Изучение свойств термоклина на модели

Научно-исследовательская работа по теме                      «Изучение свойств термоклина на модели»

                                                 Ученика 9 класса Бондаренко Ярослава

Содержание

1. Введение
2. Основная часть

1. Глава 1. Физика Океана
2. Глава 2 .Методика проведения эксперимента

3. Заключение
4. Приложение
5. Список литературы

Изучение свойств термоклина

 на модели

Введение

Цель работы: исследовать физические свойства термоклина  (при  нагревании жидкости  сверху) на модели. Изучить его влияние на обитателей океана, на образование температурных слоёв и возможность его практического применения.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

• Установить от чего зависит скорость движения термоклина.
• Исследовать свойства горячего и холодного слоёв находящихся по обе стороны термоклина.
• Выявить закономерности изменения температуры, плотности воды в Мировом океане.  

Для достижения поставленных задач использовались методы:

1. метод критического анализа литературы
2. экспериментальный
3. математический
4. аналитический

Проблема: конвекция по законам физики возможна, если нагревание происходит снизу. Но в Мировом океане источник нагревания – Солнце, оно находится сверху, при этом в океане образуется термоклин.

Гипотеза: если изучить опытным путём на модели явление термоклина, то можно объяснить причину слоистости вод Мирового океана, распределение солёности в водах Мирового океана, распространение жизни в океане, причину образования океанических течений и найти практическое применение явлению термоклина.

Глава I

Физика Океана

Конвекцию в природе мы можем наблюдать везде: дома, на улице, в школе. Насколько известно, конвекция может происходить при нагревании вещества в жидком или газообразном состоянии, причём только снизу. В Мировом океане тоже происходит конвекция. Но тогда возникает вопрос: « Как осуществляется конвекция  в океане?» Ведь главным источником энергии, нагревателем воды, является Солнце, и оно нагревает её сверху. В водной среде обитает поразительное множество различных животных. Зачастую в пределах небольшого участка они сильно отличаются видовым составом. Это можно объяснить только различием условий обитания. Но химический состав воды не может существенно отличаться в пределах небольшой зоны. Значит, данное явление можно объяснить только существенным для животных перепадом температур. Учеными доказано - вода в океане слоиста, причём изменение температуры не плавное, а скачкообразное. Многие, купаясь в море, замечали, что верхний воды тёплый, а нижний – нестерпимо холодный. Нас заинтересовало это явление. И мы решили изучить его.

Поверхность океана способна поглощать 99,6% поступающего на нее солнечного тепла, тогда как для суши этот показатель равен всего 55—65%. Благодаря этому и большой теплоемкости воды, океан представляет собой мощный аккумулятор тепла, оказывающий исключительно большое влияние на температурные условия прилегающих слоев атмосферы. Велико термическое воздействие океана и на климат прилегающих окраин континентов.

Основным источником тепла, получаемого океаном, служит солнечная радиация (прямая и рассеянная). Воды океана получают также тепло при поглощении длинноволнового излучения атмосферы (встречная радиация), часть тепла приносят реки и осадки, выпадающие на поверхность океана. Тепло высвобождается при конденсации влаги, льдообразовании, химико-биологических процессах в толще океана. На температуру глубоких слоев океана влияет внутреннее тепло Земли и адиабатическое нагревание опускающейся воды.

Термическое состояние океана в среднем постоянно. Значит, океанические воды тем или иным путем теряют почти столько же тепла, сколько получают. Эти потери происходят за счет собственного излучения, испарения с поверхности океана, нагревания воздуха, холодной воды рек, океанических течений, таяния льдов и других процессов, совершающихся с затратами тепла. Приход и расход тепла в океане (тепловой баланс) определяют ход температуры воды

Температура воды с увеличением глубины понижается. Но процесс этот в разных широтах происходит неодинаково, так как глубина проникновения солнечной радиации в разных зонах неодинакова. Кроме того, на перераспределение тепла в толще океанической воды оказывают влияние различные факторы.

На большей части акватории Мирового океана, между 50° С с. ш. и 45° С ю. ш. в вертикальном распределении температур много общего. В верхних слоях океана до глубины 500 м понижение температуры идет очень быстро, дальше до 1500 м — значительно медленнее, глубже — температура почти не изменяется. На глубинах 3000—4000 м в экваториальных и умеренных широтах вода имеет температуру +2° С, +3° С, в высоких — около 0= С. Глубже 4000 м температура воды немного повышается вследствие повышения давления (адиабатическое нагревание).

