Особенности изучения прикладных и экологических аспектов темы "Вулканы и гейзеры" в курсе "Окружающий мир" средней школы

6

Особенности изучения прикладных и экологических аспектов темы «Вулканы и гейзеры» в курсе «Окружающий мир» средней школы

Введение

Данная тема «Вулканы и гейзеры» очень интересна. Эти уникальные явления природы не раз приводили и приводят сейчас к многочисленным людским потерям. Эта тема является актуальной в данное время, потому что эти явления природы несут за собой гибель людей, наносят колоссальный ущерб окружающей среде. Ведь извержения вулканов - одно из наиболее мощных проявлений сил природы. Даже начиная уже с древнейших времен эти могущественные и величественные, мрачные и грозные картины вулканических извержений производили на людей сильные впечатления, а сами вулканы вызывали страх и почитание. Однако деятельность вулканов порождала в человеке не только страх, но и поэтическое восхищение, т.к. вулканические ландшафты удивительно красивы.

Говоря о вулканах, я невольно вспоминаю из школьной литературы событие произошедшее в 79г. нашей эры - это извержение Везувия. При извержении Везувия, во время которого пеплом была засыпана Помпея, погибло около двух тысяч человек из 25-тысячного населения города, и это не одинарные случаи.

Вулканы имеют и положительное значение. Например, в районах действующих и потухших вулканов часто встречаются горячие источники. Это говорит о том, что там, на глубине, есть горячие горные породы. Они нагревают подземные воды, которые в виде источников или фонтанов выходят на поверхность. И эти источники, которые выбрасывают горячую воду и пар называют гейзерами. В долинах гейзера запрещена охота, рыбная ловля, рубка леса, чтобы сохранить его уникальную природу. Ведь вода гейзеров и горячих источников используется для обогрева домов, теплиц, так же используя эту горячую воду работают электростанции.

Таким образом, каждый действующий вулкан обладает своими индивидуальными особенностями. Более того, нет двух совершенно одинаковых вулканов, так же как среди многомиллионного населения нашей планеты нет двух совершенно одинаковых людей. Объясняется это тем, что деятельность каждого вулкана зависит от многих причин - от геологической обстановки, его возраста, свойств магмы. Однако вулканы можно объединить в группы со сходными чертами. Они-то и позволяют говорить об определенных типах извержений.

Актуальность темы обусловлена следующим. Во-первых, вулканы и гейзеры известны очень давно и известны во многом масштабы и характер влияния, особенно вулканов, на состояние окружающей нас природной среды. Тем не менее, к специальному научному исследованию вулканов и гейзеров люди приступили сравнительно недавно. И эти объекты до сегодняшних дней во многом остаются непознанными и непредсказуемыми.

Во-вторых, геотермальные источники вообще используются человеком достаточно давно. Но рациональное использование тепловой энергии гейзеров и других горячих источников, а также многих других их полезных свойств также сдерживается и не только по экономическим причинам, но и в силу недостатка научных фактов об этих объектах.

В имеющейся литературе очень много рекламных материалов, призывающих посетить те или иные места, где расположены вулканы и гейзеры. Имеется специальная литература, где сведения изложены очень академично, строго научно, но совершенно непонятно для рядового читателя. Поэтому в задачи моей работы входит исследование возможности изучения вулканов и гейзеров в рамках учебно-воспитательного процесса в 6-м классе средней школы, имея в виду указанные выше обстоятельства.

Таким образом, передо мной стоит задача, используя источниковедческую литературу более подробно рассмотреть эти явления природы - вулканы и гейзеры, раскрыть их особенности, рассказать о типах извержений и об их последствиях.

Цель моей квалификационной работы - осветить экологические и прикладные аспекты темы «Внутренние силы Земли. Вулканы и гейзеры», возможности их изучения на уроках географии и/или природоведения, и «Окружающего мира» в средней школе.

Глава I. ПРОГРАММА И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОСОБИЯ

Основной учебник, по которому занимаются в школах, это «Природоведение» А.А. Плешакова и Н.И. Сонина для 5-го класса. Интересующие нас темы изложены в одном параграфе «Землетрясения и вулканы». Сразу привлекает внимание то, что оформление материала выполнено на высоком уровне. Приведены схемы вулканов, форм вулканических извержений, даны их определения и характеристики, контурная карта с расположением действующих и потухших вулканов. Из экологически важной информации представляет интерес таблица, где указаны места, даты и число жертв крупнейших извержений вулканов. Также интересны контрольные задания для проверки знаний по теме.

Однако в целом по этому учебнику ученик 5-го класса (а в некоторых школах его используют и в 6-х классах), на наш взгляд, может получить только минимальный объем знаний о вулканах. Очевидно, что для качественной работы учителю необходимо искать и находить дополнительный дидактический материал для качественного изучения именно прикладных и экологических аспектов темы.

Этих недостатков в определенной степени лишен учебник Л.В. Тарасова. Экспериментальный учебник (Тарасов Л.В. Окружающий мир-6. Природа Земли: прошлое, настоящее, будущее. Такая беспокойная планета. Ч. 6-1) по интегративному предмету "Окружающий мир" для учащихся 6-го класса написан в соответствии с принципами новой общеобразовательной модели «Экология и диалектика» (//Школьные технологии. - 1997, №1. - С. 55-70) ее создателем - профессором Львом Васильевичем Тарасовым.

Предмет "Окружающий мир-6" имеет подзаголовок "Природа Земли: прошлое, настоящее, будущее". Его основная концептуальная идея - познакомить учащихся с природными сферами Земли, представить эволюцию этих сфер, показать средообразующую роль живого вещества, превращающего биосферу в решающий фактор противостояния деструктивным процессам в литосфере, атмосфере, гидросфере. В соответствии с этой идеeй учебник состоит из двух взаимосвязанных частей: 1) "Такая беспокойная планета", 2) "Жизнь на Земле". Изучая данный предмет, учащиеся получают основательные представления о том, как развивалась природа Земли, перед ними разворачивается целостная картина природных процессов. Одновременно с этим учащиеся приобретают в пропедевтическом плане немало сведений из области физики, биологии, географии, химии, геологии.

Учебник предназначен в первую очередь для школ, отрабатывающих новую модель общего среднего образования "Экология и диалектика". Он может использоваться также в 6-х классах обычных школ, где изучается интегративный предмет "Естествознание", и для самообразования в качестве научно-популярного издания.

