Урок cпецкурсу «На порозі таємниць Землі», 10 клас

Охотник Галина Григорівна, вчитель фізики КЗ «СЗШ № 23» Кам'янської міської ради

Тема:

Вулкани. Типи вулканів. Діючі і згаслі вулкани.

Підводні вулкани і механізм підводних вивержень. Характеристика вивержень деяких вулканів (Везувія, Етни, Кракатау, Лакі, Мон – Пере, вулканів Камчатки).

Геотермальна енергія. Гейзери

Мета уроку: Формувати знання учнів про вулкани, їх типи, діючі і згаслі вулкани, підводні вулкани і механізм підводних вивержень, про гейзери. Ознайомити учнів з характеристиками вивержень деяких вулканів, з поняттям геотермальної енергії. сприяти виробленню навичок роботи з додатковою літературою, використання нових інформаційних технологій. Здійснювати виховання в учнів гуманістичних цінностей (здобуті вченими знання використовують для потреб людини; люди всіх країн і народів прагнуть до спілкування, взаємодопомоги). Формувати політехнічний кругозір учнів, виховувати їх інтерес до природничих знань.

Структура та основний зміст уроку:

1. Мотивація навчальної діяльності. Актуалізація опорних знань учнів.

Фронтальна бесіда з вузлових питань теми та фронтальне опитування по основним поняттям, законам теми.

2. Вивчення нового навчального матеріалу.

Щ о таке вулкан?

Вулкан - це отвір у земній корі, через яке на поверхню з величезною силою викидається вогненна суміш газів, пари, попелу й наполовину розплавленої породи (лави). Частки попелу падають на землю, покриваючи її товстим шаром і спікаючись у легкий сірий камінь. За мільйони років із шарів лави формуються вулканічні гори. Часто вони досить високі й мають форму конуса із кратером на вершині. Багато вулканів перебувають на морському дні.

Деяким вулканам усього кілька років від роду. У лютому 1943 р. у Мексиці з'явився на світло новий вулкан. Одного разу посередині кукурудзяного поля відкрилася невелика тріщина. Усього за 24 години вона перетворилася в 25вметровий провал, повний розпеченої лави й каменів. Незабаром на цьому місці утворювався пагорб висотою 10 метрів. Через 9 років вулкан, що одержав ім'я Парикутин, виріс до 405 метрів

Завдяки підводним вулканам сформувалися цілі острови. Так, в 1963 р. раптово почав викидати підводний вулкан біля південних берегів Ісландії, викидаючи в повітря клуби пари й диму. З потоків, що заюшили на поверхню, лави утворювався новий острів. Йому дали ім'я Сюртсей на честь скандинавського бога вогню Сюртра. Виверження припинилося лише через три роки.

В
улканічні процеси — це один з характерних проявів внутрішнього життя нашої планети. Про масштаби земного вулканізму говорить хоча б той факт, що на Землі налічується близько 540 діючих вулканів, тобто таких вулканів, які хоча б раз вивергалися на пам'яті людства. З них 360 знаходяться в так званому Вогненному поясі навколо Тихого океану і 68 — на Камчатці та Курильських островах.

Ще більше вулканів, як з'ясувалося останніми роками, на дні океанів. Тільки в центральній частині Тихого океану їх не менше 200 тисяч.

Одне середнє за потужністю вулканічне виверження супроводжується виділенням такої енергії, яка виділяється при згорянні 400 тис. т умовного палива. Якщо ж порівняти вулканічну енергію з енергією, що міститься в кам'яному вугіллі, то при великих виверженнях їхній «вугільний еквівалент» досягає 5 млн. т.

Величезні кількості твердих частинок, які викида­ються з надр Землі під час вивержень, надходять в атмосферу і, розсіюючи сонячні промені, справляють помітний вплив на кількість теплоти, що приходить на Землю. Зокрема, є дані, які свідчать про те, що деяким періодам тривалого похолодання в історії нашої планети передувала велика вулканічна активність.

Вивчення вулканізму сприяє пізнанню закономірностей внутрішньої будови Землі. Образно можна сказати, що діючі вулкани — це канали, якими надходить інформація про процеси, що відбуваються в надрах нашої планети.