В приполярных районах температура воды понижается до глубины 50—100 м. Ниже она растет за счет приноса более теплых и соленых вод из умеренных и субтропических широт, достигая максимума в слое 200—500 м. Под этим слоем температура снова понижается, и на глубине 800 м она равна 0° С. Средняя температура Мирового океана в целом +3,8° С.

В высоких и средних широтах летом под нагретым поверхностным слоем располагается слой резкого скачка температуры — сезонный термоклин. Глубина залегания слоя скачка и величина градиента температуры в нем зависят от интенсивности прогрева поверхностного слоя и перемешивания. В умеренных широтах он обычно располагается на глубинах от 10—16 до 50 м и ниже при значениях вертикального градиента температуры от долей градуса до нескольких градусов на метр.

Термоклин - слой воды в океане или море, в котором вертикальный градиент температуры повышен по сравнению с градиентами выше- и нижележащих слоев. греч.Therme - тепло + Klino - наклоняюсь, опускаюсь

Градиент (от лат. gradiens, род. падеж gradientis — шагающий) — характеристика, показывающая направление наискорейшего возрастания некоторой величины, значение которой меняется от одной точки пространства к другой. Например, если взять высоту поверхности Земли над уровнем моря (2-мерное пространство), то её градиент в каждой точке поверхности будет показывать «в горку».

От экватора до 50—60° С с. и ю. ш. слой скачка на глубинах от 300 до 1000 м существует постоянно (главный термоклин). Так как слой температурного скачка — слой изменения плотности, в нем всегда скапливаются живые организмы. Резко выраженный слой скачка плотности препятствует опусканию взвешенных в воде предметов. Например, подводная лодка может лежать на слое скачка как на грунте, откуда и произошел термин “жидкий грунт”.

Если рассматривать температурный режим не только открытых частей океанов, но и морей, то и здесь ярко проявляется зависимость температуры от широты, хотя влияние суши, водообмен с океаном и другие причины вносят коррективы в эту связь. Самая высокая температура отмечена на поверхности внутриматериковых тропических морей (в Красном море до +32°С). Самая низкая температура в полярных морях не опускается ниже —2°С.

Вертикальное распределение температуры воды в морях зависит, в первую очередь, от водообмена с соседними частями океана. В морях, отделенных от океана порогом, распределение температур зависит от глубины порога, солености моря, температуры на его поверхности. Так, в Средиземном море температура воды у дна (4400 м) +13° С. Окраинные моря, свободно сообщающиеся с океаном, по характеру распределения температур не отличаются от открытых частей океана.

Слой скачка образуется при интенсивном ветровом и конвективном перемешивании поверхностного слоя или при наложении друг на друга двух масс воды различного происхождения. Слой температурного скачка (термоклин) обычно возникает при сильном прогревании верхнего слоя воды и его ветровом перемешивании. Слой скачка солёности (галоклин) и плотности (пикноклин) образуется при распространении по поверхности моря пресных вод материкового стока или образующихся при таянии льдов.

Мощность слоя скачка колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров, а величина вертикального градиента в нём может превышать по температуре 8-10°С на метр, по солёности 5 ‰ на метр, по плотности 0,05-0,07 кг/м³ на метр. Слой скачка характерен для небольших глубин моря. В отдельных случаях по вертикали могут располагаться несколько слоев скачка.

