自然の大きなスプーン。図面、説明

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自然の大きなスプーン。子ども科学実験室

児童科学研究所

1970 年 1000 月、カリブ海のマルティニーク島からそれほど遠くない場所で、14 人のアメリカ人科学者、G. シュトメル、L. ハワード、D. ナーガードが、うらやましいほどの粘り強さで、次のような長さ XNUMX キロメートルのプラスチックの腸を水中に打ち込もうとしました。庭師は花や木に水をやるために使用します。柔軟なガットは絡まって壊れ、科学者たちに多大な迷惑をもたらしたが、それでも目標は達成された。最終的に、ガットは水面から深さXNUMXメートルまで垂直に「ぶら下がった」。そして科学者たちは、彼らが見たいものを見ました。彼らは、XNUMX 年前に G. シュトメル、A. アロン、D. ブレンガードによって「海洋学の謎」という著作で表現された理論的命題を実験的にテストし、これらの規定が真実であることを確認しました。

この理論的研究の著者らは、世界の海洋のさまざまな深さのさまざまな地域で、塩分濃度と水温に応じた水密度の分布を研究し、たとえばバミューダ近くのサルガッソ海では銅が存在するという結論に達しました。例えば長さ1000メートルのパイプを垂直に下げ、端が水面上にあまり突き出ないよう内径2センチメートルにすると、著者らが「永遠」と呼んだ驚くべき現象を観察できるようになる。塩の泉」。この噴水を開始するには、パイプの上端をポンプに接続し、ポンプの電源を入れ、深さ XNUMX メートルから塩分濃度の低い水の一部を汲み上げるのに必要な時間だけ動かし続けるだけで十分です。

その後、ポンプを外すことができ、パイプからの水が自動的に噴出します。

実際のところ、ポンプは上層の水よりも塩分の少ない冷水を、千メートルの地点からパイプに引き込みます。上昇すると、水はいくらか加熱され、上層のやや暖かい水からパイプの壁を通して熱を受け取ります。パイプの銅壁は熱交換を提供しますが、塩交換は提供しません。そのため、パイプ内の水は上に移動するにつれて暖かくなり、わずかに塩分を含んだままになり、したがって密度が比較的低くなります。したがって、パイプ内に含まれる水柱は、パイプの外側の同等の水柱よりも軽いです。重量の違いにより圧力の差が生じ、最終的には塩分の少ない水がパイプを上昇します。パイプの端が表面からあまり高く突き出ていなければ、「永久噴水」を作動させるのに十分な過剰な圧力がかかり、パイプの突き出た端から流出し続ける塩水の量は少なくなります。このプロセスは、サルガッソー海の水が十分に混合されるまで、つまりほぼ無限に続きます。

自然の大きなスプーン
熱帯海洋の水温と密度の分布は、塩の噴水の可能性を生み出します。

高さ60センチメートルの塩の噴水を受け取った科学者たちは、突然疑念を持ち始めました。密度の違いではなく、表面の波によって水が上昇するとしたらどうなるでしょうか？波はフロートに取り付けられた柔軟で弾性のあるホースを動かし、おそらくそれを一種のポンプに変え、「永遠の泉」にエネルギーを供給するだけです。硬いホースを使って実験を繰り返すことで、疑いを取り除くことができました。この場合も塩噴水は機能しました。

塩の泉を手に入れてみましょう。これにはXNUMXキロのホースも必要ありませんし、バミューダの代わりにキッチンに行くだけで済みます。また、熱帯の海では、水の表面は暖かく塩分が多く、深さは冷たく塩分が少ないため、幅の広い鍋を使用してモデル化します。また、ヴォルナチーズの下からプラスチックのカップも必要になります。その底にピンで穴を開ける必要があります。

自然の大きなスプーン
ひっくり返されたグラスの穴から真水の噴水が噴出し、熱い塩水の上層に浸透します。

まず、冷たい水道水を汎海洋に注ぎ、この底層の深さが3〜4センチメートルになるようにします。穴の開いたプラスチックのカップを逆さまにして水の中に置きます。次に、できるだけ混合しないように非常に慎重に、ガラスの穴から冷水が現れるまで鍋に温水を注ぎます。そして最後に、熱帯海洋の表層をシミュレートしましょう。このために (これも細心の注意を払って) 温水の層の上に熱い塩水の薄い層を注ぎます。

