[geografija v šoli] 1-2·2012 92 Pouk o podnebju * Ivica Krek je prof. geografije v Gim- naziji Škofja Loka, ivica.krek@guest.arnes.si * Anica Šaljaj je prof. fizike v Gimnaziji Škofja Loka. anica_hvala@t-2.net COBISS 1:04 meDPreDmeTni PoUk na Primer U ZraČneG a Tlaka Ivica Krek * , Anica Šaljaj ** Povzetek V članku je predstavljena medpredmetna povezava med fiziko in geografi- jo na primeru obravnavanja zračnega tlaka. Težišče je na fizikalnih osno- vah. Zapisana je osnovna definicija tlaka, sledi opis tlaka v tekočinah in tlaka zaradi teže tekočine. Poudarek je na spreminjanju zračnega tlaka z nadmorsko višino ter njegova odvisnost od gostote in temperature zraka. Razumevanje teh zakonitosti se pri geografiji uporablja za razlago nasta- janja vetrov ter delovanja ciklonov in anticiklonov. Ključne besede: zračni tlak, gostota zraka, nadmorska višina, enote za tlak, veter, ciklon, anticiklon, stalni vetrovi, planetarno kroženje zraka INTERDISCIPLINARY TEACHING ABOUT THE ATMOSPHERIC PRESSURE Abstract: In the article the interdisciplinary connection between physics and ge- ography is presented, when teaching about atmospheric pressure. The emphasis is on physics. First the basic definition of the atmospheric pres- sure is given, followed by the description of the pressure in liquids, and the pressure caused by the weight of liquids. The emphasis is on the vari- ation of the atmospheric pressure, according to the altitude, and depend- ing on the density and the temperature of the air. Understanding those principles is of use in geography when explaining the origin of winds and the effect of cyclones and anticyclones. Keywords: atmospheric pressure, air density,altitude, unit of pressure, wind, cyclone, anticyclone, constant winds, planetary air circulation Značilnosti vremena in nastanek različnih vetrov, s tem pa tudi zračni tlak, se po učnem načrtu v gimnaziji obravnava približno na sredini prve- ga letnika. Pri fiziki so omenjene vsebine na vrsti šele proti koncu prvega ali na začetku drugega letnika. Zato je smiselno, da se obravnavanje tako zahtevne snovi za lažje razumevanje izpelje medpredmetno, torej da se k uri geografije povabi učitelja fizike, ki dijakom na kratko in nazorno pred- stavi fizikalno ozadje. Učitelj geografije na pridobljeno znanje o zračnem tlaku naveže pouk o nastajanju vetrov, vrste vetrov in planetarno kroženje zraka. Pri izvajanju pouka se oba učitelje držita ciljev v učnem načrtu. Zato so so nekatere vsebine predstavljene bolj poglobljeno, kot bi jih predstavil Uvod [geografija v šoli] 1-2·2012 93 Pouk o podnebju učitelj geografije sam, kar pa je tudi glavni namen medpredmetnega so- delovanja. Predstavljene vsebine so preobsežne za eno šolsko uro, pripo- ročljiva je blok ura. Doseženo znanje dijakov po svojih kriterijih ocenjujeta učitelja vsak pri svojem predmetu. GEOGRAFIJA FIZIKA Splošni predmetni cilji – Dijaki spoznajo planetarno kroženje zraka, – pojasnijo procese nastajanja vremena. – Dijaki ponovijo definicijo tlaka, – opišejo merjenje zračnega tlaka in kvalitativno razložijo, kako se ta spreminja z nadmorsko višino. Operativni predmetni cilji – Dijaki spoznajo različne razmere in dejavnike, ki vplivajo na vrednost zračnega tlaka, – znajo razložiti vzroke za nastanek različnih vrst vetrov. – Dijaki ponovijo osnovno definicijo tlaka, – naštejejo enote za tlak, ki se uporabljajo, – pojasnijo vpliv gostote snovi na hidrostatični tlak, – znajo razložiti, kako se z globino spreminja hidrostatični tlak. Splošni cilj – Dijaki znajo utemeljiti, zakaj se pojavlja različen zračni tlak, – zakonitosti spreminjanja vrednosti zračnega tlaka znajo prenesti na konkretne primere: vetrovi, cikloni … Fizika: 1. Tlak Pojma tlak in pritisk – V pogovorni rabi se pogosto uporablja izraz »pritisk« v pomenu kvoci- enta med velikostjo sile in površine, npr.»pritisk v gumah«, »krvni pri- tisk« ipd. – V tehniki ima izraz »pritisk« drug pomen: to je sila, ki deluje na kaj, npr. »dovoljeni pritisk na os«. a) osnovna definicija tlaka Tlak je ena od osnovnih termodinamskih spremenljivk, od katere je odvisno stanje kapljevine ali plina. Fizikalno je tlak definiran kot kvoci- ent sile in površine, na katero sila deluje. Z enačbo to zapišemo: , kjer je p tlak, F sila in S površina, na katero sila deluje. Ugotovimo lahko, da je tlak tem večji, čim večja je delujoča sila ter čim manjša je ploskev, na katero sila deluje. To je tudi razlog, zakaj imajo težka vozila široke gume. Teža se porazdeli po večji površini, tla pod njimi pa se manj deformirajo. b) Tlak v tekočini Kapljevine in plini so sestavljeni iz velikega števila majhnih delcev (molekul), ki se termično gibljejo in trkajo drug ob drugega. Gibanja posameznih molekul ne moremo zaznati. Znotraj mirujoče tekočine se molekule gibljejo povsem neurejeno. Učinki ogromnega števila trkov v različnih smereh se med seboj izničijo. Tekočinske molekule udarjajo tudi ob steno posode in s tem povzročajo tlak. Preglednica: Korelacije med učnimi cilji geografije in fizike s temo podnebje [geografija v šoli] 1-2·2012 94 Pouk o podnebju c) Tlak zaradi teže tekočine Ko se potapljamo, v ušesih začutimo bolečino zaradi povišanja tlaka. Zgornje plasti tekočine namreč pritiskajo na spodnje in s tem povzro- čajo tlak. Podobno bolečino v ušesih (zamašena ušesa) čutimo tudi pri hitrem spuščanju s hribov, ko se povečuje zračni tlak. Tlak z globino narašča, v vodoravni smeri pa se ne spreminja. V homogenih nestisljivih tekočinah je gostota povsod enaka. Tlak teže tekočine je tako premo sorazmeren z višino. Ugotovitve zapišemo z enačbo: p = ρ · g · h, kjer p pomeni vrednost tlaka, ρ je oznaka za gostoto tekočine, g je težni pospešek z vrednostjo 10 m/s 2 in h višina. 2. ZraČni Tlak a) enote Za zapis vrednosti tlaka se uporabljajo: – Pascal (Pa) – osnovna enota po mednarodnem sistemu enot – enak je 1 N/m 2 – V meteorologiji se uporablja enota milibar – 1 mbar = 100 Pa – PSi - funt na kvadratni palec – 1 bar = 14,504 psi – atmosfera je starejša enota za tlak, ki ni v sistemu SI. Ločimo – fizikalno atmosfero, ki je definirana kot atmosferski tlak na nivoju morske gladine in je enaka tlaku 760 mm visokega živo- srebrnega stolpca pri temperaturi 288 K (15°C) -1 atm = 760 mm Hg =1013,25 mbar = 760 torr ter – tehnično (tehniško) atmosfero, ki je definirana kot tlak, ki ga povzroči 10 m visok vodni stolp – 1 at = 98 066,0 Pa b) vertikalne spremembe zračnega