earth – a somewhat bigger laboratory for school physics grzegorz karwasz andrzej karbowski...

68
Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski http://dydaktyka.fizyka.umk.p Zakład Dydaktyki Fizyki, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu

Upload: jan-tirrell

Post on 11-Dec-2015

216 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics

Grzegorz Karwasz

Andrzej Karbowski

Krzysztof Służewski

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl

Zakład Dydaktyki Fizyki, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu

Page 2: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Rationale (I): Polish National Curriculum Base (2007)

Page 3: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Rationale (II): XXI Century Science

Page 4: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

XXI Century Science

Page 5: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

XIV: Structure and evolution of Earth

• Litosphere

• Hydroshere

• Atmosphere

• (Crysphere)

• Biosphere

XV: Structure and evolution of Solar System

Page 6: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Didactical/ heurestic goal

• Bring together Physics & Geography• Illustrate, possibly experimentally, phenomena• Choose the minimum knowledge requirements• Make the whole package attractive

Didactical theory context: -neo-realism (show as much as you can,

and even more), -hyper- constructivism (make student construct his/ her knowledge from apparently nothing, i.e. pre-existing knowledge in his/her mind)

G. Karwasz, Problemy Wczesnego Nauczania, 2013G. Karwasz, GIREP Conference 2012

Page 7: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Case examples:

- radioactivity → the age of Earth

- two-body mechanics → Earth and Moon

- gravity and rotation → shape of Earth

- convection and radioactivity → shield tectonics

- electromagnetic induction → magnetic field

- Coriolis force → general dynamics of atmosphere

- Coriolis force → dynamics of oceanic currents

- latent heat & convection → tropical storms

Page 8: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Three heurestic functions of an interactive/multimedia object

- Child: that’s so funny!

- Pupil: that’s so easy!

- Scientist: that’s so complex!

G. Karwasz, J. Kruk, Idee i realizacje dydaktyki interaktywnej, Wyd. Nauk. UMK, 2012

Page 9: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Radioactive series

rad - 1600 lat, gaz radon - 3,8 dnia, polon - 3 minuty, ołów - 27 minut (ten rozpada się przez proces β); bizmut - 20 minut; w kolejnym rozpadzie β powstaje ponownie polon, ale inny izotop, żyjący zaledwie 0,16 milisekundy, itd.

In other words:- a starting point 238U- some „bottle necks”- an ending point 206Pb

Page 10: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

What is the age of Earth/Solar system?

Page 11: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

What is the age of Earth?

Science 321, 1828 (2008); Jonathan O'Neil, et al. Neodymium-142 Evidence for Hadean Mafic CrustScience 309, 576 (2005); M. Boyet, et al. Silicate Earth 142Nd Evidence for Early (>4.53 Ga) Global Differentiation of the Silicate Earth

Page 12: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

What is the age of Universe?

Planck mission (March 2013): 13.67 bilion yrs

Page 13: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Moon – a companion from (almost) ever

http://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_eclipse

4.567 bln yrs + ~100 mln yrs ago

Page 14: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

„Satelite” = body guard

G. Karwasz, M. Więcek, Toruński po-ręcznik. Fizyka współczesna, ZDF UMK 2012

Page 16: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

„Jakiego kształtu jest kula ziemska?”What is the shape of Earth’s ball?Answer: „Geoide” = Earth-like shape

= tautologyFoto: ESA

https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/content/-/article/goce

Page 17: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Copernicus: Why water does not flow down from Earth’s ball?

remained: „what is the shape of Earth?”

Newton: Because of gravity

Także i wody morskie układają się do postaci kulistej [...]

jako ląd i woda wspierają się na jednym środku ciężkości Ziemi, który jest zarazem środkiem jej objętości.

Page 18: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Newton: Elipsoid

because of the centrifugal force

Page 19: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Centrifugal force from textbooks

waves of kilometric heights would flush downthe globe!

Page 20: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Elipsoid is perpendicular to the effective gravity force

„flatness” 1/297

Page 21: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Parabole is perpendicular to the effective gravity force

Page 22: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Springs in mountains flow perpendicularly to iso-height lines

In physics we call these lines - equi-potential lines:the gravity force is perpendicular to potential lines

Page 23: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Ellipsoid vs. geoid

i.e. geometry vs. physics

Geoid – constant (gravitational + centrifugal) potential surface

Page 24: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

GOCE: equipotential lines

https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/content/-/article/goce

Page 25: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Earth’s shape: equipotential surface

± 100 mhttps://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/content/-/article/goce

Page 26: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Earth’s shape: equipotential surface

Geoid is lower than elipsoid in the Himalaya mountains!

Potential formula: V=GM/r2

Lower mass → lower r

Himalaya are ligth (calcite) rocks

Page 27: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

What is the shape of Earth?

The one, shown by the lever (libella)

and this is perpendicular to the verticalPoziomica, pion

Page 28: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Earth’s shape: horizontal water

because water level is always horizontal, like Copernicus said

Page 29: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

What is the Earth’s internal structure?

S-wave in iron: 3,24 km/s

P-wave in iron: 5,95 km/s

Sprężyny, stukot

Page 30: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

What is the Earth’s structure?

Page 31: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

What is the Earth’s structure?

G. Karwasz, J. Chojnacka, Geografia w Szkole, 2012

crust ↔ litospheremantello ↔ astenosphere

Page 32: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

How old is Europe?