            Главное препятствие для обживания термоклина, для некоторых видов рыб - это недостаток кислорода. Поэтому для многих видов термоклин становится почти непроходимой границей, как бы "жидким дном". В первую очередь, это касается судака, который довольно чувствителен к содержанию кислорода в воде. По предположению Эла Линднера (9), щука, возможно, способна существовать ниже термоклина, но при условии нормальных - не ниже 6 - значений pH. В любом случае, если кислородные условия в термоклине и позволяют таким рыбам, как щука и судак, проникать в эти слои, то активно охотиться они там не смогут. Учитывая все это, стоит вспомнить об упоминавшемся выше свойстве термоклина опускаться в течение теплого сезона во все более глубокие горизонты водоема. Поскольку поверхность термоклина только грубо соответствует форме ложа водоема, отдельные элементы рельефа дна, например, подводные плато, могут в результате опускания границы эпилимниона оказаться над термоклином. (Эпилимнион - богатый кислородом, верхний, наиболее интенсивно перемещаемый слой глубокого водоема. В пределах эпилимниона происходит резкое падение температуры с глубиной.) На таких участках возникают достаточно специфические условия для хищников: кислорода хватает, оптимальное, благодаря большой глубине, сумеречное освещение, наконец, сюда собирается различная кормовая рыба.

 Глава II.

Методика проведения эксперимента.

 Цели и задачи исследования.

       В данной работе мы поставили перед собой следующие цели: 

1. рассмотреть вопрос о поведении границы между горячей и холодной водой;
2. сравнить свойства воды в горячем и холодном слоях.

       Для достижения поставленной цели мы определили следующие задачи:

• выяснить, от чего зависит скорость движения границы между горячим и холодным слоями жидкости;
• определить коэффициент поверхностного натяжения, плотность жидкостей в горячем и холодном слоях воды;
• сравнить растворимость газов в горячей и холодной воде.

В трёхлитровую банку с водой нужно неглубоко погрузить кипятильник и включить его в сеть. Когда вода в верхней части банки закипит или будет близка к кипению                  (≈96 ˚С), капнем в воду тушь. Мы увидим, что в жидкости образовались две зоны: верхняя (окрашенная тушью) и нижняя (чистая). Между слоями горячей и холодной воды образуется четкая граница (см. приложение 1). В верхней и нижней частях измеряем температуру и получаем следующие результаты: в верхней части температура всюду одинаковая и равна 96˚С, а внизу температура 25˚С (на дне), ближе к границе раздела слоёв температура повышается до 30˚С. Это означает, что на границе этих участков существует перепад температуры ∆t = 66 - 71˚C. Вода в верхней и нижней частях ведет себя как две несмешивающиеся жидкости.

Исходя из результатов, указанных выше, предлагаем проведение эксперимента в несколько этапов.

Первый этап.

Экспериментально установить  зависимость толщины нижнего слоя (холодного) от времени.

Второй этап.

Экспериментально установить, от чего зависит скорость движения границы раздела между горячей и холодной водой.

Третий этап

Изучить физические свойства воды в горячем и холодном слоях по разные стороны от термоклина.

На первом этапе проведём следующий опыт. Нагреем сверху жидкость, в нашем случае –– воду, в сосуде. В тот момент, когда температура воды возле нагревателя будет близка к кипению, капнем немного туши или другого красящего вещества. Мы увидим, что образуются два слоя: чистый и окрашенный, а между ними –– чёткая граница. Эта граница существует длительное время. При нагревании она медленно перемещается вниз. Через h обозначим толщину холодного слоя воды и через одинаковые промежутки времени будем измерять толщину холодного слоя. По данным опыта построим график зависимости толщины холодного слоя от времени. При выключении нагревателя из сети граница замедляет своё движение и в дальнейшем останавливается. Значит, заметное движение границы происходит только при температуре верхнего слоя близкой к температуре кипения. Следовательно, можно предположить, что движение границы –– это результат интенсивного перемешивания воды в горячем слое.

На втором этапе экспериментально установим зависимость скорости движения границы:

1. от перепада температур между горячим и холодным слоями
2. от механического воздействия на горячий слой воды
3. от мощности нагревателя.

В первой части эксперимента проведем исследования при различных значениях температур между горячим и холодным слоями воды.

Первый опыт проходит при перепаде температур 70˚С (температура горячей воды - 96˚С, холодной - 26˚С), второй –– при перепаде температур 50˚С (температура горячей - 96˚С, холодной - 46˚С). Результаты эксперимента смотри в приложении №3.

Вывод: Скорость движения границы зависит от перепада температур. Чем больше

       перепад температур, тем быстрее граница движется вниз.

При отключении нагревателя граница прекращает своё движение вниз. Если начать осторожно перемешивать воду в верхнем слое, то граница снова начинает двигаться.

Вывод: Движение границы происходит при механическом воздействии на термоклин.

