المفاهيم الأساسية

الفيزياء

الحمل الحراري

درجة الحرارة

الكثافة

مقدمة

لعلك تعرف أن المحيط لا يسكن أبدًا. لكن هل تعلم أن ثمة شيئًا يسمى "حزام نقل المحيطات" ocean conveyor belt يقوم بنقل كميات ضخمة من المياه من محيط إلى آخر؟ هذه التيارات المائية ضرورية من أجل مزج العناصر الغذائية والأكسجين ونقلها من مكان إلى آخر، كما أنها تؤدي دورًا حيويًّا في تشكيل مناخ الأرض؛ وذلك لأنها تنقل المياه الدافئة والبادرة عبر مسافات طويلة للغاية، مما يؤثر على درجة حرارة كتل اليابسة المطلة على سواحل المحيطات. فتيار الخليج Gulf Stream، على سبيل المثال، هو تيار كبير يتدفق من خليج المكسيك ويحرك المياه الدافئة إلى شمال المحيط الأطلنطي، ويجعل مناخ أوروبا أكثر اعتدالًا بكثير مما قد يكون عليه لولا ذلك التيار. فهل تعلم ما الذي يسبب ظاهرة "حزام نقل المحيطات"؟ الإجابة في غاية البساطة: الاختلافات في كثافة المياه. جرِّب هذا النشاط لمعرفة المزيد.

الخلفية العلمية

تموج مياه المحيطات بالحركة. وأوضح الأمثلة على ذلك الأمواج والتموجات التي تغشى سطح الماء، والتي تحدثها الرياح أو تيارات المحيط بسبب المد والجزر. غير أنه قد تبيَّن أيضًا أن المياه يمكن أن تنتقل دون رياح أو مد، وهو ما يحدث في أعماق المحيطات. فهناك، تتحرك التيارات بواسطة التباين في كثافة المياه، الذي ينجم عن الاختلافات في درجة الحرارة ودرجة الملوحة، وهي عملية تسمى "الحمل الحراري" convection.

تتحدد كثافة المادة بنسبة الكتلة إلى الحجم؛ فلتر من المياه -على سبيل المثال- لا يساوي وزن لتر من الزيت. والسائل الأخف يطفو فوق السائل الأثقل، الذي ينزل لأسفل. وتختلف كثافة الماء مع اختلاف درجة الحرارة؛ فالماء عند تسخينه يتمدد ويزداد في الحجم، وهذا يعني أن نسبة كتلته إلى حجمه ستقل، ومن ثم يصبح أقل كثافة. ولهذا فالماء الدافئ عمومًا أقل في الكثافة من الماء البارد. وثمة عامل آخر يؤثر على كثافة الماء هو الملوحة، والملوحة هي مقدار الملح في ماء المحيط. فكلما زاد الملح، ثقل وزن الماء وزادت كثافته.

هذان العاملان –الحرارة والملوحة– هما القوتان المؤثرتان في نشأة ظاهرة "حزام نقل المحيطات" في كوكب الأرض، وهو نظام هائل لتدوير المياه في أعماق المحيطات يحرِّك المياه حول العالم. ويبدأ تكوين التيارات بالقرب من القطب الشمالي في شمال الأطلنطي عندما يبرد سطح المحيط بفعل درجة الحرارة الباردة في القطب الشمالي. ومع تكوُّن الجليد في البحر، فإنه يترك الملح وراءه فتزداد ملوحة الماء غير المتجمد في المنطقة. يصبح ذلك الماء أكثر كثافةً ويهبط إلى قاع المحيط. ينشئ ذلك تيارًا لأن الماء في السطح يتحرك لكي يحل محل الماء الذي هبط للأعماق. وينتقل الماء البارد العميق إلى القطب الجنوبي، ثم إلى المحيطين الهندي والهادي. وما إن يصل الماء إلى مناطق أدفأ حتى يزداد سخونةً، ويصبح أقل كثافةً فيرتفع إلى السطح مرة أخرى، ثم يشق طريقه مرة أخرى إلى شمال الأطلنطي مرة أخرى لكي تبدأ الدورة كلها مُجددًا. وفي هذا النشاط، سوف تبيِّن كيف تؤثر درجة الحرارة على حركة الماء وكثافته، وتصنع نموذجًا صغيرًا خاصًّا بك من تيارات المحيطات في كوب من الزجاج.