Остановимся кратко на содержании учебника.

Итак, «Такая беспокойная планета» (интересующие нас разделы набраны более крупным шрифтом.)

Вступление. Геохронологическая шкала

Тема 1. Земные недра	Тема 2. Полезные ископаемые
1.1. Фантазии, гипотезы, научные исследования	2.1. Горючие ископаемые
1.2. Земной шар в разрезе: современные представления	2.2. Руды металлов
1.3. Минералы и горные породы	2.3. Цветные камни
1.4. Диалоги о почве	2.4. Строительные ископаемые
1.4.1. Диалог Автора с Читателем	2.5. Агрономические руды
1.4.2. Диалог Почвы с Растением

Тема 3. Внутренние силы Земли: глобальная тектоника литосферных плит

3.1. Рельеф поверхности суши и дна океанов

3.2. Гипотеза Вегенера о дрейфе материков

3.3. Спрединг и субдукция литосферных плит

3.4. Образование гор и горных систем

3.5. Геологическая история нашей планеты

Тема 4. Внутренние силы земли: вулканы и гейзеры

4.1. Величественное и грозное явление природы

4.1.1. Вулкан Санторин: гибель Атлантиды

4.1.2. Вулкан Везувий: гибель Помпей и Геркуланума

4.1.3. Вулкан-трещина Лаки: трагедия в Исландии

4.1.4. Вулкан Монтань-Пеле: трагедия на Мартинике

4.1.5. Две стороны медали

4.2. Вулканы снаружи и в разрезе

4.3. Почему и как происходят извержения вулканов?

4.4. Гейзеры

Тема 5. Внутренние силы Земли: землетрясения	Тема 6. Внешние силы Земли
5.1. Человек на сотрясающейся земле	6.1. Горы молодые и горы древние
5.2. Почему происходят землетрясения?	6.2. Выветривание - разрушение горных пород
5.3. Очаг - сейсмические волны - эпицентр - изосейсты	6.3. Реки - "виновники" грандиозных геологических процессов
5.4. Что делать? Размышления о сейсмической безопасности	6.4. Обвалы и оползни
	6.5. Рельеф, создаваемый ветром

Тема 7. Земная атмосфера	Тема 8. Диалоги о давлении
7.1. Слои воздушного океана	8.1. Что такое давление
7.2. Воздух, которым мы дышим	8.2. Давление жидкости, вызванное действием силы тяжести
7.3. Воздух минувших эпох	8.3. Атмосферное давление
	8.4. Температура, давление, плотность газа

Тема 9. Такая беспокойная атмосфера	Тема 10. Его Величество Океан
9.1. Конвекция воздуха и ветер	10.1. "Свободная стихия" морских волн
9.2. Потоки воздушных масс в атмосфере	10.2. Морские течения
9.3. От обычных циклонов и антициклонов к тропическим циклонам, называемым также тайфунами и ураганами	10.3. Волны как горы
9.3.1. Циклоны и антициклоны	10.3.1. Штормовые волны
9.3.2. Тропические циклоны	10.3.2. Цунами
9.4. Десять триллионов тонн воды в атмосфере	10.3.3. Сравнение цунами с штормовыми волнами
9.5. Рождение и смерть тучи глазами поэта и глазами ученого
9.6. Молния и гром

Приложения. Диалоги о глобусе и географической карте

П.1. Параллели и меридианы. Географические координаты

П.2. Карты мира с разными картографическими сетками

П.3. Картографические проекции

Анализ содержания приводит к следующим выводам. Все темы изложены очень интересно, причем для читателей разного возраста. Материал, с одной стороны, доступен, с другой - его объем и содержательность не вызывают сомнений. Что касается вулканов и гейзеров, то сведения о них изложены намного полнее, чем в других подобных изданиях для школьников данного возраста. Особенно привлекает подробное изложение механизмов вулканических извержений и деятельности гейзеров.

Однако многих учителей-практиков пугает слишком, на их взгляд, высокая сложность предлагаемого материала и риск не быть понятыми пяти-, шестиклассниками вообще. Эти опасения в определенной степени оправданны, хотя автор концепции и учебника уже во вступлении к его содержанию убежден в их необоснованности. Дело в том, что Л.В. Тарасов пытается реализовать и в концепции, и в разрабатываемых им в ее поддержку учебно-методических разработках (в том числе учебных пособиях) свою модель обучения. Согласно этой модели ученик школы должен регулярно изучать материал различной, в том числе и повышенной сложности. Со временем должны вырасти как степень усвоения информации, так и качество знаний ученика в целом. При этом главное - ученик школы должен с помощью учителя изучать современное состояние наук о Земле. В этой связи, очевидно, что высокие требования предъявляются в первую очередь к уровню подготовки учителя, перед которым теперь стоит сложная задача добиваться реализации принципа доступности при изучении с пяти-, шестиклассниками объективно сложного для понимания учебного материала. Учебник написан с позиций интегративно-гуманитарного подхода, позволяющего, по мнению автора, хорошо реализовать идеи и развивающего обучения.

Таким образом, по логике и последовательности изложения материала, уровню сложности сведений, приводимых в учебнике для 6-х классов, возможностям, заложенным в концепцию с точки зрения экологического воспитания учащихся младшего возраста, этот учебник можно рекомендовать каждому учителю. Можно предположить, что его нужно использовать вкупе с другими учебниками и доступными источниками информации для реализации всех возможностей изучения предмета.

Глава 2. Что мы знаем о вулканах и гейзерах

В последние полтора столетия было предложено много теорий, объясняющих механизм действия гейзеров.

Во всех этих теориях исходным положением служит представление о поднимающемся от магматического очага горячем паре. Большинство теорий предполагает особого рода устройство подземного аппарата гейзеров - обширные подземные пустоты- камеры, в которых накапливается поднимающийся из глубин пар. Взаимодействием пара с водой, заполняющей подземные пустоты, американские и западноевропейские исследователи и объясняют действие гейзеров.

Впервые соображения о механизме действия гейзеров были высказаны в 1811 г. Г. Маккензи. Он считал, что действие гейзеров основано на повышенном давлении пара, который скопляется в невидимой подземной камере в результате закипания там воды. Его мысли о подземной камере были подхвачены последующими исследователями, но идеи об источнике тепла и характере его действия развития не получили.

