This is more a mini lesson than a journal. Embrace diversity!
In order to understand a lot of what we are doing here on the boar you need to have a basic understanding of ocean circulation (how water moves around the ocean). For this, we need to go over the concept of density and how it produces motions in the ocean. There are tons of great books that discuss density and ocean circulation better than what I can do here. I will attempt to give you the most basic information, or at least confuse you enough that you would want to read one of those books.
I have written the text as a casual conversation in which I ask you questions. I provide the answers, but do try to figure the answers on your own as that will help you follow the text. I have also included hypothetical demonstrations as mind exercises. I do recommend performing them at home if you get a chance.
Ocean Circulation
Imagine an ocean with no motion at all. No currents, no waves, no tides, no motion. In order to have a change in the motion of any object we need a force (I will assume all forces are unbalanced unless noted otherwise). Therefore, we need to have at least one force if we want the water in our steady ocean to move . Which do you think are the main forces that stir the oceans?
The main forces are: differences in density, winds and tides (I will ignore the effects of Earth's rotation as it modifies motion but does not cause it). Even though winds are essential for understanding ocean circulation, I will focus here only on how density affects the motion in the oceans to describe what is known as thermohaline circulationThermohaline circulation is ocean water movement driven by differences in density caused by changes in temperature and salinity. One way to remember this term is: thermo= temperature and haline=salt..
Some of you have enough background on physics to find this redundant, but some others would benefit from a very simple explanation. Here is a menu on what I will be explaining so you can select the topics, if any, that you want to read:
Density
To float or not (buoyancy)
Changes in water density
Density and currents
Ocean thermohaline curcilation
1. DENSITY:
I do not want to get too technical here, but we do need to understand density: Density is a measure of how much matter (mass) is in a particular volume (for the mathematically inclined d=m/v, where d=density, m=mass and v=volume).
Let us see an example. Styrofoam, as in Styrofoam pieces, is made out of a plastic with a lot of air bubbles. Even though air is made out of matter, most of the matter in the styrofoam is given by the plastic, so we will assume that air contributes with no matter to the styrofoam. Given this,
A piece of Styrofoam has low density because it has a little amount of matter (plastic) in a large volume (plastic and lots of air bubbles).
Let us compare the Styrofoam piece with a metal pieces of the same size (solid metal, not the ones with a cavity in the metal to work as a thermos). The metal pieces has a lot more matter than the styrofoam, but the same volume. Which one is more dense?
Ans: The metal is more dense because it has more matter than the Styrofoam for the same volume (size of the pieces).
2. TO FLOAT OR NOT
Objects that float on water are less dense than water, and objects that sink in water have higher density. Objects with the same density as water do not float and do not sink, they stay where we put them in the water.
Imagine you place a Styrofoam piece on a bucket with water. Would it float? What can you tell about the density of the Styrofoam compared to the density of the water?
Ans: the piece will float because it is less dense than the water.
Now place the metal piece on the water. Would it float? What can you tell about the density of the metal compared to the density of the water?
Ans: The metal piece will sink because it is more dense than the water
Liquids follow the same principle (essentially Archimedes principle, but in different words), the denser liquid will be under the less dense liquid. You can see this by adding water and oil to a glass, which one is less dense? How would you know?
The ocean is mostly water, but water that has different densities in different places. We find less dense water at the surface and denser water at the bottom.
3. CHANGES IN WATER DENSITY
Some of you might be asking, how can water have different densities, if it is just water? And if water can have different densities, how can I change the density of water?
Let us try this. Go the the kitchen and get a big pot filled with water. Place gently an un-cracked egg inside the pot. Does the egg float? What does that tell you about the density of the egg with respect to the density of the water?
The egg should sink ( contact your water utility if it does not), which means the density of the egg is higher than the density of the water. If you wanted the egg to float, how could you make it float? You would need to either increase the density of the water so it is higher than the density of the egg, or make the density of the egg lower than that of the water. It is easier to mess with the water, so let us make the water more dense.
Add salt to the pot and stir it gently so you do not crack the egg. Keep adding salt until you see that the egg floats (you will need a lot of salt, by the way). I learned this trick from my aunt was teaching me how to pickle fresh olives. This is her recipe for figuring out how much salt should be added to the water.
What you have discovered is that salt changes the density of water. The more salt you add, the more mass will be in the salty water mixture without changing its volume. More mass in the same volume means higher density.