Изменяя мощность нагревателя (300Вт, 800Вт) наблюдаем за движением границы. По данным опытов строим графики зависимости скорости движения границы от времени.

Вывод:  Скорость движения термоклина зависит от мощности нагревателя: чем

               больше мощность, тем выше скорость.

Из приведённых опытов можно сделать следующие выводы:

1. Скорость движения границы между горячей и холодной водой зависит от перепада температур. При уменьшении разницы между температурой горячей и холодной воды скорость уменьшается, вплоть до остановки границы. Но сама граница сохраняется.
2. При механическом перемешивании воды в верхнем слое граница движется.
3. Скорость движения границы зависит от мощности нагревателя. С увеличением мощности нагревателя скорость движения границы линейно возрастает.

Чтобы объяснить полученные результаты опытов формулами, обозначим через Р - мощность нагревателя, тогда Q = Р ∙ t – это количество теплоты, получаемое от нагревателя. Некоторая часть этого количества теплоты Q1 = P1 ∙ t отдаётся в окружающее пространство. На нагревание жидкости толщиной ∆h от температуры холодного слоя до температуры горячего слоя, то есть ∆t градусов требуется количество теплоты Q2 = c ∙ m ∙ ∆t, где m =  ρV= ρS∆h,

с – удельная теплоёмкость воды;

ρ – плотность воды;

S – площадь поперечного сечения сосуда.

Согласно закону сохранения энергии

Q = Q1 + Q2

Q = Q1 + c ∙ ρS∆h ∙ ∆t

Р ∙ t = Р1 ∙ t + c ∙ ρS∆h ∙ ∆t

Отсюда найдём скорость движения границы

Проанализируем эту формулу. Из неё видно, что скорость границы линейно зависит от толщины слоя, причём при некоторой толщине скорость должна стать равной нулю. Это происходит потому, что по мере увеличения толщины растут потери энергии и наступает момент когда вся энергия от нагревателя будет уходить в окружающее пространство. Если потери мощности в окружающее пространство постоянны, то при увеличении мощности нагревателя скорость движения границы увеличивается.

Объясним результаты экспериментов.

Движение границы между горячим и холодным слоями возможно только в том случае, когда в горячем слое возникает интенсивное перемешивание жидкости. Попытаемся объяснить механизм движения границы. Рассмотрим поверхность раздела слоёв горячей и холодной воды. В результате процесса диффузии и соударений молекул под поверхностью раздела появляются молекулы, обладающие большими скоростями. Тонкий слой воды становится горячим и через некоторое время «смывается» конвективными потоками горячей воды. Этот микропроцесс и приводит к движению границы вниз.

Итак, в случае нагрева жидкости сверху тепло передаётся не только с помощью теплопроводности, но и благодаря движению границы, обусловленному конвекцией жидкости в горячем слое. При этом конвекция обеспечивает практически одинаковую температуру во всех точках верхней части.

На третьем этапе работы рассмотрим свойства горячего и холодного слоёв.

Для этого:

1. определим коэффициент поверхностного натяжения горячего и холодного слоя;
2. измерим плотность жидкости в горячем и холодном слое;
3. определим соотношение содержания газов в горячей и холодной воде.

1)  С помощью динамометра типа ДПН измерим коэффициент поверхностного натяжения горячей и холодной жидкости методом отрыва петли.

Для измерения поверхностного натяжения проволочную петлю полностью погружают в жидкость, а затем медленно вытаскивают из жидкости. При этом на петле образуется плёнка. Когда сила упругости пружины динамометра станет по модулю равна силе поверхностного натяжения F, плёнка разрывается. Коэффициент поверхностного натяжения рассчитываем по формуле (результат см. в приложение №5):

 , где l – ширина тонкой плёнки.

Горячая и холодная вода имеют разный коэффициент поверхностного натяжения. Следовательно, граница обладает поверхностным натяжением. Доказательством этого может служить отражение колец из туши от границы.

Если отключить нагреватель и капнуть из пипетки тушью с высоты несколько сантиметров над уровнем воды, в воде образуется кольцо, движущееся вниз. Если энергия кольца мала, то оно отразится от границы, а затем разрушится. Если же энергия кольца достаточно большая, оно может пройти через границу, но сразу же после этого разрушиться.

