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WISSENSCHAFTLICHES LABOR FÜR KINDER
Großer Löffel Natur. Wissenschaftliches Kinderlabor
Verzeichnis / Wissenschaftliches Kinderlabor Im Februar 1970 versuchten drei amerikanische Wissenschaftler – G. Stommel, L. Howard und D. Nergard – unweit der Insel Martinique in der Karibik mit beneidenswerter Beharrlichkeit, einen kilometerlangen Plastikdarm wie diesen unter Wasser zu treiben Gärtner gießen Blumen und Bäume. Der flexible Darm verhedderte sich und brach, was den Wissenschaftlern viel Ärger bereitete, aber sie erreichten trotzdem ihr Ziel: Am Ende „hing“ der Darm senkrecht – von der Wasseroberfläche bis in eine Tiefe von 1000 Metern. Und dann sahen die Wissenschaftler, was sie sehen wollten: Sie überprüften experimentell die theoretischen Aussagen, die G. Stommel, A. Arong und D. Blengard 14 Jahre zuvor in der Arbeit „Oceanographic Riddle“ geäußert hatten, und stellten sicher, dass diese Bestimmungen wahr sind. Die Autoren dieser theoretischen Arbeit kamen zu dem Schluss, dass, wenn beispielsweise in der Sargassosee in der Nähe von Bermuda, ein Kupfer Wird beispielsweise ein 1000 Meter langes Rohr vertikal abgesenkt und hat einen Innendurchmesser von 2 Zentimetern, damit das Ende nicht zu weit über das Wasser hinausragt, dann lässt sich ein erstaunliches Phänomen beobachten, das die Autoren das „Ewige“ nannten Salzbrunnen". Um diesen Brunnen zu starten, genügt es, das obere Ende des Rohrs an die Pumpe anzuschließen, sie einzuschalten und genau so lange eingeschaltet zu lassen, wie nötig ist, um eine Portion weniger salzhaltiges Wasser aus tausend Metern Tiefe zu fördern. Danach kann die Pumpe abgeklemmt werden und das Wasser aus der Leitung sprudelt von selbst. Tatsache ist, dass die Pumpe ab einer Tausend-Meter-Marke kaltes Wasser, das weniger salzhaltig ist als Wasser in höheren Schichten, in das Rohr zieht. Beim Aufsteigen erwärmt sich das Wasser etwas und erhält über die Rohrwände Wärme vom etwas wärmeren Wasser der oberen Schichten. Die Kupferwände des Rohrs sorgen für den Wärmeaustausch, aber nicht für den Salzaustausch, sodass das Wasser im Rohr beim Aufstieg wärmer wird, leicht salzig bleibt und daher relativ weniger dicht ist. Daher ist eine in einem Rohr enthaltene Wassersäule leichter als eine entsprechende Wassersäule außerhalb des Rohrs. Der Gewichtsunterschied führt zu einem Druckunterschied, der letztendlich dazu führt, dass das weniger salzhaltige Wasser im Rohr aufsteigt. Wenn das Rohrende nicht zu weit über die Oberfläche hinausragt, ist genügend Überdruck vorhanden, um die „ewige Fontäne“ zu betätigen, und es strömt kontinuierlich weniger salzhaltiges Wasser aus dem überstehenden Rohrende. Dieser Prozess wird so lange andauern, bis das Wasser in der Sargassosee gut vermischt ist, also nahezu unbegrenzt.
Nachdem sie eine 60 Zentimeter hohe Salzfontäne erhalten hatten, begannen Wissenschaftler plötzlich zu zweifeln: Was wäre, wenn nicht der Dichteunterschied, sondern die Wellen an der Oberfläche das Wasser ansteigen ließen? Die Wellen bewegen einen flexiblen, elastischen Schlauch, der am Schwimmkörper befestigt ist, und verwandeln ihn möglicherweise in eine Art Pumpe, die die „ewige Quelle“ einfach mit Energie speist. Durch die Wiederholung des Experiments mit einem starren Schlauch konnten Zweifel ausgeräumt werden: Auch in diesem Fall funktionierte die Salzquelle. Versuchen wir, einen Salzbrunnen zu bekommen und wir. Dafür braucht es keinen Kilometerschlauch und statt Bermuda müssen wir einfach in die Küche. Und den tropischen Ozean, in dem das Wasser an der Oberfläche wärmer und salziger und in der Tiefe kälter und weniger salzig ist, werden wir mit einer breiten Pfanne modellieren. Wir benötigen außerdem einen Plastikbecher, beispielsweise unter dem Volna-Käse, in dessen Boden mit einer Nadel ein Loch gestochen werden soll.