海は準備ができています。

ここで、ガラスの穴に絵の具やインクを落とすと、小さな水の噴水が穴から勢いよく出てきて、海の塩の泉を模倣しているのがわかります。

カップから流れ出る水は、同じ深さの外側の水とほぼ同じ温度ですが、塩分が少ないため軽いです。これにより、カップから水が流れ出ます。噴水は、塩と熱が「海」全体に均等に分配されるまで作動します。

ソルトフィンガー

塩水では、熱は塩よりもはるかに速く広がります（約XNUMX回にXNUMX回）海洋では、特定の条件下では、一種の天然の銅パイプ、またはむしろ多くの小さなチューブが存在する可能性があります - 目に見えないチャネル水中で水が起こる動き。

温かい塩水の層を冷たい、塩分濃度の低い水の層の上に置くと、「ソルトフィンガー」と呼ばれる小型の塩の泉が界面に形成されます。塩分濃度の低い水の流れが打ち上がり、互いに分離されます。さらに塩分を含んだ水が流れ落ちます。

自然の大きなスプーン
ソルト・フィンガーズ。上 - 熱い塩水、下 - 冷たい水。

海中でソルトフィンガーを直接観察することはできませんでしたが、キッチンでぜひ！これを行うには、冷たい水道水の入ったグラスに、着色された塩辛いお湯を注ぐだけです。もちろん、注ぐときは細心の注意を払って、冷水と熱湯の境界面がきれいになるようにする必要があります。「海」の水層間の明確な境界面を得るために、D. ウォーカーは、浮いた板に低い高さから熱湯を注ぐことをアドバイスしています。 K. Stong 氏は、瓶の中の冷たい水の表面まで、紐で下げた紙の丸を使用することを推奨しています。

自然の大きなスプーン
熱い塩水をガラス棒の円の上に慎重に注ぎ、糸でガラスから引き抜きます。

モデルの準備が整うと数分以内に、長さ 1 ～ 5 センチメートル、厚さ約 XNUMX ミリメートルのソルトフィンガーが界面に成長します。この現象は、数分から数時間まで非常に長時間続きます。

ソルトフィンガーの出現と発達は、最初は穏やかだった界面を変形させる波の励起によって説明できます。冷水の水滴は熱水に上昇し、その逆も同様です。熱の伝播速度と塩の拡散速度の違いにより、分割線の上にある液滴は基本的に加熱するだけで、液滴中の塩濃度はほとんど変化せず、軽くなり上昇を続けます。分割線の下にある液滴は熱を放出し、冷たくなり、重くなり、沈みます。

自然の大きなスプーン
ソルトフィンガーの発生メカニズム。層間の界面の上 - 温かい塩水、下 - 冷水。層の境界にある冷たい水滴は加熱され、軽くなり、上に向かって勢いよく上昇します。温かい塩水の液滴は、冷たい水に触れて冷やされ、重くなり、勢いよく流れ落ちます。塩水から冷たい淡水への熱の急速な伝達により（淡水への塩の拡散と比較して）、励起振幅が増加します。

容器の壁からの熱損失が大きいため、塩辛い環境で指を使った実験がすぐに成功するとは限りません。英国の物理学者 S. ターナーは、この実験のために XNUMX つの溶液から形成されるより合理的な塩と糖の系を提案しました。

最初の溶液は甘辛いです。水道水 XNUMX 杯あたり、塩小さじ XNUMX 杯半とグラニュー糖小さじ XNUMX 杯です。

XNUMX 番目の溶液は甘塩っぱいものです。コップ XNUMX 杯の水道水に小さじ XNUMX 杯の砂糖と小さじ XNUMX 杯の塩を加えたものです。

まず、甘辛い溶液をガラス瓶に注ぎます。それがシステム全体の最下層を形成します。次に、非常に注意深く、界面を保ちながら、甘い塩辛い溶液を同じ瓶に注ぎます。着色する必要があります（インク「レインボー」 - 青または赤）。ソルトフィンガーは XNUMX 時間以内に現れ、数時間続きます。

この実験における指の成長速度は塩の拡散速度に依存し、その外観そのものは塩の拡散が砂糖よりも速いという事実によるものです。上の層（甘じょっぱい）は下の層よりも密度が低く、層間の境界は安定しているように見えます。しかし、初期のランダムな不安定性により、少量の砂糖溶液が下に送られ、砂糖が周囲の塩水に拡散するよりも早く、塩が結果として生じた膨らみに浸透します。塩を加えた膨らみは周囲よりも密度が高まり、指状に勢いよく下に落ちていきます。同様に、下部のより密度の高い層からの塩水の小さな膨らみは、甘い塩辛い溶液の中に上向きに浸透し、糖を獲得するよりも早く塩を失い、周囲より軽くなり、上向きに勢いよく上昇します。伸びている指。

