Souhrnný sborník Veletrhu nápadů učitelů fyziky

O příspěvku

PDF ke stažení

Holubová R.

Transportní děje v atmosféře jsou pro žáky určitě zajímavým tématem. Na úrovni základní a střední školy však nelze tyto problémy řešit komplexně, neboť žáci nemají potřebný matematický aparát. Můžeme však v dostatečném přiblížení tyto děje vysvětlit a simulovat pomocí velice jednoduchých experimentů. Jako příklad jsem si vybrala Golfský proud a vznik mořské brízy.

Klíčová slova: proudění kapalin, proudění vzduchu, bríza, granule

Golfský proud

Golfský proud je jeden z nejznámějších mořských proudů a v souvislosti s problémy globálního oteplování také hodně diskutovaný. Proud má zásadní vliv na klima v Evropě. Než budeme realizovat experiment, je třeba, aby se žáci seznámili se základními aspekty vzniku lokálního a rozsáhlého konvektivního proudění a jeho mechanismem. Pod ledem v polárních oblastech se nachází studená slaná voda, mající relativně vysokou hustotu, která klesá směrem ke dnu. Na místo této studené vody se tlačí voda teplejší – vzniká proudění.

Golfský proud transportuje až 1,5.10⁸ m³ vody za sekundu. Název pochází od Benjamina Franklina a vychází z pojmenování Golfského zálivu. Dříve se nazýval Floridský proud či Canal de Bahama. Na sever od Britských ostrovů pokračuje jako Severoatlantický proud.[3]

V Mexickém zálivu se masy vody zahřívají, pasáty tlačí tuto masu vody proti pobřeží Ameriky a proud se stáčí podél pobřeží Severní Ameriky směrem k severu (viz obr. 1 – převzato z http://www.ucsusa.org/global_warming/science_and_impacts/science/abrupt-climate-change.html).

Golfský proud je spojením Floridského proudu a proudu Antilského od severní části Bahamských ostrovů. Proud je široký 100 – 200 km a dlouhý asi 2 500 km. V blízkosti Mysu Hatteras (Severní Karolína) se proud odpoutává od pobřeží a směřuje do volného Atlantiku (dáno geografickými podmínkami mořského dna). Směřování proudu směrem k Evropě je ovlivněno srážkou s Labradorským proudem a vlivem Coriolisovy síly. Vlivem rozdělení proudu, vyzařováním tepla a vlivem vypařování proud ztrácí část své energie. Se svou rychlostí proudu (která je asi 9 km/h) a mohutností 150 Sv (1 sverdrup = 10⁶ m³/s) patří Golfský proud k nejsilnějším oceánským proudům světa.

Simulace Golfského proudu – pokus 1

Akvárium naplníme slanou vodou pokojové teploty. Nad jeden konec akvária umístíme 500 W halogenovou zářivku (simuluje Slunce). Zářivku zapneme a asi 10 minut vodu pod zářivkou zahříváme. Po 10 minutách zavěsíme na druhý konec akvária do vody led umístěný např. v síťce. Na síťku si umístíme další drátek, kterým můžeme regulovat míru ponoření ledu. Led by měl být ponořen jen několik málo centimetrů, aby povrchové vrstvy vody mohly lehce proudit pod led. Ledu musí být dostatečné množství. Po ponoření ledu do vody počkáme asi 2 minuty, potom napříč přes akvárium nalepíme pásek filmu poprášený hypermanganem. Voda protékající pod filmem se barví do fialova. Pozorujeme proudění směrem od zdroje tepla k ledu. Dosáhne-li voda oblasti ledu, zasouvá se pod led, ochladí se a klesá ke dnu akvária. Podél dna proudí zpět ke zdroji. Místo hypermanganu lze do vody kápnout trochu inkoustu.

Tento experiment poskytuje pouze jednoduchý model proudění. Golfský proud je však komplexní a složitý mechanismus, který je součástí světových oceánů. Na modelu lze ukázat, že ochlazená vrstva vody se nedokáže zvednout zpět až na povrch.