Gießen Sie zunächst kaltes Leitungswasser in den Panozean, sodass die Tiefe dieser unteren Schicht 3 bis 4 Zentimeter beträgt. Wir stellen einen Plastikbecher mit einem Loch verkehrt herum ins Wasser. Nun gießen wir ganz vorsichtig, um eine Vermischung so weit wie möglich zu vermeiden, warmes Wasser in den Topf, bis kaltes Wasser aus dem Loch im Glas austritt. Und schließlich simulieren wir die Oberflächenschicht des tropischen Ozeans – dazu gießen wir (wiederum mit äußerster Vorsicht) eine dünne Schicht heißes Salzwasser über die warme Wasserschicht. Ozean ist bereit. Wenn Sie nun Farbe oder Tinte über das Loch im Becher tropfen, können Sie sehen, dass eine kleine Wasserfontäne aus dem Loch sprudelt und eine ozeanische Salzfontäne simuliert. Das aus dem Becher fließende Wasser hat ungefähr die gleiche Temperatur wie das Wasser außerhalb des Bechers in derselben Tiefe, ist jedoch weniger salzhaltig und daher leichter. Dadurch fließt das Wasser aus der Tasse. Der Brunnen wird so lange in Betrieb sein, bis Salz und Wärme gleichmäßig über das Volumen unseres „Ozeans“ verteilt sind. Finger salzen Aufgrund der Tatsache, dass sich Wärme in Salzlösungen viel schneller ausbreitet als Salz – etwa einmal pro Hundert – kann es im Ozean unter bestimmten Bedingungen zu einer Art natürlichem Kupferrohr oder vielmehr zu vielen kleinen Röhren kommen – unsichtbaren Kanälen Welche Bewegung findet Wasser im Wasser statt? Wenn eine Schicht warmen Salzwassers über eine Schicht kalten, nicht sehr salzigen Wassers gelegt wird, bilden sich an der Grenzfläche Miniatur-Salzfontänen, sogenannte „Salzfinger“ – Ströme weniger salzigen Wassers schlagen aufeinander und sind voneinander getrennt fallende Stränge von noch salzigerem Wasser.
Direkt im Meer konnte man Salzfinger nicht beobachten, aber bitte in der Küche! Dazu muss lediglich getöntes, salziges heißes Wasser in ein Glas kaltes Leitungswasser gegossen werden. Beim Eingießen sollte natürlich sehr vorsichtig vorgegangen werden, damit die Grenzfläche zwischen kaltem und heißem Wasser einigermaßen klar ist. Um eine klare Grenzfläche zwischen den Wasserschichten im „Ozean“ zu erhalten, empfiehlt D. Walker, heißes Wasser aus geringer Höhe auf ein Stück schwimmendes Brett zu gießen; K. Stong empfiehlt die Verwendung eines Papierkreises, der an einer Schnur auf die Oberfläche von kaltem Wasser in einem Glas gesenkt wird.
In wenigen Minuten, nachdem das Modell fertig ist, wachsen an der Schnittstelle Salzfinger mit einer Länge von 1 bis 5 Zentimetern und einer Dicke von etwa einem Millimeter. Dieses Phänomen hält ziemlich lange an – von mehreren Minuten bis zu mehreren Stunden. Die Entstehung und Entwicklung von Salzfingern kann durch Wellenanregung erklärt werden, die die zunächst ruhige Grenzfläche verformt. Kalte Wassertropfen steigen in heißes Wasser auf und umgekehrt. Aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeit der Wärmeausbreitung und der Salzdiffusion erwärmen sich die Tröpfchen, die sich oben auf der Trennlinie befinden, im Grunde nur, die Salzkonzentration in ihnen ändert sich kaum, sie werden leichter und steigen weiter an; Tröpfchen, die sich unterhalb der Trennlinie befinden, geben Wärme ab, werden kälter, werden schwerer und sinken.
