Produttori e promotori: la fisica negli oceani Teach article

Tradotto da Rocco G. Maltese. Contrariamente a quanto immaginiamo, le acque profonde non sono affatto immobili – così come non lo è la vita degli esseri marini. Utilizzando dei recipienti in attività di classe si può avere un'idea di come la fisica interviene in questi fenomeni al di sotto…

Quando ci soffermiamo a pensare al cambiamento climatico, ci preoccupiamo del fatto che le grandi correnti oceaniche, come ad esempio la Corrente del Golfo sia andata fuori rotta, mettendo a repentaglio il sistema climatico che dipende da esse. A cosa è dovuta, in primo luogo, la loro formazione?

In parte è la gravità. La gravità agisce sulle masse d’acqua di diversa densità, e questo, assieme alla rotazione della Terra, produce forze e correnti all’interno degli oceani. Tali processi non solo hanno un potenziale impatto sul nostro clima, ma rappresentano una enorme influenza sull’ambiente popolato dagli organismi marini.

Per questo, ogni studente di oceanografia avrà bisogno di una solida comprensione di questi processi. Alcuni anni fa, un gruppo di oceanografi dell’università del Maine, USA, notarono che, i loro studenti di scienze marine sembravano disconoscere la fisica che stava alla base dei loro studi, focalizzando la loro attenzione maggiormente sulla biologia. Alla luce di questo, decisero di collaborare al fine di creare un supporto didattico che convincesse gli studenti che gli oceani sono scenari inusualmente eccitanti per studiare la fisica. Questo articolo si basa su quel supporto didattico (Karp-Boss et al., 2009), incentrato sui concetti base della fisica fondamentali per l’oceanografia, e fornisce un ambiente accattivante per idee contenenti concetti fisici.

Naturalmente, gli studenti apprendono con maggior profitto quando si coinvolgono attivamente nello studio, quindi questo supporto didattico era incentrato in una serie di attività progettate appositamente per coinvolgere gli studenti e sfidarli nella dimostrazione delle loro ipotesi. Le due attività che gli oceanografi hanno proposto con successo nelle loro lezioni sono descritte qui: una riguarda la densità e l’altra le onde. Entrambe si possono proporre agli studenti della scuola secondaria superiore di tutte le età (11-19).

La prima attività mostra come la stratificazione si forma in conseguenza della differente densità dovuto alla temperatura o alla salinità. La seconda attività si occupa delle onde interne; viene evidenziata l’esistenza sia delle frequenze di risonanza che delle frequenze naturali. Per entrambe le attività, la strumentazione necessaria viene preparata in anticipo rispetto alla lezione, e quindi gli studenti si cimenteranno per un tempo di 30 minuti per esperimento (utilizzando come schema il file del foglio elettronico illustrato qui di seguito e scaricabile dal sito di Science in School^w1).

Densità e stratificazione

La densità è una proprietà fondamentale della materia. Essa è la massa per unità di volume di un materiale – cioè, quanta massa è contenuta in un dato volume. In oceanografia, la densità si usa per caratterizzare delle masse d’acqua e per studiare la circolazione dell’oceano. Molti dei processi negli oceani sono causati dalla differenza delle densità: nella circolazione su larga scala e il trasporto del carbonio dalle particelle che affondano dalla superficie verso le acque profonde, ne sono due esempi.

Mentre i valori della densità dell’acqua variano da 998 kg/m³ per l’acqua dolce e a temperatura ambiente, fino a quasi 1250 kg/m³ per i laghi salati, l’acqua degli oceani varia in un intervallo più ristretto (circa 1020-1030 kg/m³). Principalmente la variabilità dell’acqua di mare è dovuta alla salinità e alla temperatura. Quando la concentrazione di sale aumenta, per la evaporazione o la formazione di ghiaccio, anche la densità aumenta. Un innalzamento della temperatura riduce la densità, mentre un raffreddamento l’aumenta.

La densità dell’acqua di mare aumenta in relazione alla profondità, ma non in modo uniforme: l’acqua di differente densità forma una serie di strati (figura 1).

Questa stratificazione agisce come una barriera impedendo lo scambio di nutrienti e di gas disciolti tra lo strato superiore, esposto ai raggi del sole dove il fitoplancton prospera, e quello profondo, ricco di nutrienti. Miscelare gli strati richiede lavoro: pensate a quanto possa essere faticoso agitare una bottiglietta che contiene il condimento per l’insalata per miscelare bene olio e aceto. Allo stesso modo senza una energica agitata, con l’aiuto del vento e delle onde che si infrangono, il fitoplancton della superficie dell’oceano soffrirebbe per la mancanza di nutrienti.

Tipi di onde

Sebbene la densità non sia la prima cosa che venga in mente quando pensiamo al mare, le onde invece lo sono. Le onde si trovano ovunque su tutti i mari, i laghi, e ovviamente sulle spiagge – sono spaventose nella loro forma distruttiva come nello tsunami.

