مفاهیم کلیدی:

فیزیک، همرفت، دما، چگالی

مقدمه:

احتمالا می‌دانید که اقیانوس هرگز بی‌حرکت نمی‌ایستد. اما می‌دانید چیزی به نام نوار نقاله اقیانوسی وجود دارد که مقدار زیادی آب را از یک اقیانوس به دیگری انتقال می‌دهد؟ این جریان‌های آبی برای مخلوط کردن و حمل مواد مغذی و اکسیژن ضروری هستند و در آب و هوای ما نقش مهمی ایفا می کنند. این به این دلیل است که آنها آب گرم و سرد را در فاصله های بسیار طولانی حرکت می‌دهند، که بر درجه حرارت خشکی‌هایی که با اقیانوس‌ها هم ارز هستند را تحت تاثیر قرار می‌دهد. برای مثال چریان‌های خلیج، جریانی بزرگ از خلیج مکزیک است که آبهای گرم را به اقیانوس اطلس شمالی منتقل می‌کند و آب و هوای اروپا را ملایم‌تر می‌کند. آیا می‌دانید علت به وجود آمدن «نوار نقاله اقیانوسی» چیست؟ جواب بسیار ساده است: تفاوت در چگالی آب! این فعالیت را انجام بدهید تا بیشتر متوجه بشوید.

پیش زمینه:

جنبش زیادی در آب اقیانوس ها وجود دارد. بارزترین نمونه آن موج و اثر موجی در سطح آب است که بوسیله باد یا جریان اقیانوسی ناشی از جزر و مد تولید می‌شود. با این حال، به‌نظر می‌رسد که آب نیز می تواند بدون باد و یا جزر و مد حرکت کند، که این پدیده در اعماق اقیانوس ها اتفاق می‌افتد. این جریان‌ها به علت اختلاف در چگالی آب ناشی از تفاوت در دما و شوری، وجود دارند، که به ابن پروسه همرفت می‌گویند. چگالی یک ماده توسط جرم آن بر حجم تعریف شده است. برای مثال: یک لیتر آب، وزن یکسانی با یک لیتر روغن ندارد. مایع سبک تر بر مایع سنگین‌تر،که در کف ظرف قرار دارد، جاری می شود.چگالی آب با دما تغییر می‌کند؛ زمانی که آن را گرم می‌کنیم آب منبسط شده و در نتیجه حجم آن زیاد می‌شود. این به آن معنی است که جرم آن در هر حجم کاهش پیدا کرده و چگالی آن کم می‌شود. بنابراین، بطور کلی آب گرم، چگالی کمتری نسبت به آب سرد دارد. فاکتور دیگری که بر چگالی آب اثر دارد شوری آن است، که به مقدار نمک در آب اقیانوس گفته می‌شود. نمک آب را سنگین‌تر کرده و در نتیجه آب چگال‌تر می‌شود.

 

 

این دو فاکتور، دما و شوری، نیروهای محرک اصلی نوار نقاله اقیانوسی زمین هستند که یک سیستم گردش آب بزرگ در اعماق اقیانوس است و آب را در سراسر جهان حرکت می دهد. جریانها در نزدیکی قطب شمال در اقیانوس اطلس شمالی در جایی که سطح اقیانوس توسط دمای قطب سرد می شود، آغاز می شوند. همانطور که آب دریا شکل یخ به خود می‌گیرد، نمک باقی می‌ماند و آب شورتر می‌شود. این آب اکنون چگال‌تر است و به کف اقیانوس می‌رود. این روند باعث جریانی می‌شود که آب سطحی باید جایگزین آب فرو رفته به کف اقیانوس شود. آب عمیق و سرد، تمام راه را به قطب جنوب و سپس به اقیانوس هند و اقیانوس آرام حرکت می کند. هنگامی که آب به مناطق گرمتر می رسد دما بالا میرود، تراکم آن کم شده و به سطح می‌رسد. در نهایت راه بازگشت به شمال آتلانتیک را پیدا می‌کند که کل چرخه دوباره شروع می‌شود. در این فعالیت شما نشان می‌دهید که چگونه درجه حرارت بر حرکت و چگالی آب تاثیر میگذارد و جریان های اقیانوسی کوچک خود را در لیوان می‌سازید!

