Бесплатная техническая библиотека

Большая ложка природы. Детская научная лаборатория

Справочник / Детская научная лаборатория

 Комментарии к статье

В феврале 1970 года недалеко от острова Мартиника в Карибском море трое американских ученых - Г. Стоммел, Л. Хоуард и Д. Нергард - с завидным упорством пытались загнать под воду километровую пластмассовую кишку вроде той, что употребляют садоводы для поливки цветов и деревьев. Гибкая кишка запутывалась и ломалась, доставляя немало хлопот ученым, по они все же добились своего: в конце концов кишка "повисла" вертикально - от поверхности воды до глубины 1000 метров. И тогда ученые увидели то, что хотели увидеть: они экспериментально проверяли теоретические положения, высказанные за 14 лет до этого Г. Стоммелом, А. Аронгом и Д. Блэнгардом в работе "Океанографическая загадка", и убедились, что положения эти справедливы.

Авторы названной теоретической работы, изучив распределение плотности воды в зависимости от ее солености и температуры в различных районах Мирового океана на различной глубине, пришли к выводу, что если, например, в Саргассовом море около Бермудских островов опустить вертикально медную трубу, скажем, длиной 1000 метров и внутренним диаметром 2 сантиметра так, чтобы конец торчал над водой не слишком высоко, то можно будет наблюдать удивительное явление, которое авторы назвали "вечным солевым фонтаном". Чтобы запустить этот фонтан, достаточно подсоединить верхний конец трубы к насосу, включить его и держать включенным ровно столько, сколько требуется для того, чтобы поднять наверх порцию менее соленой воды с тысячеметровой глубины.

После этого насос можно отсоединить, а вода из трубы будет бить фонтаном сама по себе.

Дело в том, что насос увлекает в трубу с тысячеметровой отметки холодную воду менее соленую, чем вода в более высоких слоях. Поднимаясь вверх, вода несколько нагревается, получая тепло через стенки трубы от несколько более нагретой воды верхних слоев. Медные стенки трубы обеспечивают теплообмен, но не обмен солью, так что вода в трубе по мере продвижения вверх становится теплее, оставаясь мало соленой, а значит, сравнительно мало плотной. Таким образом, столб воды, содержащийся в трубе, легче, чем эквивалентный столб воды вне трубы. Разница в весе дает разницу в давлении, которая в итоге и заставляет менее соленую воду подниматься вверх по трубе. Если конец трубы выступает не слишком высоко над поверхностью, то избыточного давления вполне хватит на то, чтобы приводить в действие "вечный фонтан", и менее соленая вода будет непрерывно выливаться из выступающего конца трубы. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока вода в Саргассовом море хорошенько не перемешается, то есть практически бесконечно долго.

Распределение температуры и плотности воды в тропическом океане создает возможность возникновения солевого фонтана.

Получив солевой фонтан высотой 60 сантиметров, ученые вдруг засомневались: а что, если не различие в плотности, а волны на поверхности заставляют воду подниматься вверх? Волны двигают гибкий, эластичный шланг, прикрепленный к поплавку, и, возможно, превращают его в своего рода насос, который как раз и питает энергией "вечный фонтан". Повторение опыта с негибким шлангом позволило устранить сомнения: солевой фонтан действовал и в этом случае.

Попробуем получить солевой фонтан и мы. Километровый шланг для этого не понадобится, и вместо Бермудских островов нам предстоит отправиться всего лишь на кухню. А тропический океан, вода в котором более теплая и соленая у поверхности и более холодная и менее соленая на глубине, мы смоделируем с помощью широкой кастрюли. Понадобится нам еще и пластмассовый стаканчик, скажем, из-под сыра "Волна", в донышке которого следует булавкой проткнуть дырку.

Фонтанчик пресной воды бьет из отверстия в перевернутом стаканчике, проникая в верхний слой горячего рассола.