Katastrofické scénáře – globální oteplování a Golfský proud – pokus 2

Proudění ustane, pokud roztaje všechen led. Další experiment: do akvária dáme slanou vodu, počkáme, až se hladina uklidní. Do vody dáme 3 kostky ledu a počkáme asi půl minuty. Na led položíme zrnka hypermanganu. Vrstva roztátého ledu, která se vytvoří nad slanou vodou, se obarví hypermanganem. Dostaneme barevnou vrstvu. Toto vrstvení je stabilní, k proudění nedochází. Podobně by to možná dopadlo s Golfským proudem, kdyby vlivem globálního oteplování roztál všechen led v severních polárních oblastech a do moře by se dostalo velké množství vody sladké.

Golfský proud je stále předmětem zkoumání různých světových odborníků (např. z Univerzity Hokkaido, University of Hawai), kteří potvrdili vliv proudu na dění v troposféře, a tím také vliv na počasí na severní polokouli.

Vznik rozdílů tlaku a větru – mořská bríza ve třídě

U moře většinou stále fouká. Je to způsobeno tím, že pevnina se ve dne ohřívá Sluncem rychleji než moře a naopak v noci se pevnina rychleji ochlazuje. Ve dne vane vítr z moře na pevninu (mořská bríza), večer a v noci z pevniny na moře (pevninská bríza). Mořská bríza vzniká krátce po východu Slunce, postupně zesiluje a svého maxima dosáhne kolem poledne, večer je potom nahrazena pevninskou brízou, která je podstatně slabší.

Pokus 3 – mořská bríza

Vznik tohoto proudění lze simulovat velice jednoduše. Potřebujeme větší počet čajových svíček (zdroje tepla a také indikátory konvektivního proudění). Svíčky umístíme na podložku mimo průvan do kruhu a zapálíme. Nad hořícími svíčkami je vzduch zahříván a stoupá vzhůru. Teplý vzduch je nahrazován okolním studeným vzduchem, který se tlačí na jeho místo. Toto horizontální prudění odpovídá přízemnímu mořskému větru, který vane od moře směrem k pevnině. Existenci proudění ukazují plamínky svíček, které se stáčejí ve směru proudění.

Pochopení procesů v atmosféře vyžaduje hlubší studium, než jen tento experiment, týkající se kvazistacionárního konvektivního proudění. Jedná se zejména o pochopení vzniku tlakových rozdílů, adiabatického děje a vzniku vertikálního teplotního gradientu (asi 0,65 K/100 m).

Když už hovoříme o mořské bríze a pobytu u moře, vzpomeneme si na naše procházky po mořském břehu a hledání mušlí či kamínků. Z vlastní zkušenosti víme, že se objevují místa, kde je mušlí a velkých kamínků více, naproti tomu delší úseky pláže jsou hladké.

Stejně tak určitě znáte rčení, že kameny rostou na poli. Závěr je jednoznačný – „velké“ je vždy nahoře. Stejný efekt lze pozorovat, i když mícháme např. kuličky a rýži.

Míchání granulí

Tento jev souvisí s problematikou popisu chování látek ve formě granulí – buď je lze studovat samostatně jako pevné látky, nebo jako soubory, které se blíží vlastnostem kapalin. Je zde však řada rozdílů mezi kapalinou a granulemi – kapalina se rozlévá, granule vytvoří homoli, při výtoku kapaliny otvorem závisí na výšce kapaliny nad otvorem, u granulí výtoková rychlost na množství nezávisí (viz přesýpací hodiny), rozdílné je také chování obou látek při míchání.

Model

Ve sklenici smícháme částice různé velikosti a přibližně stejné hustoty. Když budeme sklenicí pohybovat rytmicky nahoru a dolů, shromáždí se velké částice nahoře. Směs přestane být promíchána.

