oceanografi - astra.dk · oceanografi 2 geovidenskab 2014/cg jordens dannelse og placering i rummet...

Oceanografi

Oceanografi 2

Geovidenskab 2014/CG

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 2∙1011

stjerner med samme masse som Solen. Find

Mælkevejens samlede masse.

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 3∙108 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 100000 ly og en højde på 2000 ly.

Find Mælkevejens rumfang i m3.

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 40000 km.

Dette svarer til at Jordens radius kan sættes til 6371 km.

Overfladearealet af en kugle A af en kugle er givet ved:

A = 4πr2

hvor r er kuglens radius.

Opgave 6

Find Jordens overfladeareal

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?

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 (km3) Mængde i procent af ikke-oceanvand

Polaris og gletchere 29∙106

Grundvand i mindre end 750 m’s dybde 4,2∙106

Grundvand dybere end 750 m 5,3∙106

Oceanografi 6


Søer 120∙103

Floder 12∙103

Fugt i jorden 24∙103

Atmosfæren 13∙103

Sum 39∙106 100

Oceanerne 1350∙10

6

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:

Vkugleskal = 4∙∙r2∙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 1350∙106 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 3,83∙1020

g/år 0,63∙1020

g/år

Nedbør på/i 3,47∙1020

g/år 0,99∙1020

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

Oceanografi 7


a b c

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

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.

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.

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 25 000 .

Opgave 13

Lav først saltvand med saliniteterne 0 000 , 20 00

0 , 40 000 , 60 00

0 og 80 000 , 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 (cm3) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

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?

Oceanografi 10


dyppekoger

termoføler

kalorimeter

Ohausvægt

computer

LabPro

stativ

ledning

ledning direkte fra vægt til computer

ledning fra termoføler til LabPro

bord

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 cv og

fordampningsvarme Lv

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.

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.

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 øst-

vest 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

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

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

Oceanografi 14


Det Indiske Ocean

Oceanografi 15


Atlanterhavet

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?

Oceanografi 17


Opgave 20

Sættes Jordens alder til 9105,4 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.

oceanografi - astra.dk · oceanografi 2 geovidenskab 2014/cg jordens dannelse og placering i rummet...

Documents