Исходя из представлений Маккензи о наличии в аппарате гейзера подземных камер, Круг фон Нидда в 1883 г. создал свою теорию действия гейзеров. По его мнению, деятельность, как вулканов, так и гейзеров зависит от пара. Источником пара он считал “подземные горячие ключи”. Объяснение причины, почему одни ключи кипят постоянно, а другие действуют периодически, он искал в их подземном строении: при свободном прохождении пара через столб воды образуются кипящие источники; если же пар на пути встречает камеры и расширения канала, где он может накапливаться, образуются гейзеры. Сверху вода в канале охлаждается от соприкосновения с воздухом, а узкий канал препятствует циркуляции.

Круг фон Нидда впервые выдвинул представление о столбе воды, температура которой увеличивается сверху вниз. Механизм действия гейзера рисовался ему следующим образом: давление пара в подземной камере увеличивается, и вода вытесняется в канал. Давление продолжает увеличиваться, и часть пара поступает в канал, нагревает там воду и, поднимаясь кверху, способствует излиянию некоторого количества воды из канала. Это излияние уменьшает давление воды и ведет к внезапному извержению. В результате понижается давление в камере, вода падает обратно в канал, закрывает оставшийся пар, и извержение заканчивается. Длительность периодов деятельности гейзеров и интервалов между ними, по мнению Круг фон Нидда, зависит от величины подземной камеры, высоты столба воды в канале и поступления тепла снизу.

Таким образом, Круг фон Нидда видел движущую силу процесса в увеличении давления пара в подземных камерах; непосредственную же причину извержения - в уменьшении давления в результате вытеснения паром воды из канала.

В 1836 г. Е. Лоттин на основе специальных температурных измерений доказал, что температура в канале Большого гейзера Исландии увеличивается с глубиной. На некоторой глубине она равна температуре кипения воды на поверхности, но так как давление здесь соответственно увеличено, она все же не кипит.

В 1846 г. Р. Бунзен и А. Деклаузо, исследуя исландские гейзеры, разработали теорию их действия. Каждый из них вел наблюдения и измерял температуру в гейзерах независимо от другого, особым способом.

Они считали, что различие между непрерывно кипящими источниками и гейзерами определяется высотой водяного столба и скоростью, с которой он нагревается. Небольшой столб воды быстро нагревается снизу и дает кипящий источник. Гейзер же образуется при наличии высокого столба воды с достаточно большой площадью поверхностного охлаждения. Циркуляция воды здесь недостаточна, чтобы устранить разность температур между охлаждаемой поверхностью и более нагретой нижней частью столба воды.

Результаты наблюдений Бунзена и Деклаузо над температурой воды в гейзере в промежутках между извержениями сводятся к следующему:

- температура в столбе воды гейзера уменьшается снизу вверх;

- после извержения температура воды в канале гейзера непрерывно повышается;

- в промежутке между извержениями температура в столбе воды нигде не достигает точки кипения при существующем давлении;

- чем ближе к извержению, тем более приближается к точке кипения температура в самой нижней части столба воды. Перед извержением достаточно незначительного уменьшения давления, чтобы весь столб воды закипел.

Причину извержения Бунзен видел в образовании пузырей пара на глубине, представляя это следующим образом. В нижней части канала вулканическое тепло нагревает воду до кипения. Образуются пузыри пара, которые поднимаются и концентрируются в верхних, более прохладных слоях воды, постепенно их нагревая. Вода в нижних частях канала вследствие парообразования охлаждается, и извержение в этот период не происходит.

Период поднятия пузырей пара Бунзен называет малым, или недоразвитым, извержением. Извержение наступает тогда, когда выделяющимися снизу пузырями нагревается до точки кипения вся вода в канале.

В теории Бунзена нет упоминания о подземных камерах, о которых говорят все исследователи до и позже него. Основная причина извержения гейзера, по Бунзену, - затрудненная циркуляция горячей воды в узком канале. Непосредственная причина извержения - внезапное закипание воды на дне канала гейзера.

В целом теория, разработанная Бунзеном и Деклаузо, никогда не претендовала на универсальность, а только стремилась объяснить действие Большого гейзера Исландии.

Последующие исследователи резко критиковали Бунзена за отсутствие объяснения периодичности действия гейзеров, но надо отметить, что сами они долгое время тоже не давали удовлетворительного универсального объяснения этого явления.

В 1880 г. X. Ланг впервые указал на необходимость притока холодной воды, которая заканчивает извержение, и высказал соображение, что, не будь этого притока, гейзеры, в конце концов, превратились бы в струи пара. Ланг возражает также и против представления о закипании воды на дне гейзерного канала; горячая вода меньшей плотности стремится вверх, где охлаждается при соприкосновении с воздухом и опять опускается. Чем больше разность температур, тем сильнее циркуляция, препятствующая закипанию на дне. Поэтому Ланг считал, что кипение начинается в боковом резервуаре. Он подчеркивает, что его взгляд на гейзерный механизм совпадает с взглядом Круг фон Нидда, только последний видел движущую силу процесса в постоянном увеличении давления и расширения пара, а он, Ланг, следуя в этом вопросе за Бунзеном, считает единственной причиной, объясняющей действие гейзера, внезапное вскипание воды, но не на дне канала, а в боковой камере.

В изложении Ланга теория действия гейзеров значительно приближается к современным представлениям. Мысль его о необходимости участия более холодной воды, прерывающей действие гейзера, хотя и не была им детально разработана, но с тех пор уже, в тех или иных видоизменениях, исследователями не оставлялась.

Торкельсон, как и Ланг, критикует Бунзена за отсутствие объяснения периодичности действия гейзеров. Анализируя температурные кривые Большого гейзера, приводимые Бунзеном и Деклаузо, Торкельсон установил, что все они имеют одинаковую форму: максимум температуры лежит в 9 м от дна канала, ниже температура падает, что опровергает принципиальный вывод Бунзена - представление о закипании воды на дне канала. Торкельсон, так же как и Бунзен, подчеркивает отсутствие значительных изменений температуры в канале гейзера за все время периода его покоя. На основании этого он приходит к выводу, что причину извержения надо искать вне гейзерного канала.

Пар и горячая вода, по взгляду Торкельсона, поступают в канал гейзера как раз в том месте, где отмечена максимальная температура. Пар, поднимаясь по узкому гейзерному каналу, уменьшает давление, так как превращает воду в паро-водяную смесь с меньшим удельным весом. Это уменьшение давления и является непосредственной причиной извержения. Взгляд Торкельсона очень близок к представлениям Круг фон Нидда.

Одной из причин, почему теория Бунзена получила широкое распространение, было то, что она легко могла быть иллюстрирована моделью. Высокий тонкий столб воды, заключенный в трубку, легко нагреть и этим вызвать напоминающее гейзер извержение. Однако условия этого опыта, как нам представляется, совершенно отличны от тех, в которых находится гейзер в природе. Во-первых, канал настоящих гейзеров представляет лучшую возможность для циркуляции воды, чем трубка модели. Кроме того, относительное количество тепла, прилагаемое к трубке, всегда значительно выше, чем в любом естественном гейзере, так что соотношение скорости нагревания воды с ее циркуляцией в модели не похоже на естественное. Во-вторых, период покоя в модели -- это время, необходимое для нагревания вновь до кипения выброшенной и охлажденной в воздухе воды. Для большинства же настоящих гейзеров воздушное охлаждение воды -- факт совершенно второстепенный, а иногда и вовсе отсутствующий, так как в гейзерный канал во время или после извержения возвращается лишь незначительная часть воды или не возвращается вовсе. Но даже если бы извергнутая вода вся целиком возвращалась в гейзер во время или тут же после извержения, чего в природе не бывает, все равно его деятельность обречена была бы на умирание. В природе такие условия дали бы недолговечный пульсирующий источник, который закончил бы свое существование с неизбежным испарением всей воды.

Простейшая модель, предложенная Бунзеном, - узкая трубка, наполненная водой и подогреваемая снизу. Она действительно периодически фонтанирует, но природы образования и механизма действия гейзеров еще ни в какой мере не объясняет. Это чисто формальная модель гейзера.

Модели гейзеров конструировали многие исследователи: Ж. Видеманн в 1882 г., А. Андре в 1893 г., Грахэм в 1893 г. и Джегтер в 1898 г. В частности, Видеманном была сконструирована модель с боковым резервуаром, питаемым прохладной водой.

К выводам, которые делаются на основании опытов на этих конструкциях, в настоящее время можно отнестись критически. Дело в том, что самого результата гейзерного действия - периодического фонтанирования - можно достичь разнообразными приемами, но это совсем не будет означать, что условия, при которых фонтанирует модель, будут в какой-либо мере отражать природные условия существования гейзеров и объяснять действительную взаимосвязь природных явлений, которая создает гейзерный режим источников.

Е. Аллен и А. Дэй в 1935 г., рассматривая ряд моделей гейзеров, тоже отмечают, что авторы моделей игнорируют детали, существенные в жизни настоящих гейзеров, и достигают периодичности, оперируя второстепенными факторами.

Исследования гейзеров Йеллоустонского парка, проводимые уже в течение десятков лет, дали ряд ценных наблюдений, исправивших и конкретизировавших ранее существовавшие теории действия гейзеров.

Е. Аллен и А. Дэй на основании наблюдений в Йеллоустоне написали в 1935 г. монографию “Горячие ключи Йеллоустонского парка”.

В этой работе приводится схема подземного строения гейзера (рис. 1). Источником тепла гейзеров они считают струи перегретого пара, поднимающегося от магматического очага. Пар, конденсируясь, дает, по подсчетам цитируемых авторов, 12-15% общего дебита гейзеров. Этот же пар, по их мнению, приносит около 50% минеральных веществ, растворенных в гейзерной воде. Пар нагревает воду, заполняющую подземные камеры, до температуры, значительно превышающей температуру кипения воды на поверхности. Скоплением в камере перегретой воды, которая в момент извержения получает доступ на поверхность, авторы объясняют бурный характер действия гейзеров.

Рис. 1.

Исходя из многочисленных и различных исследований - химических анализов, температурных измерений, длительных режимных наблюдений и измерений дебита гейзеров, Аллен и Дэй делают следующие основные выводы:

- источник тепла гейзеров в Йеллоустоне, равно как и всех гейзеров других областей, - магматический очаг;

- воды гейзеров - главным образом поверхностного происхождения, но не из непосредственно ближайших окрестностей, как это предполагал Ланг. Приток воды к месту выхода гейзеров зависит от общих гидрогеологических условий местности;

- для существования гейзеров необходимо определенное соотношение между запасом тепла и притоком прохладной воды. Если тепла много, а воды мало, она закипает по мере поступления, и в этом случае образуются кипящие ключи или выходы пара; при обратном соотношении вода не доходит до кипения и образуются обычные термы;

- приток холодной или, во всяком случае, более прохладной воды, ниже температуры кипения, совершенно необходим для объяснения повторных действий гейзеров.

А. Холмс объясняет существование гейзеров также взаимодействием горячей воды инфильтрационного происхождения и ювенильных струй пара. Схема, приводимая им для гейзера Исландии, повторяет схему Аллена и Дэя для гейзеров Йеллоустона.

Выводы исследователей, которые сложились в результате наблюдений над гейзерами Камчатки, во многом близки к выводам Аллена и Дэя, но представление о механизме действия гейзеров во многом отлично от их построений. Собранные данные, хотя и недостаточны для полного решения сложных вопросов образования гейзеров, но все же они позволяют поставить некоторые вопросы и наметить их возможное решение с известной долей вероятности.

Рассматривая механизм действия гейзеров, можно считать правильным отказаться от довлеющего над всеми рассмотренными теориями представления о поднимающемся из глубины ювенильном паре. Оставив в стороне соображения о происхождении самой воды, более вероятно считать, что во внутренних частях гейзера находится не пар, а вода, перегретая на глубине выше температуры кипения, но остающаяся в жидком состоянии. Попадая в область нормального или близкого к нормальному давлению, перегретая вода переходит в пар, этим самым вызывая извержение гейзера.

На прилагаемом графике, составленном сотрудником Центрального института курортологии Н.А. Огильви, дана зависимость фазового равновесия “вода - пар” в различных геотермических условиях (рис. 12). На графике показано возрастание с глубиной температуры перехода воды в пар, исходя из величины давления вышележащего столба жидкости.

