Un océano en el laboratorio: aumento del nivel del mar Teach article

No sólo el derretimiento de los hielos: un simple experimento demuenstra cómo la expansión térmica contribuye al aumento del nivel del mar como una de las consecuencias del cambio climático.

Silas Baisch/Unsplash.com

Un océano en expansión

El océano planetario es una masa de agua que recubre la mayoría de nuestro planeta e interconecta todas las partes del globo. Juega un papel importante en el clima terrestre y, aunque es un sistema complejo, obedece también las leyes de la física y de la química que se aprenden en la escuela. Al enseñar estas leyes, los profesores pueden usar este ejemplo para generar conciencia de las dinámicas de los océanos y su impacto en nuestras vidas.

La expansión térmica y el coeficiente volumétrico de la expansión térmica

Cuando hablamos del aumento del nivel del mar debido al calentamiento global, mucha gente piensa sólo en el derretimiento de la capa de hielo y de los glaciares, y no se da cuenta de que la expansión térmica es en realidad un factor muy importante.

La mayoría de los materiales se expanden con el calor. Decimos “la mayoría” porque el agua en su estado líquido no sigue esta tendencia entre los 0 y los 4 °C. A pesar de este comportamiento, por encima de los 4 °C, el agua se expande con el calor. Este es uno de los problemas con el aumento de la temperatura de la superficie acuática – el agua se dilata y contribuye al aumento del nivel del mar. La expansión térmica es responsable de aproximadamente un 43% del aumento del nivel del mar [1], lo cual constituye una seria amenaza a las poblaciones que viven sobre la línea costera.

Actividad 1: Observación de la expansión térmica del agua

Los estudiantes pueden ver por sí mismos cómo el agua se comporta a distintas temperaturas. Este experimento sencillo es adecuado para estudiantes de entre 11 y 14 años y demuestra cómo cambia el volumen de agua con la temperatura. La actividad requiere 15 minutos.  

Materiales

  • Un matraz Erlenmeyer de 250 cm3
  • Aproximadamente 300 cm3 de agua conteniendo un colorante de comida
  • Una pipeta graduada
  • Tapón de goma de laboratorio
  • Un vaso de precipitados de 500 cm3
  • 200 cm3 de agua tibia, aproximadamente a 50 °C

Procedimiento

Un baño de agua conteniendo un matraz con agua coloreada y con una pipeta graduada.
Configuración experimental para demonstrar la expansión térmica del agua.
Imagen cortesía de Ole Ahlgren
  1. Haz un agujero en el tapón para poder introducir la pipeta graduada.
  2. Llena el matraz Erlenmeyer con agua con colorante de comida.
  3. Cierra el matraz con el tapón y agrega agua hasta que se la pueda observar en la escala de la pipeta.
  4. Pide a los estudiantes que anoten el nivel de agua (el volumen exacto de agua no es importante, pero la medición les permitirá a los estudiantes poder observar los cambios).
  5. Sumerge el matraz dentro de un contenedor grande, como un vaso de precipitados de 500 cm3 con agua tibia. Deja que el agua dentro del matraz se caliente hasta que la expansión finalice (puede tardar varios minutos) y pide a los estudiantes que anoten el nivel de agua.

Actividad 2: Medición del coeficiente de expansión térmica del agua

Estudiantes más avanzados pueden expandir la Actividad 1 calculando, de manera aproximada, el coeficiente de la expansión térmica del agua. Este parámetro físico, en K-1, puede calcularse utilizando la siguiente ecuación:

donde ΔV  es la variación (aumento) en volumen, V  es el volumen inicial, y ΔT  es la variación de temperatura.

Este es un cálculo aproximado ya que, tal como proponemos aquí, el experimento contiene varios errores que son difíciles de superar, como explicaremos a continuación. Sin embargo, si se reconoce esto y el objetivo principal no es determinar un valor exacto para el coeficiente de expansión térmica sino un valor del mismo orden de magnitud que el real, los estudiantes aún pueden realizar mediciones y sacar algunas conclusiones.

Uno de los problemas con este experimento es que el coeficiente de expansión térmica del agua varía con la temperatura: por ejemplo, a 10 °C es 8,8×10-5 K-1, a 20 °C es 2,07×10-4 K-1, y a 30 °C es 3,03×10-4 K-1[2]. Este valor es pequeño, por lo que, para que la variación del volumen sea medible, es mejor iniciar el experimento con un volumen de agua considerable y una variación significativa de la temperatura.

La actividad es recomendable para estudiantes de entre 14 y 16 años y requiere 45 minutos.

Materiales

  • Un matraz Erlenmeyer de 250 cm3 
  • aproximadamente 300 cm3 de agua con colorante de comida
  • pipeta graduada
  • probeta graduada de 500 cm3
  • tapón de goma de laboratorio.
  • Vaso de precipitados de 500 cm3 
  • 200 cm3 de agua tibia, aproximadamente a 50 oC
  • Termómetro

Procedimiento

  1. El proceso es el mismo que en la actividad 1, pero hay que hacer algunas mediciones.
  2. Mide la temperatura del agua al inicio del experimento (Ti), cuando es igual a la temperatura ambiente, y al final (Tf), para determinar el cambio de temperatura (ΔT).
  3. Mide el nivel de agua dentro de la pipeta graduada al inicio y al final del experimento y calcula el cambio de volumen (ΔVpipette). Mide el volumen total de agua, V, usando la probeta, al final del experimento, luego de que el agua se haya enfríado nuevamente a temperatura ambiente. De esta manera, no se mide el desplazamiento de agua que resulta de la inserción del tapón.
Nivel de agua en la pipeta graduada al inicio y al final del experimento, mostrando el aumento de volumen.
Nivel de agua en la pipeta
Imagen cortesía de Ole Ahlgren.

