مفاهیم کلیدی: جریان‌های اقیانوسی، سیالات، چگالی، شوری، حرکت، گرما

مقدمه:

در اقیانوس‌های جهان، زیر موج‌هایی که می‌بینیم جریان‌هایی وجود دارند که حجم انبوهی از آب‌های سرد و گرم را از سواحل یک قاره به دیگری منتقل می‌کنند. این جریان‌ها تأثیرات عمیقی بر آب و هوای قاره‌ای، به ویژه در مناطقی که هم مرز با اقیانوس هستند دارد. به عنوان مثال، جریان خلیجی (گلف استریم، جریانی گرم که از خلیج مکزیک به اقیانوس اطلس شمالی می‌رود.) باعث می‌شود مناطق شمال غربی اروپا گرم‌‌تر از حالتی باشد که انتظار می‌رود. آیا تا به حال به این فکر کرده‌اید که چه چیزی باعث به وجود آمدن این جریان‌ها می‌شود؟ در این فعالیت علمی، شما رفتار این جریان‌های آب گرم و سرد داخل اقیانوس‌ها را شبیه سازی می‌کنید و خواهید آموخت که دما چگونه در جهت و سرعت این جریان‌ها تأثیر می‌گذارد.

پیش‌زمینه:

جریان‌های اقیانوسی تأثیر بسیار زیادی بر آب و هوای مناطق مختلف جهان، حمل و نقل دریایی و همچنین چرخه‌ی مواد غذایی دارد. جریان‌های آبی که در عمق اقیانوس‌ها وجود دارد، به سبب تفاوت چگالی آب در نقاط مختلف شکل می‌گیرد که این تفاوت چگالی خود ناشی از تغییر دما و میزان شوری آب است. (چگالی آب سرد از آب گرم بیشتر است و همچنین آب شور چگال‌تر از آب شیرین است.) تغییر در دانسیته‌ی آب اقیانوس‌ها چگونه باعث به وجود آمدن جریان‌های آب می‌شود؟ برای درک این جریان‌های موجود در اعماق اقیانوس، بهتر است ابتدا به مناطق قطبی زمین نگاهی بیندازیم. آبی که به سمت این مناطق جریان پیدا می‌کند دچار کاهش دما می‌شود و در نتیجه چگالی آن افزایش می‌یابد. با کاهش دما، آب یخ می‌زند و در نتیجه میزان آب شیرین اقیانوس کم می‌شود (چون یخ زده است) و حاصل این است که آب اقیانوس شورتر می‌شود. حال آب سرد که به دلیل دمای پایین و شور بودن چگال‌تر است به عمق اقیانوس می‌رود. به دنبال این اتفاق، آب سطح اقیانوس پایین می‌رود تا جای خالی آب سنگین را پر کند و بدین ترتیب جریان آب شکل می‌گیرد. در اثر چگال شدن آب مناطق شمالی اقیانوس اطلس، جریانی جهانی به صورت دایره‌ای شکل می‌گیرد: ابتدا آب به سمت جنوب می‌رود، از قطب جنوب می‌گذرد و سپس به سمت شمال و به اقیانوس هند، آرام و اطلس حرکت می‌کند. این جریان جهانی حجم زیادی از آب را منتقل می‌کند و یک الگوی چرخشی بسیار عظیم است که حدود 100 برابر بیشتر از رودخانه‌ی آمازون آب منتقل می‌کند. اگرچه جریان‌های اقیانوسی تحت تأثیر دو عامل دما و میزان شوری هستند، در این فعالیت علمی تنها تأثیر دما بر روی این جریان‌ها را بررسی خواهیم نمود.

مواد و وسایل لازم:

یک ظرف پیرکس با ظرفیت تقریبی دو لیتر

آویشن خشک شده و یا دیگر ادویه جات خشک

قاشق چای خوری برای اندازه‌گیری

فنجان برای اندازه‌گیری

حدود سه فنجان روغن نباتی

قاشق یا همزن برای مخلوط کردن

دو لیوان سرامیکی بزرگ و هم اندازه

یک شمع کوچک (ارتفاع شمع باید کمتر از ارتفاع لیوان‌های سرامیکی باشد.)

چوب کبریت یا فندک (برای روشن کردن شمع حتماً از یک بزرگتر کمک بگیرید.)

یک سطح که بتوان روی آن قطره‌های روغنی ریخت.

آماده‌سازی:

بر روی یک سطح که می‌توانید روی آن روغن نباتی بریزید، نیمی از ظرف پیرکس را با روغن نباتی پر کنید. (با توجه به سایز دقیق ظرف پیرکسی که استفاده می‌کنید، مقدار روغن کمی بیشتر یا کمتر از سه فنجان خواهد بود.)

مقدار دو قاشق چای خوری آویشن خشک شده (یا دیگر ادویه جات خشک) را به ظرف پیرکس اضافه کنید. سپس مخلوط را به خوبی هم بزنید تا ذرات آویشن در روغن پخش شوند. وقتی که هم زدن مخلوط را قطع می‌کنید، دانه‌های آویشن در داخل روغن چه رفتاری دارند؟

ظرف پیرکس را بر روی دو لیوان سرامیکی قرار دهید.

یک شمع در وسط دو لیوان و زیر ظرف پیرکس بگذارید.

قبل از اینکه شمع را روشن کنید، مطمئن شوید که ظرف پیرکس به خوبی روی لیوان‌ها قرار گرفته است و احتمال افتادن آن وجود ندارد. همچنین دقت کنید که شعله‌ی شمع نباید خیلی نزدیک به ظرف پیرکس باشد.

