Jordens dannelse og placering i rummet

Transkript

1 Oceanografi

2 Oceanografi 2 Jordens dannelse og placering i rummet Man forestiller sig at Universet blev dannet ved en begivenhed som kaldes Big Bang. Før Big Bang (og sådan kan man strengt taget ikke udtrykke sig, idet alt, og hermed menes alt, først blev dannet ved Big Bang eller senere og dermed også tiden. Derfor giver det ikke mening at tale om før Big Bang). Et stykke tid efter Big Bang dannedes elementarpartiklerne protoner, neutroner og elektroner og således også muligheden for brint (ca 70%) og helium (ca 30%). På grund af små forskelle i tyngden skabtes fortætninger af skyer af brint og helium som ved yderligere fortætning skabte de første stjerner. I tidens løb udviklede disse første stjerner sig og producerede tungere grundstoffer i deres centrale dele. Ved stjernernes død spredtes de tunge grundstoffer til det omliggende rum, hvilket betød, at de næste generationer af stjerner, udover brint og helium, også indeholdt tunge grundstoffer. De skyer som trak sig sammen blev imidlertid ikke udelukkende til stjerner; der blev en lille smule stof til overs, og af dette dannedes planeter som pga den oprindelige skys rotation kom til at rotere om deres stjerne. Opgave 1 Find i en tabel om Solsystemet Solens og planeternes masser, og beregn hvor stor en del af Solsystemets samlede masse der udgøres af Solen, Jupiter og de resterende planeter tilsammen. Dette er i extremt korte træk hvordan man forestiller sig Jorden og de øvrige planeter dannet. Sammmen med Solen og resten af Solsystemet befinder vi os i en stor samling af stjerner kaldet en galakse; vores galakse er Mælkevejen. Opgave 2 Man kan gå ud fra at Mælkevejen indeholder stjerner med samme masse som Solen. Find Mælkevejens samlede masse.

3 Oceanografi 3 Opgave 3 Et lysår, forkortet 1 ly (efter engelsk: light year), er den afstand som lys tilbagelægger i det tomme rum, vacuum, i løbet af ét år; lysets fart i det vacuum kan sættes til m/s. Hvor langt er 1 ly? Opgave 4 Mælkevejen kan i grove træk sammenlignes med en (meget) flad konservesdåse (en cylinder) med en diameter på ly og en højde på 2000 ly. Find Mælkevejens rumfang i m 3. Opgave 5 Beregn Mælkevejens gennemsnitlige densitet. Find også Jordens gennemsnitlige densitet, og sammenlign de to størrelser. Jordens størrelse og form Man har siden oldtiden vidst at Jorden er kugleformet, og at dens omkreds, regnet i moderne enheder, er ca km. Dette svarer til at Jordens radius kan sættes til 6371 km. Overfladearealet af en kugle A af en kugle er givet ved: A = 4πr 2 hvor r er kuglens radius. Opgave 6 Find Jordens overfladeareal

4 Oceanografi 4 Fordeling af land og hav Jorden er ikke en glat kugle. Nedenstående figur viser hvordan de yderste ca 20 km varierer med hensyn til højde. Opgave 7 a. Beskriv figuren b. Hvor stort et areal er vand? c. Hvor stort et areal er land? d. Hvad er gennemsnitsdybden af verdenshavene? e. Hvor meget fylder verdenshavene?

5 Oceanografi 5 Hydrosfæren Vandet i oceanerne er som bekendt ikke fersk, men salt. Det kommer sig af at når der sker fordampning fra havene, så er det hovedsageligt vandet som fordamper og mens saltet forbliver i vandet. Når der således tilføres salt til havene forsvinder det ikke igen. Men hvor kommer det fra i første omgang? Figuren viser i korte træk vandets kredsløb. Jordens overflade påvirkes hele tiden af vejr og vind. Ved nedsivning og frysning af vand nedbrydes i tidens løb bjergarter og ved kemiske reaktioner omdannes de mineraler som bjergarterne består af til deres bestanddele i form af atomer, ioner og molekyler, og da Na + - og Cl -ionerne optræder i bjergarterne, føres disse ioner, sammen med utallige andre, tid efter anden via floder og åer ud i havene som altså på denne måde bliver salte. At der er tale om ganske store mængder vand, betragtet efter en menneskelig målestok, viser denne tabel: Reservoir Volumen (km 3 ) Mængde i procent af ikke-oceanvand Polaris og gletchere Grundvand i mindre end 750 m s dybde 4, Grundvand dybere end 750 m 5,3 10 6