ソルトオシレーター

そして最後に、塩水と淡水の密度の違いに基づいたもう一つの驚くべき体験をご紹介します。

実験には、野菜の缶詰のガラス瓶または薄いティーグラス、バリドールまたは写真フィルムの下のアルミニウムカートリッジが必要です。薬の下にあるプラスチックのカップを使用することもできます。穴の端が滑らかになるように、できれば加熱した針でガラスの底に穴を開けます。同じ針でアルミニウムのカートリッジに穴を開けるのは簡単です。

自然の大きなスプーン
ソルトマーチンオシレーター。瓶の中 - 水、ガラスのあごの中 - 着色された塩水。ブラインジェットは最後に渦巻きの「傘」を伴って出現します。

自然の大きなスプーン
ティーグラスのオシレーターとvalidolのカートリッジ。

瓶の縁近くまで冷水を注ぎます。塩水を用意し（コップXNUMX杯の水に対して小さじXNUMX～XNUMX杯の塩）、レインボーインク（青または赤）で色を付けます。カップの直径に応じて穴を開け、ボール紙ホルダーにカップを固定します。次に、それを瓶に下げ、食塩水を注ぎながら、ガラスの水位が瓶の中よりわずかに高くなるのを確認します。

今何が起こるか見てください。

より高密度で重い塩水が、ガラスの穴を通って淡水に流れ込み始めます。ガラス内の塩水のレベルが非常に減少し、流出する塩水の圧力が穴のレベルでの瓶内の真水の圧力と等しくなるまで、均一に流れると想定できます。すべてが起こっているようです。色づいた流れは薄くなり、消えていきます。全て？いいえ、しばらくするとジェットが再び現れ、また消えます。これはかなり長い間続きます。

自然の大きなスプーン
フィルムカートリッジを備えた発振器内の渦傘。

ジェットが止まったときにグラスの中で何が起こるかは、最初の経験を思い出せば簡単に推測できます。グラスの底から、より正確には穴から、新鮮な水の噴水があります。軽くなると、水は塩水の厚さを通って上昇します。淡水に色が付いたら、この噴水が観察できるでしょう。

このようにして、ある振動システムが得られ、これは 1970 年にこの効果を最初に発見した科学者の名前にちなんで「マーティン塩振動子」と呼ばれました。発振器の発振周期は主に穴のサイズと淡水の温度に依存します。

発振器の動作は、以前の実験と同じメカニズムに基づいています。

自然の大きなスプーン
マーチン発振器の発振メカニズム。

A. システムは平衡状態にあります。ガラスの穴の下には新鮮な冷水があり、穴の上にはより密度の高い液体である塩水があります。

B、C. レイリー・テイラー不安定性の出現、「スイング」、および淡水の上向きの流れの始まり。

D. ウォーカーによれば、塩振動子は、レイリー・テイラー不安定性 (密度の低い液体の上にある液体の層の界面が、密度の低い液体の層との界面で不安定になること) による自己励起の後に振動し始めるシステムの一例です。静水圧平衡状態にある)、その後 XNUMX つの液体間の界面で急速な励起 (蓄積) が起こります。言い換えれば、私たちの実験では、穴内の圧力が均一化されているにもかかわらず、密度の低い液体の層の上にある密度の高い液体の層は不安定であり、弱いランダムな摂動の影響を受けます。このような摂動により、XNUMX つの流体間の界面にわずかな膨らみが生じます。密度の差により、密度の低い液体の一部は古い界面の上にあり、密度の高い液体の一部は下に押し下げられます。この不安定性は急速に増大し、塩発振器が動作し始めます。