Для начала нальем в кастрюлю-океан холодной водопроводной воды из-под крана так, чтобы глубина этого придонного слоя составила 3-4 сантиметра. В воду поставим вверх дном пластмассовый стаканчик с дыркой. Теперь очень осторожно, так, чтобы по возможности избежать перемешивания, станем наливать в кастрюлю теплую воду до тех пор, пока холодная вода не покажется из отверстия стаканчика. И, наконец, смоделируем поверхностный слой тропического океана - для этого (снова с чрезвычайной осторожностью) поверх слоя теплой воды нальем тонкий слой горячей соленой воды.

"Океан" готов.

Если теперь капнуть краской или чернилами над отверстием в стаканчике, то можно увидеть, что из отверстия бьет небольшой фонтанчик воды, моделируя океанический солевой фонтан.

Вода, вытекающая из стаканчика, имеет примерно такую же температуру, что и вода снаружи его на той же глубине, но она менее соленая, а значит, и более легкая. Это и заставляет воду вытекать из стаканчика. Фонтанчик будет действовать до тех пор, пока соль и тепло не распределятся равномерно по всему объему нашего "океана".

Солевые пальцы

Из-за того, что в солевых растворах тепло распространяется гораздо быстрее, чем соль - примерно - раз в сто,- в океане при определенных условиях может существовать своего рода естественная медная труба, вернее, множество мелких трубочек - невидимых каналов, по которым происходит движение воды в воде.

Если над слоем холодной не очень соленой воды размещен слой теплой соленой воды, то на поверхности раздела образуются миниатюрные солевые фонтанчики, получившие название "солевые пальцы",- вверх бьют струйки менее соленой воды, отделенные друг от друга падающими струнками более соленой воды.

Солевые пальцы. Сверху - горячий рассол, снизу - холодная вода.

Непосредственно в океане солевые пальцы наблюдать не удавалось, но на кухне, пожалуйста! Для этого стоит лишь в стакан с холодной водопроводной водой налить подкрашенной соленой горячей воды. Наливать, конечно, следует весьма осторожно, чтобы поверхность раздела между холодной и горячей водой была довольно четкой. Чтобы получить четкую границу раздела между слоями воды в "океане", Д. Уолкер советует лить горячую воду с небольшой высоты на кусочек плавающей дощечки; К. Стонг рекомендует воспользоваться бумажным кружком, опущенным на ниточке к самой поверхности холодной воды в банке.

Горячий рассол надо лить осторожно по стеклянной палочке на кружок, который потом вытаскивается из стакана за нитки.

Через несколько минут, после того как модель будет готова, на поверхности раздела вырастут солевые пальцы длиной от 1 до 5 сантиметров и толщиной около миллиметра. Явление это продолжается довольно долго - от нескольких минут до нескольких часов.

Возникновение и развитие солевых пальцев можно объяснить волновым возбуждением, деформирующим первоначально спокойную поверхность раздела. Капли холодной воды продвигаются вверх в горячую воду, и наоборот. Из-за разницы в скорости распространения тепла и диффузии соли, капли, которые оказались сверху линии раздела, в основном только нагреваются, концентрация соли в них почти не меняется, они становятся легче и продолжают подниматься; капли, очутившиеся снизу от линии раздела, отдают тепло, становятся холоднее, тяжелеют и опускаются.

Механизм возникновения солевых пальцев. Сверху от границы раздела слоев - теплый рассол, ниже - холодная вода. Капли холодной воды, находящиеся на границе слоев, нагреваются, становятся легче и устремляются вверх. Капли теплого рассола, охлаждаясь от соприкосновения с холодной водой, становятся тяжелее и устремляются вниз. Из-за быстрой передачи тепла от рассола к холодной пресной воде (по сравнению с диффузией соли в пресную воду) амплитуда возбуждения увеличивается.

Из-за больших потерь тепла через стенки сосуда опыт с пальцами в солено-теплой среде не всегда сразу получается. Английский физик С. Тернер предложил для опыта более рациональную соляно-сахарную систему, образованную двумя растворами.

Первый раствор - солено-сладкий: две с половиной чайной ложки соли и одна чайная ложка сахарного песку на стакан водопроводной воды.

Второй раствор - сладко-соленый: две чайные ложки сахара и одна чайная ложка соли на стакан водопроводной воды.