Так как график составлен в мелком масштабе и зависимость для неглубоких горизонтов трудно уловить, нами дополнительно прилагается табл. 1.

табл. 1

Глубина, м	Давление ртутного столба, мм	Давление водяного столба, м	t кипения воды, °С
0	760	10,3	100
12	1672	22,7	125
39	3648	49,6	150
81	3688	91,0	175
148	11604	157,8	200

Рассмотрение графика позволяет высказать следующие соображения.

Горячая вода, имеющая на глубине температуру ниже 100 °С, само собой разумеется, на любой глубине будет в жидком состоянии и при выходе на поверхность даст обычные термальные источники. Чтобы вода на глубине находилась в парообразном состоянии, как видно из табл. 1, необходимо, чтобы температура на соответствующих глубинах превышала указанную, т. е.

на глубине 12 м	температура должна быть	> 125°С
на глубине 40 м	-//-	> 150°С
на глубине 80 м	-//-	> 175°С
на глубине 150 м	-//-	>200°С

Если обычная средняя геотермическая ступень равна 33 м, то в приведенном случае она должна быть в 25 раз больше и еще увеличиваться с глубиной. Табл. 17 показывает, какой должна быть температура для того, чтобы вода закипела как раз вблизи поверхности земли, т. е. там, где такой температуры менее всего можно ожидать. Подобное возрастание температуры с глубиной в природных условиях маловероятно и может, очевидно, встретиться только в совершенно исключительных случаях.

График (рис. 2) показывает, что существует весьма большой диапазон температур выше 100 °С, при которых вода на глубине будет все же находиться в жидком состоянии. Наличие же на глубине пара, как мы видим, возможно только как крайний совершенно исключительный случай обусловленный неправильным геотермическим режимом.

Рис. 2.

При бурении в Йеллоустонском парке было встречено огромное количество пара, что, по мнению американских исследователей, подтверждает факт присутствия пара на глубине. Однако если скважина дойдет до перегретой воды, она неизбежно выведет на поверхность не воду, а пар, в который перейдет перегретая вода при понижении давления. Таким образом, тот факт, что пар был обнаружен при бурении, сам по себе еще ничего не доказывает.

Более убедительно подтверждают теорию паровых струй, поднимающихся из глубины, приводимые Алленом и Дэем и Холмсом результаты температурных измерений там же в Йеллоустоне, где на глубине 20,5 м была замерена температура 123°С, а на глубине 73,5 м она составляла 205°С.

Как видно из графика, вода при таких условиях должна находиться в форме пара. Однако, допуская подобный случай, тем не менее следует признать его исключительным, так как он требует особо аномальных условий, а именно - до глубины 73 м температура должна увеличиваться на 2,8° на каждый метр опускания.

Действительно, в природе наблюдаются и такие условия, при которых вода может быть только в жидкой фазе (часть графика в пределах температур от 0 до 100 °С) и такие, при которых вода всегда будет находиться в состоянии пара (правая часть графика, справа от кривой). Но последние условия, как мы говорили, - исключительные. Вместе с тем, несомненно, реально существуют в природе условия, при которых вода находится на глубине в перегретом, но жидком состоянии (средняя заштрихованная часть графика между ординатой 100 °С и кривой). Только поднимаясь на поверхность, только оказавшись в условиях нормального давления, вода эта будет переходить в пар.

О российских гейзерах. В этом последнем случае общие гидрогеологические условия местности определят, будет ли вода выходить в форме паровых струй, термальных источников, обычных или кипящих, или гейзеров. Если перегретая вода на своем пути к поверхности не встречает грунтовых вод, которые разбавят ее и понизят ее температуру, она будет закипать, как только это допустят условия давления, и на поверхность выйдут струи пара. Такие мощные выходы пара известны в описываемом районе в группе вулкана Большого Семячика. Они вырываются с ревом, слышным на расстоянии нескольких километров. Мелкие паровые струи выходят в кальдере Узона и во многих местах долины Гейзерной в верхних частях нагретых склонов.

Если нагретая вода будет беспрерывно смешиваться с более прохладной, то в зависимости от количества этой последней и степени понижения ею температуры нагретой воды, будут изливаться более или менее высокотемпературные или даже непрерывно кипящие источники. Такие, кипящие источники имеются во многих пунктах Камчатки, в частности в кальдере вулкана Узон, на Верхне-Семячинских источниках, в долине Гейзерной в нижних частях склонов близ реки и в тальвегах впадающих в речку мелких теплых ручьев В случае если доступ охлажденной воды к путям, выводящим нагретую воду, по тем или иным причинам затруднен, могут возникнуть пульсирующие кипящие источники или гейзеры, различные модификации которых обильно представлены в долине Гейзерной.

Именно поднятием на поверхность воды, нагретой до температуры более высокой, чем температура кипения на высоте ее выхода, объясняется бурный эксплозивный характер извержения гейзеров, сопровождаемого массой пара.

Расположение камчатских гейзеров в вулканической области, среди современных вулканов, указывает нам источник тепла, необходимого для нагревания подземных вод до температуры, способной создать гейзеры. Не следует того понимать упрощенно, в смысле выделения водных струй или пара непосредственно из магматического очага, как представляют на своей схеме Аллен и Дэй (рис. 1). Наличие на глубине магматического очага создает неправильный геотермический режим, резкое повышение геотермического градиента и, следовательно, возможность нагревания пород, а также циркулирующих в них вод до высокой температуры на сравнительно небольшой глубине. Сведения о геотермике Камчатки отсутствуют, так что мы лишены возможности подтвердить эти общие соображения какими-либо цифровыми данными.

