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Un modello didattico di lago PDF Stampa E-mail

Nel corso ad indirizzo chimico-ambientale dell’ITIS “ E. Majorana” di Palermo da molti anni si effettuano “esperienze sul campo” riguardanti tematiche ambientali.

In modo particolarmente approfondito sono stati studiati i laghi, sia attraverso il monitoraggio del lago Poma ( 1992-93 ) e del lago di Piana degli Albanesi (1997- 98), sia attraverso seminari seguiti dalle classi a Pallanza presso l’Istituto di Idrobiologia del CNR, che è stato prezioso nel trasmettere competenze e nel fornire materiale di consultazione.

Nell’anno scolastico 1998/99 la classe che ha lavorato al progetto su Piana degli Albanesi ha illustrato la propria esperienza e in generale le problematiche degli ecosistemi lacustri in un CD intitolato “I laghi: caratteristiche generali ed eutrofizzazione”.

Questa  premessa mi è sembrata necessaria per collocare in un certo contesto didattico  l’idea, ricavata dal testo “Limnological analyses” di R.G. Wetzel e G.E. Likens,

(Springer - Verlag, New York, 1991), di adoperare un “modello” di lago per illustrare in laboratorio alcuni fenomeni di notevole interesse, quali gli scambi di calore tra acqua e atmosfera, gli scambi energetici meccanici dovuti al vento, la distribuzione dei soluti nel bacino nelle stagioni dell’anno solare.

Il modello, costruito dall’assistente tecnico Davide D’Amato, è un parallelepipedo di plexiglas, che corrisponde alla conca lacustre, di dimensioni interne 40x 20x 24 cm, isolato su tre lati e al fondo con uno strato di polistirolo.

Una lampada da 250-300 Watt, collocata circa 30 cm al di sopra della superficie simula il sole. Un phon produce il ”vento”.

Sette termometri, ancorati ad un righello di plastica, sono posizionati alle profondità di 1, 3, 5, 9, 13, 17 e 21 cm, in modo da poter leggere le temperature attraverso la parete trasparente. Per seguire i movimenti dell’acqua si utilizzano soluzioni colorate.

Attraverso questo modello, molto semplice, si possono eseguire simulazioni di comportamenti di laghi temperati, tropicali e meromittici (laghi in cui la distribuzione delle sostanze disciolte non è mai uniforme). Nell'anno scolastico 1999/2000 abbiamo attuato la simulazione di un lago di una zona temperata.

Riempito d'acqua il nostro contenitore, abbiamo introdotto ghiaccio e atteso che la temperatura della massa d'acqua fosse costante e di circa 4°C, quindi abbiamo tolto delicatamente il ghiaccio. Si è così simulata la situazione che si verifica in un lago temperato a fine inverno.

Convenzionalmente, infatti, l'anno limnologico comincia in marzo, un periodo nel quale non si ha alcun flusso di calore su tutta la colonna d'acqua. La massa d'acqua ha temperatura e densità uniformi. Il lago è in una fase di completo mescolamento. La linea rossa in figura, è il “profilo termico”, cioè il grafico temperatura /profondità.  

Per studiare gli effetti degli scambi termici del sistema lacustre con l'atmosfera, abbiamo acceso la lampada che esplica la funzione del sole e letto ogni cinque minuti le temperature alle varie profondità.

Le “stagioni” si sono susseguite con rapidità e i profili termici hanno evidenziato la progressiva formazione di tre strati:
- uno strato superficiale caldo (epilimnio)
- uno strato intermedio con un accentuato gradiente termico (metalimnio)
-uno strato profondo più freddo (ipolimnio)

La stratificazione termica in natura inizia in aprile e raggiunge il culmine in luglio/agosto; nel nostro modello si è realizzata in 50 minuti.

L'acqua dei tre strati, avendo temperatura diversa e di conseguenza densità diversa, non ha tendenza al mescolamento.

Per visualizzare il fenomeno e per comprendere in che modo la stratificazione influenzi la distribuzione dei soluti (compresi i gas - come l'ossigeno - provenienti dall'atmosfera) , abbiamo introdotto piano e casualmente sulla superficie cristallini colorati, seguendo il loro percorso. Abbiamo constatato che la soluzione colorata non riesce a superare la vera e propria barriera costituita dal metalimnio e ad arrivare al fondo. E il nostro lago è profondo appena 24 cm!

Nel periodo estivo, quindi, la maggior parte della massa d’acqua di un lago, confinata nell’ipolimnio, non ha contatti con l’atmosfera e non riceve ossigeno. La carenza o addirittura l’assenza di ossigeno provoca fenomeni putrefattivi, poiché i batteri aerobici che degradano la sostanza organica sono sostituiti da batteri anaerobici che producono metano, ammoniaca, fosfina, acido solfidrico. 

Per visualizzare il fenomeno e per comprendere in che modo la stratificazione influenzi la distribuzione dei soluti (compresi i gas - come l'ossigeno - provenienti dall'atmosfera) , abbiamo introdotto piano e casualmente sulla superficie cristallini colorati, seguendo il loro percorso. Abbiamo constatato che la soluzione colorata non riesce a superare la vera e propria barriera costituita dal metalimnio e ad arrivare al fondo. E il nostro lago è profondo appena 24 cm!

Abbiamo quindi studiato l’azione del vento, consapevoli  che in natura le azioni del sole e del vento sono contemporanee e i fenomeni possono presentare notevole complessità.  Ma il nostro modello ci consente un approccio immediato ai meccanismi e ai processi più importanti.

Con la lampada ancora accesa, abbiamo aggiunto altri cristallini colorati  e fatto soffiare un po’ di  “vento” da un lato e dall’altro Lo strato epilimnico si è colorato fino alla profondità di 5-7 cm. L’azione meccanica del vento ha mescolato le acque superficiali. È ciò che accade anche in natura, e la profondità di mescolamento dipende dalla direzione e dall’intensità del vento.

Infine abbiamo “spento” il sole e atteso, simulando l’inizio dell’autunno.

Adagiato delicatamente uno strato di cubetti di ghiaccio sulla superficie per far  sopraggiungere rapidamente l’inverno, abbiamo  osservato le correnti di convezione discendenti che affondavano verso la regione del metalimnio, e la discesa di quest’ultimo. 
 
Rosetta Ceraulo
ITIS "E.Majorana" - Palermo