Aufgrund der großen Wärmeverluste durch die Gefäßwände ist das Experiment mit den Fingern in einer salzig-warmen Umgebung nicht immer sofort erfolgreich. Der englische Physiker S. Turner schlug für das Experiment ein rationaleres Salz-Zucker-System vor, das aus zwei Lösungen besteht. Die erste Lösung ist salzig-süß: zweieinhalb Teelöffel Salz und ein Teelöffel Kristallzucker pro Glas Leitungswasser. Die zweite Lösung ist süß-salzig: zwei Teelöffel Zucker und ein Teelöffel Salz in einem Glas Leitungswasser. Zunächst wird eine salzig-süße Lösung in ein Glasgefäß gegossen – sie bildet die unterste Schicht des gesamten Systems. Dann wird die süß-salzige Lösung sehr vorsichtig und unter Beibehaltung der Grenzfläche in dasselbe Gefäß gegossen; es muss getönt sein (Tinte „Regenbogen“ – blau oder rot). Salzfinger treten innerhalb einer Stunde auf und halten mehrere Stunden an. Die Wachstumsrate der Finger in diesem Experiment hängt von der Geschwindigkeit der Salzdiffusion ab, und ihr Aussehen ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass Salz schneller diffundiert als Zucker. Die obere Schicht (süß-salzig) hat eine geringere Dichte als die untere, und die Grenze zwischen den Schichten sollte scheinbar stabil sein. Aber eine zufällige anfängliche Instabilität schickt eine kleine Menge der Zuckerlösung nach unten, und das Salz dringt schneller in die resultierende Ausbuchtung ein, als der Zucker in die umgebende Salzlake diffundiert. Durch die Zugabe von Salz wird die Ausbuchtung dichter als ihre Umgebung und stürzt nach unten, wodurch ein Finger entsteht. Auf die gleiche Weise verliert ein kleiner Salzwasserwulst aus der unteren, dichteren Schicht, der nach oben in die süß-salzige Lösung eindringt, sein Salz schneller als er Zucker aufnimmt, wird leichter als seine Umgebung und strömt in Form eines Wassers nach oben wachsender Finger. Salz-Oszillator Und schließlich noch ein weiteres erstaunliches Erlebnis, das auf dem Unterschied in der Dichte von Salz- und Süßwasser basiert. Für das Experiment benötigen Sie ein Glas aus Gemüsekonserven oder ein dünnes Teeglas, eine Aluminiumkartusche aus Validol oder einen Fotofilm. Sie können für einige Medikamente auch einen Plastikbecher verwenden. Stechen Sie mit einer vorzugsweise erhitzten Nadel in den Boden des Glases, sodass die Ränder des Lochs glatt sind. Es ist einfach, mit derselben Nadel ein Loch in eine Aluminiumkartusche zu stanzen.
Gießen Sie kaltes Wasser fast bis zum Rand in das Glas. Bereiten Sie Salzwasser vor (ein bis eineinhalb Teelöffel Salz pro Glas Wasser) und färben Sie es mit Regenbogentinte (blau oder rot). Befestigen Sie den Becher in einem Papphalter, indem Sie ein Loch entsprechend dem Durchmesser des Bechers hineinschneiden. Senken Sie es dann in das Glas und achten Sie beim Eingießen der Salzlösung darauf, dass der Wasserstand im Glas etwas höher ist als im Glas. Beobachten Sie jetzt, was passiert. Das dichtere, schwerere Salzwasser beginnt durch das Loch im Glas in das Süßwasser zu fließen. Es kann davon ausgegangen werden, dass es gleichmäßig fließt, bis der Salzlakespiegel im Glas so weit absinkt, dass der Druck der ausströmenden Salzlake dem Druck des Frischwassers im Glas auf Höhe des Lochs entspricht. Es scheint alles zu passieren. Der getönte Strahl wird dünner und verschwindet. Alle? Nein, nach einer Weile erscheint der Strahl wieder und verschwindet wieder. Das geht eine ganze Weile so.