В областях с нормальным геотермическим режимом горячая вода по тектоническим разломам выводится на поверхность с больших глубин, измеряемых часто километрами, и неизбежно несколько охлаждается, проходя этот путь. Поэтому горячие источники с температурой выше 70° вне областей молодого вулканизма встречаются очень редко. Таких высокотемпературных источников на территории бывшего Советского Союза, по данным Центрального института курортологии, известно всего несколько групп:

Термы	Температура, °С
Тальские на Колыме	91,0
Кульдурские в Хабаровском крае	72,0
Чашминские на Чукотке	83,0
Пенкигиейские на Чукотке	81,0
Мечигменские на Чукотке	95,5
Ходжа-Оби-Гармские в Таджикистане	94,0

В современной вулканической области с аномально высоким прогревом пород горячая вода, поднимаясь из глубин, не успевает охладиться и достигает поверхности в перегретом состоянии. Наличие такой воды необходимо для того, чтобы горячий источник получил гейзерный режим истечения. Чрезвычайная редкость распространения гейзеров по сравнению с источниками обычного режима именно и объясняется тем, что в нормальных условиях перегретая вода не имеет возможности достичь поверхности земли.

Таким образом, первое условие существования гейзеров - возможность вывода на поверхность земли перегретой воды.

Второе условие - наличие относительно более прохладной воды, имеющей доступ в канал гейзера и прерывающей кипение в нем глубинной воды. Этим именно и достигается периодичность действия гейзеров.

Из всего сказанного видно, что для объяснения действия гейзеров нет необходимости привлекать гипотетические подземные камеры, наполненные горячей водой и глубинным паром, образование которого, как мы видим, маловероятно. Можно допустить, что перегретая вода циркулирует в породах по системе трещин, связанных с каналом гейзера, откуда она и захватывается силой извержения, как это может происходить при искусственной откачке насосом любой буровой скважины или источника.

В результате наблюдений над деятельностью камчатских гейзеров механизм действия гейзеров в схеме представляется нам следующим образом.

Непосредственно после окончания очередного периода фонтанирования верхняя часть гейзера останется пустой. В результате такой “откачки” уровень воды в окружающих гейзер породах также неизбежно понизится.

После того как уровень воды в канале гейзера упадет на какую-то максимальную глубину, особую для каждого отдельного гейзера, горячая вода начинает вновь под влиянием гидростатического давления медленно подниматься в канале гейзера, смешиваясь с охлажденной водой, поступающей в канал из окружающих пород.

Это первая стадия действия, обязательная для всех гейзеров,- стадия наполнения.

Когда гейзер наполнится до верха воронки, вода начинает переливаться через ее края, иногда сразу бурной волной, иногда небольшой струей, постепенно увеличивающейся до самого извержения. Остывшая вода, имеющая на высоте излива температуру ниже точки кипения и заполнившая аппарат гейзера, под влиянием гидростатического давления постепенно вытесняется и изливается наружу. Одновременно порции более горячей перегретой воды поступают снизу и поднимаются к поверхности.

Это вторая стадия, стадия излияния, свойственная не всем гейзерам, но отмеченная у большинства крупных - Первенца, Тройного, Большого и Малого, Великана, а также у некоторых небольших - Конуса, Скалистого, гейзера у подножья водопада.

В случае если гидростатический напор недостаточен для самоизлива воды из гейзера, вторая стадия отсутствует. У таких гейзеров вторая стадия заменяется третьей, которую можно условно назвать стадией нагрева воды.

В этом случае уровень воды в канале очень медленно поднимается, подходя к краям воронки. Порции поступающей снизу перегретой воды вследствие конвекции постепенно нагревают воду, заполняющую гейзерный аппарат, и доводят ее в верхних частях канала до температуры кипения. Этому же способствуют и пузыри пара, которые образуются на небольшой глубине из перегретой воды и конденсируются в верхних слоях воды, способствуя повышению температуры этих слоев. Третья стадия присутствует у всех гейзеров, лишенных стадии излияния. Надо, однако, заметить, что отсутствие излияния воды через край грифона гейзера еще не означает отсутствия подземного стока по трещинам в породах, через которые проходит канал.

При наличии подземного стока между второй и третьей стадиями принципиального различия нет. Независимо от того, имеется налицо вторая или третья стадия, в обоих случаях достигается один, необходимый для действия гейзера эффект: в верхней части канала температура воды поднимается и достигает точки кипения при существующем давлении.

В нижней части гейзерного канала вода имеет более высокую температуру, причем принципиально совершенно не имеет значения, находится максимальная температура на дне канала или на некотором от него расстоянии (кривая Бунзена для Гейзера Исландии, 83). Участок с максимальной температурой воды в канале указывает только на место поступления в канал гейзера наиболее горячей воды, и в соображениях о процессах, создающих гейзерный режим, ничего не меняет.

Закипеть воде в глубине канала даже при наличии высокой температуры мешает давление вышележащего столба воды. Когда по причинам, указанным выше, вода в верхних частях канала интенсивно закипает, образуется паро-водяная смесь, резко уменьшающая давление на лежащие ниже слои воды. Вода в нижележащих частях канала, имеющая значительно более высокую температуру, вследствие сильного уменьшения давления тоже начинает интенсивно кипеть, и закипание быстро распространяется вглубь канала, захватывая все более глубокие его части.

Вода, переходя в пар, сильно увеличивает свой объем. Как видно из табл. 18, объем пара при нормальном давлении достигает 1 675 объемов воды. С увеличением давления это соотношение уменьшается, но все же оно достаточно велико, чтобы обеспечить извержение большой силы.

табл. 2

Температура, °С	Давление, мм	Объём, м3
		воды	Пара
100	760	0,00010	1,6750
125	1672	0,00011	0,7715
150	3648	0,00011	0,3933
175	6688	0,00011	0,2171
200	11604	0,00012	0,1276

При закипании в узком канале смесь воды и пара с колоссальной силой выбрасывается вверх. Это третья стадия - стадия фонтанирования. Несмотря на то, что во время извержения закипают все более глубокие слои воды, сила извержения не уменьшается, так как новые, подтекающие снизу, более нагретые порции воды закипают более интенсивно.

В каждом гейзере в период фонтанирования количество выбрасываемой воды превышает количество воды, поступающей в аппарат гейзера из окружающих его пород. Извержение опустошает канал гейзера со всеми возможными его ответвлениями и соединенными с ним трещинами в окружающих породах.

рис. 3.

Когда бурное извержение исчерпает основные массы перегретой воды, извержение заканчивается. Вновь поступающая в небольшом количестве из глубин в опустошенный канал гейзера перегретая вода кипит в глубине канала и наружу извергается уже не вода, а пар. В пустой канал гейзера опять получает доступ в большом количестве охлажденная вода из окружающих пород. Поступление этой воды прекращает кипение в канале. Наличие охлажденной воды, поступающей в канал гейзера после фонтанирования, мы считаем одним из двух основных условий, определяющих гейзерный режим источника.

