Πείραμα τήξης πάγου

Υλικά

• Κρύο και ζεστό νερό
• Παγάκια (4-6 ανά ομάδα, ομοιόμορφο μέγεθος και σχήμα)
• Αλάτι
• Χρωστικές τροφίμων
• Θερμόμετρα
• Χρονόμετρα
• Σουρωτήρι, τούλι ή κάτι παρόμοιο
• Μικρά μπολ (2 ανά ομάδα)
• Πανί ή χαρτοπετσέτες
• (Προαιρετικά) κανάτες για χύσιμο νερού
• (Προαιρετική) λεκάνη για τη σύλληψη μάζεμα του χυμένου νερού
• (Προαιρετικά) νεροχύτης

Διαχείριση

• Αυτή η δραστηριότητα χρειάζεται τρεχούμενο νερό. Εάν υπάρχει, μπορεί να χρησιμοποιηθεί βρύση με κρύο και ζεστό νερό. Διαφορετικά, χρησιμοποιήστε κανάτες με ζεστό και κρύο νερό. Ωστόσο, πρέπει να ξέρετε ότι ο ρυθμός με τον οποίο χύνεται το νερό από μια κανάτα μπορεί να ποικίλλει πολύ. Μπορείτε να το χύνετε μέσα από ένα χωνί για να ρυθμίσετε τη ροή του.
• Έχετε πρόχειρες μερικές πετσέτες για να μαζέψετε τυχόν διαρροές και πιτσιλίσματα.
• Ασφάλεια: Το ζεστό νερό μπορεί να προκαλέσει εγκαύματα. Βεβαιωθείτε ότι οι μαθητές χρησιμοποιούν νερό με θερμοκρασία κάτω των 43° C.
• Χρησιμοποιήστε το νερό που θα περισσέψει από αυτή τη δραστηριότητα για να ποτίσετε ένα φυτό ή να το αποθηκεύσετε για άλλη δραστηριότητα αντί να το χύσετε στην αποχέτευση.

Θεωρητικό υπόβαθρο

Το στρώμα πάγου της Γροιλανδίας είναι το δεύτερο μεγαλύτερο σώμα πάγου στον κόσμο ακριβώς μετά το στρώμα πάγου της Ανταρκτικής. Καθώς το στρώμα πάγου λιώνει, το νερό ρέει στον ωκεανό, συμβάλλοντας στην άνοδο της παγκόσμιας στάθμης της θάλασσας.

Καθώς οι πάγοι του παγετώνα λιώνουν, μέρος του νερού μπορεί να φτάσει στον πυθμένα κάτω από τον πάγο, σχηματίζοντας ένα ποτάμι που διευκολύνει την κάθοδο του παγετώνα στον ωκεανό. Καθώς ρέει στον ωκεανό, αυτό το κρύο, γλυκό νερό ανεβαίνει ψηλότερα από το θερμότερο, αλμυρό νερό των ωκεανών, επειδή το γλυκό νερό είναι λιγότερο πυκνό από το αλμυρό νερό.

Το ανερχόμενο κρύο νερό στη συνέχεια έλκει το θερμότερο νερό του ωκεανού, λιώνοντας τη βάση του παγετώνα από κάτω προς τα πάνω. Αυτό δημιουργεί μια προεξοχή στον πάγο, οι άκρες του οποίου θα σπάσουν τελικά σε μια διαδικασία που ονομάζεται αποκόλληση, η οποία προσθέτει γρήγορα περισσότερο πάγο στον ωκεανό. Καθώς τα νερά των ωκεανών θερμαίνονται, αυτή η διαδικασία της αποκόλλησης επιταχύνεται.

Αυτή η αναπαράστση δείχνει το ζεστό νερό του ωκεανού να λιώνει τους παγετώνες από κάτω, προκαλώντας
το σπάσιμο των άκρων τους σε μια διαδικασία που ονομάζεται αποκόλληση.  Δείτε το στο YouTube