Сначала в стеклянную банку заливают солено-сладкий раствор - он образует нижний слой всей системы. Затем очень осторожно, сохраняя поверхность раздела, в ту же банку наливают сладко-соленый раствор; его надо подкрасить (чернила "Радуга" - синие или красные). Солевые пальцы появятся в течение часа и будут существовать несколько часов.

Скорость роста пальцев в этом опыте зависит от скорости диффузии соли, а само их появление связано с тем, что соль диффундирует быстрее, чем сахар. Верхний слой (сладко-соленый) имеет меньшую плотность, чем нижний, и граница между слоями, казалось бы, должна быть стабильной. Но случайно возникающая начальная нестабильность отправляет небольшое количество раствора сахара вниз, и соль проникает в образовавшуюся выпуклость быстрее, чем сахар диффундирует в окружающий его рассол. Выпуклость с добавкой соли становится плотнее своего окружения и устремляется вниз, образуя палец. Точно так же небольшая выпуклость соленой воды из нижнего, более плотного слоя, проникая вверх в сладко-соленый раствор, теряет свою соль быстрее, чем приобретает сахар, становится легче своего окружения и устремляется вверх в виде растущего пальца.

Солевой осциллятор

И, наконец, еще один удивительный опыт, основанный на разности плотностей соленой и пресной воды.

Для опыта потребуется стеклянная банка из-под овощных консервов или тонкий чайный стакан, алюминиевый патрончик из-под валидола или фотопленки. Можно использовать и пластмассовый стаканчик из-под какого-нибудь лекарства. Донышко стаканчика проткните иглой, лучше нагретой, чтобы края отверстия были гладкими. В алюминиевом патрончике дырку легко пробить той же иглой.

Солевой осциллятор Мартина. В банке - вода, в стакан-чине - подкрашенный рассол. Струя рассола появляется с вихревым "зонтиком" на конце.

Осциллятор из чайного стакана и патрончика от валидола.

Налейте холодной воды в банку почти до края. Приготовьте соленую воду (одна-полторы чайные ложечки соли на стакан воды), подкрасьте ее чернилами "Радуга" (синими или красными). Закрепите стаканчик в картонной державке, вырезав в ней отверстие по диаметру стаканчика. Затем опустите его в банку и, наливая раствор соли, добейтесь, чтобы уровень воды в стаканчике стал чуть выше, чем в банке.

Теперь понаблюдайте за происходящим.

Более плотная, более тяжелая соленая вода начинает вытекать через отверстие в стаканчике в пресную воду. Можно предположить, что она так и будет равномерно вытекать до тех пор, пока уровень рассола в стаканчике не уменьшится настолько, что давление вытекающего рассола сравняется с давлением пресной воды в банке на уровне отверстия. Кажется, все так и происходит. Подкрашенная струйка становится тоньше и исчезает. Все? Нет, через некоторое время струя появляется снова и снова исчезает. Так продолжается довольно долго.

Вихревой зонтик в осцилляторе с патрончиком из-под фотопленки.

Что происходит в стаканчике в то время, когда струя прекратилась, легко догадаться, вспомнив первый опыт: там бьет фонтанчик пресной воды - от дна стаканчика, точнее, от отверстия, пресная, то есть более легкая, вода поднимается вверх сквозь толщу рассола. Если бы пресная вода была подкрашена, мы смогли бы наблюдать этот фонтанчик.

Таким образом, получилась некая колебательная система, которую назвали "солевым осциллятором Мартина" по имени ученого, впервые обнаружившего этот эффект в 1970 году. Период колебаний осциллятора зависит в основном от размера отверстия и температуры пресной воды.

В основе действия осциллятора те же механизмы, что и в предыдущих опытах.

Механизм возникновения колебаний в осцилляторе Мартина.

А. Система в равновесии. Ниже отверстия в стаканчике - пресная холодная вода" выше отверстия - более плотная жидкость, рассол.

Б, В. Возникновение нестабильности Релея-Тейлора, "раскачка" и начало течения пресной воды вверх.

