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LABORATÓRIO CIENTÍFICO INFANTIL
Grande colher da natureza. Laboratório de Ciências para Crianças
Diretório / Laboratório de Ciências para Crianças Em fevereiro de 1970, não muito longe da ilha de Martinica, no Caribe, três cientistas americanos - G. Stommel, L. Howard e D. Nergard - com persistência invejável tentaram enfiar debaixo d'água uma tripa de plástico de um quilômetro de comprimento, como a que jardineiros usam para regar flores e árvores. A tripa flexível se emaranhou e quebrou, causando muitos problemas para os cientistas, mas eles ainda atingiram seu objetivo: no final, a tripa "pendurou" verticalmente - da superfície da água até uma profundidade de 1000 metros. E então os cientistas viram o que queriam ver: testaram experimentalmente as proposições teóricas expressas 14 anos antes por G. Stommel, A. Arong e D. Blengard na obra "Oceanographic Riddle", e certificaram-se de que essas disposições são verdadeiras. Os autores deste trabalho teórico, tendo estudado a distribuição da densidade da água em função da sua salinidade e temperatura em diferentes áreas do Oceano Mundial a diferentes profundidades, chegaram à conclusão de que se, por exemplo, no Mar dos Sargaços perto das Bermudas, um cobre tubo, digamos, 1000 metros de comprimento, é abaixado verticalmente e um diâmetro interno de 2 centímetros para que o final não fique muito alto acima da água, então será possível observar um fenômeno incrível, que os autores chamaram de "eterno fonte de sal". Para acionar essa fonte, basta conectar a ponta superior do cano à bomba, ligá-la e mantê-la ligada exatamente o tempo necessário para elevar uma porção de água menos salgada de mil metros de profundidade. Depois disso, a bomba pode ser desconectada e a água do cano jorrará sozinha. O fato é que a bomba puxa água fria, menos salgada que a água nas camadas superiores, para dentro do cano a partir de uma marca de mil metros. Subindo, a água esquenta um pouco, recebendo calor através das paredes do tubo da água um pouco mais quente das camadas superiores. As paredes de cobre do tubo fornecem troca de calor, mas não troca de sal, de modo que a água no tubo fica mais quente à medida que sobe, permanecendo ligeiramente salgada e, portanto, relativamente menos densa. Assim, uma coluna de água contida em um cano é mais leve que uma coluna equivalente de água fora do cano. A diferença de peso dá origem a uma diferença de pressão, que acaba por fazer com que a água menos salgada suba pelo cano. Se a extremidade do tubo não se projetar muito acima da superfície, haverá excesso de pressão suficiente para acionar a "fonte perpétua" e menos água salgada sairá continuamente da extremidade saliente do tubo. Esse processo continuará até que a água do Mar dos Sargaços esteja bem misturada, ou seja, quase indefinidamente.
Tendo recebido uma fonte de sal de 60 centímetros de altura, os cientistas de repente começaram a duvidar: e se não a diferença de densidade, mas as ondas na superfície fazem a água subir? As ondas movem uma mangueira flexível e elástica presa à bóia, e talvez a transformem em uma espécie de bomba, que apenas alimenta a "fonte eterna" com energia. A repetição do experimento com uma mangueira rígida permitiu tirar dúvidas: a fonte de sal também funcionou neste caso. Vamos tentar obter uma fonte de sal e nós. Você não vai precisar de mangueira de quilômetro para isso, e ao invés de bermuda, só temos que ir para a cozinha. E o oceano tropical, onde a água é mais quente e salgada na superfície e mais fria e menos salgada na profundidade, vamos modelar usando uma panela larga. Também precisaremos de um copo de plástico, digamos, debaixo do queijo Volna, no fundo do qual deve ser feito um furo com um alfinete.