مواد لازم:

  • دو فنجان شفاف دقیقا مشابه هم
  • یک CD قدیمی
  • کیسه پلاستیکی ساندویچ
  • قیچی
  • رنگ خوراکی (هر رنگ)
  • شیر آب
  • مایکروفر
  • تکه های یخ
  • دماسنج
  • حوله کاغذی برای نشت آب
  • راهنمایی بزرگسالان
  • سینی
  • نمک (اختیاری)

آماده سازی:

  • با استفاده از قیچی یک نوار طویل از کیسه ساندویچ را ببرید، به طوری که به اندازه کافی سوراخ وسط سی دی را بپوشاند.
  • سیتی را زیر محل آزمایش قراره داده تا از نشت آب جلوگیری کند.
  • هر دو لیوان را با آب شیر پر کنید
  • یک تکه یخ به یکی از لیوان ها اضافه کنید تا دمای آب کم شود. زمانی که آب سرد شد تکه یخ را بردارید و لیوان را با آب شیر تا لبه پر کنید.
  • لیوان دیگر را در ماکروفر به مدت ۱دقیقه قرار دهید. (اگر خیلی داغ شد، اجازه دهید تا زمانی که میتوانید لیوان را بردارید سرد شود)
  • مطمئن شوید که آن را تا لبه با آب پر می‌کنید.
  • چند قطره از رنگ خوراکی را به آب گرم اضافه کنید.
  • لیوان آب گرم را درون سینی قرار دهید.
  • با دماسنج، دمای هر دو آب سرد و گرم را اندازه بگیرید.

روش:

  • نوار پلاستیکی برش داده شده را بر روی cd قرار داده تا حفره آن را کامل بپوشاند و بخشی از نوار پلاستیکی فراتر از CD ادامه داشته باشد.
  • سی دی را بالای لیوان سرد قرار داده بطوریکه نوار پلاستیک به طرف آب سرد باشد.
  • سپس لیوان آب سرد و سی دی بر روی آن را بردارید و به آرامی برعکس کنید، سی دی را فشار دهید تا از نشت آب جلوگیری شود. احتمالا برای انجام اینکار به کمک بزرگتر ها احتیاج دارید.
  • لیوان برعکس را بر روی لیوان با آب گرم قرار دهید بطوریکه سی دی جداکننده دو لیوان باشد. هنگامی که هر دو فنجان را با هم قرار می دهید، چه اتفاقی می افتد؟ آیا مخلوط شدن آب دیده میشود؟
  • به آرامی بخشی از نوار پلاستیکی که از سی دی خارج شده است را بکشید و کل نوار را برای باز شدن سوراخ سی دی بردارید. وقتی حفره باز می شود چه اتفاقی می افتد؟ آیا جنبش آب را می بینید؟ اگر بله، در کجا حرکت می کند؟ می توانید مشاهدات خود را شرح دهید؟
  • هر دو فنجان را در حدود ۱۰ دقیقه مشاهده کنید. آیا تغییراتی در فنجان بالا یا پایین دیده میشود؟ اگر بله، آب چگونه تغییر میکند؟
  • بعد از ۱۰ دقیقه، هر دو فنجان را به دقت به وسیله بلند کردن سی دی و لیوان بالایی جدا کنید و هر دو را دوباره برعکس کنید. ممکن است برای اینکار نیاز به کمک بزرگترها داشته باشید.
  • در آخر، دمای هر دو لیوان را دوباره اندازه گیری کنید. آیا دما تغییری کرده است؟ اگر بله، چگونه؟
  • آب هر دو لیوان را در سینک خالی کنید و دوباره این آزمایش را تکرار کنید اما این بار لیوان آب گرم را بالای لیوان آب سرد قرار بدهید.اینبار زمانی که نوار پلاستیکی را جدا میکنیم چه اتفاقی می افتد؟ آیا همان نتایج پیشین دیده میشود؟ آیا هیچ حرکتی در آب اتفاق می افتد؟ چرا؟
  • بعد از ۱۰ دقیقه، دو لیوان را دوباره جدا کنید و دمای هر لیوان را مجددا اندازه گیری کنید. آیا دما تغییر کرده؟ اگر بله، به چه میزان؟
  • در این فعالیت شما نشان دادید که تفاوت در دما، حرکت آب را هدایت میکند.
  • چه اتفاقی می افتد اگر شما اختلاف دمایی نداشته باشید؟ دوباره این آزمایش را انجام بدهید اما این بار آب لیوان ها را گرم یا سرد نکنید-آنها را در یک دما نگه دارید. زمانی که نوار پلاستیکی را جدا میکنید حرکتی در آب اتفاق می افتد؟ چرا؟
  • آیا می توانید راهی برای نشان دادن چگونگی تاثیر شوری بر روی چگالی آب و حرکت آب پیدا کنید؟ نمک را به یک فنجان اضافه کنید تا اختلاف در شوری ایجاد کنید و آزمایش را تکرار کنید. آیا آب شور بر روی سطح جاری می‌شود یا به کف ظرف میرود؟ آیا میتوانید با ایجاد اختلاف در شوری آب باعث حرکت در آب شوید؟
  • به جای نشان دادن اینکه آب گرم در بالای آب سرد شناور است، نشان دهید که چگونه آب سرد به پایین می رود و رنگ غذا را به آب سرد به جای آب گرم اضافه کنید. سپس آب سرد را در بالای آب گرم قرار دهید وبالعکس. آیا حرکت در آب را در هر دو جهت مشاهده میکنید یا فقط در یک جهت؟
  • چگونه اختلاف دما بر مخلوط آب اثر می‌گذارد؟ آزمون سومی را اضافه کنید بطوریکه دمای آن بین آب سرد و آب گرم در آزمایش قبلی باشد.