Останніми роками при вивченні земного вулканізму дедалі більшого значення набуває зіставлення пов'язаних з ним явищ із явищами, що відбуваються на інших тілах Сонячної системи. Так, наприклад, явні сліди вулканічної діяльності виявлено на Місяці. На поверхні нашого природного супутника вельми поширені базальти вулканічного походження, зустрічаються й виходи лави. Вивчення знімків місячної поверхні, зроблених а борту штучних супутників Місяця, показало, що в цілому ряді місць місячної поверхні є застиглі лавові потоки і озера. Але, як вважають спеціалісти, активні вулканічні процеси відбувалися на Місяці на відміну од Землі в основному в перші півтора мільярда років після його утворення.

Що ж до Венери, то є дані, які свідчать про те, що на цій планеті вулканічна активність триває й тепер. Як відомо, температура поверхні Венери наближається до 500 °С. Не виключено, що на температуру впливають і вулканічні процеси, зокрема виливання на поверхню планети гарячої лави.

У результаті радіолокаційних спостережень на Венері виявлено гірські масиви, дуже схожі на земні вулка­ни. Таким, наприклад, є масив Бета, що має близько 1000 км у поперечнику. Над цією зоною зареєстровано значне збурення гравітаційного поля — явище, яке в зем­них умовах має місце над районами розташування молодих, хоч і не обов'язково діючих вулканів. Припу­скається також, що численні промені, які розходяться в різні боки від Бети,— це застиглі потоки лави.

На панорамах, переданих радянськими станціями «Венера-9» і «Венера-10», що здійснили посадку біля східного схилу Бети, добре видно нагромадження каме­нів, очевидно, викинутих під час виверження. При цьому звертають на себе увагу гострі краї багатьох з них. Якби ці камені було викинуто дуже давно, то суворі умо­ви Венери мали б привести до згладжування їхніх об­рисів.

На користь припущення про сучасний вулканізм на Венері свідчать і електричні розряди в атмосфері пла­нети (типу земних блискавок), зареєстровані радянськи­ми станціями «Венера-11», «Венера-12» і «Венера-13». Виходячи з наявних даних, ці розряди пов'язані з вул­канічними масивами. Відомо, також, що виверження вулканів на Землі досить часто супроводжуються по­тужними електричними розрядами.

Є вулкани, щоправда згаслі, і на Марсі. Найбільший з них — гора Олімп заввишки близько 27км. У тому ж районі розташовано ще два гігантських згаслих вулкани, висота яких дещо менша. Згідно з оцінками спеціа­лістів, виверження цієї групи вулканів відбувалися десятки чи сотні мільйонів років тому. Утворення на Марсі таких високих гір вулканічного походження, мо­жливо, пов'язане з набагато меншою, ніж на Землі, силою тяжіння.

Великий інтерес становить виявлення американською космічною станцією «Вояджер-1» на супутнику Юпітера Io десяти діючих вулканів, які викидають пил і роз­жарені гази на висоту до 200 км. Особливо цікаво, що коли через кілька місяців поблизу Юпітера пролетіла станція «Вояджер-2», то 6 з цих 9 вулканів усе ще продовжували вивергатися.

Що стосується нашої планети, то вони наведені в таблиці нижче:

Земні надра розігріваються завдяки енергії, що виділяється при розпаді радіоактивних елементів. Вивчення космічного вулканізму — важливий крок у пізнанні закономірностей вулканічних процесів.

Методичні міркування. У зв'язку з явищами вулканізму в Сонячній системі не зайве нагадати, що марновірні люди сприймали виверження земних вулканів як кару божу. А в старовину вулканічні кратери здавались їм входом до пекла, у страшне царство бога вогню Вулкана.