2) С помощью ареометра измерим плотность горячей и холодной воды.

Получили следующие результаты:

при  t = 21˚C плотность холодной воды –– 990 кг/м3, а при температуре 87˚С плотность горячей воды –– 965 кг/м3. Это означает, что жидкость по разные стороны от термоклина имеет разную плотность.

       3) Над водой находится воздух. Тепловое движение молекул воды и воздуха приводит к тому, что сквозь границу «вода-воздух» прорываются и молекулы воздуха, и молекулы воды. Проникновение молекул воды в воздух есть не что иное как испарение. Проникновение молекул газов, составляющих воздух, в воду и дальнейшая их диффузия по всему объёму воды –– это растворение воздуха в воде.

Проведём следующий эксперимент. Капнем из пипетки с высоты нескольких сантиметров тушью. Пройдя сквозь границу раздела горячей и холодной воды, в холодной жидкости образуются чёрные точки –– это пузырьки воздуха, растворённого в холодной воде. Если же капелька туши остаётся в горячей воде, то такого количества чёрных точек мы не наблюдаем. Это говорит о том, что в холодном слое жидкости содержится намного больше растворённых газов.

Значит, в горячем и холодном слоях воды содержится разное количество растворённых газов (приложение 6). Количество газа,  растворённого в жидкости, зависит от температуры. При нагревании воды, растворённый в ней воздух выделяется. Растворимость газа в жидкости при повышении температуры всегда уменьшается.

Заключение

В заключении рассмотрим, существуют ли полученные нами закономерности в Мировом океане.

Мировой океан –– это, прежде всего, вода. Объём её равен 1338000000 км3, что составляет 97% всей воды на Земле. Но это не только масса воды, поражающая своей грандиозностью и величием. Это и огромное количество растворённых в воде химических соединений и разнообразных частиц, находящихся во взвешенном состоянии. Морская вода как особо сложная система характеризуется большим числом различных параметров. При помощи специального глубоководного термометра учёными были проведены измерения температуры на разных глубинах. При этом были выявлены общие закономерности, с которыми полностью согласуются результаты наших исследований:

• самый верхний слой вод, хорошо перемешиваемый ветрами, имеет почти одинаковую по вертикали температуру; толщина этого слоя 25-50 метров.
• на нижней границе этого однородного слоя температура скачком понижается.
• нижележащая толща воды характеризуется дальнейшим, но более плавным, понижением температуры, в среднем, от 17 до 7˚С.
• вода почти однородна по температуре, так как она одного и того происхождения, поступающая из Полярных областей Земли.

Наиболее существенно температура воды меняется на поверхности океанов. Тепловой режим поверхности океанов определяется Солнцем. В среднем, во все сезоны в открытом океане пространственное распределение температуры примерно одинаково: температура воды повсеместно снижается по мере удаления от экватора. Областям планеты, находящимся ближе к экватору, Солнце передаёт больше тепла, чем областям, расположенным дальше к северу и югу от него. Поэтому вблизи экватора наблюдаются наиболее высокие температуры на поверхности воды в открытом океане (до 28 - 29˚С).

Таким образом, изучив карту распределения температуры поверхностных вод, мы пришли к выводу, что температура поверхности воды зависит от географической широты

60˚ с.ш. –– 5˚С

40˚ с.ш. –– 15˚С

20˚ с.ш. –– 20˚С

0˚ –– 25˚С

Изменение температуры с глубиной происходит в таком порядке:

Из приведённых данных можно сделать вывод, что материк Антарктида за счёт льдов и своего размера сильно охлаждает близ лежащие воды, поэтому мы наблюдаем несоответствие средних температур поверхностных вод в северном и южном полушариях.

Эти данные так же соответствуют нашему выводу о том, что глубина распространения границы между горячим и холодным слоями воды зависит от мощности нагревателя. В природе таким нагревателем является Солнце.

Из приведённых данных можно сделать вывод, что материк Антарктида за счёт льдов и своего размера сильно охлаждает близ лежащие воды, поэтому мы наблюдаем несоответствие средних температур поверхности вод в северном и южном полушариях.

В среднем же во все сезоны в открытом океане пространственное распределение температуры примерно одинаково: температура воды повсеместно снижается по мере удаления от экватора.