M. Grad, T. Tirra, and ESC Working Group, The Moho depth map of the European Plate, Geophys. J. Int. 176 (2009), str. 279.

Page 33: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

What is the Earth’s crust?

Lampa Lava

Page 34: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Why this vertical movement?

Physics World, March 2013

Heat flux:

- 238U: 8 TW (1015 W)- 232Th: 8 TW- 40K: 4 TW- cooling: 20 TW

- (electricity production: 10 TW)

Page 35: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Quarz, olivine etc.

http://webmineral.com/data/Forsterite.shtml#.U6dDmHZcuRM

Mg2SiO4

Page 36: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

so, the vertical structure is getting complex

Page 37: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

so, the vertical structure is getting quite complex...

Nature09401-f1.2.jpg

Page 38: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Geo-fizyka dla nie-fizyków

Justyna ChojnackaZakład Dydaktyki Fizyki

Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej

300 mln yrs ago

„Pangea”

Page 39: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

and the surface structure?

some 500 mln yrs ago

Page 40: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Moving continents

+ 50 mln yrs (?)

wosk

Page 41: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Colliding continents (I)

John Nábelek, et al. Science 325, 1371 (2009); Foto: J. Karwowski, M. Karwasz, M. Visintainer

Page 42: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Colliding continents (IIa)

Westward: JapanSubduction angle: 45º

Dwie kartki papieru

Page 43: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Colliding continents (IIb)

Eastward: AndesSubduction angle: 15-25º

Page 44: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Colliding continents (III)Subduction of oceanic plates

Ryc. K. Konieczna

Physics World, no 3. (2012)

Page 45: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

IV Continents drifting away

Foto M. Karwasz

Page 46: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

IVa Continents drifting away

Foto M. Karwasz

Page 47: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Earth’s magnetic field

Dynamo model

Page 48: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Magnetic nigthingales

Page 49: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Auto-generated electric super-currents →auto-generated magnetic fields

389371aa.eps.2.gifIllustration of the dynamo mechanism that creates the Earth's magnetic field

Page 50: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Glatzmaier and Roberts 1995

so, it is getting quite complex

Page 51: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Atmosphere: Coriolis force

Ω

v

-2Ω×vΩ

Page 52: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Atmosphere: Coriolis forceΩ

v

-2Ω×vΩ

Page 53: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Atmosphere: Coriolis force

Page 54: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Atmosphere: Tropics and trade winds

Why Tropics are high pressure regions?

It is dry (descending) air!

subtropical and polar jet streams

Page 55: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Atmosphere: Columbus plan

Seasonal changes in Earth’s axis anglebetween September and March (1492/3)

http://earthguide.ucsd.edu/virtualmuseum/images/ColumbusRoute.html

Page 56: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Atmosphere: simple mechanisms, complex pattern

Page 57: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/3312/3392285/blb1801.html

Atmosphere: vertical motion

http://www.hurricanescience.org/

Heat of condensation 540 cal/g →Heating high troposphere→ augmented air convection Warm ocean &Wind-induced evaporation

Page 58: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Wind-driven oceanic circulation

Northern hemisphere: clockwise, like Gulf stream, California Southern hemisphere anti-clockwise: Chile (Humboldt), Kalahari)

antyzegar

Page 59: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

In-depth oceanic circulation

akwarium

Gulf Stream will stop if waters around Iceland warm up

Page 60: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Time-dependent patterns: Fourier components

Page 61: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Atmosphere (II): Fourier components

Page 62: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Interdisciplinary search

• You will find the other rocks lie lower, but they are so close together that there is not more than a bowshot between them. [A large fig tree in full leaf grows upon it], and under it lies the sucking whirlpool of Charybdis. Three times in the dayThree times in the day does she vomit forth her waters, and three times she sucks them down againthree times she sucks them down again; see that you be not there when she is sucking, for if you are, Neptune himself could not save you; you must hug the Scylla side and drive ship by as fast as you can, for you

had better lose six men than your whole crew

Homer, Ulysses

Page 63: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Homer: Scilla & Charybdis

Page 64: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

In-between Scilla and Charybdis

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Publikacje_2014/GwSzk1_2014.pdf

Page 65: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Messina Strait

http://it.wikipedia.org/wiki/Stretto_di_MessinaFontanna Herona, Fala w misce w przewężeniu

3 times a day!

Page 66: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

A bigger wave: tsunami

http://crisisreliefjapan.files.wordpress.com/2011/10/tsunami-wave.jpghttp://cksimpsonwx.blogspot.com/2013/03/throwback-tohoku-earthquake-and-tsunami.html

Page 67: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Geophysics cardinal points

• Earth’s age: 4,567 mln yrs• Moon: 1/4 of Earth’s diameter• Shape: almost spherical 1/297 ± 100m• Tectonics: colliding every some 300 mln yrs• Cryosphere: bistable system, ~40k yrs• Atmosphere: Coriolis force + 7 days synoptic

Fourier component• Oceans: wind-driven (clock or anti-clock)• Significant human impact

Page 68: Earth – a somewhat bigger laboratory for school Physics Grzegorz Karwasz Andrzej Karbowski Krzysztof Służewski  Zakład Dydaktyki

Conclusions: Need for interdisciplinary Science teaching

- Physics with Geography- Physics with Chemistry

- Geography with Literature-...

- Biology with Philosphy- ...

Thank you very much!