آب شدن یخ‌های قطبی

هم‌نشینی با علم > یک تجربه > آب شدن یخ‌های قطبی

تاریخ انتشار: ۴ دی ۱۳۹۹

problem

چرا می‌گویند آب شدن یخ‌های قطبی برای حیات در اقیانوس‌ها ضرر دارد؟ چه عواملی بر گردش آب‌های اقیانوس‌ها مؤثرند؟ تجربه‌ای ساده با دو لیوان آب، رنگ، نمک و یخ انجام می‌دهیم و بعضی از این پدید‌ه‌ها را می‌آزماییم.

دست به کار شوید!

۱

این وسایل را آماده کنید:

  • دو لیوان
  • مقداری آب از شیر آب
  • قالب یخ کوچک
  • چند قاشق نمک
  • رنگ خوراکی (یا هر رنگ محلول در آب)

۲

چند قطره رنگ را در آب حل کرده، در قالب کوچک یخ بریزید و هم بزنید. قالب را در فریزر یا جایخی بگذارید که یخ بزند.

۳

دو لیوان را از آب شیر با دمای معمولی پر کنید. در یکی از لیوان‌ها چند قاشق نمک بریزید و خوب به هم بزنید تا کاملاً حل شود.

۴

یخ‌های رنگی را از قالب درآورده و به آهستگی در لیوان‌های آب بیندازید. چه می‌بینید؟

۵

چرا در لیوان آب معمولی وقتی یخ رنگی آب می‌شود در آب پخش می‌شود ولی در لیوان دیگر روی آب‌نمک می‌ماند؟

اگر آب لیوان‌ها را داغ کنیم و آزمایش را تکرار کنیم چه می‌شود؟

اگر لیوان‌ها را از آب سرد پر کنیم و بعد یخ‌ها را بیندازیم چه می‌شود؟

آزمایش ‌را با آب‌نمک یخ‌زده تکرار کنید. این بار چه شد؟

یک بار کرنومتر یا ثانیه‌شمار کنار دستتان بگذارید و آزمایش را تکرار کنید. به محض انداختن یخ در لیوان‌ها اندازه‌گیری زمان را شروع کنید. زمان آب شدن یخ در دو لیوان را اندازه‌ بگیرید و با هم مقایسه کنید. در کدام لیوان یخ زودتر آب می‌شود؟

چطور اتفاق افتاد؟

این آزمایش اثر دما و شور بودن را بر چگالی آب نشان می‌داد. می‌دانیم که اگر دو مایع که چگالی متفاوتی دارند را روی هم بریزیم، مایع با چگالی کمتر روی مایع دیگر قرار می‌گیرد. مثلاً چگالی روغن از چگالی آب کمتر است و روی آب قرار می‌گیرد. چه‌کار کنیم که چگالی آب را افزایش دهیم؟ یکی از روش‌ها این است که ماده‌ای را در آب حل کنیم که چگالی‌اش از آب بیشتر است، مثلاً نمک یا شکر. در این صورت چگالی آب‌نمک از چگالی آب معمولی بیشتر است.

 

عامل دیگری که باعث تغییر چگالی آب می‌شود دماست. چگالی آب در دمای صفر درجه‌ی سانتی‌گراد از چگالی آب با دمای معمولی اتاق (یعنی بیست تا سی درجه‌ی سانتی‌گراد) بیشتر است.

 

وقتی یخ آب می‌‌شود، آب حاصل دمای صفر درجه دارد و چگالی‌اش از آب لیوان بیشتر است. به همین دلیل در آزمایش با آب معمولی دیدیم که وقتی یخ آب می‌شود آب سرد به زیر آب معمولی در لیوان می‌رود. اما در لیوان آب‌نمک، چون چگالی آب از چگالی آب نمک کمتر است یخ آب شده روی آب‌نمک باقی ماند. البته چگالی آب صفر درجه بیشتر از چگالی آب معمولی است ولی اختلاف چگالی آب و آب نمک بیشتر است. به همین دلیل وقتی یخ آب می‌شود، آب سرد همان‌جا روی سطح آب نمک می‌ماند.

 

مشاهده‌ی اختلاف زمان آب شدن یخ‌ها در دو لیوان هم جالب است. وقتی یخ آب می‌شود، آب سرد در تمام لیوان آب پخش می‌شود. در نتیجه همیشه در اطراف یخ، آب با دمای معمولی اتاق وجود دارد که باعث می‌شود یخ زودتر آب شود. اما در لیوان آب‌نمک وقتی یخ آب می‌شود، دمای آن در حدود صفر درجه است و دیدیم که همان کنار یخ باقی‌می‌ماند و پخش نمی‌شود. در نتیجه آبی که اطراف یخ وجود دارد آب سرد است و همین باعث می‌شود که یخ دیرتر آب شود.

جالب است بدانید…

در دریاچه‌هایی مانند دریاچه‌ی ارومیه که آب آنها بسیار شور است، چگالی آب دریاچه به دلیل وجود نمک زیاد، حدود سی درصد بیشتر از چگالی آب خالص است و همین باعث می‌شود که شناگران راحت‌تر روی آب چنین دریاچه‌هایی بمانند. شناگران به‌خوبی این اختلاف را حس کرده‌اند که مثلاً شناور شدن روی آب دریاچه‌ی ارومیه راحت‌تر از دریاچه‌ی خزر است.

 

در اقیانوس‌های زمین جریان‌های بزرگی از آب وجود دارد که جریان‌های اقیانوسی نامیده می‌شوند. باد عامل اصلی در جریان آب در سطح اقیانوس‌ها است و جریان‌های عمیق‌تر در اثر تغییر چگالی ایجاد می‌شوند. دما و شوری آب از عوامل مهم در تغییر چگالی آب هستند. جو زمین بر هر دوی این جریان‌های سطحی و عمقی اثر دارد و به این ترتیب جریان‌های اقیانوسی گرما و شوری و مواد دیگر را در آب‌ها جابه‌جا می‌کنند و به همین دلیل در اقلیم‌ زمین بسیار مؤثرند.

 

آب شدن یخ‌های قطبی بر گردش آب اقیانوسی اثر دارد. آب خالص روی آب اقیانوس (که در واقع آب‌نمک است) می‌ماند و درصد نمک سطح آب را تغییر می‌دهد (مانند آزمایشی که دیدیم). این اتفاق می‌تواند خواص فیزیکی و شیمیایی آب را تغییر دهد و بر سیستم گردش آب اقیانوسی و در نتیجه بر زیستِ موجودات در اقیانوس‌ها اثر بگذارد. اگر می‌خواهید در آزمایشی که انجام می‌دهید شوری آب مشابه با میانگین شوری آبِ اقیانوس‌ها باشد در یک لیوان آب حدود دو قاشق مرباخوری نمک حل کنید، شوری میانگین آب اقیانوس‌ها ۳۵ گرم در لیتر است.

رفتار عجیب آب: هم‌چنین جالب است بدانید که چگالی آب با تغییر دما رفتار عجیبی دارد. هر چه دمای آب را کم کنیم چگالی‌اش افزایش می‌یابد، ولی وقتی به حدود دمای چهار درجه‌ی سانتی‌گراد برسیم آب بیشترین چگالی را دارد. وقتی دما را از‌ آن هم کمتر بکنیم چگالی آب (بر خلاف مواد دیگر) اندکی کاهش می‌یابد تا به آب صفر درجه برسیم و بعد آب یخ بزند!

مطالب مرتبط