大自然的大勺子。绘图、说明

大自然的大勺子。儿童科学实验室

儿童科学实验室

1970 年 1000 月，在离加勒比海马提尼克岛不远的地方，三名美国科学家——G. 斯托梅尔、L. 霍华德和 D. 内加德——以令人羡慕的毅力，试图在水下驱动一公里长的塑料肠道，就像园丁用来浇花和树木。柔性肠道缠结、断裂，给科学家带来了很大麻烦，但他们还是达到了目的：最终，肠道垂直“悬挂”——从水面到14米深处。然后科学家们看到了他们想看到的东西：他们用实验检验了XNUMX年前G. Stommel、A. Arong和D. Blengard在著作《海洋学之谜》中提出的理论命题，并确保这些规定是正确的。

这项理论工作的作者研究了世界海洋不同区域不同深度的水密度分布，取决于其盐度和温度，得出的结论是，例如，在百慕大附近的马尾藻海，铜比如说，一根1000米长的管道被垂直放下，内径为2厘米，这样末端就不会伸出水面太高，那么就有可能观察到一种令人惊奇的现象，作者称之为“永恒的现象”。盐泉”。要启动这个喷泉，只需将管道的上端连接到泵，将其打开并保持打开状态，时间与从一千米深的地方抽出一部分咸水的时间一样长。

之后，可以断开泵，管道中的水将自行流出。

事实上，泵将冷水（比高层水的盐度低）从千米处吸入管道。上升时，水会稍微变热，通过管壁从上层稍微温暖的水中接收热量。管道的铜壁提供热交换，但不提供盐交换，因此管道中的水在向上移动时变得更热，保持微咸，因此密度相对较小。因此，管内的水柱比管外的同等水柱轻。重量的差异会产生压力的差异，最终导致咸度较低的水上升到管道中。如果管子的末端没有突出水面太高，那么就会有足够的超压来启动“永久喷泉”，并且较少的咸水会不断地从管子的突出端流出。这个过程将持续下去，直到马尾藻海中的水充分混合，也就是说，几乎无限期地混合。

大自然的大勺子
热带海洋中水的温度和密度的分布创造了盐泉的可能性。

收到一个60厘米高的盐泉后，科学家突然开始怀疑：如果不是密度的差异，而是表面的波浪使水上升呢？波浪移动连接在浮子上的柔性弹性软管，也许将其变成一种泵，为“永恒喷泉”提供能量。使用刚性软管重复实验可以消除疑虑：盐喷泉在这种情况下也起作用。

我们试着去弄一个盐泉吧。为此，您不需要一公里长的软管，而且不用百慕大，我们只需去厨房即可。对于热带海洋，表面的水更温暖、更咸，而深处的水更冷、咸度更低，我们将使用宽平底锅进行建模。我们还需要一个塑料杯，例如放在沃尔纳奶酪下面的塑料杯，在其底部用大头针扎一个孔。

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淡水喷泉从倒置玻璃上的一个孔中喷出，渗透到顶层的热盐水中。

首先，将冷自来水倒入泛海中，使底层深度为3-4厘米。我们将一个带孔的塑料杯倒放在水中。现在，非常小心地，为了尽可能避免混合，我们将温水倒入锅中，直到冷水从玻璃上的孔中流出。最后，让我们模拟热带海洋的表层 - 为此（再次非常小心），我们将在温水层的顶部倒入一层薄薄的热咸水。

海洋准备好了。

如果您现在将油漆或墨水滴在玻璃上的孔上，您可以看到一个小喷泉从孔中喷出，模拟海洋盐喷泉。

从杯子里流出的水与外面相同深度的水的温度大致相同，但咸度较低，因此更轻。这导致水从杯子中流出。喷泉将一直运行，直到盐和热量均匀分布在我们的“海洋”的整个体积中。

盐手指

由于盐溶液中的热量传播速度比海洋中的盐传播速度快得多（大约是百分之一），因此在某些条件下，可能会存在一种天然铜管，或者更确切地说，许多小管 - 看不见的通道水在水中发生的运动。

如果将一层温暖的咸水放置在一层冷的、不太咸的水之上，则在界面上会形成称为“盐指”的微型盐喷泉 - 咸水较少的水流会涌动，彼此之间通过一串串更咸的水落下。

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盐手指。顶部 - 热盐水，底部 - 冷水。

直接在海洋中观察盐指是不可能的，但请在厨房里观察！为此，只需将有色咸热水倒入一杯冷自来水中即可。当然，倒的时候要非常小心，让冷水和热水的界面相当清晰。为了在“海洋”中的水层之间形成清晰的界面，D. Walker 建议将热水从一个较小的高度倒在一块漂浮的木板上； K. Stong 建议使用一个纸圈，用绳子将其放在罐子里的冷水表面。