6 Oceanografi 6 Søer Floder Fugt i jorden Atmosfæren Sum Oceanerne Man kan vise at rumfanget mellem to koncentriske kugler med radierne r og r+h når h er lille sammenlignet med r kan beregnes som overfladearealet af kuglen med radius r gange med forskellen h: V kugleskal = 4 r 2 h Opgave 8 Benyt resultatet fra opg 6 om Jordens areal og 7d om havenes middeldybde til at finde rumfanget af verdenshavene. Stemmer det med de km 3 fra tabellen ovenfor? Opgave 9 a. Udfyld søjlen Mængde i procent af ikke-oceanvand b. Hvor mange procent udgør ikke-oceanvandet af den samlede mængde vand? Som det fremgår af figuren sker der en udveksling af vand mellem landjorden og oceanerne. Deler vi det op i fordampning fra vand og land og nedbør i havet og på land har man: Hav Land Fordampning fra 3, g/år 0, g/år Nedbør på/i 3, g/år 0, g/år Opgave 10 a. Hvad er nettotabet af vand fra havene pr år? b. Hvad er nettogevinsten af vand på landjorden pr år? c. Hvad sker der med denne forskel? d. Hvis man forestiller sig at Jordens have til at begynde med har været tomme, og at havene er blevet fyldt ved en transport af vand fra land, med en fart af samme størrelse som beregnet i spørgsmål b, hvor lang tid vil der så gå før havene er blevet fyldt til det nuværende niveau? Man kan bruge resultatet i spørgsmål 8d som et fingerpeg om hvor lang tid der går fra at en lille portion vand fordamper fra en havoverflade til den igen befinder sig samme sted, altså en tidsskala for vandets kredsløb. Ved siden af vands direkte nytte som drikkevand, for det ferske vands vedkommende, og til sejlads har forskelle i vandets densitet stor betydning for cirkulationen i havene. Fordampning af vand til

7 Oceanografi 7 damp (man bruger også ordet gas; i fysikken er en gas en hvilkensomhelst luftart) og fortætning igen til flydende vand transporterer enorme energimængder fra lave breddegrader til høje bredder. Vi vil først se på densitetens afhængighed af temperaturen: Opgave 11 a. Hæld noget postevand ned i et kar og tag noget farvet is. Læg isen i en lille beholder foroven i karret og se hvad der. Husk at notere; tag billeder eller en lille stump film. b. Gentag forsøget men denne gang med saltvand i stedet for is. For at kunne følge det salte vands bevægelse kan man bruge farvet vand. Igen noteres, tages billeder og/eller filmes. Billederne nedenfor viser resultatet af et tidligere forsøg a b c Opgave 12 a. Hvilken betydning vil det have for en vandsøjle hvis det vand som ligger foroven bliver afkølet i forhold til det som ligger nedenunder? b. Hvilken betydning vil det have for en vandsøjle hvis det vand som ligger foroven bliver mere salt i forhold til det som ligger nedenunder? c. Hvordan kan en situation som i spørgsmål a opstå på naturlig vis? d. Hvordan kan en situation som i spørgsmål b opstå på naturlig vis? Den cirkulation i oceanerne som skyldes forskelle i temperatur og saltindhold mellem forskellige vandmasser kalder man den termohaline cirkulation. Figuren viser den generelle cirkulation i verdenshavene set to-dimensionalt, dog således at overfladestrømmene er røde.

8 Oceanografi 8 Lodret snit gennem Atlanterhavet som viser salinitetens variation med dybden i havet og den geografiske bredde. Svarende til forrige figur ses her et lodret snit gennem Atlanterhavet som viser temperaturens variation med dybden i havet og den geografiske bredde.