 

مشاهدات و نتایج:

آیا شما قادر به جاری کردن یا فرو رفتن آب خود شدید؟ زمانی که رنگ خوراکی را به آب گرم اضافه کردید و آب سرد را بالای آب گرم قرار دادید، ابتدا هیچ چیزی نباید اتفاق بیوفتد چون نوار پلاستیکی باید سوراخ سی دی را پوشانده باشد و از مخلوط شدن آب بین دو فنجان جلوگیری شود. به محض این که نوارهای پلاستیکی را برداشتید، آب گرم رنگ شده از طریق سوراخ سی دی شلیک می‌شود و با آب سرد در بالا مخلوط می شود. این حرکت آب توسط همرفت هدایت می‌شود: حرکت آب ناشی از اختلاف دما است. زیرا آب گرم سبک‌تر از آب سرد است و می‌خواهد پخش شود، از طریق سوراخ به فنجان بالا می رود.

پس از حدود ۱۰ دقیقه، مخلوط شدن آب باید تمام شود، و رنگ آب هر دو لیوان باید شبیه به هم شده باشد. در همان زمان دما درهر دو فنجان باید به طور قابل توجهی تغییر کند. در ابتدا شما باید اختلاف دمای زیادی اندازه گیری کنید. اما در انتها باید دمای هر دو لیوان یک اندازه باشد. همانطور که آب مخلوط می شود باید تبادل دمایی رخ دهد، به این معنی که آب گرم آب سرد را گرم کند. اگر شما فعالیت فوق العاده را با اختلاف دمای بالاتر یا پایین تر بین دو لیوان انجام داده باشید، متوجه شده‌اید که مخلوط شدن آب زمانی که اختلاف دمای بین دو لیوان بیشتر است، سریع تر اتفاق می‌افتد. زمانی که هیچ اختلاف دمایی ندارید در حدود ۱۰ دقیقه هیچ مخلوط شدنی اتفاق نمی افتد.

اگر آزمایش را برعکس کنید و آب گرم در بالای آب سرد قرار بگیرد، شما هیچ مخلوط شدنی بین آب دو لیوان مشاهده نمی‌کنید. این به این علت است که آب گرم سبک تر است یا چگالی کمتری نسبت به آب سرد دارد، برای همین تمایل دارد در بالا به ایستد. همین امر برای آب شور و غیر شور برقرار است. آب شور به کف ظرف فرو می‌رود چون چگالی بیشتری نسبت به آب غیر شور دارد – دقیقا همانطور که در اقیانوس واقعی رخ میدهد!


Mehrnoosh Moallemi

منبع:

Scientific American

 

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *