核心概念
物理學
對流
溫度
密度
引言
您可能知道海洋永遠不會真正靜止。但是您知道有一種叫做全球“海洋傳送帶”的東西，它將大量的水從一個海洋轉移到另一個海洋嗎？這些水流對於混合和輸送營養物質和氧氣至關重要，並在我們的氣候中發揮著關鍵作用。這是因為它們在很長的距離上移動暖水和冷水，這會影響與海洋接壤的陸地的溫度。例如，墨西哥灣流是從墨西哥灣流向北冰洋的一股大型洋流，使歐洲的氣候更加溫和。您知道是什麼導致了“海洋傳送帶”嗎？這很簡單：水密度的差異。嘗試一下這個活動來了解更多資訊！
背景
海洋中存在大量的水運動。最明顯的例子是水面上的波浪和漣漪，它們是由風產生的，或者是由於潮汐引起的洋流。然而，事實證明，水也可以在沒有風或潮汐的情況下移動，這發生在深海中。這些水流是由溫度和鹽度差異引起的水密度變化而形成的，這一過程稱為對流。
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物質的密度由其每單位體積的質量定義；例如，一升水的重量與一升油的重量不同。較輕的液體漂浮在較重的液體上，而較重的液體則沉入底部。水的密度隨溫度變化；加熱時，它會膨脹，因此體積會增加。這意味著其每單位體積的質量將減少，並且密度會降低。因此，熱水通常比冷水密度低。影響水密度的另一個因素是鹽度，即海水中鹽的含量。更多的鹽使水更重，因此密度更高。
這兩個因素，溫度和鹽度，是地球海洋傳送帶背後的主要驅動力，這是一個在深海中巨大的水迴圈系統，將水在全球範圍內移動。洋流開始於北大西洋的北極附近，那裡海洋表面被北極的溫度冷卻。隨著海冰的形成，鹽分會滯留在原地，那裡的水變得更鹹。這種水現在密度更高，將沉入海底。當表面水必須移動以代替下沉的水時，這會產生水流。深冷的的水一直移動到南極洲，然後到印度洋和太平洋。一旦水到達溫暖的區域，它就會升溫，密度降低並上升到表面。它最終會回到北大西洋，在那裡整個迴圈再次開始。在此活動中，您將演示溫度如何影響水的運動和水的密度，並在玻璃杯中建立自己的小洋流！
材料
兩個透明的杯子，大小完全相同
一張舊 CD
三明治袋
剪刀
食用色素（任何顏色）
自來水
微波爐
冰塊
溫度計
用於處理水溢位的紙巾
成人助手
托盤
食鹽（可選）
準備工作
用剪刀從三明治袋上剪下一條長條，其寬度足以完全覆蓋 CD 中間的孔。
將托盤放在可以容忍水溢位的工作區域。
將兩個杯子都裝滿自來水。
在一個杯子中加入冰塊以冷卻水。一旦水冷卻，取出冰塊，然後將杯子裝滿更多的自來水。
將另一個杯子放入微波爐中大約一分鐘。（如果太熱，請使其冷卻至可以拿起杯子的程度。）
確保杯子裝滿水。
在熱水中加入幾滴食用色素。
將裝有熱水的杯子放入托盤中。
使用溫度計測量熱水和冷水的溫度。
步驟
將從三明治袋剪下的塑膠條放在 CD 上，使孔完全被堵住，並且一部分塑膠條延伸到 CD 之外。
將 CD 放在冷杯的頂部，使塑膠條朝向冷水。
然後拿起裝有冷水和頂部有 CD 的杯子，然後慢慢地將其倒置，按住 CD 以避免溢位。您可能需要一位成人來幫助您完成此步驟。
將倒置的裝有冷水的杯子放在裝有熱水的杯子的頂部，使 CD 將兩個杯子隔開。一旦將兩個杯子放在一起，會發生什麼？您看到任何水混合了嗎？
慢慢拉動延伸到 CD 之外的塑膠條部分，然後取下整個條以露出 CD 的孔。當孔開啟時會發生什麼？您看到任何水運動嗎？如果是，水向哪個方向移動？您能描述一下您的觀察結果嗎？
觀察兩個杯子大約 10 分鐘。您是否看到頂部或底部杯子中發生任何變化？如果是，水如何變化？
10 分鐘後，透過提起 CD 和上部杯子然後再次倒置，小心地再次將兩個杯子分開。您可能需要請一位成人來幫助您完成此操作。
最後，再次測量兩個杯子中的溫度。溫度改變了嗎？如果是，如何改變？
將兩個杯子中的水排入水槽，然後再次進行相同的測試，但是這次將裝有熱水的杯子放在裝有冷水的杯子的頂部。（您應該有一位成人來幫助您完成此操作。）如果您這次移除塑膠條，會發生什麼？您看到相同的結果嗎？有水運動發生嗎？為什麼？
10 分鐘後，再次將兩個杯子分開，然後測量每個杯子中的溫度。溫度改變了嗎？如果是，改變了多少？
額外：在此活動中，您已證明溫度差異會驅動水的運動。如果沒有溫度梯度會發生什麼？重複相同的測試，但是這次不要加熱或冷卻杯子中的水 - 使它們保持相同的溫度。當您移除塑膠條時，您是否看到任何水運動發生？為什麼？
額外：您能找到一種方法來演示鹽度如何影響水的密度和水的運動嗎？在一個杯子中加鹽以產生鹽度梯度，然後重複測試。含鹽的水會漂浮還是下沉？您可以用鹽度梯度產生水運動嗎？
額外：不要演示熱水如何漂浮在冷水之上，而要演示冷水如何沉入底部，然後將食用色素新增到冷水中而不是熱水中。然後將冷水放在熱水之上，反之亦然。您是否在兩個方向上都看到水運動，還是僅在一個方向上看到？
額外：溫度梯度如何影響水的混合？新增第三個測試，其中熱水和冷水之間的溫度差異與您之前的測試不同。如果熱水和冷水之間的溫度差異較大與較小，會發生什麼變化？
觀察和結果
您能否使您的水移動並漂浮和下沉？當您將食用色素新增到熱水中並將冷水放在熱水之上時，最初應該什麼也沒有發生，因為塑膠條應該仍然覆蓋著 CD 的孔，從而防止杯子之間的水混合。但是，一旦您移除了塑膠條，染色的熱水將透過 CD 孔射出並與上方的冷水混合。
這種水的運動是由對流驅動的：由於溫度差異引起的水的運動。由於熱水比冷水輕，並且想要膨脹，因此它會透過孔移動到上方的杯子中。大約 10 分鐘後，混合應該幾乎完成，並且兩個杯子中水的顏色應該相似。同時，兩個杯子中的溫度應該發生了顯著變化。剛開始時，您應該測量到較大的溫度差。但是最後，兩個溫度應該相似。隨著水的混合，發生了熱交換，這意味著熱水加熱了冷水。如果您嘗試了額外活動，並且兩個杯子之間的溫度差異較大或較小，您應該注意到當溫度差較大時，水的混合會更快。當您根本沒有溫度梯度時，10 分鐘內不會發生明顯的混合。
如果您反轉測試並且將熱水放在冷水之上，則應該觀察到水沒有在杯子之間混合。這是因為熱水比冷水輕或密度較低，這就是為什麼它想留在頂部的原因。含鹽水與不含鹽的水也是如此。含鹽水始終會沉入底部，因為它比不含鹽的水密度高 - 正如它在真實海洋中所做的那樣！
清理
將水槽中的所有水排幹並清理任何溢位物。
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