المواد المستخدمة:

كوبان زجاجيان شفافان، متساويان في الحجم

قرص مدمج قديم

كيس شطائر

مقص

ألوان صناعية (أي لون)

ماء صنبور

فرن مايكروويف

مكعبات من الثلج

ترمومتر

مناشف ورقية لبقع الماء المنسكبة

شخص بالغ للمساعدة

صينية

ملح مائدة (اختياري)

الإعداد للتجربة:

استخدم المقص في قص شريط طويل من كيس الشطائر، على أن يكون عريضًا بما يكفي ليغطي الفجوة في منتصف القرص المدمج.

ضع الصينية في مكان مهيَّأ لتحمُّل انسكاب الماء.

املأ الكوبين بالماء من الصنبور.

أضف مكعبات الثلج إلى أحد الكوبين لتبريد الماء. وعندما يبرد الماء، أزل مكعبات الثلج واملأ الكوب حتى حافته بالمزيد من ماء الصنبور.

ضع الكوب الآخر في المايكروويف لمدة دقيقة. (إذا كان ساخنًا جدًّا، فدعه يبرد قليلًا حتى يمكنك إمساكه).

املأ الكوب حتى حافته بالماء.

أضف قطرتين من الألوان الصناعية للماء الساخن.

ضع الكوب الذي يحتوي على الماء الساخن في الصينية.

باستخدام الترمومتر، قس درجة الحرارة في كلا الكوبين الساخن والبارد.


الخطوات:

ضع الشريط البلاستيكي الذي قصصته من كيس الشطائر على القرص المدمج، بحيث يغطي الفتحة في منتصف القرص المدمج، ويمتد جزء منه خارج القرص.

ضع القرص المدمج على الكوب البارد، بحيث يكون الشريط البلاستيكي ناحية الماء البارد.

بعد ذلك، ارفع كوب الماء البارد والقرص الموضوع فوقه، ثم اقلبهما رأسًا على عقب، مع إحكام الضغط على القرص لتجنُّب أي تسرُّب أو انسكاب للماء. قد تحتاج إلى شخص بالغ ليساعدك في هذه الخطوة.

ضع كوب الماء البارد المقلوب أعلى كوب الماء الساخن، على أن يفصل القرص المدمج بين الكوبين. عندما تضع الكوبين بعضهما فوق بعض، ما الذي يحدث؟ هل ترى الآن أي امتزاج بين الماء في الكوبين؟

اسحب طرف الشريط البلاستيكي الذي يغطي فجوة القرص المدمج ببطء، واعمل على إزالته بالكامل بحيث تنكشف فتحة القرص المدمج. ما الذي يحدث عندما تنكشف الفجوة بين الكوبين؟ هل ترى أي حركة للماء؟ إذا كانت الإجابة نعم، ففي أي اتجاه يتحرك الماء؟ هل يمكنك أن تصف ما تراه؟

راقب الكوبين لمدة 10 دقائق. هل ترى أي تغيرات تحدث في الكوب العلوي أو السفلي؟ إذا كانت الإجابة نعم، فكيف يتغير الماء؟

بعد 10 دقائق، افصل الكوبين بعناية برفع القرص المدمج والكوب العلوي ثم عكسهما مرة أخرى. قد تحتاج إلى طلب المساعدة من شخص بالغ في هذه الخطوة.

وأخيرًا، قس درجة الحرارة مرة أخرى في الكوبين. هل تغيرت درجة الحرارة؟ إذا كانت الإجابة نعم، فكيف تغيرت؟

أفرغ الكوبين في الحوض، وكرر التجربة مرةً أخرى، ولكن هذه المرة ضع كوب الماء الساخن أعلى كوب الماء البارد. (ينبغي أن يساعدك شخص بالغ في هذه الخطوة). ماذا يحدث هذه المرة عندما تزيل الشريط البلاستيكي؟ هل ترى النتائج نفسها؟ هل حدثت أي حركة للماء؟ لماذا تحدث الحركة أو لماذا لا تحدث؟

بعد 10 دقائق، افصل الكوبين مجددًا، وقس درجة الحرارة في كل كوب. هل تغيرت درجة الحرارة؟ إذا كانت الإجابة نعم، فما مقدار تغيُّرها؟

نشاط إضافي: في هذا النشاط، رأيت أن الاختلافات في درجة الحرارة تؤدي إلى حركة المياه. فماذا يحدث إذا لم يكن هناك اختلاف في درجة الحرارة؟ كرر النشاط، ولكن هذه المرة لا تسخن أو تبرد الماء في الكوبين –اجعلهما في درجة حرارة متماثلة. هل ترى أي حركة للماء عندما تسحب الشريط البلاستيكي؟ لماذا يتحرك الماء أو لماذا لا يتحرك؟

