. Wlej gorącą wodę do jednej z komór zbiornika a lodowatą wodę do drugiej. Jak przewidujesz, co się stanie gdy usuniesz przegrodę? Przedstaw swoje rozumowanie
  9. Usuń przegrodę. Co się dzieje? Czy to, co przewidywałeś?
  10. Po ustaleniu się równowagi w zbiorniku umieścić koniuszki palców swojej ręki na powierzchni płynu i powoli przesuwaj rękę w kierunku dna zbiornika. Czy wyczuwasz zmianę temperatury?
  11. Jak skutki zmian klimatycznych, takich jak ocieplenie czy topnienie lodu morskiego, wpływają na pionową strukturę wody w oceanie? Omów możliwe scenariusze.


 

Ćwiczenie 2: Badanie fal wewnętrznych

Materiały

  • Prostopadłościenny zbiornik z przegrodą
  • Stoper
  • Barwniki spożywcze lub odpowiednie inne
  • Dwa pojemniki: jeden z wodą słodką, drugi z zabarwioną wodą słoną (około 75 g soli na 1 l wody z kranu)
  • Łopatka do wzbudzania fal (kawałek plastiku o wysokości około 2 cm i szerokości zbliżonej do szerokości zbiornika)
  • Opcjonalnie: Kawałek plastiku o szerokości zbiornika, ale mający około jednej trzeciej jego długości

Procedura

  1. Nalej wody wodociągowej do jednej z komór zbiornika, a zabarwiony roztwór soli do drugiej.
  2. Wyjmij przegrodę i obserwuj co się dzieje. Poczyń notatki o wszelkich falach, które widzisz i opisz ich ruchy.
  3. Zaobserwuj falę wewnętrzną – porusza się tam i z powrotem wzdłuż styku zabarwionych płynów. Wyznacz szybkość tej fali, mierząc czas, w którym pokonuje ona długość zbiornika. (Zastosuj wartość średnią z kilku pomiarów czasu.) Oblicz prędkość fali stosując wzór:

    Długość zbiornika [m] / czas przemieszczania się fali [s] = szybkość fali [m/s]
     

  4. Spróbuj wytworzyć fale powierzchniowe i wewnętrzne za pomocą łopatki do wzbudzania fal. Fale powierzchniowe wzbudzaj przez zanurzanie łopatki w wodzie i wyjmowanie jej, powtarzając cykl z dużą częstotliwością (co najmniej raz na sekundę). Dla fal wewnętrznych, rób to wolniej (mniej więcej raz na 10 sekund).
  5. Omówcie uzyskane wyniki.
  6. Opcjonalnie, jeśli masz czas, możesz powtórzyć eksperymenty, po umieszczeniu kawałka tworzywa pod kątem w stosunku do dna zbiornika, w celu uzyskania efektu płytkiego morza. Umieść plastik tak, jak to widać poniżej.
Fala wewnętrzna na powierzchni międzyfazowej między gęstszą, słoną wodą (niebieska) i mniej gęstą wodą (bezbarwna). Łopatka jest widoczna w prawej części zbiornika, a kawałek plastiku do symulowania płycizny po lewej.
Dzięki uprzejmości of Lee Karp-Boss

Dyskusja

Na ogół energia fal wewnętrznych jest mniejsza niż fal powierzchniowych. Jest tak, ponieważ grawitacyjna siła przywracająca jest mniejsza dla fal wewnętrznych ze względu na stosunkowo niewielką różnicę gęstości między warstwami wody (w porównaniu z wodą i powietrzem dla fal powierzchniowych). Niższa energia oznacza, że w zbiorniku (lub basenie z wodą) o określonej wielkości częstotliwość drgań fal wewnętrznych będzie także niższa niż dla fal powierzchniowych.

Rozwarstwienie cieczy podtrzymuje fale wewnętrzne. W cieczach dwuwarstwowych fale takie przemieszczają się na powierzchni rozdzielającej oba płyny. Ich okresy są dłuższe niż fal powierzchniowych, a ich amplitudy mogą być o wiele wyższe. Jeśli zaburzyć układ dwóch warstw, początkowo powstaje wiele fal, ale pozostają tylko takie, które pasują (rezonują) do danej geometrii basenu. Element z tworzywa sztucznego zanurzony w jednym końcu zbiornika, symuluje płytsze dno i powoduje załamanie fal wewnętrznych, podobne do złamania fal powierzchniowych na plaży, ale występujące pod powierzchnią.


 

Podziękowanie

Artykuł ten powstał w oparciu o materiały opracowane dla organizacji COSEE (Center for Ocean Sciences Education Excellence) przez oceanografów: Lee Karp-Boss, Emmanuel Boss, Herman Weller, James Loftin and Jennifer Albright (Karp-Boss et al., 2009).

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Instrukcje dla uczniów dostępne są w formatach Word lub PDF na stronie internetowej Science in School.

Resources

Author(s)

Susan Watt jest niezależnym pisarzem popularyzującą naukę i edytorem, szczególnie zainteresowaną edukacją w zakresie nauk ścisłych. Studiowała nauki przyrodnicze na Uniwersytecie Cambridge. Uzyskała tam tytuł magistra filozofii nauki i psychologii. Była kuratorem w Science Museum (Londyn) i przygotowywała międzynarodowe wystawy dla British Council. Obecnie jest członkiem rady szkoły i organizatorem ważnych uroczystości dla British Science Association.


Review

Fizyka jest często postrzegana jako nie posiadająca związku z życiem codziennym, co sprawia, że wielu uczniów nie jest nią zainteresowanych. Ten artykuł wykorzystuje oceanografię, aby dostarczyć kontekstu dla pojęć fizycznych i w ten sposób zwiększyć zainteresowanie uczniów. Można go wykorzystać na lekcjach biologii lub fizyki, zwłaszcza gdy omawiane są „morskie” zagadnienia.

Z opisanych tutaj ćwiczeń mogą skorzystać nauczyciele w formie demonstracji lub też mogą być one wykonane przez uczniów. Można je wykonać zanim zostaną objaśnione pojęcia fizyczne, które się w nich pojawiają (by skłonić uczniów do myślenia na ten temat), albo też po objaśnieniu. Dodatkowe ćwiczenia z oceanografii fizycznej, które mogłyby być przydatne w nauczaniu fizyki uczniów w wieku 12-18 lat są wymienione na końcu artykułu.

Na koniec, ten tekst może pomóc uczniom zrozumieć, że pozornie różne zagadnienia naukowe mogą być ze sobą powiązane. Na przykład, aby zrozumieć jak środowisko oddziałuje na życie w morzu, potrzebujemy pojęć z fizyki (a także chemii i geologii).


Mireia Güell Serra, Hiszpania




License

CC-BY-NC-SA