Η κατανόηση αυτών των διαφορετικών παραγόντων που συμβάλλουν στο λιώσιμο του στρώματος του πάγου της Γροιλανδίας βοήθησε σημαντικά να βελτιωθούν οι εκτιμήσεις για την άνοδο της στάθμης της θάλασσας. Η αποστολή Oceans Melting Greenland (OMG) σχεδιάστηκε για να βοηθήσει τους επιστήμονες να κάνουν ακριβώς αυτό χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό ανιχνευτών θερμοκρασίας του νερού, ακριβείς μετρήσεις του ύψους των παγετώνων  και παρατηρήσεις της μορφολογίας του θαλάσσιου πυθμένα από πλοία. Η αποστολή, η οποία διεξήχθη από το 2016 έως το 2022, παρείχε ένα σύνολο δεδομένων που οι επιστήμονες μπορούν τώρα να χρησιμοποιήσουν για να μοντελοποιήσουν τις αλληλεπιδράσεις ωκεανού/πάγου και να βελτιώσουν τις εκτιμήσεις της παγκόσμιας ανόδου της στάθμης της θάλασσας.

Διαδικασίες

Μέρος 1: Νερό

1. Παρουσιάστε ή ρωτήστε τους μαθητές τι γνωρίζουν για τους παγετώνες, το λιώσιμο των πάγων και την άνοδο της στάθμης της θάλασσας. Ψάξτε στο διαδίκτυο να βρείτε κατάλληλες πληροφορίες
   Εάν είναι απαραίτητο, υπενθυμίστε στους μαθητές ότι οι παγετώνες είναι τεράστιες, αιώνιες μάζες πάγου που έχουν επικαθίσει πάνω σε χερσαίες μάζες που δημιουργήθηκαν πριν χιλιάδες χρόνια. Το χιόνι συσσωρεύεται και συμπιέζεται δημιουργώντας τον παγετώνα υπό το βάρος των νεότερων στρωμάτων χιονόπτωσης που συνεχώς προστίθεται από πάνω. Οι παγετώνες δεν πρέπει να συγχέονται με τα παγόβουνα, τα οποία είναι μεγάλα κομμάτια πάγου που έχουν σπάσει και επιπλέουν ελεύθερα στον ωκεανό.

   

   Γεμίστε ένα δοχείο με νερό σε θερμοκρασία δωματίου και ένα δεύτερο δοχείο με ζεστό νερό.

   

   Τοποθετήστε ένα παγάκι σε κάθε δοχείο με νερό και αφήστε να λιώσει ο πάγος.

2. Πείτε στους μαθητές ότι πρόκειται να συγκρίνουν πόσο γρήγορα λιώνει ο πάγος κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Ζητήστε από τους μαθητές να προβλέψουν τι θα συμβεί στη θερμοκρασία του πάγου και του νερού υπό τις ακόλουθες συνθήκες. Οι προβλέψεις μπορεί να είναι σχετικές (π.χ. «Ο πάγος θα λιώσει πιο γρήγορα στην κατάσταση Α») ή συγκεκριμένες (π.χ. «Ο πάγος θα λιώσει σε Χ δευτερόλεπτα στην κατάσταση Α»).
   
   1. Παγάκι τοποθετημένο σε ένα πιάτο με νερό σε θερμοκρασία δωματίου
   2. Παγάκι τοποθετημένο σε ένα πιάτο με ζεστό νερό
   3. Παγάκι τοποθετημένο κάτω από τρεχούμενο νερό σε θερμοκρασία δωματίου
   4. Παγάκι τοποθετημένο κάτω από καυτό νερό που ρέει
      
3. Ως επίδειξη στην τάξη ή σε ομάδες των δύο έως τεσσάρων μαθητών:
   1. Γεμίστε ένα πιάτο με νερό σε θερμοκρασία δωματίου.
   2. Μετρήστε και καταγράψτε τη θερμοκρασία.
   3. Τοποθετήστε απαλά ένα παγάκι στο πιάτο και καταγράψτε πόσο χρόνο χρειάζεται για να λιώσει το παγάκι. Πρέπει να υπάρχει αρκετό νερό στο πιάτο, ώστε το παγάκι να επιπλέει.
   4. Μετρήστε και καταγράψτε τη θερμοκρασία του νερού αφού λιώσει ο πάγος.
4. Επαναλάβετε τη διαδικασία χρησιμοποιώντας ζεστό νερό. Αυτά τα δύο βήματα μπορούν να γίνουν ταυτόχρονα εάν οι μαθητές είναι σε θέση να παρακολουθούν και να καταγράφουν το χρόνο τήξης και για τα δύο παγάκια.
5. Ζητήστε από τους μαθητές να μοιραστούν τα αποτελέσματα και τις παρατηρήσεις τους.