tlaka Ali je zrak tekočina? Ponovimo, kaj velja za tekočine: – tečejo, se prelivajo in medsebojno mešajo, – nimajo lastne oblike, – prilagodijo se obliki posode. Zrak je plin, ki ga skupaj s kapljevinami uvrščamo med tekočine. Če- prav ga ne vidimo, ima maso in težo, zato pritiska na zemeljsko površ- je. Slika 1: Gibanje posameznih molekul in trki ob steno posode Vir: Žiga Kokelj Slika 2: Prikaz teže stolpa zraka s prerezom 1 m 2 Vir: Marko Marhl, Matjaž Mastnak, Romana Čuješ in Vladimir Grubelnik. Raziskujem in ustvarjam 5. Učbenik za naravoslovje in tehniko v petem razredu OŠ. Mladinska knjiga, Ljubljana 2006. [geografija v šoli] 1-2·2012 95 Pouk o podnebju Zgornje plasti zraka s svojo težo pritiskajo na površje Zemlje in s tem povzročajo tlak. Kje je torej tlak, ki ga povzroča zrak nad nami, večji, na morski gladini ali na vrhu Triglava? V normalnih razmerah je vrednost zračnega tlak na morski gladini p 0 = 1013 milibarov. Ozračje nima ostre meje, zato ga ne moremo natančno ločiti od zuna- njega vesoljskega prostora. Vemo pa, da 75 % ozračja leži znotraj 11 km debele plasti. Tlak na višini 31 km je približno 1 % tlaka na višini morske gladine. Vemo tudi, da je zrak mešanica plinov. Skupni tlak je zato vsota delnih ali parcialnih tlakov, ki sestavljajo zmes. V suhem zraku je približno 78 % du- šika, 21 % kisika, 0,9 % argona ter majhna količina drugih plinov. Njegova sestava se z nadmorsko višino spreminja. Plinsko enačbo p . V = N . k . T preoblikujemo in pri tem upoštevamo, da je N = m/(M . u) in ρ = m/V. Konstantne vrednosti k ( Boltzmanova konstan- ta = 1,38 . 10 -23 J/K ), relativno molekulsko maso zraka M = 29 in atom- sko enoto mase ( u = 1,66 . 10-27 kg ) združimo in zapišemo s specifično plinsko konstanto za zrak R = 287 J/(kgK). Slika 3: Plast zraka je debelejša nad morsko gladino – tlak je tam višji. Vir: Žiga Kokelj, Peter Kovač Slika 4: Sestava suhega zraka Vir: http://sl.wikipedia.org/wiki/Zrak [geografija v šoli] 1-2·2012 96 Pouk o podnebju Dobimo enačbo p = ρ . R . T. Vidimo, da je tlak premo sorazmeren in gostoto in s temperaturo zraka. Večja gostota povzroči višji tlak, enako višja temperatura pomeni višji tlak. Na vrednost zračnega tlaka močno vpliva tudi vlažnost zraka. Pomemb- na je relativna molekulska masa zraka (pri kemiji to količino poimenujejo molska masa). Vrednost relativne molekulske mase za suh zrak je 29, relativna molekulska masa vode pa 18. Posledično je suh zrak težji od vlažnega, kar privede do dejstva, da je tlak višji, ko je vreme lepo, in nižji, ko je vreme slabo oz. je v zraku veliko vodne pare. Poudarimo še, da zrak ni homogen, saj se njegova gostota z višino zmanj- šuje. Slika 5: Spreminjanje zračnega tlaka, temperature in gostote zraka z nadmorsko višino Vir: Beznec, B., Cedilnik, B., Černilec, B., Gulič, T., Lorger, J., Vončina, D., 2006. Moja prva fizika 1, Ljubljana, Modrijan Slika 6: Zračni tlak pada z višino eksponentno. Vir: Žiga Kokelj, Peter Kovac [geografija v šoli] 1-2·2012 97 Pouk o podnebju c) Horizontalne spremembe zračnega tlaka V primerjavi z vertikalnimi spremembami zračnega tlaka so horizon- talne spremembe majhne, vendar zelo pomembne, saj so vzrok za nastanek vetrov. Če je nad