Treibende Kräfte: Physik in den Ozeanen Teach article

Übersetzt von Kathrin Schäker. Im Gegensatz zum Sprichwort, sind tiefe Wasser oft das Gegenteil von still - dies gilt genauso für das marine Leben. Versuche mit gewöhnlichen Wasserbecken sind eine gute Möglichkeit um etwas über die physikalischen Vorgänge unterhalb der Wellen…

Wenn wir an den Klimawandel denken, ist eine der größten Sorgen, dass große Meeresströme, wie der Golfstrom, von ihren Bahnen abweichen und so das von ihnen abhängige Wettersystem durcheinander bringen. Aber was ist die Ursache, dass sich solche Ströme überhaupt erst bilden?

Ein Teil der Antwort ist die Gravität. Die Gravität wirkt auf Wassermassen mit unterschiedlichen Dichten und dies, zusammen mit dem Wind und der Erdrotation, erschafft Kräfte und Ströme in den Ozeanen. Diese Prozesse haben nicht einfach nur mögliche Auswirkungen auf unser Klima, sie haben auch einen großen Einfluss auf die Lebenswelt der marinen Organismen.

Daraus folgend benötigt jeder Student der Ozeanographie ein gutes Verständnis dieser Vorgänge. Jedoch bemerkte eine Gruppe von Meeresforschern der Universität von Maine, USA, vor ein paar Jahren, dass ihre Studenten der Meereskunde unwissend bezüglich der physikalischen Grundlagen ihres Faches waren und sich hauptsächlich auf die Biologie konzentrierten. Daraus resultierend beschlossen sie Lehrmittel zusammenzutragen um Studenten davon zu überzeugen, dass Ozeane ein ungewöhnlich spannendes Feld sind, um sich mit Physik zu befassen. Dieser Artikel basiert auf diesen Lehrmitteln (Karp-Boss et al., 2009) und konzentriert sich auf Schlüsselkonzepte der Physik, die auch fundamental für die Ozeanographie sind und bietet so einen überzeugenden, umweltbezogenen Kontext für das Verständnis von physikalischen Vorgäng.

Natürlich lernen Schüler am besten wenn sie aktiv eingebunden werden, daher beinhalten die Lehrmittel verschiedene Versuche um die Schüler zu animieren und um ihre Anschauungen zu hinterfragen. Zwei Versuche, die die Ozeanographen erfolgreich in ihren Klassen durchgeführt haben, sind hier beschrieben: einen mit Fokus auf Dichte, der andere auf Wellen. Beide können mit Schülern weiterführender Schulen aller Altersklassen durchgeführt werden (11-19 Jahre).

Im ersten Versuch wird gezeigt, wie die Schichtung des Wassers, als Resultat von Dichteunterschieden aufgrund von Temperatur oder Salzgehalt, zustande kommt. Der zweite Versuch fokussiert sich auf interne Wellen; Resonanz und natürliche Frequenz werden auch demonstriert. Für beide Experimente wird der Versuchsaufbau vor Beginn aufgebaut und die Schüler führen die Experimente bis zu 30 Minuten pro Experiment aus (Arbeitsblätter hierfür finden sich weiter unten und zum Herunterladen von der Science in School Webseite^w1). Der letzte Teil der Schulstunde wird zur Zusammenfassung der Ergebnisse und für Diskussionen genutzt.

Dichte und Schichtung

Dichte ist eine fundamentale Eigenschaft eines Stoffes. Sie ist als die Masse pro Volumen eines Materials definiert, also wieviel Masse in einem gegebenen Volumen vorhanden ist. In der Ozeanographie wird die Dichte zur Charakterisierung von Wassermassen und zur Untersuchung der Zirkulation von Ozeanen genutzt. Viele Vorgänge in den Ozeanen werden durch Unterschiede in der Dichte hervorgerufen: die großflächige Zirkulation und der Kohlenstofftransport von Partikeln, die von der Oberfläche in das Tiefwasser sinken, sind nur zwei Beispiele.

Obwohl die Wasserdichte von 998 kg/m³ bei Süßwasser bei Raumtemperatur bis zu beinahe 1250 kg/m³ in Salzseen reichen kann, hat das Ozeanwasser einen viel kleineren Dichtenbereich (ungefähr 1020-1030 kg/m³). Der Salzgehalt und die Temperatur sind die Ursache für den Großteil der Variabilität in der Dichte des Meerwassers. Wenn die Salzkonzentration steigt, ausgelöst durch Verdunstung oder Eisbildung, steigt auch die Dichte. Höhere Temperaturen reduzieren die Dichte, während Abkühlung sie erhöht.

Die Dichte von ozeanischen Meereswasser steigt jedoch nicht gleichmäßig mit der Tiefe: stattdessen bildet sich eine Reihe von Schichten aus Wasser mit unterschiedlichen Dichten (Abbildung 1).

Diese Schichtung bildet eine Barriere für den Austausch von Nährstoffen und gelösten Gasen zwischen dem oberen, sonnenbeschienenen Abschnitt in dem das Phytoplankton gedeiht und dem tiefen, nährstoffreichen Wasser. Die Durchmischung von geschichteten Abschnitten erfordert Arbeit: denken Sie daran wie stark Sie eine Flasche mit Salatdressing schütteln müssen um Öl und Essig zu mischen. Daher würde ohne ausreichende Energie, wie von Wind oder sich brechenden Wellen, das Phytoplankton an der Oberfläche des Ozeans keine Nährstoffe erhalten.

Wellentypen

Die Dichte ist nicht die erste Sache die uns einfällt wenn wir ans Meer denken, dies sieht bei Wellen jedoch anders aus. Wellen gibt es überall – in den Ozeanen, in Seen und natürlich an Stränden und sie werden aufgrund ihrer destruktiven Ausbildung, als Tsunamis, gefürchtet.