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必须小心地将热盐水倒在玻璃棒上的一个圆圈上，然后通过螺纹将其从玻璃中拉出。

几分钟后，模型准备好后，界面上就会长出盐指，长1到5厘米，厚约XNUMX毫米。这种现象持续相当长的时间——从几分钟到几个小时。

盐指的出现和发展可以用波激发来解释，波激发使最初平静的界面变形。冷水滴向上移动到热水中，反之亦然。由于热传播和盐扩散速率的差异，分界线上方的液滴基本上只升温，其中的盐浓度几乎没有变化，它们变得更轻并继续上升；低于分界线的水滴会散发热量，变得更冷、更重并下沉。

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盐指发生机制。各层之间的界面上方是温盐水，下方是冷水。位于各层边界的冷水滴变热，变轻并向上冲。温热的盐水滴因与冷水接触而冷却，变得更重并向下流。由于热量从盐水快速传递到冷淡水（与盐扩散到淡水相比），激发幅度增加。

由于容器壁的大量热量损失，在咸热环境中用手指进行的实验并不总是立即成功。英国物理学家S.特纳为实验提出了一种由两种溶液组成的更合理的盐糖体系。

第一种溶液是咸甜的：每杯自来水加入两茶匙半盐和一茶匙砂糖。

第二种溶液是甜咸的：在一杯自来水中加入两茶匙糖和一茶匙盐。

首先，将咸甜溶液倒入玻璃罐中 - 它形成整个系统的底层。然后，非常小心地保持接口，将甜咸溶液倒入同一个罐子中；它必须是有色的（墨水“彩虹” - 蓝色或红色）。盐指会在一小时内出现并持续几个小时。

在这个实验中，手指的生长速度取决于盐扩散的速度，它们的出现是由于盐比糖扩散得更快。上层（甜咸）的密度低于下层，并且各层之间的边界似乎应该是稳定的。但随机的初始不稳定性使少量糖溶液向下流动，并且盐渗透到由此产生的凸起的速度比糖扩散到周围盐水中的速度更快。添加盐后的凸起变得比周围更致密，并向下冲，形成手指。同样地，来自较低、较密层的一小部分盐水向上渗透到甜咸溶液中，失去盐的速度比获得糖的速度快，变得比周围环境轻，并以水的形式向上冲。成长的手指。

盐振荡器

最后，另一个基于盐和淡水密度差异的惊人体验。

为了进行实验，您需要一个罐装蔬菜的玻璃罐或一个薄茶杯，一个来自有效醇或照相胶片的铝盒。您也可以使用一些药物下面的塑料杯。用针刺穿玻璃底部，最好是加热的，以便孔的边缘光滑。用同一根针在铝筒上打孔很容易。

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盐马丁振荡器。在罐子里 - 水，在玻璃下巴 - 有色盐水中。盐水射流的末端出现一个漩涡“伞”。

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来自茶杯的振荡器和来自validol的墨盒。

将冷水倒入罐子中，几乎达到边缘。准备盐水（每杯水一到一茶匙半茶匙盐），用彩虹墨水（蓝色或红色）着色。根据杯子的直径在纸板支架上切一个孔，将杯子固定在纸板支架上。然后将其放入广口瓶中，倒入盐溶液时，确保玻璃杯中的水位略高于广口瓶中的水位。

现在看看会发生什么。

密度更大、更重的盐水开始通过玻璃上的孔流入淡水中。可以假设，它将均匀地流动，直到玻璃中的盐水的水平降低到流出的盐水的压力等于罐中孔的水平处的淡水的压力为止。这一切似乎正在发生。有色流变细并消失。全部？不，过了一会儿喷射再次出现又消失。这种情况持续了相当长一段时间。

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带有胶片盒的振荡器中的涡旋伞。

当喷射停止时，玻璃杯中发生的情况很容易猜到，记住第一次经历：有一股淡水喷泉 - 来自玻璃杯的底部，更准确地说，来自孔洞，新鲜的，也就是说，较轻，水上升穿过盐水的厚度。如果淡水被染色，我们就能观察到这个喷泉。

