Les estacions de l’any, una qüestió d’angles?

OBJECTIUS

1. Representar gràficament la variació de temperatures i determinar el temps mínim de mostreig.
2. Determinar àrees circulars i el·líptiques.
3. Interpretar els resultats de temperatura assolida en relació a la superfície il·luminada.
4. Interpretar l’estacionalitat anual en funció de la latitud.

MATERIAL UTILITZAT

– Focus de llum amb bombeta halògena o incandescent.
– Termòmetre digital.
– 1 cartolina negra DIN A4.
– 2 cartolines blanques DIN A4.
– Cinta adhesiva.
– Regle.
– Cronòmetre.
– Paper mil·limetrat.
– Llapis HB2.

PROTOCOL

A l’hivern no fa més fred pel fet que ens trobem més lluny del Sol, ni tampoc perquè el Sol emeti menys calor. Aleshores, quina és la causa de l’estacionalitat? I per què quan a l’hemisferi nord és hivern, a l’hemisferi sud és estiu? I per què a les zones equatorials (intertropicals) les temperatures són similars al llarg de tot l’any i no hi ha ni hiverns ni estius?

La radiació solar arriba paral·lela a la Terra, però com que aquesta última té una superfície esfèrica, la radiació hi incideix amb diferent angle en funció de la latitud:

Si l’esquema anterior el reproduïm des de la perspectiva nostra, el que observem és que el Sol es troba a diferent alçada i que la radiació solar ens arriba amb diferent angle en funció d’on ens trobem:

Això és suficient per a explicar que a altes latituds la temperatura mitjana anual és inferior a la de les zones intertropicals? Ho intentarem provar en aquesta pràctica, però quina és la raó per la qual a una mateixa latitud com la nostra (uns 40º N) el Sol assoleix al migdia diferent alçada al llarg de l’any? Caldrà respondre pas a pas…

1) Confecciona amb la cartolina negra un ciclindre que encaixi perfectament al davant del focus de llum (embolica la cartolina pel costat llarg i fixa-la amb cinta adhesiva, de manera que la longitud del cilindre sigui igual a l’amplada de la cartolina).

2) Disposa el focus de llum sobre la taula de manera que el cilindre quedi perfectament vertical i a una distància de 10 cm sobre la superfície de la taula (la llum es projectarà amb un angle de 90º sobre la superfície).

3) Col·loca una cartolina blanca sobre la taula, just sota el ciclindre. Posa el  sensor del termòmetre digital sobre la cartolina, sota el focus. Espera uns minuts i apunta la temperatura.

4) Encén el focus (que ha d’il·luminar el sensor del termòmetre si aquest es troba ben situat) i posa en marxa el cronòmetre. Apunta la temperatura cada 2 minuts (sense tocar el termòmetre). Quan vegis que la temperatura es manté més o menys estable al llarg de diverses mesures, finalitza l’experiència. Dibuixa l’experiment de tal manera que es vegi l’angle d’incidència de la llum sobre la taula.

5) Sense moure el focus ni la cartolina, calca sobre la cartolina la circumferència il·luminada. Retalla la circumferència, doblega-la per la meitat des de diferents angles per trobar el seu centre i calcula la seva àrea (A = π · r²).

6) Representa gràficament sobre el paper mil·limetrat la variació de temperatura al llarg del temps (l’eix vertical ha de correspondre a les temperatures i l’eix horitzontal al temps).

7) Disposa ara el focus de tal manera que el cilindre projecti la llum amb un angle de 45º sobre la superfície de la taula i a 10 cm de distància. Repeteix l’experiència (apartats 3 i 4).

8) Sense moure el focus ni la cartolina, calca sobre la cartolina l’el·lipse il·luminada. Retalla l’el·lipse i doblega-la sobre l’eix major i sobre l’eix menor per tal de trobar la seva intersecció i poder mesurar els semieixos. Calcula la seva àrea (A = π · a · b).

9) Representa gràficament sobre el paper mil·limetrat la variació de temperatura al llarg del temps (pots fer-ho sobre l’anterior gràfic sempre i quan distingeixis les dues corbes amb colors diferents).

10) Respon de manera justificada les qüestions següents:

a. Observant els dos gràfics, a partir de quin temps creus que hagués estat innecessari proseguir amb l’experiència anotant la temperatura cada dos minuts?

b. Compara les àrees del cercle i de l’el·lipse (en les dues experiències, la superfície il·luminada), i relaciona-ho amb les temperatures màximes assolides en cada cas. Tenint en compte que el focus de llum ha estat el mateix i que, per tant, l’energia que ha arribat a la taula ha estat la mateixa, discuteix els resultats.

c. Quines conclusions en pots extreure des del punt de vista de la temperatura mitjana anual a diverses latituds del planeta?

11) Aquesta experiència no explica per què en una mateixa latitud com la nostra (uns 40º N) a l’hivern fa fred i a l’estiu fa calor. Observa amb atenció el següent diagrama i, a partir de l’experiència anterior i dels coneixements assolits a classe, dona’n una resposta raonada:

12) Per què a les zones temperades hi ha unes estacions ben marcades en quant a la temperatura i, en canvi, a les zones intertropicals la temperatura és quasi constant al llarg de l’any? Raona la resposta.