Die meisten dieser Wellen sind die, von den Physikern, sogenannten Oberflächenwellen. Aber es gibt auch interne Wellen, die an den Grenzflächen zwischen den Dichteschichten des Wassers auftreten. Im Ozean durchmischen brechende interne Wellen die Schichten und holen so die darin enthaltenden Nährstoffe herauf.

Die Geometrie eines Wasserbassins (so wie ein See oder eine Bucht) bestimmt welche Wellen sich bilden wenn Kraft ausgeübt und dann abgegeben wird (z.B. durch einen vorbei ziehenden Sturm). Diese Wellen sind der „natürliche Modus“ des Beckens, ähnlich wie Schallwellen in einem Musikintrument, wo eine bestimmte Frequenz durch die gegebene Länge einer Saite oder einer Luftsäule erzeugt wird. Dieses Phänomen wird Resonanz genannt.

In der Meereskunde gibt es ein weiteres Phänomen, bekannt als Seiche (abgeleitet von einem alten französischen Wort das „hin und her schaukeln“ bedeutet). Dies passiert wenn eine stehende Welle in einem halbgeschlossenen Wasserkörper entsteht und sich als eine Masse von der einen zur anderen Seite hin- und herbewegt, ähnlich wie die Gezeiten. Ein Beispiel ist die Adriatische Seiche, die eine Periode von 21,5 Stunden hat und mit ernsthaften Überschwemmungen in Venedig, Italien, in Zusammenhang steht. Andere natürlich vorkommende Beispiele einer Seiche wurden im Genfer See und in der Ostsee beobachtet.

Versuch 2: Untersuchung von internen Wellen

Materialien

• Rechteckiges Becken mit Trennwand
• Stoppuhr
• Lebensmittelfarbe oder andere geeignete Farbe
• Zwei Behälter: einer mit Süßwasser, der andere mit gefärbten Salzwasser (ungefähr 75 g Salz gelöst in 1 l Leitungswasser)
• Wellenpaddel (ein breites Plastikstück ungefähr 2cm hoch, das ungefähr genauso breit wie das Becken ist)
• Optional: ein Plastikstück mit der gleichen Breite des Tanks aber ungefähr ein Drittel so lang

Durchführung

1. Fülle das Leitungswasser in die eine Hälfte des Beckens und die gefärbte Salzlösung in die andere.
2. Entferne die Trennwand zwischen den beiden Hälften und beobachte was passiert. Mache eine Notiz über jede Welle die Du siehst und beschreibe deren Bewegung.
3. Identifiziere die interne Welle – diese bewegt sich vor und zurück entlang der Grenzfläche zwischen den zwei unterschiedlich gefärbten Flüssigkeiten. Bestimme die Geschwindigkeit dieser Welle, indem du misst wie lange die Welle braucht um die ganze Länge des Beckens entlang zu wandern. (Gehe sicher dass Du einen durchschnittlichen Wert bestimmst, indem du mehrere Traversen bestimmst.) Berechne die Geschwindigkeit indem Du folgende Formel benutzt:

   Länge des Beckens (m) / gemessene Zeit (s) = Geschwindigkeit der Welle (m/s)
    

4. Versuche Oberflächen- und interne Wellen mit dem Paddel zu erzeugen. Um Oberflächenwellen zu erzeugen, versenke das Paddel in das Wasser und hebe es wieder hoch, wiederhole dies in einer hohen Frequenz (mindestens einmal pro Sekunde). Wiederhole dies viel langsamer (ungefähr einmal jede 10 Sekunden) für interne Wellen.
5. Diskutiere Deine Ergebnisse.
6. Optional: Wenn Du genügend Zeit hast, kannst Du die Experimente wiederholen und das Plastikstück in einem Winkel auf den Boden des Beckens legen um den Effekt eines flachen Meeresboden zu erhalten. Positioniere das Plastikstück wie unten gezeigt.

Diskussion

Die Energie von internen Wellen ist generell geringer als die von Oberflächenwellen. Dies ist so weil die Rückstellkraft der Gravität geringer für interne Wellen ist, dies wird verursacht durch die relativ kleine Differenz in der Dichte zwischen Wasserschichten (verglichen mit der Differenz zwischen Wasser und Luft bei Oberflächenwellen). Diese geringere Energie bedeutet, dass, in einem Becken (oder Wasserbasin) einer bestimmten Größe, die natürliche Frequenz der internen Wellen auch geringer sein wird als die der Oberflächenwellen.

Zusätzlich zu Oberflächenwellen unterstützen geschichtete Flüssigkeiten interne Wellen; in zweilagigen Flüssigkeiten bewegen sich diese Wellen auf der Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten. Ihre Perioden sind signifikant länger als die der Oberflächenwellen und ihre Amplitude kann signifikant größer sein. Wenn wir das Zwei-Lagen System stören, werden viele Wellen initial angeregt, jedoch nur solche die zur Geometrie des Beckens passen (schwingen) bleiben erhalten. Das Einfügen eines Plastikstückes an einem Ende des Beckens, um ein ansteigendes flaches Stück Meeresboden zu simulieren, kann dazu führen, dass die internen Wellen brechen, ähnlich wie Oberflächenwellen, die an einem Strand brechen, jedoch unterhalb der Oberfläche.

Danksagung

Dieser Artikel basiert auf den Lehrmitteln, die von der Organisation COSEE (Center for Ocean Sciences Education Excellence) mithilfe der Meeresforschern Lee Karp-Boss, Emmanuel Boss, Herman Weller, James Loftin und Jennifer Albright (Karp-Boss et al., 2009) entwickelt wurden.