这样就得到了某种振荡系统，以1970年首次发现这种效应的科学家的名字命名为“马丁盐振荡器”。振荡器的振荡周期主要取决于孔的大小和淡水的温度。

振荡器的操作基于与先前实验相同的机制。

大自然的大勺子
马丁振荡器中的振荡机制。

A. 系统处于平衡状态。玻璃孔下方是新鲜的冷水；孔上方是密度更大的液体，即盐水。

B、C.瑞利-泰勒不稳定性的出现、“摆动”以及淡水开始向上流动。

D. Walker 写道，盐振荡器是一个系统的例子，该系统由于瑞利-泰勒不稳定性（当界面位于密度较小的液体之上的一层较稠密液体的界面处的不稳定性）而在自激后开始振荡。处于流体静力平衡），然后在两种液体之间的界面处快速激发（积聚）。换句话说，在我们的实验中，尽管孔中的压力相等，但位于密度较小的液体层上方的密度较大的液体层是不稳定的，并且会受到一些微弱的随机扰动。这种扰动会在两种流体之间的界面处产生轻微的凸起。由于密度差，一些密度较小的液体位于旧界面的顶部，而一些密度较大的液体被向下推。这种不稳定性迅速增加，盐振荡器开始运行。

淡水向上渗透，加速了通过孔的流动，因为它比孔另一侧同一高度的盐水轻。一股淡水喷泉开始喷涌，有一刻，这股喷射停止了盐水的流出。将水逐渐泵入杯子中会导致杯子中液体的高度增加，从而导致孔处的压力增加。由于罐子比杯子宽，罐子中的水损失会稍微降低其中的水位。最后，当孔中盐水的压力变得足够大以减少淡水喷泉的时刻，然后完全停止淡水喷泉。循环结束了。现在杯子里的水太多了，喷射又出现了。流量逐渐减小，直到孔口处的压力再次平衡。然后，一些随机扰动再次导致界面凸起——出现淡水喷泉。因此，流动交替：向上或向下——这就是盐振荡器。流速取决于杯中孔的直径和液体的粘度。

与之前的实验一样，您可以尝试其他液体，重要的是它们的密度不同并且不要混合，例如酒精和水混合。 D.沃克报告说，他尝试用水（略带蓝色）和糖蜜溶液（略带红色）进行工作，据他说，他观察到了几乎令人难以置信的奇观。

对于振荡器的装置，S. Martin 使用了医用注射器。在这种情况下，振荡周期等于4秒，并且振荡器的操作周期为20个周期。

我们的振荡器配有 validol 的铝制墨盒，放入茶杯中，以 10 秒的周期工作一小时。

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一个大型振荡器，由一个五升的罐子和一个塑料喷雾器组成。

一个大型振荡器，由一个 2 升罐子和一个装有 Iskra-20 漂白剂的聚乙烯瓶制成，在盐水溶液中加了糖，并用蓝色墨水深着色，产生了一个 XNUMX 秒周期的长流。除了在每个周期开始时出现在弦末端的涡旋“伞”之外，这里还可以观察到涡环。它们向下移动、超越、相互渗透，并在罐子的最底部变得模糊。一些戒指被拍照。

大自然的大勺子
大型振荡器中的涡环形式。

我们讨论了基于咸水和淡水密度差异的三个实验。在自然界中，由密度差异引起的海水垂直混合对于整个海洋的生命非常重要。多亏了他，太阳的热量被一层薄薄的水吸收，传播到深处。（参考TSB：仅1厘米厚的层吸收了入射到正常海水表面的94％的太阳能，并且盐水形成了44,2°C的温水区，盐度为每公斤123克。对这些的兴趣造成凹陷的另一个原因是，在底部沉积物中发现锌、铜、铅、银和金的含量增加，在上层 10 米的沉积物中，它们积累了价值 2,5 亿美元（据初步估计）的物质。。

苏联科学家也在谢尔盖·瓦维洛夫院士号和胜利号上参与了对这些凹陷的研究。科学家推测，凹陷中卤水的年龄约为一万年。

这种异常现象的另一个例子是南极洲的万达湖。冰层正下方，里面的水是新鲜的，水温为0℃，而在220米深处水温已达25℃，盐度约为每公斤150克。

盐洼是如何形成的？您能多准确地确定其中所含盐水的年龄？科学家发现很难回答这些问题。要做到这一点，人们必须学习如何计算热而浓的盐水与位于顶部的咸度较低的冷水的对流混合率。有必要深入研究海洋“大勺子”的作用机制。

参考文献：

D.沃克。盐溶液喷涌而出。
《科学美国》，1977 年 XNUMX 月
K. 汤。盐泉实验。
《科学美国人》，1971 年 XNUMX 月
M.格雷格。海洋的微观结构。《科学美国人》，1973 年 XNUMX 月
电信标准化局，第 18 卷，第 332 页。
五、斯捷潘诺夫。世界海洋。 “知识”。米，1974 年
《自然》，第 5 期，1973 年和第 11 期。 1976年
E.德根，D.罗斯。红海的热盐水。《科学美国人》，1970 年 XNUMX 月
G.佐采尼泽。红海热盐水和火山沉积矿成因问题。《矿床地质》5年第1972期

作者：V.Lagovskiy

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