Μέρος 2: Νερό που ρέει

1. Κάτω από μια βρύση τρεχούμενου νερού ή χρησιμοποιώντας νερό από μια κανάτα (δείτε τις συμβουλές διαχείρισης σχετικά με τη χρήση ενός χωνιού), ολοκληρώστε τα παρακάτω ως επίδειξη ή σε ομάδες των δύο έως τεσσάρων μαθητών:
   1. Ανοίξτε τη βρύση και ρυθμίστε όσο χρειάζεται για να έχει το νερό στην ίδια θερμοκρασία δωματίου όπως στο προηγούμενο βήμα. Καταγράψτε τη θερμοκρασία.

      

   2. Τοποθετήστε ένα παγάκι σε ένα σουρωτήρι ή διχτυωτό σουρωτήρι τούλι και περάαφήστε το κάτω από τη βρύση ή ρίξτε νερό από την κανάτα πάνω στο παγάκι. Καταγράψτε πόσο χρόνο χρειάζεται για να λιώσει.

      

2. Επαναλάβετε τη διαδικασία χρησιμοποιώντας ζεστό νερό, ταιριάζοντας με τη θερμοκρασία από το προηγούμενο βήμα.

   

3. Ζητήστε από τους μαθητές να μοιραστούν τα αποτελέσματα και τις παρατηρήσεις τους.

Μέρος 3: Αλάτι και γλυκό νερό

1. Αναμείξτε νερό με χρωστικές τροφίμων και φτιάξτε με αυτό παγάκια (δύο ανά ομάδα ή δύο για επίδειξη στην τάξη).
2. Πείτε στους μαθητές ότι πρόκειται να προσθέσουν ένα χρωματιστό παγάκι σε ένα διάλυμα θαλασσινού νερού και ένα σε διάλυμα γλυκού νερού και να αφήσουν τον πάγο να λιώσει πλήρως. Ζητήστε τους να κάνουν προβλέψεις για το τι θα συμβεί.
3. Σε ένα διαφανές ποτήρι ή πλαστικό δοχείο, προσθέστε 1 κουταλάκι του γλυκού αλάτι σε 1 φλιτζάνι νερό και ανακατέψτε μέχρι να διαλυθεί το αλάτι. Αφήστε χρόνο για να σταματήσει οποιαδήποτε κίνηση του νερού.
4. Ρίξτε την ίδια ποσότητα γλυκού νερού σε ένα διαφανές ποτήρι ή πλαστικό δοχείο. Αφήστε χρόνο για να σταματήσει οποιαδήποτε κίνηση του νερού.
5. Προσθέστε απαλά ένα παγάκι σε κάθε δοχείο, προσέχοντας να μην ταράξετε πολύ το νερό.
6. Ζητήστε από τους μαθητές να παρατηρήσουν κάθε δοχείο και να κρατήσουν σημειώσεις. Μπορεί να είναι χρήσιμο να τοποθετήσουν ένα λευκό φύλλο χαρτιού πίσω από τα δοχεία για να δουν περισσότερες λεπτομέρειες.
7. Όταν ο πάγος λιώσει, ζητήστε από τους μαθητές να συγκρίνουν τις παρατηρήσεις τους με τις προβλέψεις τους και να αναπτύξουν υποθέσεις για τα φαινόμενα που παρατήρησαν.

   

   Το κύπελλο στα αριστερά (με μπλε χρώμα ζσχαροπλαστικής) περιείχε πάγο λιωμένο σε διάλυμα θαλασσινού νερού ενώ
   αυτό στα δεξιά (με το κόκκινο χρώμα ζσχαροπλαστικής) περιείχε πάγο λιωμένο σε διάλυμα γλυκού νερού.

   Στο δοχείο με το αλμυρό διάλυμα  το μπλε παγάκι θα λιώσει αλλά το μεγαλύτερο μέρος της χρωστικής θα συγκεντρωθεί στο πάνω μέρος του ποτηριού. Αντίθετα στο ποτήρι με το γλυκό νερό, το χρώμα θα διαλυθεί πιο ομοιόμορφα.
8. Εάν χρειάζεται, εξηγήστε στους μαθητές ότι επειδή το ένα δοχείο έχει αλμυρό νερό και το άλλο δοχείο έχει γλυκό νερό, το λιγότερο πυκνό νερό επιπλέει στο αλμυρό νερό αλλά επειδή έχει την ίδια πυκνότητα αναμειγνύεται με το γλυκό νερό.
9. Συνδέστε αυτό το φαινόμενο με την κίνηση του γλυκού νερού από κάτω από έναν παγετώνα στο ζεστό νερό του ωκεανού.