Vysvětlení

Model mezer

Vycházíme z dobře promíchaného systému. Pokud láhví pohybujeme nahoru a hned rychle dolů, aby částice z důvodu setrvačnosti neměly možnost sledovat tento pohyb, dostanou se do stavu, kdy je tíhová síla značně zmenšena a tím se zmenší síly tření z počátečního uspořádání. Proto stačí malé poruchy k tomu, aby se částice vzájemně posunuly a zaujaly nové rozmístění, které je výchozí pro nový pohyb nahoru a dolů. Přitom existuje velká pravděpodobnost, že se malé částice přesunou do mezer v blízkosti velkých částic. Tato pravděpodobnost je značně větší než opačný jev, že se velké částice dostanou do mezer mezi malými částicemi. Navíc při pohybu dolů je větší pravděpodobnost, že se malé částice posunou podél velkých částic. Protože velké částice mají velký průřez, jejich předbíhání malých částic je složitější – musí předbíhat více částic. Zaujímají-li malé částice větší prostor, než je objem mezer, skončí velké částice při změně pohybu (větší třecí síla) o něco výše. Tento stav je počátečním stavem pro nový pohyb směrem vzhůru. Tento proces se opakuje, malé částice se propadají stále níže, až se velké částice nacházejí všechny nahoře. Účinnost tohoto pohybu závisí na vzájemném poměru velikostí částic, není ale na první pohled zřejmé, jak. Na jedné straně se zdá, že velká koule je vyzdvižena tím výše, čím větší je malá kulička, která se posouvá do mezery. Na druhé straně je samozřejmé, že pravděpodobnost je tím větší, čím menší jsou kuličky. Musí tedy existovat nějaký ideální poměr.

Model proudění

V případě, že jsou rozměry nádoby mnohem větší, než je rozměr částic a stěny nádoby nejsou ideálně hladké, podléhají částice kolektivnímu konvekčnímu proudění. Jev lze zviditelnit vložením vrstvy stejně velkých různobarevných kuliček. Kuličky stoupají uprostřed nádoby a klesají při jejích stěnách. Tomuto pohybu podléhají i velké kuličky, které se tímto způsobem dostávají nahoru. Velké částice, pokud jsou podstatně větší než ostatní částice, tomuto pohybu nepodléhají a zůstávají nahoře.

Původ konvekce je třeba vidět v tření částic se stěnami nádoby. Při potřásání nejsou částice na okraji, které jsou ve styku se stěnou, zvedány tolik jako ostatní, zaostávají a s každým cyklem třepání se posunou o něco níže. Z hlediska kontinuity toku jsou částice uprostřed zvedány. Velké částice zůstávají nahoře, protože zaujímají více poloh. Zasahují do oblasti, kdy malé částice již nejsou vystaveny tření se stěnami. Síla směrem dolů se omezí jen na jeden okraj velké částice a není dostatečně velká, aby částici posunula dolů. Navíc se uplatňuje mechanismus děr – pohyb nahoru podporuje stoupání velkých částic, pohyb dolů ji omezuje.

Z hlediska 2. věty termodynamiky lze tento proces popsat růstem entropie (dissipace energie), tzn. růstem neuspořádanosti.

Literatura

[1] Tim Flannery: Měníme podnebí – Minulost a budoucnost klimatických změn.  Nakl. Dokořán 2007. ISBN 978-80-7363-121-5

[2] http://www.ceskaenergetika.cz/nezarazene_clanky/zapisnik_o_pocasi_3.html

[3] Amy Tikkanen: The Gulf Stream. Encyklopedia Britannica 2009. (dostupné on-line: http://www.britannica.com/EBchecked/topic/424285/ocean/67122/The-Gulf-Stream-and-Kuroshio-systems?anchor=)

[4] Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule. 6/53, 1.September 2004. Aulis Verlag Deubner

 

Příspěvek byl zpracován v rámci řešení projektu Evropského sociálního fondu a Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky, OPVK - Investice do rozvoje vzdělávání, s názvem Přírodovědec – Rozvoj odborných kompetencí talentovaných studentů středních škol ve vědecko výzkumné práci v oblasti přírodních věd, reg. č. CZ.1.07/2.3.00/09.0040.

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.