La maggior parte di queste onde sono quelle che i fisici chiamano onde di superficie. Ma vi sono anche onde interne, che si presentano nell’interfaccia tra strati di densità dell’acqua. Nell’oceano l’evento delle onde interne mescolano gli strati e sollevano i nutrienti che essi contengono.

La geometria di un bacino d’acqua (come un lago o una baia) determina il modo in cui le onde vengono eccitate quando si applica una forza che subito viene rilasciata (cioè come quella dovuto al passaggio di un temporale). Queste onde rappresentano i “modi di vibrazione naturali” del bacino – come le frequenze sonore di uno strumento musicale, dove una particolare frequenza è prodotta da una corda di data lunghezza o di una colonna d’aria. Questo fenomeno è chiamato risonanza.

In oceanografia, vi è un ulteriore fenomeno conosciuto come “sessa” (seiche che si pronuncia ‘seysh’), dal termine Francese che sta ad indicare ‘oscillazione avanti e indietro – terminologia marinara ‘risacca’ N.d.T.). Questo si verifica quando un’onda stazionaria sposta da un lato all’altro una massa d’acqua – come in una marea. Ad esempio, alla sessa dell’Adriatico che ha un periodo di 21.5 ore, si associano i fenomeni di acqua alta di Venezia, Italia. Altri analoghi fenomeni che occorrono naturalmente, sono stati osservati nel Lago di Ginevra e nel Mar Baltico.

Attività 2: Indagine sulle onde interne

Materiali

• Contenitore rettangolare con un setto divisorio
• Cronometro
• Coloranti per alimenti o altri coloranti adatti allo scopo
• Due contenitori: uno con acqua corrente e l’altro con acqua salata colorata (approssimativamente in soluzione di 75g di sale sciolto in 1 l d’acqua corrente)
• Ondometro ( un largo oggetto in plastica alto 2 cm e largo quanto il contenitore )
• Opzionale: un oggetto di plastica della stessa larghezza del recipiente ma alto un terzo della sua altezza

Procedura

1. Mettere l’acqua corrente in un compartimento del recipiente e la soluzione colorata nell’altro.
2. Rimuovere il setto divisorio tra i due compartimenti, e osservate quello che succede. Prendete nota di ogni onda che vedrete, e descrivete i loro movimenti.
3. Identificate le onde interne – queste viaggeranno avanti e indietro lungo l’interfaccia tra i due fluidi colorati. Misurate la velocità di questa onda cronometrando il tempo che impiega a percorrere tutta la lunghezza del recipiente. (assicuratevi di prendere la media di diverse tempi di attraversamento.) Ricavate la velocità dell’onda utilizzando la formula:

   Lunghezza del recipiente(m) / tempo osservato(s) = velocità dell’onda (m/s)
    

4. Cercate di formare onde di superficie e onde interne per mezzo della pale che funziona come un ondometro. Per le onde di superficie, abbassate la pala nell’acqua e poi alzatela nuovamente, ripetete il ciclo con una frequenza alta (almeno una al secondo). Per le onde interne, fate lo stesso ma ad una frequenza molto più bassa (circa una volta ogni 10 secondi).
5. Discutete i vostri risultati.
6. Opzionale: se vi resta del tempo, potete ripetere gli esperimenti utilizzando il pezzo di plastica inclinato di un certo angolo rispetto al fondo del recipiente, in modo da riprodurre l’effetto del fondale marino in prossimità della costa. Disponi il pezzo di plastica come mostrato qui sotto.

Discussione

L’energia delle onde interne è generalmente più bassa di quella delle onde di superficie. Questo è dovuto alla forza gravitazionale di rigenerazione che è minore per le onde interne , dovuta alla piccola differenza di densità tra gli strati d’acqua (in confronto a quella tra acqua e aria per le onde di superficie). Questa bassa energia ci dice che , per un recipiente (o per un bacino d’acqua) di una certa dimensione, le frequenze naturali delle onde interne saranno anche più basse di quelle delle onde di superficie.

Oltre alle onde di superficie, i fluidi stratificati presentano onde interne; in fluidi a due strati, queste onde corrono al di sopra della superficie di interfaccia tra i due fluidi. I loro periodi sono significativamente più lunghi di quelli delle onde di superficie e le loro ampiezze possono anch’esse essere significativamente più alte. Quando perturbiamo un fluido a due strati, si possono formare molte onde ma solo quelle che si adattano (risuonano) alla geometria del bacino, alla fine rimangono. Inserendo il pezzo di plastica ad un estremo del recipiente, simuliamo il fondo marino che aumenta dalla costa, che può causare onde interne che si infrangono, analogamente alle onde del mare che si infrangono sulla costa, ma che si generano al di sotto della superficie.

Ringraziamenti

Questo articolo è basato sullo sviluppo di supporti del COSEE (Centro di Eccellenza per l’Educazione alle Scienze Oceaniche – Center for Ocean Science Education Excellence) scritto dagli oceanografi Lee Karp-Boss, Emmanuel Boss, Herman Weller, James Loftin and Jennifer Albright (Karp-Boss et al., 2009).