Прекращение кипения за счет охлаждения, вызванного обильным парообразованием, представляется нам невозможным. В конце извержения в пар переходит неразбавленная глубинная, сильно перегретая вода и вряд ли процесс парообразования может понизить температуру этой воды ниже 100° и служить причиной прекращения кипения.

Если охлажденной воды поступает сразу много, она быстро понижает температуру воды в гейзере и почти мгновенно прекращает - заливает и тушит - извержение. Очень характерно в этом отношении поведение гейзера Щель, который внезапно полностью прекращает фонтанирование и после этого совершенно не парит. Так же заливается охлажденной водой извержение периодически действующих пульсирующих источников - Сахарного, Двойного.

Если охлажденной воды поступает в гейзер мало, она медленно понижает температуру в канале гейзера. Перегретая вода в сильно нагретом гейзерном канале смешивается с небольшими порциями охлажденной воды и все же продолжает некоторое время кипеть внутри канала гейзера, не достигая поверхности земли. В таком случае гейзер после фонтанирования продолжает извергать клубы пара, более или менее обильные в зависимости от количества воды на глубине и интенсивности ее кипения. Эта стадия называется нами стадией паровыделения или глубинного кипения.

Постепенно кипение становится все менее интенсивным и, наконец, прекращается. Стадия выделения пара наблюдается не у всех гейзеров, но у большинства она присутствует - у Первенца, Тройного, гейзера у подножья водопада, у Большой и Малой Печек, у Фонтана, Великана, Жемчужного. Особенно эффектна и продолжительна она у гейзера Малого.

Основные стадии действия камчатских гейзеров представлены на рис. 3.

Происхождение воды, прекращающей кипение в аппарате гейзера, представляется нам следующим образом.

В то время, когда горячая вода наполняет гейзерный канал, она находится там под давлением и проникает по трещинам в окружающие породы. В зависимости от водопроницаемости этих пород и гидростатического напора вода более или менее их насыщает. В этих поверхностных слоях вода несколько остывает, оставаясь все же горячей, но уже не достигая температуры кипения.

Когда после извержения грифон опустошается, и давление в нем падает, эта же самая вода, не встречая сопротивления, устремляется обратно в канал гейзера, прекращая своим поступлением кипение и создавая, таким образом, периодичность в действии гейзера. То обстоятельство, что здесь идет речь о той же самой, только охлажденной воде, подтверждается однотипностью химического состава воды во время извержения и в период излияния.

Однако в канал некоторых гейзеров, возможно, имеет доступ и обычная грунтовая вода, так как минерализация воды таких гейзеров в период между извержениями ниже. В гейзер Первенец, лежащий у самой реки, возможно, поступает речная вода.

Если бы в канал гейзера не поступала охлажденная вода, в гейзере после извержения продолжалось бы подземное кипение перегретой воды, которое превратило бы гейзер в выход пара.

Нам кажется такое объяснение действия гейзеров более правильным. Для их образования не требуются столь маловероятные в природе сочетания условий, какие оказывались необходимыми при ранее принятых гипотезах.

Река Гейзерная с ее необыкновенными источниками, несомненно, еще будет изучаться и более детально и более углубленно.

Указанные выше соображения и выводы, которые здесь приводятся, в известной мере являются предварительными, и будущие исследования, безусловно, внесут в них дополнения и уточнения.

Режим гейзеров неразрывно связан с геологическими и гидрогеологическими условиями района. Будущие изменения в режиме гейзеров, исчезновение описанных нами и возникновение новых дадут ключ к объяснению многих сложных физико-географических процессов, идущих в активной вулканической области.

Особое внимание гейзеры привлекают в связи с проблемой энергетического использования термальных ресурсов. Наш Дальний Восток в отношении запасов подземного тепла обладает колоссальными возможностями, и среди них долина р. Гейзерной занимает не последнее место.

Гейзеры и вулканы Геотермальная энергия. Геотермальная энергия использует высокие температуры, обнаруживаемые глубоко в недрах земной коры, для предоставления тепловой энергии, в некоторых местах в мире, особенно на краю тектонических плит, теплота естественно выходит на поверхность в форме горячих источников, гейзеров и, что особенно зрелищно, вулканов, в других областях водные пласты протекают сквозь горячие подземные камни, и это тепло можно забрать через системы теплообмена. Исландия является великолепным примером использования геотермальной энергии. В этой очень холодной стране большинство домов получает тепло из геотермальных источников.

Горячие сухие камни. Перехват геотермальной энергии глубоко под землей является труднопреодолимой технической задачей, и пока что экономическая сторона этого дела показала свою крайнюю дороговизну. Технология заключается в бурении двух параллельных скважин в горячие подземные камни. Глубина этих скважин составляет тысячи метров. Затем используются управляемые взрывы для раздробления материала между двумя скважинами, чтобы создать теплообменник. Через одну скважину закачивается холодная вода, которая нагревается горячими слоями и поднимается на поверхность.

Анализ информации о вулканах показал, что ее целесообразно привести непосредственно в описании методической разработки урока.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Технологическая карта проведения урока