Συζήτηση

• Ποιο παγάκι έλιωσε πιο γρήγορα; Ποιο έλιωσε πιο αργά; Πώς θα μπορούσαν να αλλάξουν αυτά τα αποτελέσματα;
  
  Η αλλαγή του ρυθμού ροής και της θερμοκρασίας του νερού θα αλλάξει το πόσο γρήγορα λιώνει ο πάγος.

  ---

• Τι σας λένε αυτά τα αποτελέσματα για το λιώσιμο των παγετώνων σε διαφορετικές συνθήκες;
  
  Τα ρεύματα ζεστού νερού των ωκεανών θα λιώσουν τους παγετώνες γρηγορότερα από τα στάσιμα νερά.

  ---

• Τι θα συνέβαινε με το κρύο νερό που ρέει κάτω από έναν παγετώνα σε αλμυρό νερό του ωκεανού;
  
  Το γλυκό νερό θα ανέβει λόγω της χαμηλότερης πυκνότητάς του, αντλώντας θερμότερο νερό των ωκεανών στην βάση του παγετώνα.

  ---

Αξιολόγηση

• Οι μαθητές θα πρέπει να μετρούν και να καταγράφουν με ακρίβεια τη θερμοκρασία και τους χρόνους τήξης.
• Οι μαθητές της Χημείας Λυκείου θα πρέπει να υπολογίσουν με ακρίβεια ποια θα είναι η τελική θερμοκρασία του νερού στα δοχεία στο Μέρος 1 χρησιμοποιώντας τον τύπο της ειδικής θερμοχωρητικότητας.

Προεκτάσεις

• Ζητήστε από τους μαθητές να διερευνήσουν εάν ο πάγος που εκτίθεται σε ζεστό αέρα ή αέρα σε θερμοκρασία δωματίου θα λιώσει πιο γρήγορα ή πιο αργά από τον πάγο που εκτίθεται σε ακίνητο ή ρέον ζεστό νερό ή σε θερμοκρασία δωματίου.
• Μικρές τάξεις δημοτικού: Ζητήστε από τους μαθητές να προβλέψουν τι θα συνέβαινε αν αφαιρούνταν μέρος του νερού από τα δοχεία στο Μέρος 1 και τοποθετούνταν στην κατάψυξη. Παγώστε λίγο από το νερό για να επιβεβαιώσετε τις προβλέψεις τους.
• Μεγάλες τάξεις δημοτικού: Αφαιρέστε λίγο από το αλμυρό νερό από το Μέρος 3 και τοποθετήστε το σε μια επίπεδη, μη πορώδη επιφάνεια για να στεγνώσει. Ζητήστε από τους μαθητές να προβλέψουν τι θα συμβεί όταν εξατμιστεί το νερό. Επαναλάβετε τη διαδικασία με το γλυκό νερό. Αφήστε το νερό να στεγνώσει όλη τη νύχτα και συγκρίνετε τις προβλέψεις με τις παρατηρήσεις του τι συνέβη.
• Γυμνάσιο: Ζητήστε από τους μαθητές να σχεδιάσουν ή να περιγράψουν τις αλλαγές στην κίνηση των σωματιδίων, τη θερμοκρασία και τις καταστάσεις της ύλης στην αρχή και στο τέλος των παρατηρήσεών τους.
• Λύκειο: Χρησιμοποιώντας τις γνωστές μάζες και θερμοκρασίες των παγοκύβων και του νερού στο Μέρος 1, ζητήστε από τους μαθητές να υπολογίσουν την τελική θερμοκρασία του νερού στο μπολ θερμοκρασίας δωματίου και στο μπολ ζεστού νερού χρησιμοποιώντας τον τύπο m₁CΔT₁ = m₂CΔT₂. Στη συνέχεια, ζητήστε τους να συγκρίνουν τους υπολογισμούς τους με τα παρατηρούμενα αποτελέσματα.