نشاط إضافي: هل يمكنك أن تكتشف طريقة لتبيِّن تأثير الملوحة على كثافة الماء وحركته؟ أضف الملح إلى أحد الكوبين لإنشاء فارق في الملوحة، وكرر التجربة. هل يطفو الماء المالح أم يهبط؟ هل يمكنك أن تجعل الماء يتحرك بسبب الاختلاف في درجة الملوحة؟

نشاط إضافي: بدلًا من إظهار أن الماء الساخن يطفو فوق الماء البارد، وضِّح أن الماء البارد ينزل للقاع وأضف اللون الصناعي إلى الماء البارد بدلًا من إضافته إلى الماء الساخن. بعد ذلك، ضع كوب الماء البارد فوق كوب الماء الساخن، ثم العكس. هل ترى حركة الماء في كلا الاتجاهين، أم في اتجاه واحد فقط؟

نشاط إضافي: كيف يؤثر الاختلاف في درجة الحرارة على امتزاج الماء في الكوبين؟ أضف نشاطًا ثالثًا يكون فيه الفارق بين الماءين الدافئ والبارد مختلفًا عن النشاط السابق. ما التغيُّرات التي تراها إذا كان الفارق في درجة الحرارة بين الماء البارد والساخن كبيرًا أو ضئيلًا؟

الملحوظات والنتائج

هل استطعت أن تجعل الماء يتحرك ليطفو لأعلى وينزل لأسفل؟ عندما تضيف الألوان الصناعية إلى الماء الساخن وتضع الماء البارد فوق الماء الساخن، لن يحدث شيء في البداية لأن الشريط البلاستيكي ما زال يغطي الفجوة في منتصف القرص المدمج، فيمنع الامتزاج بين الكوبين. ولكن عند إزالة الشريط البلاستيكي، فإن الماء الساخن المصبوغ باللون سيصعد بسرعة عبر فجوة القرص ويختلط بالماء البارد في الكوب العلوي.

يتحرك الماء بفعل ظاهرة تسمى "الحمل الحراري"، وتعني حركة الماء بسبب الاختلافات في درجة الحرارة. ونظرًا لأن الماء الدافئ أخف في الوزن من الماء البارد، ويميل إلى التمدد، فإنه يتحرك نحو الكوب العلوي عبر الفجوة. وبعد حوالي 10 دقائق، يكاد الامتزاج بين الكوبين يكتمل، ويصبح لون الماء متماثلًا في الكوبين. وفي الوقت نفسه، ستكون درجة الحرارة في الكوبين قد تغيرت كثيرًا. في البداية، يفترض أن تكون قد قست فارقًا كبيرًا في درجة الحرارة. ولكن في النهاية، ينبغي أن تكون درجة الحرارة في الكوبين متماثلة. ففي أثناء امتزاج الماء في الكوبين، يحدث تبادل للسخونة، مما يعني أن الماء الدافئ يرفع درجة حرارة الماء البارد. وإذا كنت قد أجريت النشاط الإضافي مع فارق أكبر أو أقل في درجة الحرارة بين الكوبين، ستلاحظ أن امتزاج الماء بين الكوبين يحدث بسرعة أكبر عندما يكون الفارق في درجة الحرارة كبيرًا. وعندما لا يكون هناك فارق في درجة الحرارة بين الكوبين، لن يحدث امتزاج كبير خلال 10 دقائق.

لو أنك عكست النشاط، وجعلت الماء الدافئ فوق الماء البارد، فلا بد أنك لاحظت أن الماء لا يمتزج بين الكوبين؛ لأن الماء الدافئ أخف وزنًا وأقل كثافةً من الماء البارد، ولهذا يظل في الأعلى. والأمر نفسه ينطبق على الماء المالح مقابل الماء غير المالح. فالماء المالح دائمًا ما ينزل للأسفل، لأنه أكثر كثافةً من الماء غير المالح، وهو بالضبط ما يحدث في المحيطات!

تنظيف محيط التجربة

أفرغ كل الماء في الحوض، وجفِّف أي بقع منسكبة من الماء.

اكتشف أكثر

تيارات المحيط العظيمة: محرك المناخ، من "وورلد أوشن ريفيو" World Ocean Review

المحيطات: قوة محركة للطقس والمناخ، من "ناسا" NASA

تيارات المحيطات: نمذجة "حزام نقل المحيطات" في مطبخ بيتك، من "ساينس باديز" Science Buddies

أعالي البحار: ماذا يحدث عند ذوبان الأنهار الجليدية؟ من مجلة "ساينتفك أمريكان"

أنشطة علمية لجميع الأعمار، من "ساينس باديز" Science Buddies

هذا النشاط مُقدم لكم بالاشتراك مع "ساينس باديز" Science Buddies