Para começar, despeje água fria da torneira no pan-oceano para que a profundidade dessa camada inferior seja de 3 a 4 centímetros. Colocamos um copo de plástico com um buraco de cabeça para baixo na água. Agora, com muito cuidado, para evitar ao máximo misturar, vamos despejar água morna na panela até que saia água fria pelo orifício do copo. E, finalmente, vamos simular a camada superficial do oceano tropical - para isso (novamente com extremo cuidado) vamos derramar uma fina camada de água salgada quente sobre a camada de água morna. Oceano está pronto. Se você jogar tinta ou tinta sobre o buraco no copo, verá que uma pequena fonte de água sai do buraco, simulando uma fonte de sal oceânica. A água que sai do copo tem aproximadamente a mesma temperatura que a água fora dele na mesma profundidade, mas é menos salgada e, portanto, mais leve. Isso faz com que a água escorra para fora do copo. A fonte funcionará até que o sal e o calor sejam distribuídos uniformemente por todo o volume do nosso "oceano". dedos de sal Devido ao fato de que em soluções salinas o calor se espalha muito mais rápido que o sal - cerca de uma vez em cem - no oceano, sob certas condições, pode haver uma espécie de tubo de cobre natural, ou melhor, muitos pequenos tubos - canais invisíveis através qual movimento ocorre água na água. Se uma camada de água salgada morna é colocada sobre uma camada de água fria, não muito salgada, então fontes de sal em miniatura, chamadas de "dedos de sal", são formadas na interface - correntes de água menos salgada batem, separadas umas das outras por cordas caindo de água mais salgada.
Não foi possível observar dedos de sal diretamente no mar, mas na cozinha, por favor! Para fazer isso, basta derramar água quente salgada e colorida em um copo de água fria da torneira. Despeje, é claro, deve ser muito cuidadoso, para que a interface entre a água fria e a água quente fique bastante clara. Para obter uma interface clara entre as camadas de água no "oceano", D. Walker aconselha derramar água quente de uma pequena altura sobre um pedaço de prancha flutuante; K. Stong recomenda usar um círculo de papel abaixado em um barbante até a superfície da água fria em uma jarra.
Em poucos minutos, depois que o modelo estiver pronto, vão crescer dedos de sal na interface, de 1 a 5 centímetros de comprimento e cerca de um milímetro de espessura. Esse fenômeno dura muito tempo - de alguns minutos a várias horas. O surgimento e desenvolvimento de dedos de sal pode ser explicado pela excitação das ondas, que deforma a interface inicialmente calma. As gotas de água fria sobem para a água quente e vice-versa. Devido à diferença na taxa de propagação de calor e difusão de sal, as gotas que estão no topo da linha divisória basicamente apenas aquecem, a concentração de sal nelas quase não muda, elas ficam mais leves e continuam subindo; as gotas que se encontram abaixo da linha divisória emitem calor, tornam-se mais frias, tornam-se mais pesadas e afundam.
Devido às grandes perdas de calor pelas paredes do recipiente, o experimento com dedos em um ambiente salgado e quente nem sempre é bem-sucedido imediatamente. O físico inglês S. Turner propôs para o experimento um sistema sal-açúcar mais racional formado por duas soluções. A primeira solução é salgada-doce: duas colheres e meia de sal e uma colher de chá de açúcar granulado por copo de água da torneira. A segunda solução é doce-salgada: duas colheres de chá de açúcar e uma colher de chá de sal em um copo de água da torneira. Primeiro, uma solução salgada-doce é despejada em uma jarra de vidro - ela forma a camada inferior de todo o sistema. Então, com muito cuidado, mantendo a interface, a solução doce-salgada é despejada no mesmo frasco; deve ser tingido (tinta "Rainbow" - azul ou vermelho). Dedos de sal aparecerão dentro de uma hora e durarão várias horas. A taxa de crescimento dos dedos neste experimento depende da taxa de difusão do sal, e sua própria aparência se deve ao fato de que o sal se difunde mais rapidamente que o açúcar. A camada superior (doce-salgada) tem densidade menor que a inferior, e o limite entre as camadas, ao que parece, deveria ser estável. Mas uma instabilidade inicial aleatória envia uma pequena quantidade da solução de açúcar para baixo, e o sal penetra na protuberância resultante mais rapidamente do que o açúcar se difunde na salmoura circundante. A protuberância com a adição de sal torna-se mais densa que o ambiente e desce, formando um dedo. Da mesma forma, uma pequena protuberância de água salgada da camada inferior e mais densa, penetrando para cima na solução doce-salgada, perde seu sal mais rapidamente do que adquire açúcar, torna-se mais leve que o ambiente e corre para cima na forma de uma dedo crescendo. Oscilador de sal E, finalmente, outra experiência incrível baseada na diferença de densidades de sal e água doce. Para o experimento, você precisará de uma jarra de vidro de vegetais enlatados ou um copo de chá fino, um cartucho de alumínio de validol ou filme fotográfico. Você também pode usar um copo de plástico debaixo de algum remédio. Fure o fundo do copo com uma agulha, de preferência aquecida, para que as bordas do furo fiquem lisas. É fácil fazer um furo em um cartucho de alumínio com a mesma agulha.