9 Oceanografi 9 For at få et mere præcist billede af det salte vands densitet vil vi måle den for forskellige saltholdigheder og vi vil bruge rent NaCl, selvom det ikke kun er NaCl der er i verdenshavene. Man definerer saltholdigheden, eller saliniteten som det også kaldes, som massen af opløst salt pr. liter saltvand. Hvis man eksempelvis kommer 25 g NaCl i en kolbe og fylder kolben op til 1 litermærket, så er saliniteten Opgave 13 Lav først saltvand med saliniteterne , , , og , og mål derefter en række af sammenhørende værdier af masse og volumen for disse fem vandprøver, fx som vist i dette skema: Vand med saliniteten: Volumen (cm 3 ) Masse (g) Det er ikke væsentlig om voluminet er præcis som ovenfor, bare det er nøjagtigt kendt Vi vil bruge LoggerPro og får derfor automatisk tegnet graferne med voluminet V som uafhængig og massen m som afhængig variabel. Vær extremt omhyggelig, både med tilvirkningen af vandprøverne og med aflæsningen af voluminerne; massen er ikke noget problem, da vægten vejer med 0,01 g nøjagtighed og gør det automatisk. Resultaterne skulle gerne være rette linier og ud fra disses hældningskoefficienter kan de fem vandprøvers densiteter findes. Nu kender vi densiteten for de fem forskellige saliniteter: Opgave 14 Lav et nyt datasæt med saliniteten som den uafhængige og densiteten som den afhængige variable og undersøg grafen. Hvordan ser den ud?

10 Oceanografi 10 Som tidligere nævnt, så flyttes der enorme energier mellem de forskellige dele af Jorden ved havstrømme og fordampning/fortætning af vand som følgende forsøg vil vise. Det skyldes vands meget store evne til at holde på varme (det er derfor at vi her i landet har milde vintre i forhold til vores geografiske beliggenhed) og at det kræver meget energi at fordampe vand (det er derfor at man ikke skal tørre tøj i en tørretombler). Denne energi tages fra havene hvor det er varmt og køler på den måde vandet, og afleveres i køligere områder hvor den energi der skulle til at fordampe vandet så afleveres til omgivelserne. Man kalder de to tal som beskriver disse forhold for vands specifikke varmekapacitet c ledning v og fordampningsvarme L v Opgave 15 Lav en opstilling som vist på figuren. Vær forsigtig når dyppekogeren spændes fast. Forbind Ohausvægten og LabPro til computeren, og derefter termoføleren til LabPro. Fyld kalorimeteret med så meget vand at dyppekogeren er dækket med vand. stativ dyppekoger kalorimeter Ohausvægt termoføler ledning fra termoføler til LabPro ledning direkte fra vægt til computer Indsæt en ekstra søjle i LoggerPro som viser den tilførte energi; den beregnes som den effekt der er trykt på dyppekogeren gange den tid som målingen har stået på. Altså Tilført energi = effekt gange tid = Pt Sæt LabPro til at måle i 600s og start målingen. Start målingen inden dyppekogeren sænkes ned i vandet; på den måde kan vi måle opdriften på dyppekogeren. Når dyppekogeren er ordentlig nede i vandet (den må ikke røre bægerets bund eller sider) tændes dyppekogeren. Sluk for dyppekogeren når vandet har kogt i nogle minutter, men lad dyppekogeren blive i vandet. Brug opvarmningsfasen til at skønne vands varmefylde. Brug massetabet mens vandet koger til at skønne vands fordampningsvarme. Overvej om al den tilførte energi går til at opvarme vandet. bord LabPro computer

11 Oceanografi 11 Havstrømme og vinde Det er karakteristisk at havstrømme og vinde ikke bevæger sig i rette linier. Det skyldes en såkaldt fiktiv kraft kaldet corioliskraften. Den optræder når man ser på bevægelser på genstande som roterer. Når Jorden drejer sig om sin akse én gang i løbet af 24 timer, så betyder at alle punkter på Jorden roterer 360. Men da et punkt på fx 56 nordlig bredde ikke skal bevæge sig lige så langt i løbet af de 24 timer som et punkt der ligger sydligere (blå og grøn pil), vil det sydlige punkt have større fart, i fin overensstemmelse med, at eksempelvis Afrika bliver ved med at ligge syd for Europa. Jorden bliver ikke drejet af led. Hvis vi er i hvile i forhold til vores omgivelser, så deltager vi i Jordens rotation om sin akse; vi er således ikke i hvile i forhold til en (tænkt) tilskuer som kunne betragte os ude fra rummet. Ser vi fx på en lille luftmængde på den nordlige halvkugle, som bevæger sig stik syd (rød pil), så vil den ud over sin sydgående fart også have en østgående fart (blå pil). Men da den bevæger sig mod syd, så kommer den til områder hvor den østgående fart er større (grøn pil) end der hvor luftpakken kommer fra, og den vil derfor sakke bagud i den østvest gående bevægelse. Set fra de steder hvor luftpakken kommer til vil luftpakken altså bevæge sig mod vest med en fart der svarer til forskellen mellem den grønne og den blå pil (foruden den sydlige). Alt i alt ser det, set fra Jorden og fra luftpakken, ud til at den drejer mod højre. Det er dette man kalder corioliskraften. På den sydlige halvkugle vil luften på tilsvarende vis dreje mod venstre. 1 Opgave 16 Hvordan vil en luftpakke blive afbøjet når den bevæger sig fra syd mod nord? Ligesom vindene afbøjes mod højre på den nordlige halvkugle og mod venstre på den sydlige, så vil havstrømme det også. Figuren viser hvordan vinden får de øverste vandlag til at strømme en smule mod højre i forhold til vinden. På grund af friktion i vandet vil det øverste vandlag påvirke laget umiddelbart nedenunder som vil dreje yderligere i forhold til laget der påvirkede det. Således kan man fortsætte indtil påvirkningen efterhånden dør ud og resultatet er således at strømmen drejer mod højre ned gennem vansøjlen og med aftagende fart. Gennemsnitsretningen for vandsøjlen er vinkelret på vindretningen. Man kalder den spiralformede kurve som fremkommer for Ekmanspiralen. På den sydlige halvkugle er det en venstresnoet spiral. 1 Det er corioliskraften som er forklaringen på passat- og monsunvindene

