Проекты

Почему возникают тайфуны, или Нагреваем воду сверху

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная физика» среди работ учащихся 7−9 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1502
Предметы: Физика
Классы: 8 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Известно, что 70 % процентов земного шара покрыто водой, которая нагревается сверху. Изучив процессы, происходящие в воде при таком нагреве, возможно, удастся объяснить многие природные явления, зарождающиеся в океанах, в частности, почему возникают тайфуны.

Тайфун (англ. typhoon, от кит. «тай фын» – большой ветер) – местное название тропических циклонов штормовой и ураганной силы в Юго-Восточной Азии и на Дальнем Востоке. Они обычно бывают невелики по площади (100–300 км в поперечнике) с очень низким давлением в центре. В центральной зоне тайфуна давление падает очень сильно, до 650 мм рт. ст. (нормальное значение 760 мм). Воздух вращается вокруг центра, образуя воронку, со скоростью выше 400 км/ч.

Образование тайфуна – крайне сложное явление, которое до сих пор как следует не изучено. Чтобы суметь точно ответить на все вопросы, потребуются многолетние исследования десятков специалистов разных сфер. Но главной причиной этих катастрофических явлений считают неравномерное нагревание воды сверху.

Авторы провели экспериментальные исследования: что будет с водой, если её нагревать сверху, как это происходит в природе.

Цель

Исследование процессов, происходящих в воде при нагреве её сверху.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Стеклянный сосуд с жидкостью
  • Нагревательные и контролирующие приборы
  • Краситель

Описание

Для выполнения эксперимента использовали стеклянный сосуд с водой, два термометра установили на разной глубине и кипятильник мощностью 500 Вт погрузили в воду на глубину до 25 мм от поверхности. Включили кипятильник в сеть и следили за показаниями термометров, пока температура воды в верхней части банки стала близка к температуре кипения (95°), температура воды на глубине 30–40 мм оказалась почти одинаковой (31–33°), т.е. образовались два слоя воды, температура в которых отличалась почти на 60°.

Аккуратно в верхний слой добавили краситель, на фотографии видно, что в жидкости образовались две зоны: одна (верхняя) – окрашенная, другая (нижняя) – чистая; между ними – чёткая граница, через которую молекулы красителя не проникают. Это означает, что на границе этих двух участков существует скачок температуры (^t=50-60° C), а вода в верхнем и нижнем участке ведёт себя как две разные не смешивающиеся жидкости.

На поверхности разделов могут возникать поперечные волны. Следовательно, граница обладает поверхностным натяжением, это и понятно: коэффициент поверхностного натяжения холодной воды больше, чем у горячей.

Отключили нагреватель (чтобы уменьшить перемещение жидкости в горячем слое) и капнули чернилами из пипетки с высоты 1–2 см над уровнем воды. В воде образовалось вихревое кольцо, движущееся вниз. Если энергия кольца не очень велика, оно упруго отразится от границы.

Наблюдая за поверхностью раздела различных слоёв жидкости в сосуде, авторы обнаружили, что она движется. Экспериментально установили: при работе нагревателя мощностью 500 Вт заметное движение границы происходит, когда температура верхнего слоя близка к температуре кипения. При отключении нагревателя движение границы практически сразу прекращается.

Гипотеза: движение границы есть следствие интенсивного перемешивания в горячем слое (которое возникает именно при высоких температурах). Чтобы проверить это, проделали следующий эксперимент: отключили нагреватель (при этом движение границы прекратилось) и осторожно перемешивали палочкой воду в верхнем слое. Как и ожидали, граница снова начала двигаться.

Второй этап эксперимента

Над сосудом с водой подвесили электрическую лампу мощностью 600 Вт, излучающую в красном и инфракрасном диапазоне. Опыт повторили аналогично первому. Считаем, что на излучение идёт 50% потребляемой мощности, и лампа излучает почти равномерно во все стороны, тогда в нашем опыте на поверхность воды попадало 3Вт/дм2, что в два раза меньше мощности солнечной энергии на поверхности земли.

В данном эксперименте вода нагревалась медленнее, граница раздела через 45 мин. оказалась на глубине 35 мм, разность температур в верхнем слое и нижнем составила 24, однако граница раздела чётко выделялась, как и в первых опытах.

Такое же неравномерное нагревание поверхности мирового океана многие считают главной причиной возникновения тропических циклонов, которые могу превращаться в тайфуны.

Но, конечно, образование тайфуна – явление настолько сложное, что для полного выяснения его физической сущности необходимы дальнейшие очень подробные и детальные наблюдения и исследования учёных самых разных специальностей: физиков, метеорологов, климатологов, гидрологов и синоптиков.

Авторы попытались на собранной установке определить причину возникновения тайфунов. Результаты работы представлены в соответствующем разделе тезисов.

Результаты работы/выводы

В результате проведённых экспериментов у авторов на собранной установке получилось определить причину возникновения тайфунов.

  1. Собрали экспериментальные установки для исследования процессов при нагревании воды сверху.
  2. Провели исследования при нагревании верхних слоёв воды за счёт теплопроводности и при поглощении теплового излучения.
  3. Установили:

    3.1 при таком нагревании температура воды меняется скачком;
    3.2 возникает резкая граница между нагретым и холодным слоями;
    3.3 через эту границу практически отсутствует перенос массы и энергии.

  4. Предполагаем, что такой процесс нагревания верхних слоёв воды в океанах тропических широт приводит к интенсивному испарению воды, что может служить причиной возникновения вихревых потоков воздуха и порождать тайфуны.

Перспективы использования результатов работы

Прогнозирование возникновения тайфунов.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ»

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Открытая московская инженерная конференция для школьников «Потенциал» – ­призёр.

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«В ходе исследований, а впоследствии на открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего», мы узнали много нового, о чём не рассказывается в учебниках, познакомились с интересными людьми, имеющими схожие с нашими интересы, а также обменялись идеями и послушали большое количество отличных докладов»