上向きに浸透する淡水は、穴の反対側の同じレベルの塩水よりも軽いため、穴を通る流れが加速されます。淡水の噴水が鼓動し始め、この噴流が塩水の流出を止める瞬間が来ます。カップに水をポンプで送り込むと、カップ内の液体の高さが徐々に増加し、その結果、穴のレベルでの圧力が増加します。瓶はカップよりも広いため、瓶から水が失われると、中の水のレベルがわずかに減少します。最後に、穴の中の塩水の圧力が十分に大きくなり、真水の噴水が完全に停止する瞬間が来ます。サイクルは終わりました。カップ内の水が多すぎるため、ジェットが再び発生します。オリフィスの圧力が再び均等になるまで、流量は徐々に減少します。その後、何らかのランダムな摂動が再び界面に膨らみを引き起こし、真水の噴水が現れます。したがって、流れは上下に交互に変化します。これが塩の振動子です。流量はカップの穴の直径と液体の粘度によって異なります。

前の実験と同様に、他の液体を試すこともできます。重要なのは、それらの密度が異なり、たとえばアルコールと水が混ざるように、混ざらないことだけです。 D. ウォーカーは、わずかに青く染まった水と、赤く染まった糖蜜の溶液を使って作業を試みたところ、彼によれば、ほとんど素晴らしい光景を観察したと報告している。

発振器の装置として、S. Martin は医療用注射器を使用しました。この場合、発振周期は 4 秒に等しく、発振器の動作周期は 20 サイクルでした。

validol のアルミニウムカートリッジを備えた発振器をティーグラスに下げ、10 秒サイクルで XNUMX 時間作動させました。

自然の大きなスプーン
XNUMXリットル缶とプラスチックスプレーを組み合わせた大型発振器。

2 リットルの瓶と Iskra-20 漂白剤のポリエチレンボトルで作った大きな発振器を、砂糖でわずかに甘くし、青いインクで濃い色に着色した食塩水に溶かし、XNUMX 秒のサイクルで長い水流を与えました。各サイクルの最初に現れる弦の端の渦「傘」に加えて、ここでは渦リングも観察できます。それらは下に移動し、追い越し、互いに貫通し、缶の底でぼやけます。リングの一部は写真に撮られました。

自然の大きなスプーン
大きな振動子の渦輪の形。

塩水と淡水の濃度の違いに基づいた 1 つの実験について話しました。自然界では、密度の違いによって引き起こされる海水の垂直混合は、海洋全体の生命にとって非常に重要です。彼のおかげで、太陽熱は薄い水の層に吸収され、深部まで広がります。（TSBからの参照：厚さわずか94センチメートルの層は、通常の海水と塩水の表面に入射する太陽エネルギーの44,2％を吸収し、123キログラムあたり10グラムの塩分濃度まで2,5℃の温水ゾーンを形成します。これらへの関心陥没は、底層の堆積物で亜鉛、銅、鉛、銀、金の含有量が増加していることが発見されたという事実によっても引き起こされます。堆積物のXNUMXメートルの上層には、XNUMX億ドル相当の量が蓄積されました（暫定推定によると）。。

ソ連の科学者も、アカデミック・セルゲイ・ヴァヴィロフ号とヴィチャーズ号のこれらの窪地の研究に参加した。科学者らは、窪地の塩水の年齢は約 10000 年であると示唆しています。

このような異常のもう 0 つの例は、南極のバンダ湖です。氷の真下では、その中の水は新鮮で、その温度は220℃ですが、深さ25メートルでは水温はすでに150℃で、塩分はXNUMXキログラムあたり約XNUMXグラムです。

塩の窪地はどのようにして形成されたのでしょうか? それらに含まれる塩水の年齢をどのくらい正確に判断できますか? 科学者たちはこれらの質問に答えるのが難しいと感じています。これを行うには、高温で濃厚な塩水とその上にある塩分濃度の低い冷水との対流混合の速度を計算する方法を学ばなければなりません。海洋における「大きなスプーン」の作用メカニズムを徹底的に研究する必要があります。

文学：

D.ウォーカー。湧き出る塩水。
「サイエンティフィックアメリカ」、1977 年 XNUMX 月
K.ストング。塩泉で実験。
サイエンティフィックアメリカン、1971 年 XNUMX 月
M.グレッグ。海の微細構造。 Scientific American、1973年XNUMX月
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V.ステパノフ。世界の海。 "知識"。 M.、1974
「自然」5年第1973号、第11号。 1976年
E. デゲン、D. ロス。紅海の熱い塩水。『サイエンティフィック・アメリカン』誌、1970 年 XNUMX 月
G. ゾツェニゼ。紅海の熱い塩水と火山堆積鉱石の起源の問題。「鉱床の地質」、No.5、1972

著者: V.ラゴフスキー

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