Despeje água fria na jarra quase até a borda. Prepare água salgada (uma a uma colher e meia de chá de sal por copo de água), pinte com tinta arco-íris (azul ou vermelha). Fixe o copo em um suporte de papelão fazendo um furo no mesmo de acordo com o diâmetro do copo. Em seguida, abaixe-o na jarra e, ao despejar a solução salina, certifique-se de que o nível da água no copo fique um pouco mais alto do que na jarra. Agora observe o que acontece. A água salgada, mais densa e pesada, começa a fluir pelo orifício do copo para a água doce. Pode-se supor que ele fluirá uniformemente até que o nível de salmoura no copo diminua tanto que a pressão da salmoura que sai se iguale à pressão da água doce na jarra no nível do orifício. Tudo parece estar acontecendo. O fluxo colorido torna-se mais fino e desaparece. Todos? Não, depois de um tempo o jato aparece de novo e desaparece de novo. Isso continua por um bom tempo.
O que acontece no copo no momento em que o jato parou é fácil de adivinhar, lembrando a primeira experiência: há uma fonte de água fresca - do fundo do copo, mais precisamente, do buraco, fresca, ou seja, mais leve, a água sobe através da espessura da salmoura. Se a água doce fosse tingida, poderíamos observar esta fonte. Assim, foi obtido um certo sistema oscilatório, que foi chamado de "oscilador de sal de Martin" em homenagem ao cientista que descobriu esse efeito pela primeira vez em 1970. O período de oscilação do oscilador depende principalmente do tamanho do furo e da temperatura da água doce. A operação do oscilador é baseada nos mesmos mecanismos dos experimentos anteriores.
A. O sistema está em equilíbrio. Abaixo do buraco no copo há água fresca e fria; acima do buraco há um líquido mais denso, salmoura. B, C. O surgimento da instabilidade de Rayleigh-Taylor, "swing" e o início do fluxo ascendente de água doce. Um oscilador de sal, escreve D. Walker, é um exemplo de sistema que começa a oscilar após auto-excitação devido à instabilidade de Rayleigh-Taylor (instabilidade na interface de uma camada de um líquido mais denso acima de um menos denso quando a interface está em equilíbrio hidrostático), seguido por uma rápida excitação (acúmulo) na interface entre dois líquidos. Em outras palavras, em nosso experimento, apesar da equalização das pressões no orifício, uma camada de um líquido mais denso situada acima de uma camada de um líquido menos denso é instável e está sujeita a algumas perturbações aleatórias fracas. Tais perturbações geram uma ligeira protuberância na interface entre dois fluidos. Devido à diferença de densidade, parte do líquido menos denso fica no topo da interface antiga e parte do líquido mais denso é empurrado para baixo. Essa instabilidade aumenta rapidamente, o oscilador de sal começa a operar. A água doce, penetrando para cima, acelera seu fluxo pelo buraco, porque é mais leve que a água salgada no mesmo nível do outro lado do buraco. Uma fonte de água doce começa a bater e chega um momento em que esse jato interrompe o escoamento da água salgada. O bombeamento gradual de água para o copo leva a um aumento da altura do líquido nele contido e, consequentemente, a um aumento da pressão ao nível do orifício. A perda de água da jarra reduz um pouco o nível de água nela, já que a jarra é mais larga que o copo. Por fim, chega um momento em que a pressão da água salgada no furo torna-se grande o suficiente para reduzir, e então parar completamente a fonte de água