Класифікація вивержень. В світі через розмаїття і неоднаковість вивержень виникла потреба в її класифікації. І першою характеристикою вулкана є належність його до певного типу вивержень, тобто як він вивержується. Найголовнішими типами є: вулканічний, плініанський, стромболійський, пеленський, гавайський і тріщинний. Перший тип -- вулканічний (назва походить від влкн. Вулкано), відрізняється в'язкою магмою, яка часто закупорює жерло, недаючи виходу газам, і вони накопичуються під таким високим тиском, що час від часу відбуваються потужні вибухи. Виверження цього типу нетривалі― від декількох хвилин до кількох годин, але відновлюються кожні кілька днів чи тижнів протягом декількох місяців. Висота, на яку викидається вулканічні продукти досягає 20 м. Другий тип ― плініанський (назва походить від імені римського вченого Плінія Старшого, який помер при виверженні Везувію в 79 р.н.е.) Цей тип рахується найбільш вибухонебезпечим, до нього відноситься знамените виверження Везувію в 79 р.н.е., яке похоронило під шаром попелу міста Помпеї та Геркуданук. Надзвичайно в'язка магма часто закупорює вихід газам, що призводить до пізнішого вибуху і утворенню кальдер (іспан.”киплячий котел”), в кращому випадку, до знищення цілого вулкану, в гіршому (як це було з вулканом Кракатау в І88З p.). Вулканічні продукти викидуються на висоту до 50 км і покривають велику площу; об'єм викидів ― від 0,1 до 50 км3. Третій тип ― стромболійський (від влкн. Стромболі), характеризується безперервною еруптивною (вибуховою) діяльністю протягом кількох місяців і навіть років, висота еруптивного стовпа (вивержених матеріалів) до 10 км. Магма рідка, газів і вулканічних бомб багато, попелу мало. Ще одним типом є пелейський (від влкн. Мон-Пеле). Характеризується дуже в'язкою магмою, яка твердіє до виходу з жерла, утворенням лавових куполів і викидом “вогненних хмар” (суміші розпечених газів і попелу). Гавайський тип вважають найспокійнішим. Дуже рідка лава спокійно витікає, твердих продуктів і попелу мало, а схили конуса до 10°. Тріщинні виверження виявляють у вилитті лави з системи тріщин з пізнішим утворенням вулкану. Другим за чим класифікують виверження вулкану є: масштаб (об'єм вивержених продуктів), склад виверженого матеріалу, динаміка. Масштаб виверження вулкану поділяється на 5 класів: І клас ―об'єм вивержених матеріалів більше 100 км3, II клас від 10 до 100 км3, III ― від 1 до 10 км3, IV ― від 0,1 до 1 км3, останній V клас виверженого матеріалу менше 0,1 км3. Склад вулканічних продуктів у різних вулканах також різний. За кількістю кремнезему можна визначити рідка лава чи в'язка. За вмістом в газах водяної пари, СО2, сірки Н2, можна дізнатися внаслідок, яких процесів вони утворилися. Динаміку виверження розрізняють ефузивну, ― якщо виверження в основному проходить вилиттям лави; екструзивне ха-рактеризується вижаттям лавових куполів; експлозивне, де головну роль відіграють вибухи та комплексне ― суміш всіх вище названих характерів вивержень. Вулканічна небезпека. Оскільки вулканічна діяльність не підвладна людині, вона може чинити їй шкоду і забирати людські життя. З 1600р. в результаті наслідків від вивержень (землетрусів, цунамі, селів, хвороби, голоду) померло 300 000 людей. Характер небезпеки залежить від дії різних факторів. Лавові потоки знищують будівлі, перекривають дороги, с/г землі на багато років виключають з користування, попіл може збиратися на дахах будівель і призвести до обвалу, вулканічні гази отруюють поверхню або утворюють кислотні дощі. І тому щоб звести людські жертви до мінімуму виникла потреба в прогнозуванні. Для прогнозу вивержень складають карти вулканічної небезпеки з показом розповсюдження продуктів минулих вивержень, ведеться моніторинг їх провісників. Таким провісником є слабкі вулканічні землетруси. Зазвичай їх частота не перевищує 10 за добу, але перед самим виверженням їх кількість зростає до кількох сотень. Деякі вул-кани перед виверженням, ніби “дихають”: піднімаються, надуваються і потім опускаються, ― це в результаті зміни тиску магми всередині. Тому й змінюється кут нахилу його поверхні (нахиломіром можна визначити нахил 1 мм на 0,5 км). По його зміні на поверхні влкн. Асама в Японії, вчені передбачили початок виверження на цілий місяць. Також незадовго до пробудження вулкану можна спостерігати розширення або звуження кратеру. Ці зміни вимірюються лазером і радіохвилями. Сьогодні використовують дані магнітного поля та спостереження за тваринами. Ці засоби використовують щоб взнати приблизну дату виверження, але точний час поки що ми не в змозі визначити, крім того у цих процесах є ще багато таємниць.