روش کار:

از یک بزرگتر بخواهید شمع را برایتان روشن کند و آن را زیر ظرف پیرکس قرار دهد.

به مدت حداقل یک دقیقه به روغن داخل ظرف نگاه کنید. حرکت دانه‌های آویشن داخل روغن نشان‌دهنده‌ی جهت و سرعت حرکت سیال داخل ظرف است. سیال داخل ظرف با چه الگویی حرکت می‌کند؟ (اگر حرکتی در ظرف مشاهده نمی‌کنید، چند دقیقه‌ی دیگر صبر کنید تا حرکت سیال شروع شود.)

ذرات آویشن و روغن را از بالا نگاه کنید. از این زاویه حرکت ذرات آویشن چگونه به نظر می‌آید؟ در کدام قسمت‌ها سریع و در کدام قسمت‌ها کند حرکت می‌کنند؟ آیا الگوی حرکت این ذرات و در نتیجه الگوی حرکت سیال در ظرف دارای تقارن است؟

حال حرکت ذرات آویشن و روغن را از کنار ظرف نگاه کنید. در کدام قسمت‌ها جریان به سمت بالاست؟ در کدام قسمت‌ها جریان به سمت پایین وجود دارد؟ آیا الگوی حرکت سیال متقارن است؟

به نظر شما این مشاهدات چه ارتباطی با جریان جهانی آب اقیانوس‌ها می‌تواند داشته باشد؟

آزمایش‌های تکمیلی:

در این فعالیت علمی، باید مشاهده کرده باشید که سرعت حرکت ذرات آویشن در بعضی قسمت‌ها بیشتر از سایر نقاط است. شما می‌توانید سرعت حرکت این ذرات را با استفاده از یک ساعت و خط‌کش با محاسبه‌ی مدت زمان عبور یک ذره‌ی خاص از یک نقطه به نقطه‌ی دیگر اندازه بگیرید. سرعت ذرات مختلف چه میزان با هم تفاوت دارند؟ فاصله‌ی این ذرات از شعله‌ی شمع چه تأثیری بر سرعت حرکت‌شان می‌گذارد؟ -

اگر فضای کافی در اختیار دارید، تعداد شمع‌های زیر ظرف پیرکس را افزایش دهید. افزایش تعداد شمع‌ها چه تأثیری بر نحوه‌ی حرکت ذرات آویشن و در نتیجه حرکت سیال خواهد داشت؟

با دقت فراوان یک جسم مثل قوطی بعنوان جزیره داخل سیال قرار دهید به طوری که تعادل ظرف به هم نخورد. اضافه کردن این جزیره چه تأثیری بر نحوه‌ی حرکت سیال دارد؟

مشاهده و نتیجه‌گیری:

آیا مشاهده کردید که ذرات آویشن خشک شده زمانی که روی شعله قرار دارند به سرعت به سمت بالا حرکت می‌کنند و پس از آن به صورت افقی از شعله دور می‌شوند و کم کم پایین می‌آیند؟ از آنجا که چگالی سیال گرم‌تر از چگالی سیال سردتر کم‌تر است، در این فعالیت علمی سیالی که در بالای شعله‌ی شمع قرار دارد باید چگالی کمتری نسبت به سیال در سایر نقاط داشته باشد. درنتیجه، سیال با چگالی کمتر در روی شعله به سمت بالا حرکت می‌کند. سپس زمانی که این سیال به سطح می‌رسد به صورت افقی به اطراف می‌رود و از شعله دور می‌شود (در تمام جهات و به صورت متقارن). هر چه سیال از شعله دورتر می‌شود، دمای آن کاهش می‌یابد و چگالی آن بیشتر می‌شود و به سمت پایین حرکت می‌کند. همزمان با این اتفاق با حرکت سیال روی شعله به سمت بالا سیالی که در اطراف آن منطقه وجود دارد جای خالی سیال بالا رفته را پر می‌کند و بدین ترتیب یک جریان از سیال در تمام ظرف شکل می‌گیرد. شما در این فعالیت علمی باید چنین الگویی را در حرکت ذرات آویشن که نشان‌دهنده‌ی حرکت سیال است مشاهده کرده باشید. این حرکت که در سیالات به دلیل افزایش و کاهش چگالی شکل می‌گیرد جریان همرفتی نام دارد و دلیل به وجود آمدن جریان‌های اقیانوسی است. اگر چه حجم زیادی آب در اثر این جریان در اقیانوس‌های جهان منتقل می‌شود، جریان جهانی اقیانوسی که از اقیانوس اطلس شروع می‌شود با سرعتی بسیار کم، در بیشترین حالت 10 سانتیمتر بر ثانیه، آب را منتقل می‌کند. درنتیجه حدود 1000 سال طول می‌کشد که آب از اقیانوس اطلس به اقیانوس آرام برسد.

تمیز کردن:

اگر در جایی روغن ریخته‌اید، آن را با آب گرم و صابون بشویید. مخلوط روغن و آویشنی که در این فعالیت درست کرده‌اید را می‌توانید داخل سطل زباله بریزید اما آن را داخل سینک نریزید.

نقشه‌ي جريان‌هاي اقيانوسي که در سال ۱۹۱۱ تهيه شد.

منبع:

Seawater science

منابع مفيد:

 جريان‌هاي اقيانوسي

Gulf Stream- WIKIPEDIA

گلف استريم

بخش فيزيک فعاليت‌هاي علمي

بخش زيست فعاليت‌هاي علمي