Солевой осциллятор,- пишет Д. Уолкер,- это пример системы, которая начинает колебаться после самовозбуждения благодаря нестабильности Релея-Тейлора (нестабильность на разделе слоя более плотной жидкости, лежащей над менее плотной, когда поверхность раздела находится в гидростатическом равновесии), с последующим быстрым возбуждением (раскачкой) на поверхности раздела двух жидкостей. Иначе говоря, в нашем опыте, несмотря на выравнивание давлений в отверстии, слой более плотной жидкости, лежащий над слоем менее плотной жидкости, нестабилен и подвержен неким слабым, случайным возмущениям. Такие возмущения порождают небольшую выпуклость на поверхности раздела двух жидкостей. Из-за разности плотностей некоторое количество менее плотной жидкости оказывается сверху от старой поверхности раздела и некоторое количество более плотной жидкости выдается вниз. Эта нестабильность быстро увеличивается, солевой осциллятор начинает действовать.

Пресная вода, проникая вверх, ускоряет свое течение через отверстие, потому что она оказывается легче соленой воды на том же уровне по другую сторону отверстия. Начинает бить фонтанчик пресной воды, и наступает момент, когда эта струя останавливает истечение соленой воды. Накачка воды в стаканчик постепенно приводит к увеличению высоты жидкости в нем и, следовательно, к увеличению давления на уровне отверстия. Потеря же воды из банки в незначительной степени уменьшает уровень воды в ней, так как банка шире стаканчика. Наконец наступает момент, когда давление соленой воды в отверстии становится достаточно большим, чтобы уменьшить, а затем и вовсе прекратить фонтанчик пресной воды. Цикл закончен. В стаканчике теперь слишком много воды, и струя возникает снова. Постепенно поток уменьшается, пока давление на уровне отверстия снова не выровняется. Потом некоторое случайное возмущение вновь вызывает выпуклость на поверхности раздела - возникает фонтанчик пресной воды. Таким образом, течение чередуется: то вверх, то вниз - это и есть солевой осциллятор. Скорость течения зависит от диаметра отверстия в стаканчике и от вязкости жидкости.

Как и в предыдущем опыте, можно попробовать и другие жидкости, важно только, чтобы они различались по плотности и не смешивались, как, например, смешиваются спирт и вода. Д. Уолкер сообщает, что он пробовал работать с водой, слегка подкрашенной в голубой цвет, и раствором патоки, подкрашенным в красный цвет, и наблюдал, по его словам, почти сказочное зрелище.

Для устройства осциллятора С. Мартин использовал медицинский шприц. Период колебаний был в этом случае равен 4 секундам, а срок работы осциллятора составлял 20 циклов.

Наш осциллятор с алюминиевым патрончиком от валидола, опущенным в чайный стакан, работал с 10-секундным циклом в течение часа.

Большой осциллятор, устроенный из пятилитровой банки и полиэтиленового баллончика.

Большой осциллятор, устроенный из пятилитровой банки и полиэтиленового флакона от отбеливателя "Искра-2", на солевом растворе, слегка подслащенном сахаром и густо подкрашенном синими чернилами, давал длинную струйку с 20-секундным циклом. Кроме вихревого "зонтика" на конце струнки, появляющегося в начале каждого цикла, здесь можно наблюдать и вихревые колечки. Они движутся вниз, обгоняя, пронизывая друг друга, и расплываются у самого дна банки. Некоторые из колечек удалось запечатлеть на фотографии.

Формы вихревых колец в большом осцилляторе.

Мы рассказали о трех опытах, основанных на различиях в плотности соленой и пресной воды. В природе вертикальное перемешивание океанских вод, вызываемое различием плотностей, имеет громадное значение для жизни всего океана. Благодаря ему солнечное тепло, поглощаемое тонким слоем воды, распространяется в глубину. (Справка из БСЭ: слой толщиной всего в 1 сантиметр поглощает 94% солнечной энергии, падающей на поверхность нормальной морской водой и рассолом образовалась зона теплой воды 44,2°С . к соленостью 123 грамма на килограмм. Интерес к этим впадинам вызван еще и тем, что в донных отложениях здесь обнаружено повышенное содержание цинка, меди, свинца, серебра и золота - в 10-метровом верхнем слое осадка их скопилось (по предварительной оценке) на 2,5 миллиарда долларов.