Інші види вулканічної діяльності. Вулканічна діяльність не закінчується на виверженні вулканів, вона проявляється в інших процесах на Землі. Яскравим прикладом може бути діяльність гейзерів. Вони отримали свою назву від діючого джерела-фонтана "Великий Гейзер". Гейзер ― це гаряче джерело, в якому проходить виверження окропу. Спочатку вода збирається десь в підземній порожнині, нагрівається від магми до температури кипіння і вибухає. Причиною вибуху води є те, що вона нагрівається знизу, на поверхні температура ще не досягла 100 ^оС, а на дні вже має 120 - 125О ^оС. Внизу вода не закипає тому, що перебуває під великим тиском стовпа води, який знаходиться вище. Але вода на глибині нагрівається все більше і нарешті починає кипіти. Маси парів, що виникають при цьому, з силою викидають поверхневий шар води, утворюється фонтан. Ці виверження тривають небільше 1 - 2 хв. Потім вода повністю зникає з ями, але скоро вона знову наповниться нею. Одні гейзери працюють через кожні 30 - 40 хв. інші - раз на добу. Часто вулкани, які вважалися сплячими, проявляють свою активність. В кратері і поблизу нього, з тріщин, просочуються струмені парифумароли, насичені різними газами. Деколи вони дуже сильно свистять, а деколи виділяються ледь замітно, виносячи з собою різні тверді речовини, які покривають грунт біля виходів струменів. Ще одним видом вулканічної діяльності є гарячі джерела. Вони здебільшого знаходяться у вулканічних областях (біля гейзерів) і утворюються тоді, коли гази і пара виділяються з магми (а вона знаходиться глибоко під землею), проходячи вверх нагрівають землю і змішуючись з підземними водами, переходять в гарячу воду, яка розчиняє різні речовини. Потім вона виходить на поверхню у вигляді гарячих мінеральних джерел, які можуть послужити людині для різноманітних цілей (лікувальна, видобувна тощо). Значно меншими копіями справжніх вулканів є так звані сопухи або грязеві вулкани. Це невисокі (до 3 м) конусоподібні гори зі зрізаним верхом. На плоскій вершині сопухи міститься кратер. Він наповнений сірою, липкою грязюкою, з якої весь час виділяються пухирці газу. Процес виверження грязьових вулканів нагадує справжнє виверження. З кратера сопух виділяється великий об'єм газів, переважно вуглеводню. Іноді цей газ самозапалюється і піднімається стовп полум'я. Закінчується виверження виділенням в'язкої грязі. Виверження грязьових вулканів залежить від нагромадження газів, що має місце там, де є родовища нафти. В Україні місцем знаходження сопух є Керченський півострів, що робить його перспективним для видобутку “чорного золота”. Підземні пожежі. Деякі люди відносять їх до вулканічної діяльності, але насправді це є псевдовулканічне явище. Воно має місце там де грунт сильно нагрівається завдяки різним тепловим реакціям, горінню на глибині землі. Горіння відбувається тоді, коли у порожнинах гірських порід є багато сірчаного іскришу-мінералу піриту, що окиснюється при доступі повітря і води, виділяючи велику кількість тепла. Коли поруч з такими порожнинами знаходиться кам'яне вугілля або горючі сланці, вони загоряються і виникає підземна пожежа. Інші види вулканічної діяльності на Землі дуже поширені, але вони ніколи не досягнуть таких велетенських розмірів, як вулканізм, що живиться внутрішніми силами Землі.