How could you test if the salty water is more dense than the fresh water? Since you already have the salty water in the pot, take a certain amount with a glass and add a few drops of food coloring to it. Take another large glass for water and fill it half way through with fresh water. Tilt the fresh water glass and slowly pour the colored salty water sliding it on the inside wall of the other glass to prevent mixing both waters. When mixing is avoided, you end up with two separate layers of liquid just like in the water and oil glass. The saltier water is below the less salty tap water , just like in the oceans!
You actually produced a vertical current on the side of the glass, and a horizontal current at the bottom of the glass. You added the salty water at the top and it moved all the way to the bottom where it kept spreading.
Is there another way to change the density of water? Yes, by changing its temperature.
Objects take more space when they are hot than when they are cold. This means that an objects has a larger volume and the same mass when it is hot than when it is cold. What does that mean in terms of density? That hot water has less density than cold water. Hot water will be above cold water.
4. DENSITY AND CURRENTS
When we have liquids of different density they will move so the denser liquid is at the bottom and the less dense on top, if not already in that configuration. This means that differences in density in the ocean can produce motion.
Imagine you put cold water on your bathtub and let it sit there for a couple of hours. You will probably not see much motion when you get back. Now make blue ice cubes by adding food coloring on the water and placing them on your freezer. Once fully frozen, place the ice cubes gently on the surface of the water at one end of the tub. What do you think you would observe?
The ice cubs would be floating. They will release blue water as they melt. The blue water is colder than the tub water, which means it is denser. Since the blue water is denser than the clear water, the blue water will begin to sink. If you add a lot of blue ice cubes, the blue water will sink and travel along the bottom of the tub.
You have produced the same type of motion that we saw when we had salty and fresh water together.
5. OCEAN THERMOHALINE CIRCULATION
Let us go back to our original ocean with no motion. Remember that there are salts in this ocean. During winter, in the polar regions, close to where we are in the boat now, the air removes heat from the water and the water cools down. The water can cool down so much that it freezes. When the water freezes it can no longer dissolve the salt, so the salts are left behind in the unfrozen water. This unfrozen water is not only very cold, it is also very salty! This water is very dense and will sink to the bottom of the ocean.
The sinking water cannot leave a hole at the surface of the water, so the surrounding water at the surface move towards the void left by the sinking water. Voila! our ocean is now moving. Water at the surface moves towards the place where water sinks to the bottom. The cold salty water sinks and moves along the bottom of our ocean. And that is the basic principle of the Thermo (temperature) haline (salt) circulation. It is the circulation produced by changes in density produced by differences in temperature and salinity.
Is this circulation important? Most of the heat that arrives from the Sun arrives around the equator. The atmosphere and Oceans distribute this energy towards the poles. The thermohaline circulationThermohaline circulation is ocean water movement driven by differences in density caused by changes in temperature and salinity. One way to remember this term is: thermo= temperature and haline=salt. moves surface water from the tropics and subtropics towards the poles, transporting some of the energy that arrived in the tropical areas.
At least one of you is about to object to all this explanation by saying, if colder water is more dense than warmer water, and the denser goes under the less dense, how come ice cubes float? aren't they colder water on top of warmer water? Water is the only substance that gets denser as it cools down until it is close to freezing. It then becomes less dense. There is an explanation in terms of what is called hydrogen bonds, but I am afraid that if there were anyone still reading at this point, that they would stop if I continue with explanations.
Densidad y la circulación del océano
Me parece que sería bueno que tuvieras conocimientos rudimentarios sobre la circulación del océano para poder entender mucho de lo que aquí hacemos. Para esto es necesario entender el concepto de densidad y como ayuda a establecer la circulación oceánica. Hay montones de libros buenos que hablan de estos temas mejor de lo que yo puedo hacer aquí. Intentaré darte la información más básica, o al menos confundirte lo suficiente para que quieras buscar la información en uno de esos libros.
Escribí este texto como si fuera una charla informal en la que te hago preguntas como si estuvieras a mi lado. Yo te daré las respuestas, pero intenta encontrarlas por tu cuenta ya que eso te ayudará a seguir el texto. También he incluido demostraciones hipotéticas como ejercicios mentales. Te recomiendo que los intentes en casa si puedes.
Circulación oceánica
Imagínate un océano sin movimiento. Sin corrientes, sin olas, sin mareas, sin movimiento. Para cambiar el movimiento de un objeto hace falta aplicar una fuerza (en este texto todas las fuerzas serán fuerzas que no están balanceadas). De esta forma es necesario tener al menos una fuerza para que nuestro océano hipotético empiece a moverse. ¿Cuáles crees que son las principales fuerzas que agitan los océanos?