В изучении этих впадин принимали участие и советские ученые на кораблях "Академик Сергей Вавилов" и "Витязь". Ученые предполагают, что возраст рассола во впадинах около 10000 лет.

Другой пример подобной аномалии - озеро Ванда в Антарктике. Непосредственно подо льдом вода в нем пресная, и температура ее 0°С а на глубине 220 метров температура воды уже 25°С, а соленость - около 150 граммов на килограмм.

Как образовались солевые впадины? Насколько точно можно определить возраст рассола, содержащегося в них? Ответить на эти вопросы ученые затрудняются. Для этого надо научиться рассчитывать скорость конвективного перемешивания горячих и плотных рассолов с менее соленой холодной водой, находящейся сверху. Нужно досконально изучить механизм действия "большой ложки" в океане.

Литература:

1. Д. Уолкер. Фонтанирование солевого раствора.
2. "Сайентифик Америка", октябрь 1977 г.
3. К. Стонг. Эксперименты с солевыми фонтанами.
4. "Сайентифик Американ", июнь 1971 г.
5. М. Грегг. Микроструктура океана. "Сайентифик Американ", февраль 1973 г.
6. БСЭ, т. 18, стр. 332.
7. В. Степанов. Мировой океан. "Знание". М., 1974 г.
8. "Природа", №5, 1973 г., и №11. 1976 г.
9. Э. Деген, Д. Росс. Горячие рассолы Красного моря. "Сайентифик Американ", апрель 1970 г.
10. Г. Дзоценидзе. Горячие рассолы Красного моря и вопросы вулканогенноосадочного рудогенеза. "Геология рудных месторождений", №5, 1972 г.

Автор: В.Лаговский

 Рекомендуем интересные статьи раздела Детская научная лаборатория:

▪ Комнатный фонтанчик

▪ Дальномер

▪ Почему небо голубое?

Смотрите другие статьи раздела Детская научная лаборатория.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Ранняя Вселенная не была ледяной 28.11.2025

Понимание того, как формировались первые структуры во Вселенной, требует взгляда в эпохи, в которых не существовало ни звезд, ни галактик, ни привычных нам источников света. Научные группы по всему миру пытаются восстановить картину тех времен при помощи слабейших радиосигналов, оставшихся от водорода, который наполнял космос вскоре после Большого взрыва. Новые результаты, полученные на радиотелескопе Murchison Widefield Array в Австралии, неожиданным образом меняют представление об этих ранних этапах. Сразу после Большого взрыва, произошедшего около 13,8 миллиарда лет назад, пространство стремительно расширялось и остывало. Через несколько сотен тысяч лет образовался нейтральный водород, и началась так называемая эпоха тьмы, когда Вселенная была лишена источников излучения. Лишь значительно позже гравитация собрала газ в плотные области, где зародились первые звезды и ранние черные дыры, а их интенсивное излучение привело к реионизации водорода и окончательному появлению света. ...>>

Устройство идеальной очистки воздуха 28.11.2025

Качество воздуха в закрытых помещениях давно стало важнейшим фактором здоровья, особенно в городах, где люди проводят подавляющую часть времени внутри зданий. В последние годы исследователи уделяют все больше внимания именно тем технологиям, которые способны задерживать или разрушать вредоносные частицы до того, как они попадут в дыхательные пути человека. Одним из таких новаторских направлений стала разработка инженеров Университета Британской Колумбии в Оканагане, которые предложили принципиально иной подход к очистке воздуха в присутствии людей. По словам профессора Школы инженерии доктора Санни Ли, традиционные персонализированные вентиляционные системы действительно могут улучшать качество воздуха вокруг пользователя, однако их принцип работы имеет ряд ограничений. Человек вынужден находиться в строго определенной зоне, а одновременное использование одной системы несколькими людьми снижает эффективность. Кроме того, непрерывный поток сухого очищенного воздуха способен вызывать ...>>