12 Oceanografi 12 Fx vil en nordgående vind langs en vestkyst på den sydlige halvkugle fremkalde en bevægelse i vandlagene vinkelret på vinden og rettet mod venstre, dvs. at der vil opstå en strøm væk fra kysten. Kortet viser de væsentligste strømme i Atlanterhavet

13 Oceanografi 13 Oceanbundens struktur Kortene viser Atlanterhavet, Stillehavet og Det Indiske Ocean uden vand. Opgave 17 Beskriv hvordan havene ser ud når man bevæger sig fra land og mod store dybder. Stillehavet

14 Oceanografi 14 Det Indiske Ocean

15 Oceanografi 15 Atlanterhavet

16 Oceanografi 16 Det er meget tydeligt at se i Atlanterhavet at der går en ryg fra nord for Island til Antarktis gennem midten af Atlanterhavet. Fra denne ryg strømmer materiale op fra Jordens kappe mens den plade som Atlanterhavet ligger på dykker ned under en anden plade ved den sydamerikanske vestkyst. Det er ikke en selvfølge at det forholder sig sådan, men undersøgelser af magnetfeltet har vist at havbunden faktisk bevæger sig fra øst mod vest. Det har i snart mange år været kendt at Jordens magnetfelt en gang imellem vender; det skal forstås sådan at hvad der i dag er magnetisk nord bliver til magnetisk syd og tilsvarende bliver magnetisk syd til nord. Det materiale som vælder op i midten af Atlanterhavet er flydende (magna) og vil i sin flydende tilstand rette sig ind efter det magnetfelt som det befinder sig i. Efterhånden som det køles og stivner vil det indeslutte magnetfeltet som det var på det tilspunkt hvor magmaet størknede. Ved at undersøge magnetfeltets retning i havbunden har man fundet ud af at det ikke altid har været orienteret som det er i dag. Figur viser princippet Kendes afstanden til pladeranden og pladehastigheden, kan man beregne hvor lang tid der vil gå fra det tidspunkt hvor noget magma dukker op midt i Atlanterhavet til det forsvinder ned under den tilstødende plade ved Chiles vestkyst. Opgave 18 Mål afstanden mellem den midtatlantiske højderyg og Sydamerikas vestkyst tre forskellige steder. Sæt pladehastighenen til 3 cm/år og beregn hvor lang tid der vil gå før magmaen har bevæget sig fra midten af Atlanterhavet til Sydamerikas vestkyst. Opgave 19 Går vi ud fra at svaret i opg 18 er typisk, hvad kan man så vide om havbundens alder?

17 Oceanografi 17 Opgave 20 9 Sættes Jordens alder til 4,5 10 år, hvor mange gange er havbunden så blevet skiftet i den tid? Men det er ikke en god idé at gøre som i opg 18, for Atlanterhavet har ikke eksisteret i sin nuværende form siden Jorden blev skabt. De fem billeder nedenfor viser forskellige stadier i Jordens udvikling frem til i dag: Som man kan se var Atlanterhavet ganske anderledes for blot 65 mio. år siden.