Las principales fuerzas son: diferencias en densidad, vientos y mareas (ignoraré los efectos de la rotación de la tierra ya que las fuerzas resultantes modifican el movimiento pero no lo causan). Aún cuando los vientos son esenciales para entender la circulación oceánica, describiré aquí únicamente los efectos de la densidad para explicar lo que se conoce como circulación termohalina.
Alguno de ustedes entiende bien algunos o todos los conceptos de los que voy a escribir, pero algunos otros saldrán beneficiados por estas explicaciones. Pongo a continuación un menú de los temas a cubrir para que selecciones los temas que quieras o no quieras leer.
Densidad
Flotar o no flotar
Cambios en la densidad de agua
Densidad y corrientes
Circulación termohalina
1. DENSIDAD
No quiero volver este texto muy técnico, pero es necesario que entendamos densidad. Densidad es la medida que qué tanta masa hay en cierto volumen (para los que les gustan las matemáticas: d=m/v; d = densidad, m = masa, v = volumen).
Analicemos la definición con un ejemplo. Styrofoam, como el de los vasos desechables para cosas calientes o las neveras desechables, está hecho de un poco de plástico y muchas burbujas de aire. Aún cuando el aire tiene masa, su masa es muchas veces menor a la masa del aire, por lo que supondremos que toda la masa del vaso corresponde a la masa del plástico. De esta manera,
Un pedazo de Styrofoam tiene baja densidad porque tiene poca masa (la del plástico) en un gran volumen (el de las burbujas de aire).
Comparemos el vaso de Styrofoam con uno de metal del mismo tamaño) de metal sólido, no de los que tienen un hueco en las paredes para mantener las bebidas calientes calientes). El vaso de metal tiene mucha más masa que el de Styrofoam, pero el mismo volumen. ¿Cuál es más denso?
Resp: El metal es más denso por que tiene más masa que el Styrofoam pero el mismo volumen.
2. FOTAR O NO FLOTAR
Los objetos que flotan en el agua son menos densos que el agua, los que se hunden son más densos que el agua, y los que tienen la misma densidad que el agua se quedan en el punto en el que los dejamos en el agua.
Imagina que pones el vaso de Styrofoam en una cubeta con agua, ¿flotará? ¿qué puedes decir sobre la densidad del Styrofoam respecto a la densidad del agua?
Resp: El vaso flotará porque es menos denso que el agua.
Ahora coloca el vaso de metal, ¿flotará?, qué puedes decir sobre la densidad del metal comparado con la densidad del agua?
Resp: El vaso de metal se hundirá porque es más denso que el agua.
Los líquidos siguen el mismo principio (al fin de cuentas el principio de Arquímedes, pero en otras palabras), los líquidos más densos se colocarán debajo de los líquidos menos densos. Para ver esto basta poner agua y aceite en un vaso con agua. ¿Quién es más denso, el agua o el aceite? ¿Cómo puedes saberlo?
El océano es principalmente agua, pero agua que tiene diferentes densidades en diferentes lugares. Encontramos agua menos densa en la superficie y agua más densa en el fondo.
3. CAMBIOS EN LA DENSIDAD DEL AGUA
Algunos se preguntarán, ¿cómo puede tener el agua diferentes densidades si es sólo agua? Y suponiendo que el agua tiene diferentes densidades, ¿cómo puedo cambiar la densidad del agua?
Probemos lo siguiente. Ve ala cocina y coge una olla grande y llénala de agua. Ahora pon un huevo, todavía en su cascarón, en el agua. ¿Flota el huevo? ¿Qué te dice esto sobre la densidad del huevo respecto a la densidad del agua?
El huevo debiera hundirse (si no es así, consulta a tu proveedor de agua), lo que significa que la densidad del huevo es mayor a la del agua. ¿Cómo podrías hacerle para que el huevo flotara? Necesitaría aumentar la densidad del agua a que sea mayor que la densidad del huevo, o reducir la densidad del huevo a que sea menor que la del agua. Es más sencillo cambiar la densidad del agua, asi que hagamos lo que sigue.
Agrega sal a la olla y agítala suavemente para que no se casque el huevo. Continua agregando la sal hast que veas que el huevo flota (necesitarás mucha sal). Aprendí este truco de mi tía cuando me enseñaba la cantidad correcta que hay que ponerle al agua para curtir aceitunas frescas.
Acabas de descubrir que la sal le cambia la densidad al agua. Mientras le pongas más sal, la cantidad de masa en al agua salada aumenta sin cambiar el volumen. Mayor masa en el mismo volumen significa un aumento en la densidad.
