Transportní děje v atmosféře jsou pro žáky určitě zajímavým tématem. Na úrovni základní a střední školy však nelze tyto problémy řešit komplexně, neboť žáci nemají potřebný matematický aparát. Můžeme však v dostatečném přiblížení tyto děje vysvětlit a simulovat pomocí velice jednoduchých experimentů. Jako příklad jsem si vybrala Golfský proud. 

Golfský proud je jeden z nejznámějších mořských proudů a v souvislosti s problémy globálního oteplování také hodně diskutovaný. Proud má zásadní vliv na klima v Evropě. Než budeme realizovat experiment, je třeba, aby se žáci seznámili se základními aspekty vzniku lokálního a rozsáhlého konvektivního proudění a jeho mechanismem. Pod ledem v polárních oblastech se nachází studená slaná voda, mající relativně vysokou hustotu, která klesá směrem ke dnu. Na místo této studené vody se tlačí voda teplejší - vzniká proudění. 

Golfský proud transportuje až 1,5.10⁸ m³ vody za sekundu. Název pochází od Benjamina Franklina a vychází z pojmenování Golfského zálivu. Dříve se nazýval Floridský proud či Canal de Bahama. Na sever od Britských ostrovů pokračuje jako Severoatlantický proud.

V Mexickém zálivu se masy vody zahřívají, pasáty tlačí tuto masu vody proti pobřeží Ameriky a proud se stáčí  podél pobřeží Severní Ameriky směrem k severu. Golfský proud je spojením Floridského proudu a Antilského od severní části Bahamských ostrovů. Proud je široký 100 - 200 km a dlouhý asi 2 500 km. Hloubka proudu je průměrně 1,6 km.  V blízkosti Mysu Hatteras (Severní Karolína) se proud odpoutává od pobřeží a směřuje do volného Atlantiku (dáno geografickými podmínkami mořského dna). Směřování proudu směrem k Evropě je ovlivněno srážkou s Labradorským proudem a vlivem Coriolisovy síly. Vlivem rozdělení proudu, vyzařováním tepla a vlivem vypařování proud ztrácí část své energie. Se svou rychlostí proudu (je asi 9 km/h) a mohutností  150 Sv (1 sverdrup = 10⁶ m³/s) patří Golfský proud k nejsilnějším oceánským proudům světa.

Pro naše potřeby je zajímavé znát teplotní rozdíly mezi teplotou Golfského proudu a teplotou okolního moře. U mysu Hatteras je tento teplotní rozdíl asi 3 ^oC , v oblasti mezi Velkou Británií a Islandem činí tento rozdíl 7-9 ^oC, v oblasti Severního moře 5-8 ^oC. Salinita moře směrem k severu klesá. Z uvedených dat vyplývá, že z 1 m³ lze získat 0,8 kW energie.

Model Golfského proudu v akváriu

Postup: akvárium naplníme slanou vodou pokojové teploty. Nad jeden konec akvária umístíme 500 W halogenovou zářivku (simuluje Slunce). Zářivku zapneme a asi 10 minut vodu pod zářivkou zahříváme. Po 10 minutách zavěsíme na druhý konec akvária do vody led umístěný např. v síťce. Na síťku si umístíme další drátek, kterým můžeme regulovat míru ponoření ledu. Led by měl být ponořen jen několik málo centimetrů, aby povrchové vrstvy vody mohly lehce proudit pod led. Ledu musí být dostatečné množství.  Do vody kápneme pod zdrojem tepla trochu inkoustu. Pozorujeme proudění směrem od zdroje tepla k ledu. Dosáhne-li voda oblasti ledu, zasouvá se pod led, ochladí se a klesá ke dnu akvária. Podél dna proudí zpět ke zdroji.

Kvantifikace experimentu:

Akvárium mělo rozměry 46,5 cm x 24,5 cm x·30·cm . Do této nádoby jsme nalili vodu do výšky 14 cm a vsypali do ní 90 g kuchyňské soli. Vodu se solí jsme důkladně promíchali a nechali asi 2 hodiny ustát. V mrazničce jsme si připravili dvě ledové kostky - kalíšky od Ramy 500 g jsme naplnili až 1 cm pod okraj vodou a nechali zmrznout. Tyto ledové kostky lze bez problémů z kalíšků vyjmout a pro dané množství vody představují dostatečné množství ledu.

Teplota vody v akváriu se ustálila na hodnotě 27,5 ^oC. (V budově teče ze všech kohoutků teplá voda, v laboratoři byla teplota vzduchu 27 ^oC). Poté jsme k levému konci akvária postavili stojan, do kterého jsme uchytili 120 W žárovku. Žárovku jsme nastavili tak, aby „visela" asi 1 cm nad vodní hladinou.