Was im Glas passiert, wenn der Strahl aufhört, lässt sich leicht erraten, wenn man sich an das erste Erlebnis erinnert: Es gibt eine Quelle mit frischem Wasser – vom Boden des Glases, genauer gesagt, aus dem Loch, frisch, also leichter, Wasser steigt durch die Dicke der Sole nach oben. Wenn Süßwasser gefärbt wäre, könnten wir diesen Brunnen beobachten. So entstand ein bestimmtes Schwingungssystem, das nach dem Wissenschaftler, der diesen Effekt 1970 erstmals entdeckte, „Martin-Salz-Oszillator“ genannt wurde. Die Schwingungsdauer des Oszillators hängt hauptsächlich von der Größe des Lochs und der Temperatur des Süßwassers ab. Der Betrieb des Oszillators basiert auf den gleichen Mechanismen wie in früheren Experimenten.
A. Das System befindet sich im Gleichgewicht. Unterhalb des Lochs im Glas befindet sich frisches kaltes Wasser; über dem Loch befindet sich eine dichtere Flüssigkeit, Salzlake. B, C. Die Entstehung der Rayleigh-Taylor-Instabilität, des „Swings“ und der Beginn des Aufwärtsflusses von Süßwasser. Ein Salzoszillator, schreibt D. Walker, ist ein Beispiel für ein System, das nach Selbsterregung aufgrund der Rayleigh-Taylor-Instabilität (Instabilität an der Grenzfläche einer Schicht einer dichteren Flüssigkeit, die über einer weniger dichten Schicht liegt, wenn die Grenzfläche liegt) zu schwingen beginnt befindet sich im hydrostatischen Gleichgewicht), gefolgt von einer schnellen Anregung (Aufbau) an der Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten. Mit anderen Worten: In unserem Experiment ist trotz des Druckausgleichs im Loch eine Schicht einer dichteren Flüssigkeit, die über einer Schicht einer weniger dichten Flüssigkeit liegt, instabil und unterliegt einigen schwachen, zufälligen Störungen. Solche Störungen erzeugen eine leichte Ausbeulung an der Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten. Aufgrund des Dichteunterschieds befindet sich ein Teil der weniger dichten Flüssigkeit oben auf der alten Grenzfläche und ein Teil der dichteren Flüssigkeit wird nach unten gedrückt. Diese Instabilität nimmt schnell zu, der Salzoszillator beginnt zu arbeiten. Nach oben eindringendes Süßwasser beschleunigt seinen Fluss durch das Loch, da es leichter ist als Salzwasser auf gleicher Höhe auf der anderen Seite des Lochs. Eine Quelle frischen Wassers beginnt zu schlagen, und irgendwann kommt der Moment, in dem dieser Strahl den Ausfluss des Salzwassers stoppt. Das Pumpen von Wasser in den Becher führt nach und nach zu einer Erhöhung der Flüssigkeitshöhe darin und damit zu einem Druckanstieg auf Höhe des Lochs. Durch den Wasserverlust aus dem Glas sinkt der Wasserstand leicht, da das Glas breiter als die Tasse ist. Schließlich kommt der Moment, in dem der Druck des Salzwassers im Loch so groß wird, dass die Süßwasserquelle nachlässt und dann ganz zum Stillstand kommt. Der Zyklus ist vorbei. Jetzt ist zu viel Wasser in der Tasse und der Strahl erscheint wieder. Allmählich nimmt der Durchfluss ab, bis der Druck an der Öffnung wieder ausgeglichen ist. Dann verursacht eine zufällige Störung erneut eine Ausbuchtung an der Grenzfläche – eine Quelle frischen Wassers erscheint. Somit wechselt die Strömung: entweder nach oben oder nach unten – das ist der Salzoszillator. Die Durchflussmenge hängt vom Durchmesser des Lochs im Becher und von der Viskosität der Flüssigkeit ab. Wie im vorherigen Experiment können Sie auch andere Flüssigkeiten ausprobieren. Wichtig ist nur, dass sie sich in der Dichte unterscheiden und sich nicht vermischen, wie beispielsweise Alkohol und Wasser. D. Walker berichtet, dass er versuchte, mit leicht blau gefärbtem Wasser und einer rot gefärbten Melasselösung zu arbeiten und seiner Meinung nach ein geradezu sagenhaftes Schauspiel beobachtete. Für das Gerät des Oszillators verwendete S. Martin eine medizinische Spritze. Die Schwingungsdauer betrug in diesem Fall 4 Sekunden und die Betriebsdauer des Oszillators betrug 20 Zyklen. Unser Oszillator mit einer Aluminiumkartusche von Validol, abgesenkt in ein Teeglas, arbeitete eine Stunde lang im 10-Sekunden-Takt.