doce. O ciclo acabou. Agora há muita água no copo e o jato reaparece. Gradualmente, o fluxo diminui até que a pressão no orifício seja novamente equalizada. Então, alguma perturbação aleatória novamente causa uma protuberância na interface - uma fonte de água doce aparece. Assim, o fluxo se alterna: para cima ou para baixo - este é o oscilador de sal. A vazão depende do diâmetro do furo no copo e da viscosidade do líquido. Como no experimento anterior, você pode experimentar outros líquidos, só é importante que eles difiram em densidade e não se misturem, como, por exemplo, álcool e água se misturam. D. Walker relata que tentou trabalhar com água, levemente tingida de azul, e uma solução de melaço, tingida de vermelho, e observou, segundo ele, um espetáculo quase fabuloso. Para o dispositivo do oscilador, S. Martin usou uma seringa médica. O período de oscilação foi neste caso igual a 4 segundos, e o período de operação do oscilador foi de 20 ciclos. Nosso oscilador com um cartucho de alumínio do validol, abaixado em um copo de chá, trabalhou com um ciclo de 10 segundos por uma hora.
Um grande oscilador, composto por uma jarra de cinco litros e uma garrafa de polietileno de alvejante Iskra-2, em solução salina levemente adoçada com açúcar e fortemente tingida com tinta azul, emitia um jato longo com um ciclo de 20 segundos. Além do vórtice "guarda-chuva" no final da corda, que aparece no início de cada ciclo, anéis de vórtice também podem ser observados aqui. Eles se movem para baixo, ultrapassando, penetrando um no outro e borrando bem no fundo da lata. Alguns dos anéis foram fotografados.
Conversamos sobre três experimentos baseados em diferenças na densidade da água salgada e da água doce. Na natureza, a mistura vertical das águas oceânicas, causada pela diferença de densidades, é de grande importância para a vida de todo o oceano. Graças a ele, o calor solar, absorvido por uma fina camada de água, se espalha nas profundezas. (Referência do TSB: uma camada de apenas 1 centímetro de espessura absorve 94% da energia solar incidente na superfície da água do mar normal e salmoura formou uma zona de água quente de 44,2 ° C. a uma salinidade de 123 gramas por quilograma. Interesse nestes as depressões também são causadas pelo fato de que nos sedimentos do fundo foi encontrado um teor aumentado de zinco, cobre, chumbo, prata e ouro - na camada superior de 10 metros de sedimentos eles acumularam (segundo estimativas preliminares) no valor de 2,5 bilhões de dólares . Cientistas soviéticos também participaram do estudo dessas depressões nos navios Akademik Sergey Vavilov e Vityaz. Os cientistas sugerem que a idade da salmoura nas depressões é de cerca de 10000 anos. Outro exemplo dessa anomalia é o Lago Vanda, na Antártica. Diretamente sob o gelo, a água é fresca e sua temperatura é de 0 ° C, e a 220 metros de profundidade a temperatura da água já é de 25 ° C, e a salinidade é de cerca de 150 gramas por quilo. Como as depressões de sal se formaram? Com que precisão você pode determinar a idade da salmoura contida neles? Os cientistas acham difícil responder a essas perguntas. Para fazer isso, é preciso aprender a calcular a taxa de mistura convectiva de salmouras quentes e densas com água fria menos salgada localizada no topo. É necessário estudar minuciosamente o mecanismo de ação da "colher grande" no oceano. Literatura:
Autor: V.Lagovskiy
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