Позитивні наслідки від вулканізму. У людей може скластися враження, що вулканізм являється однією з природних стихій, виключно ворожих до людини. Але це уявлення треба пом'якшити, бо чим більше ми дізнаємося про таємниці цих “вогняних гір", тим більше розуміємо, що руйнування - тільки зовнішня сторона вулканізму. Наприклад, вчені зібрали багато данних, які ствердно говорять про те, що земна кора, гідро- і атмосфера утворилися протягом мільярдів років з продуктів вулканічної діяльності. Якщо врахувати, що без вулканів не було би ні атмосфери, ні гідросфери, ні життя, то шкода від нього відходить на задній план. Отже, вулкани по-перше творителі нових земель. Після кожного великого виверження на десятки і сотні кілометрів падає вулканічний попіл, який містить майже всі потрібні для росту рослин поживні речовини, формуючи легкі повітрені і водопроникні грунти. Добре зволожені і легко оброблювані землі з попелом, як правило дають високі врожаї різноманітних фруктів, злакових культур і кави. Люди давно оцінили високу врожайність вулканічних земель і почали використовувати їх з давніх часів. Є письменні джерела, що навколо Везувію і на йoro схилах збирались багаті врожаї винограду більше 2-ох тисяч років назад. Поряд з вулканічним попелом широко використовують лавові потоки. Затвердівші вони відносно легко вивітрюються і через декілька років робляться придатними для культивування тропічних фруктів. Але вулкани не тільки чудові “землеробці”. Вони постачальники багатьох мінералів. Наприклад, вулканізм Східно-Африканського рифту знаменитий високим вмістом в лаві, парі і мінеральних водах карбонату натрію (соди).Серед мінералі, утворення яких пов'язано з діяльністю вулканів, особ-ливе значення для хімічної промисловості мають сірка, борна кислота, кіновар і нашатир. Деякі вулканічні лави використовуються в будівельній промисловості. Одним з прикладів може бути пемза. Найвідомішим родовищем пемзи є Монте-Пелато на острові Ліпарі (Італія). Вона утворюється з моногенних скловатних порід, дуже насичених крешеземом. Така порода ціниться, будучи ще в розплавленому стані, а заставаючи, перетворюється в пористу, губчату масу, яку називають кам'яною ватою. Пемза має багато цінних якостей: твердість, однорідність, легкість. Тому вона використовується в будівельній справі, як тепло-, звуко- і електроізоляційний матеріал для виготовлення легкого пемзобетону, а також як абразивний матеріал для поліровки і шліфування. Заслуженою славою користуються вулканічні туфи. Ці породи утворені матеріалом, який викидується при вибухових вулканічних виверженнях. Туфі мають багато цінних якостей: висока пористість, низька тепло- і звукопровідність, м'ягкість, в результаті якої туф легко піддається механічній обробці. Особливо знамениті вірменські, різнокольорові туфи. З них побудовано багато будинків тa інших споруд. При особливій тонкозернистій будові туфи Вірменії служать відмінним матеріалом для скульптурних робіт. "Творча" діяльність вулканів багатогранна і не закінчується тим, що дарує родючі грунти,чудові мінерали і будівельні матеріали. Вони створили багато родовищ корисних копалин. Цікаво, що ще 30 років назад була поширена точка зору, що вулкани не мають ніякого відношення до утворення різних руд. Але концепція глобальної тектоніки похитнуло цю теорію. Прикладом може бути велике родовище міді в Казахстані (Коунрадське). Воно розміщене в жерлі древнього вулкану. Мільярди років корисні рудні копалини відкладалися не тільки в жерлах, але і навкруги вершин у вигляді каменю шар за шаром. Так, вздовж головного Філіпінського розлому відстежуються ланцюги неогенових родовищ мідно-порфірових руд з вмістом золота і срібла. На островах Суматрі та Яві сформувалися золоторудні басейни міоценового і пліценового періоду. На островах архіпелагу Фіджі утворились свинцево-цинкові та золототелурні родовища. В Центральних Андах сформувався знаменитий мідний пояс Чилі та Пд.Перу. На території Болівії вздовж Сх. Кордільєрів простягнувся пояс, шириною до 100-150 км олов'яно-срібних родовищ. Тут відомо 197 жил, в яких багато олова, вольфраму, свинцю, міді, золота, сурми. Активними металоносіями є гірські річки Далекого Сходу. 