Resultados

Datos experimentales para determinar el coeficiente de expansion térmica del agua:

Ti [°C]Ti [K]Tf [°C]Tf [K]ΔT [K]ΔV [cm3]V [cm3]
21.2294.330.4303.59.20.52298
Datos experimentales para determinar el coeficiente de expansion térmica del agua.

Usando la ecuación (1), se puede calcular el coeficiente de expansión térmica:

Pregunta a los estudiantes sobre posibles fuentes de error.

Como explicamos anteriormente, el valor no es exacto y será probablemente mayor que el valor real para el rango de temperaturas utilizado durante el experimento, pero aun así es del mismo orden de magnitud.

Discusión

¿Cómo se puede traducir este valor en un aumento del nivel del mar? Después de todo, el coeficiente es muy pequeño, el agua afectada por el aumento de la temperatura del océano es principalmente la que está más cerca de la superficie, e incluso este aumento es pequeño en comparación con el cambio de temperatura en el experimento. Sin embargo, los estudiantes no deberían dejarse engañar por esto; el océano es enorme, e incluso un pequeño aumento de la temperatura provocará una expansión del océano que contribuirá al aumento del nivel del mar.

Aunque el océano no tiene una temperatura homogénea, en promedio, una porción del océano de 700 m de profundidad ha aumentado su temperature en 0,1 °C entre los años 1961 y 2003[3]. Con algunas simplificaciones, es posible estimar el aumento del nivel del mar para la situación descrita.

Presenta el siguiente problema a tus estudiantes: asumamos que el océano es una columna de área A  y altura h, o volumen V = A×h. ¿Cuánto aumentará el nivel del agua, o cambiará la altura de una columna de agua de 700 m, si el agua se calienta 0,1 °C (0,1 K) y sólo puede expandirse verticalmente (en la dirección de la altura de la columna)? Dile a los estudiantes que asuman que el valor αV calculado es una aproximación aceptable.

Usando la ecuación (1), los estudiantes pueden hacer el siguiente cálculo:

Como mencionamos anteriormente, esto es una simplificación. La expansión térmica no varía linealmente con la temperatura, y el océano también se expande tierra adentro, con el aumento del nivel del mar dependiente de la pendiente de la costa. Sin embargo, el resultado resalta que la expansión no es despreciable.

Conclusiones

Entonces, incluso un pequeño aumento de la temperatura de 0,1 °C puede traducirse en un aumento importante del nivel del mar. Y esto es teniendo sólo en cuenta la expansión térmica; el aumento de la temperatura en el planeta también causa el derretimiento de la capa de hielo y de los glaciares, los cuales contribuyen al aumento del nivel del mar. En promedio, en los últimos 25 años el nivel del mar ha estado subiendo 3 mm al año, según lo determinado por los datos satelitales, y este aumento se está acelerando[4].

Un gráfico de la variación de la altura del mar en mm entre 1993 y 2020. El nivel del mar aumentó 3,3 mm por año en ese período.
Cambios en el nivel del mar de 1993 a 2020 co[5]

Preguntas para los estudiantes:

  1. ¿Por qué el calentamiento global conduce a un aumento del nivel del mar?
  2. ¿Cómo se verán afectadas las poblaciones que viven cerca de las costas por el aumento del nivel del mar?

3. Con un aumento constante de 3,3 mm al año, ¿cuánto más alto será el nivel del mar en el año 2100?


References

[1] Infografía de la ESA sobre las causas del aumento del nivel del mar:  https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2018/09/Causes_of_sea-level_rise

[2] Calculadora online para determinar la expansión volumétrica por temperatura: https://www.engineeringtoolbox.com/volumetric-temperature-expansion-d_315.html

[3] Silver J (2008) Global Warming and Climate Change Demystified. McGraw-Hill. ISBN: 0-07150-240-8

[4] Un video de ESA sobre el aumento del nivel del mar: https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Videos/2018/09/Sea-level_rise/

[5] Datos satelitales  del nivel del mar: https://climate.nasa.gov/vital-signs/sea-level/

Resources

Author(s)

Carla Isabel Ribeiro enseña química y física en una escuela secundaria en Portugal, y Ole Ahlgren es un profesor de física, química y biología danés retirado. Los autores ya han colaborado y publicado otros experimentos para Science in School.


Review

Todos creen que, con el calentamiento global, el nivel de los océanos aumentará a causa del derretimiento de los hielos. Este artículo resalta la conexión entre el calentamiento y un fenómeno de la física clásica, la expansión térmica de los líquidos.

Corina Lavinia Toma, una profesora de física, en la escuela secundaria de ciencias de la computación «T. Popoviciu» en Rumania.

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