določenim krajem zaradi razvoja in gibanj vremenskih tvorb več zraka kot na nekem drugem kraju z enako nadmorsko višino, je tam teža stolpca zraka večja in posledično je večji tudi zračni tlak. To velja upoštevati pri razporeditvi stalnih območij visokega zračnega tla- ka na 30. vzporedniku (zrak se spušča, gosti, segreva, suši vlago) in na polu. Prav tako sta pomembna tudi stalno območje nizkega zrač- nega tlaka na ekvatorju (močno segrevanje površja) in na 60. vzpore- dniku. Z gibanjem zraka v nižjih plasteh v vodoravni smeri, od višjega k nižjemu zračnemu tlaku, nastajajo različni stalni vetrovi. d) Barične tvorbe (cikloni, anticikloni) in tornado kakšen je zračni tlak v ciklonu? Ciklon je sklenjeno območje nizkega zračnega tlaka. Zrak v ciklonu vsebuje veliko vodne pare. Masa vlažnega zraka je manjša od mase enakega volumna suhega zraka. Relativna molekulska masa vode je 18 kg/kmol, relativna molekulska masa suhega zraka pa je približno 29 kg/kmol. Iz robnih delov ciklona, kjer je zračni tlak višji kot v njego- vem središču, se pri tleh vanj stekajo vetrovi. Zrak se nato v središču ciklona dviga in pri tem ohlaja, zato je tam tudi zračni tlak nižji. Posle- dica dviganja, adiabatnega ohlajanja in kondenzacije zraka pa so tudi padavine. Slika 7: Izobara je črta na zemljevidu, ki povezuje točke z enakim tlakom. Vir: http://www.google.si/imgres?q=horiz ontalne+spremembe+zračnega+tlaka&hl [geografija v šoli] 1-2·2012 98 Pouk o podnebju kaj pa v anticiklonu? To je obsežno območje visokega zračnega tlaka. Zrak se v njegovem središču giblje z višin proti tlom. Ob spuščanju se zrak ogreva, oblaki izhlapijo in imamo lepo vreme. Vetrovi se pri tleh raztekajo iz anticiklo- na. Tornado To je uničujoč vrtinčast vihar, značilen za ZDA. Zračni tlak se v sredini vrtinčaste troblje zaradi vrtenja zračnih mas zelo zmanjša. Tlak v sredini je za 200 – 250 milibarov nižji kot v oko- lici. Občutek imamo, da tornado »posrka« predmete, na katere naleti, v svojo notranjost. Pravzaprav jih v notranjost tornada potisne zunanji višji zračni tlak. Sodelovanje dveh različnih učiteljev pri obravnavanju določene snovi po- meni večstransko obogatitev, saj pri tem pridobijo tako dijaki kot oba uči- telja. Nazorno podana snov pomeni dijakom boljše razumevanje, kar potr- jujejo na novih, drugačnih primerih. Ni jim treba dvakrat, čeprav pri dveh različnih predmetih, poslušati razlage iste snovi oz. teme. Če se v razredu pojavita hkrati dva učitelja, jim je to tudi zanimivo in so zato pri pouku še bolj aktivni. Za učitelja pa medpredmetno sodelovanje pomeni kolegialno strokovno sodelovanje, osebnostno rast in pedagoško izpopolnjevanje. Slika 8: Gibanje zraka v ciklonu in anticiklonu Vir: Senegačnik, J., 2009: Obča geografija za gimnazije. Ljubljana. Modrijan Slika 9: Tornado Vir: http://www.google.si/ imgres?q=tornado&um Sklep [geografija v šoli] 1-2·2012 99 Pouk o podnebju 1. Kuščar, I., Moljk, A., Kranjc, T., Peternelj, J., Fizika za srednje šole 1. del. Lju- bljana, DZS. 2. Kladnik, R., Fizika za srednješolce 1 – Gibanja, sila, snov. Ljubljana, DZS 3. http://sl.wikipedia.org 4. Senegačnik, J., 2004: Obča geografija za 1. Letnik gimnazij. Ljubljana, Modri- jan. literatura