35 років тому вчені провели аналіз води в одній з річок, які впадають в Охотське море. І виявилося, що кожну добу річка виносить в океан 56 т алюмінію та 36 т заліза. Виявилося, що джерела, які живлять цю річку, розчиняють на шляху вулканічні гази. На Курилах майже всі річки «металеві». Aлe зі всіх позитивних сторін вулканізму, найбільше багатство - це геотермальна енергія. Дуже часто цю енергію називають універсальними "чайниками", паровими котлам природи. І це правда, жителі вулканічних районів можна сказати, сидять не покришці парового котла і час від часу чують як булькають бульбашки. В них - газ, розчинений у воді. Але насправді замість води - в'язка речовина підземних надр, замість печі котла - екзотермічні процеси, які проходять в мантії, а пара і газ виділяються з в"язкої при зміні температури і тиску. Зазвичай вулканічні спалахи з'являються несподівано, а потім на довгий час замовкають. Але вулканічна діяльність в більшості випадках не згасає, а тільки переходить в іншу форму. Її продовження виражається у фумарольній діяльності (коли виділяються газові струмені, а навколо вулканів б'ють термальні джерела). Протилежність вулканічним виверженням, які проходять швидко, ця стадія може продовжуватися тисячі років. Багаті геотермальними ресурсами Японські та Філіпінські дуги, а також Східно-Тихоокеанський пояс. В західній частині Пн.Америки гарячі джерела зв'язані зі згаслими вулканами. В гірських місцевостях західних штатів США відомо більше 1200 груп гарячих джерел. Їх зона простягається через штати Каліфорнія, Невада, Орегон, Айдахо, Вайомінг, Монтана. Люди вже давно навчились дуже ефективно користуватися термальними водами (або гідротермами) вулканічного походження для різних господарських цілей. Наприклад, аборигени маорі на острові Північний (Нова Зеландія) з давніх давен використовують природні джерела гарячої води, в зоні Таупо, для приготування їжі. Більше 50 років ними користуються жителі Ісландії. В 1928 р. гарячу воду провели в Рейк'явік для опалення лікарні, школи і басейну для плавання. Тепер в столиці цієї приполярної країни термальними водами (з температурою від 87 до 138 ^оС) обігріваються близько 80% жилих будинків, промислових і адміністративних будівель, навчальних закладів, спортивних споруд. Повітря над Рейк'явіком найчистіше на Землі. Тут немає жодних викидів з котелень і димоходів. В ряді країн вода термальних джерел використовується в тепличних господарствах. Практичне значення вулканізму не вичерпується наведеними прикладами. В останні 5О років по всій Землі почали використовувати вулканогенні води для виробництва геотермальної електроенергії. Зазвичай геотермальні станції будуються в районах з особливими геологічними умовами, де великі маси магми вкорінились в земну кору ще мільйони років назад і зберегли достатню кількість тепла. Ці маси покриті шаром гірських порід, в яких циркулює вода. Таким чином, під землею знаходяться резевуари перегрітої води (200-300°С) під високим тиском. Прокладуючи собі шлях крізь гірські породи, вона перетворюється в пару, яка з великою швидкістю (3600 м/с) виливається з “бурильної труби”, де вловлюється і направляється в турбогенератор. На вулканічній парі працюють геотермальні електростанції в Японії (Хатима-мантай, Мацугава, Онікоба, Отаке), в Новій Зеландії (Вайракі), в Мексиці (Пате), в Ісландії (біля влкн. Дафла), в США (Каліфорнія південніше озера Солтон-СІ); декілька станцій функціонують в районі Італійського вулкану Монте-Аміата (тут також з пари видобувають сірку). Але, найголовніше це те, що цей вид енергії є одним з екологічно чистих. Бо для її одержання не треба нічого спалювати, Землясама випромінює тепло і тим самим дозволяє пізнати геотермальну енергію. Електрика, яка отримується з неі, йде на електрифікацію жилих будівель, заводів, фабрик зменшуючи кількість шкідливих викидів ТЕС, від спалення вугілля, нафти, газу, або взагалі відмовитися від ТЕС і АЕС, покращуючи екологічну ситуацію в країні. Зараз розробляються плани про використання енергії виверження вулкану. Оскільки вона дуже велика і вимірюється в астрономічних числах, то в недалекому майбутньому, ця енергія може побути на службі людини. На це ми маємо право надіятись ї думат, що через декілька років вулканічні дари Землі змінять біль-шу частину нашого життя.

3. Удосконалення знань.

Прослуховування та обговорення повідомлень учнів

4. Рефлексія. Підсумки. Домашнє завдання.

Підготувати повідомлення про спостереження за вулканами, прогноз вивержень і засоби захисту.