Тема урока	Вулканы и гейзеры
Планируемые результаты	Учащиеся получают знания о грозных явлениях природы на примере извержения вулканов.
Личностная значимость изучаемого для школьника	В Русском музее на картине К. П. Брюллова «Последний день Помпеи» изображено извержение вулкана Везувий (79 г.). Какие еще извержения вулканов с катастрофическими последствиями вы знаете?
План урока	Актуализация знаний учащихся (вопросы из учебника). Вулкан, его строение, причины извержения. Разнообразие вулканов: конические, щитовые. Зоны активной вулканической деятельности. Последствия извержения вулканов. Закрепление изученного материала (вопросы из учебника).
Методы обучения	Проблемный. Например: Если извержения вулканов так опасны, почему люди селятся на их склонах?
Формы организации учебной деятельности	Комбинированный урок или урок-путешествие «От вулкана к вулкану».
Приемы деятельности учителя	Эвристическая беседа, организация работы с текстом, вопросами и рисунками учебника, закрепление изученного материала.
Познавательные задания	Посмотрите на репродукцию (слайд) картины К. П. Брюллова «Последний день Помпеи». Что вы знаете об этом событии? Какие чувства вызывает у вас картина и почему? Что хотел сказать художник?
	Какое строение имеет вулкан? Рассмотрите схему строения вулкана в учебнике. Что происходит при извержении вулкана? Где располагается зона активной вулканической деятельности?
	Каковы последствия извержения вулканов? Почему люди часто селятся по склонам вулканов, ведь это может быть опасно?
	Что такое гейзеры? Где находятся скопления гейзеров? Чем они отличаются от вулканов? Как их использует человек?
Организация деятельности учащихся	Основываясь на впечатлении от художественного произведения, делают вывод об извержении вулкана как опасном природном явлении; пользуясь учебником, рассматривают схему строения вулкана, обсуждают последствия извержений, сравнивают вулканы и гейзеры.
Развитие умений учащихся	Эмоционально откликаться на события, работать с текстом и рисунками учебника, с географической картой, обсуждать социальные проблемы повседневной жизни, решать проблему урока.
Основные понятия и термины урока	Вулкан, вулканический кратер, жерло, очаг магмы, лава, конический и щитовой вулканы, вулканическая бомба, гейзер.
Источники информации	Основные: учебник; картина К. Брюллова «Последний день Помпеи», репродукция; видеофильм или диафильм об извержении вулкана, физическая карта мира.
Домашнее задание	Выучить по учебнику (учебники Тарасова; Плешакова и Сонина). Сделать из пластилина модель вулкана, принести контурную карту.
Оценки за урок	4-5 оценок за познавательные задания.

Конспект урока

Тема урока: «Вулканы, горячие источники и гейзеры» (6 класс)

Оборудование: К/ф «Вулканы»; физическая карта мира; контурные карты; картины: «Вулкан», «Помпея»; Кроссворд «Вулкан»; красные и синие флажки; дидактические карточки.

Задачи:

1. Формирование представлений и знаний об особенностях вулканов, гейзеров и горячих источников.

2. Продолжить расширение и углубление знаний о явлениях природы.

3. Познакомить учащихся с новыми терминами и понятиями.

4. Продолжить формирование умения работать с различными источниками географической информации.

План изучения материала:

1. Что такое вулкан.

2. Внутреннее строение вулкана.

3. Действующие и потухающие вулканы.

4. Какой вред приносят вулканы, а какую пользу?

5. Горячие источники и гейзеры.

6. Использование их человеком.

7. Новые понятия: вулканы, магма, лава, очаг магмы, жерло вулкана, кратер вулкана, горячие источники, гейзеры.

Ход урока:

I. Учащиеся разбиты на 3 группы. Каждая группа получает задания.

Задания для I группы.

1. Что такое вулкан?

2. Как образуются вулканы?

3. Какой вред приносят вулканы, а какую пользу?

II. Подпишите на контурной карте действующие вулканы (обозначив красным карандашом), показать на карте.

Заполните таблицу (показать на карте)

№№	Географические координаты	Название вулкана	Материк
1	37° с. ш. 15° в.д.
2	7° ю. ш. 105° в.д.
3	77° ю. ш. 167° в.д.
4	19° с. ш. 98° з.д.
5	35° с. ш. 139° в.д.
6	56° с. ш. 161° в.д.

Дать определения

Жерло вулкана ....

Гейзеры ....

Лава ....

Контроль знаний

Фамилия учащихся	Ответы на вопросы	Заполнение контурной карты	Заполнение таблицы	Показ объектов на карте	Определения	Дополнительный ответ

Задание для II группы

Вопросы и задания

1. Расскажите о действующих и потухших вулканах.

2. Для чего изучают вулканы?

3. Можно ли предотвратить действие вулкана, а как предсказать?

4. Подпишите на контурной карте потухшие вулканы.

Дать определения

Магма ....

Кратер вулкана (показать на схеме «Вулкан»)....

Сейсмограф....

Контроль знаний

Фамилия учащихся	Ответы на вопросы	Заполнение контурной карты	Заполнение таблицы	Показ объектов на карте	Определения	Дополнительный ответ

Задание для III группы

I. Вопросы и задания

1. Что такое гейзеры и горячие источники? Как они используются человеком?

2. На контурную карту нанесите районы гейзеров и горячих источников.

3. Какие продукты извергает вулкан?

Дать определения.

Вулкан...

Очаг магмы...

Минеральные источники...

Заполните таблицу

№ №	Название вулкана	В какой части света находится	Абсолютная высота	Действующий или потухший
1.	Ключевская Сопка
2.	Везувий
3.	Этна
4.	Эльбрус
5.	Килиманджаро

Показать вулканы на карте

Контроль знаний

Фамилия учащихся	Ответы на вопросы	Заполнение контурной карты	Заполнение таблицы	Показ объектов на карте	определения	Дополнительный ответ

Тесты

1. На полуострове Камчатка расположен самый высокий действующий вулкан России

a) Ключевская Сопка (+)

б) Кроноцкая Сопка

в) Шивелуч

2. Гейзером называют источник, периодически выбрасывающий из земных недр

a) Лаву

б) Газы и пепел

в) Горячую воду и пар (+)

г) Грязевый поток

3. Высота Эльбруса - самой высокой вершины России - составляет

a) 4750 км

б) 4807 км

в) 5642 км (+)

г) 5895 км

4. вулканы, горячие источники, гейзеры объединяет

a) Горячая вода

б) Излившаяся магма

в) Образование горных пород

г) Вулканизм (+)

5. Причиной извержения вулканов является

a) Образование магмы

б) Распад радиоактивных веществ

в) Образование трещин в литосфере

6. Расплавленная масса в недрах Земли называется

а) Плазмой

б) Лавой

в) Магмой (+)

г) Пеной

План урока написан на доске

К/фрагмент «Вулканы»

Сообщения учащихся о вулканах и гейзерах.

1. О вулканах. Гибель Помпеи

В Русском музеи Санкт-Петербурга находится картина выдающегося живописца Карла Брюллова «Последний день Помпеи».

Она настолько выразительно передает ужас неотвратимо надвигающейся беды, что перед ней всегда стоит толпа. Зрители молча созерцают «конец света», наступивший для жителей города, который находится у подножия вулкана Везувий на берегу Неаполитанского залива южной Италии.