Ein großer Oszillator, bestehend aus einem Fünf-Liter-Gefäß und einer Polyethylenflasche mit Iskra-2-Bleichmittel in einer leicht mit Zucker gesüßten und stark mit blauer Tinte getönten Salzlösung, gab einen langen Strahl mit einem 20-Sekunden-Zyklus ab. Neben dem Wirbel-„Regenschirm“ am Ende der Saite, der zu Beginn jedes Zyklus erscheint, sind hier auch Wirbelringe zu beobachten. Sie bewegen sich nach unten, überholen sich, durchdringen sich gegenseitig und verschwimmen ganz unten in der Dose. Einige der Ringe wurden fotografiert.
Wir sprachen über drei Experimente, die auf Unterschieden in der Dichte von Salz- und Süßwasser basierten. In der Natur ist die durch Dichteunterschiede bedingte vertikale Durchmischung des Meerwassers von großer Bedeutung für das Leben des gesamten Ozeans. Dank ihm breitet sich die Sonnenwärme, absorbiert von einer dünnen Wasserschicht, in die Tiefe aus. (Hinweis von TSB: Eine nur 1 Zentimeter dicke Schicht absorbiert 94 % der auf die Oberfläche von normalem Meerwasser einfallenden Sonnenenergie und Sole bildete eine Warmwasserzone von 44,2 °C bis zu einem Salzgehalt von 123 Gramm pro Kilogramm. Interesse an diesen Depressionen werden auch dadurch verursacht, dass in den Bodensedimenten ein erhöhter Gehalt an Zink, Kupfer, Blei, Silber und Gold gefunden wurde – in der 10 Meter hohen Sedimentschicht sammelten sie sich (nach vorläufigen Schätzungen) im Wert von 2,5 Milliarden Dollar an . An der Untersuchung dieser Depressionen beteiligten sich auch sowjetische Wissenschaftler auf den Schiffen Akademik Sergey Vavilov und Vityaz. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Sole in den Senken etwa 10000 Jahre alt ist. Ein weiteres Beispiel für eine solche Anomalie ist der Vanda-See in der Antarktis. Direkt unter dem Eis ist das Wasser darin frisch und hat eine Temperatur von 0 °C, in einer Tiefe von 220 Metern beträgt die Wassertemperatur bereits 25 °C und der Salzgehalt beträgt etwa 150 Gramm pro Kilogramm. Wie entstanden Salzdepressionen? Wie genau lässt sich das Alter der darin enthaltenen Sole bestimmen? Wissenschaftlern fällt es schwer, diese Fragen zu beantworten. Dazu muss man lernen, die Geschwindigkeit der konvektiven Vermischung heißer und dichter Sole mit darüber befindlichem, weniger salzhaltigem Kaltwasser zu berechnen. Es ist notwendig, den Wirkungsmechanismus des „großen Löffels“ im Ozean gründlich zu untersuchen. Литература:
Autor: V.Lagowskij
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