Žárovku jsme zapnuli a začali zahřívat vodu pod žárovkou. Žárovka simuluje Slunce, které zahřívá mořské vodní masy v okolí rovníku. Teplotu vody jsme opakovaně měřili 1 cm pod hladinou přímo pod žárovkou. Teplota vody rostla jen pomalu. Po 5 minutách od zapnutí žárovky teplota vody stoupla na hodnotu 30,1 ^oC. Postupně po 10 minutách byla teplota 33,5 ^oC, po 15 minutách 40 ^oC a po 20 minutách 44 ^oC. Teplota na opačném konci akvária  se ustálila na hodnotě 28,2 ^oC po 15 minutách od zapnutí lampy. V okamžiku, kdy teplota vody pod lampou dosáhla hodnoty 44 ^oC, vyňali jsme led z mrazničky a vložili jej na opačný konec akvária opatrně do vody. Počkali jsme asi 2 minuty a poté jsme kápli trochu inkoustu do vody pod lampou. Barevný inkoust zviditelňuje proudění teplé vody směrem k oblasti s kostkami ledu, je dobře vidět, jak se proudící voda podsouvá pod led, klesá ke dnu a směřuje zpět do „teplejších" oblastí pod lampou.

Zkrácený záznam experimentu je vidět na videonahrávce:

Stejný mechanismus proudění pozorujeme u reálného Golfského proudu - po ochlazení se zvýší hustota vody, ta klesá ke dnu a vrací se zpět  směrem k jihu.

Po vložení ledu do vody jsme odměřili teplotu v různých částech akvária pomocí kontaktního teploměru Vernier. Teploty byly měřeny postupně pod lampou v hloubce 1 cm pod hladinou, potom pod lampou 1 cm nade dnem. Druhé měření proběhlo uprostřed akvária zase 1 cm pod hladinou a u dna, poslední měření v oblasti ledu 1 cm pod hladinou a nade dnem.Byly zjištěny gradienty teploty o velikosti 18 ^oC mezi teplotou pod lampou a středem akvária, 6 ^oC mezi středem akvária a oblastí ledu. Mezi teplotou pod lampou a teplotou vody na straně ledu je teplotní rozdíl 24 ^oC.

Měření bylo několikrát opakováno, na přiloženém grafu je příklad naměřených hodnot.

Porovnáme-li tyto hodnoty s hodnotami Golfského proudu, vycházíme z publikovaných dat o teplotě moří a proudů. Teplota moře ve Floridské úžině je průměrně 26,7 ^oC, teplota moře v oblasti tropů je v létě 28 ^oC, průměrná hodnota je udávána asi 26 ^oC. Teplota moře v severních oblastech, tam, kde se Golfský proud potápí, je -1 ^oC. Tyto teplotní rozdíly jsou analogické teplotám, naměřeným v našem modelu.

Z naměřených  hodnot je vidět, že pomocí tohoto jednoduchého modelu bylo dosaženo významných rozdílů teplot v oblasti pod lampou a v oblasti ledu. Rozdíl teplot je dostačující k tomu, aby vzniklo proudění vody obdobné jako v případě Golfského proudu.  Z grafu lze odečíst i rozdíly teplot v určitém místě těsně pod hladinou a u dna. Zviditelnění proudění pomocí inkoustu je dostatečně názorné. Pro realizaci experimentu bych navrhla použití několika teploměrů, které budou pevně uchyceny na daném místě. Přemisťování jednoho teploměru je mnohdy problematické, je třeba dbát na to, abychom vodu v akváriu nezvířili.

Tento experiment poskytuje pouze jednoduchý model proudění. Golfský proud je však komplexní a složitý mechanismus, který je součástí světových oceánů. Na modelu lze ukázat, že ochlazená vrstva vody se nedokáže zvednout zpět až na povrch.

A co katastrofické scénáře - globální oteplování a Golfský proud?

Proudění ustane, pokud roztaje všechen led. Další experiment: do akvária dáme slanou vodu, počkáme až se hladina uklidní. Do vody dáme 3 kostky ledu a počkáme asi půl minuty. Na led položíme zrnka hypermanganu. Vrstva roztátého ledu, která se vytvoří na slanou vodou, se obarví hypermanganem. Dostaneme barevnou vrstvu. Toto vrstvení je stabilní, k proudění nedochází. Podobně by to možná dopadlo s Golfským proudem, kdyby vlivem globálního oteplování roztál všechen led v severních polárních oblastech a do moře by se dostalo velké množství sladké vody.

Golfský proud je stále předmětem zkoumání různých světových týmů (Univerzita Hokkaido, University of  Hawai), kteří potvrdili vliv proudu na dění v troposféře a tím také vliv na počasí na severní polokouli.

Autorkou článku je RNDr. Renata Holubová, CSc. z Katedry experimentální fyziky Přírodovědecké fakulty UP v Olomouci.

Odkazy:

1. http://kyr.blog.idnes.cz/c/128971/Reka-v-mori.html

2. Tim Flannery: Měníme podnebí - Minulost a budoucnost klimatických změn. Nakl. Dokořán 2007.ISBN 978-80-7363-121-5

3. http://www.ceskaenergetika.cz/index.php?page=page&art=972

4. http://www.ceskaenergetika.cz/nezarazene_clanky/zapisnik_o_pocasi_3.html