Ощущение текстуры через экран гаджета 27.11.2025

Гаджеты научились передавать изображение и звук с впечатляющей реалистичностью, но тактильные ощущения по-прежнему остаются недоступными для полноценной цифровой симуляции. Именно поэтому инженеры и исследователи во всем мире стремятся создать технологии, которые позволят "почувствовать" виртуальный объект так же естественно, как и настоящий. Новая разработка специалистов Северо-Западного университета США стала одним из самых заметных шагов в этом направлении. Возглавлявшая исследование аспирантка Сильвия Тан (Sylvia Tan) подчеркивает, что прикосновение остается последним фундаментальным чувственным каналом, для которого пока нет зрелого цифрового аналога. По ее словам, если визуальные и звуковые интерфейсы давно обеспечивают высокую степень реалистичности, то осязание лишь начинает приближаться к этому уровню. В недавней публикации в журнале Science Advances Тан отмечает, что новая технология способна изменить само представление о взаимодействии человека с устройствами. Разработ ...>>

Случайная новость из Архива Нанопоры нагреваются при прохождении через них ионов 15.02.2022 Японские ученые из Института научных и промышленных исследований (SANKEN) Университета Осаки обнаружили, что нанопоры нагреваются при прохождении ионного потока через них. Это явление объясняется законом Ома и может быть полезным при секвенировании ДНК, а также представляет перспективы для использования нанопор в биосенсорах. Нанопоры - это небольшие отверстия в мембране. Их размер настолько мал, что сквозь одну пору может пройти только одна из цепочек ДНК или частица вируса. Сейчас нанопоры изучаются для применения в сенсорах. Обычно, чтобы вещество прошло через нанопору, прикладывается электрическое напряжение. Тогда через пору могут пройти ионы, содержащиеся в растворе. Однако известно, что электрическая энергия переводится в тепловую посредством сопротивления. Это закон Джоуля-Ленца. Такое явление ранее не изучалось в нанопорах. Японские исследователи изучили, как применение электрического напряжения влияет на нагрев нанопоры. Они использовали термопару (температурный датчик, который передает зависящее от температуры напряжение электрического тока) из золотого и платинового нанокристаллов. Точка их контакта составляла лишь 100 нм. С помощью термопары ученые измеряли температуру рядом с нанопорой диаметром 300 нм, вырезанной в пленке толщиной 40 нм на кремниевой пластине. Ученые пропускали через нанопору фосфатный буферный раствор и измеряли ионный ток в зависимости от приложенного напряжения. Оказалось, что тепло, которое выделялось рядом с нанопорой, было пропорционально скорости ионного тока. Это согласуется с классическим законом Ома. Ученые выяснили, что при уменьшении размера нанопоры тепловой эффект становился более выраженным. Это происходит из-за того, что через пору проходит меньше охлажденной жидкости и не получается уравновесить температуру. В результате этого выделением тепла нельзя пренебречь, так как оно повышает температуру на несколько градусов. Исследователи считают, что этот эффект может быть использован в дальнейшем. Например, новые сенсоры на основе нанопор могли бы не только обнаруживать вирусы, но и инактивировать их. Кроме того, благодаря нагреву нанопоры не будут забиваться полимерами. Также тепловой эффект может помочь отделять цепочки молекулы ДНК при их секвенировании.

Другие интересные новости:

▪ Магнит против тромба

▪ Модель протуберанца

▪ Снимки МРТ станут четче

▪ 3D-очки для телевизора без пульта

▪ Карта расширения ASUS Hyper M.2 X16 Card V2

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Конспекты лекций, шпаргалки. Подборка статей

▪ статья Освещение и освещенность. Искусство видео

▪ статья Солдаты каких стран устроили на фронте перемирие и совместно встретили Рождество? Подробный ответ

▪ статья Электромонтер по ремонту и обслуживанию осветительных сетей. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Усилитель сигнала вызова. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Загадки про овощи

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025