Теперь ответим на вопрос, почему границы между различными слоями в океане с течение времени не перемешиваются, а происходит постепенное выравнивание температуры?

Объяснить это можно конвекцией, которая в океане существует во всех слоях (а не только в горячем, как в наших опытах).

Рассмотрим два соседних слоя.  В результате диффузии и соударений между молекулами по обе сторо6ны границы раздела оказываются как «холодные», так и «горячие» молекулы. Они подхватываются конвективными потоками и уносятся от границы. При этом, если конвекция одинаково интенсивна с обеих сторон границы, сама граница не движется, хотя передача энергии происходит, и температуры постепенно выравниваются.

Главным признаком вод Мирового океана является высокая солёность (солёность выражается в долях (граммах) на 1 кг воды), которая определяется количеством растворённых в воде солей. Это количество оценивается примерно в 4,92 • 10 16 m

Повышенная солёность океанической воды во многом определяет важнейшие физические процессы жизни океана.

В пресноводных водоёмах вода имеет наибольшую плотность при температуре 4˚С, что выше температуры её замерзания (0˚С) и поэтому при дальнейшем охлаждении водной поверхности перемешивание не происходит.

В водах с увеличенным количеством растворённых солей температура, при которой вода имеет наибольшую плотность, понижается. При солёности 24,7 ‰ Она становится равной температуре замерзания. При солёности, превышающей указанную величину, температура замерзания оказывается выше температуры наибольшей плотности. А раз так, в океане даже после образования льда перемешивание способно осуществляться на любой глубине. Вода может перемешиваться в более плотные и насыщенные кислородом поверхностные слои. Если бы соленые воды океана не обладали таким свойством, было бы затруднено «проветривание» их огромной толщи, а  при недостатке кислорода жизнь могла бы существовать только в самых верхних слоях.

Используя данные наших экспериментов, ответим на вопрос: Почему же выравнивание «солёности» происходит существенно медленнее, чем выравнивание температуры?

Связано это с поверхностным натяжением, которым обладает граница раздела. Известно, что коэффициент поверхностного натяжения раствора соли больше, чем чистой воды. Граница, как и всякая физическая система, стремиться иметь минимальную поверхностную энергию, поэтому ионы, на которые в воде распадаются молекулы соли, в большинстве своём находятся  вдалеке от границы, и их диффузия начинает заметно проявлять себя только тогда, когда поверхностное натяжение границы существенно уменьшится.

Возникновение границы между тёплой и холодной водой можно, наверное, объяснить не только слоистость океана. Возможно, что это явление существенно влияет на образование чётких и устойчивых границ океанических течений.

Явление различия температуры поверхностных и глубоколежащих вод лежит в основе работы гидротермальных (или моретермальных) электростанций.

Принцип использования разницы температур достаточно прост. Известно, что с уменьшение давления понижается температура кипения воды и соответственно температура образования пара. Когда разогретая вода засасывается вакуумом 0,01 атм. она вскипает, и образуется пар способный вращать турбину, соединённую с генератором. Функция же холодной воды заключается в охлаждении пара, поступающего в конденсатор.

Существенных перепадов температуры между поверхностным слоем и нижележащими слоями в Баренцевом море не существуют и, поэтому строительство гидротермальной электростанции как одного из альтернативных источников электроэнергии на Кольском полуострове является не целесообразно.

Итак, в своей работе мы на модели изучили свойства термоклина воды,  убедились, что полученные закономерности действительно имеют место в Мировом океане, и широко могут быть использованы на практике.

Список литературы

1. География материков и океанов. М. издательство «Просвещение» 2006г.
2. Практикум по физике в средней школе. Под редакцией В.А.Бурова, Ю.И. Дика. М. издательство «Просвещение» 1987г.
3. Справочник по физике          Ланcберг, М. издательство «Просвещение»
4. Энциклопедия для детей. Т.3. География. 3-е изд. Главный редактор М.Д. Аксенова- М. - Аванта + 1999
5. «Щука. Руководство рыболова» Эл Линднер 1995г.
6. http://www.arsenal-tour.ru
7. http://www.oceanwater.ucoz.ru
8. http://www.okeanavt.ru
9. http://www.rybak-rybaka.ru