¿Cómo podrías verificar que el agua salada es más densa que el agua potable? Ya que tienes una olla llena de agua salada, tomemos un poco de ella on un vaso. Agrégale un par de gotas de colorante artificial del que se usa en la cocina. Toma otro vaso de vidrio y ponle agua hasta la mitad. Inclina el vaso y agrégale el agua salada muy despacio sobre la pared de otro vaso para que el agua salada entre al vaso sin mezclarse con el otra agua.
Cuando se logra evitar la mezcla de las dos aguas, se termina con dos capas de líquido como en el vaso del agua y el aceite. El agua salada acaba por debajo del agua potable, justo com se observa en los océanos.
Si te fijes, lograste producir una corriente vertical junto a la pared del vaso y otra horizontal en el fondo del vaso cuando el agua salada se desparramaba por el fondo.
¿Hay otra forma de cambiar la densidad del agua? Sí, al cambiar su temperatura.
Los objetos ocupan mayor espacio cuando están calientes que cuando están fríos. Esto significa que el objeto tiene mayor volumen pero igual masa cuando está caliente que cuando está frío. ¿Qué significa esto para la densidad? Que el agua caliente es menos densa que el agua fría. El agua caliente termina estando arriba del agua fría.
DENSIDAD Y CORRIENTES
Cuando se tienen líquidos de diferente densidad se moverán hasta que el líquido más denso acabe debajo del líquido menos denso. Esto significa que las diferencias en densidad en el océano pueden producir movimiento.
Imagina que pones agua fría en tu tina y la dejas estar por un par de horas. Al regresar lo más probable es que verás que no hay movimiento. Ahora haz cubos de hilo de color azul al mezclar unas gotas de colorante artificial con el agua que pondrás en el congelador. Ya que se hayan congelado, coloca con mucho cuidado los cubos de hielo sobre la superficie del agua de forma en que no se agite mucho el agua. ¿Qué crees que verás?
Los cubos flotarán sobre el agua. Comenzarán a soltar agua azul mientras se deshielan. El agua azul es más fría que el agua en la tina, lo que significa que es más densa. Como el agua azul es más densa que el agua incolora, el agua azul se hundirá hasta el fondo. Si agregas muchos muchos hielos, el agua azul en el fondo viajará por éste y terminarás con una capa de agua incolora sobre otra de color azul.
Produjiste el mismo tipo de movimiento que cuando combinaste agua salada con color y agua potable.
5. Circulación termohalina
Volvamos a nuestro océano sin movimiento. Recuerda que como buen océano, el nuestro tiene sal. Durante el invierno en las zonas polares, cerca de de donde nos encontramos ahora abordo del Palmer, el aire le quita calor al agua enfriándola. El agua se enfría tanto que llega a congelarse. La sal que está diluida en el agua no puede diluirse en el hielo, por lo que cuando se forma el hielo, éste deja gran cantidad de sal en el agua que no se ha congelado. Esta agua no congelada se vuelve muy fría y muy salada, por lo que su densidad aumenta mucho. Esto hace que el agua fría y salada se hunda hasta el fondo.
El agua que se hunde no puede dejar un vacío en la superficie, así que el agua de alrededor llena este hueco. ¡Listo! nuestro océano se está moviendo. El agua en la superficie se mueve hacia el sitio en el que se está hundiendo el agua, y el agua fría y salada en las profundidades se desparrama por el fondo.
Este es el principio básico de la circulación termohalina. Se le llama así porque termo indica temperatura y halina indica sales. La circulación termohalina es la circulación océanica que se produce por cambios en la densidad del agua producidas por diferencias en temperatura y salinidad.
¿Es importante esta circulación? La mayor cantidad de energía que llega a la tierra desde el sol llega a las zonas tropicales. Los océanos y la atmósfera distribuyen gran parte del calor hacia los polos, La circulación termohalina hace que el agua de la superficie cerca de los trópicos fluya hacia las zonas polares dónde se está hundiendo el agua que se ha enfriado y salado, acarreando consigo parte de la energía que llegó a zonas tropicales desde el sol.
Me parece que al menos uno de ustedes está por objetar a toda explicación diciendo, si el agua fría es más densa que el agua caliente, y el agua más densa se hunde debajo de la menos densa, ¿cómo es que flotan los hielos, siendo que son agua muy muy fría? Es muy buena pregunta. resulta que el agua es la única sustancia que conocemos que se vuelve más densa conforme se enfría hasta que está cerca del punto de congelación. A partir de ahí se expande al congelarse haciéndose menos densa. Hay una explicación para este comportamiento con base en lo que se llama ligas de hidrógeno, pero me parece que pararé aquí ya que me temo que si alguno siguiera leyendo esto, dejaría de hacerlo si sigo escribiendo.
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