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

В начале нашей эры земли Апеннинского полуострова были уже плотно заселены. На склонах горы, о вулканическом происхождении которой люди вряд ли подозревали, возникли богатые города - Помпеи, Геркуланум. За 16 лет до катастрофы, 5 февраля 63 г. н. э. в этих местах произошло сильное землетрясение. В городах многие здания были разрушены. Историки сообщают, что в момент первых толчков римский император Нерон пел в Неаполитанском театре. Несмотря на раскачивающуюся сцену, император пения не прекратил. Можно позавидовать такому самообладанию. В последующие годы землетрясения участились. Все к ним привыкли, не подозревая, что они являются грозным предвестником катастрофы - это магма толчками продвигалась к поверхности, готовя себе путь для прорыва.

И вот днем 24 августа 79 г. она нашла выход. Над вершиной Везувия возник гигантский клубящийся столб белого цвета, быстро поднявшийся на высоту 10 км. Из него начал падать пепел, и этот пеплопад усиливался с каждым часом.

Сначала пепел был мелким, но постепенно размеры обломков становились все больше и достигли несколько сантиметров в диаметре.

Это была пемза - легкая, пористая вулканическая порода. «Дождь» из пепла, обломков пемзы был настолько плотным, что днем наступил полный мрак, в котором непрерывно сверкали зигзагами молнии, что и изобразил К. Брюллов. Города оказались погребенными под 4-х метровым слоем пемзы, вулканического песка и пепла, десятки тысяч людей погибли...

Шли годы, и на поверхности уплотнившегося пепла и остывшей лавы образовалась плодородная почва, разрослась пышная растительность, возникли новые города.

Люди и не знали, что под ними находятся погребенные города и села.

Около 100 лет назад один крестьянин, живший недалеко от Везувия, на дне вырытой ямы нашел голову мраморной статуи.

Люди заинтересовались, как она могла попасть в землю? Стали рыть глубже. Нашли посуду, различные инструменты, домашнюю утварь.

Нельзя было оторвать глаз от монументальных храмов, дворцов, памятников, вылитых из бронзы статуй. Огромный драматический театр, где ставились сцены из произведений Аристофана, Софокла.

На улицах сохранились питьевые колонки, принцип работы которых точь-в-точь как у современной водопроводной системы. В жаркие дни перед ними то и дело останавливались прохожие, чтобы утолить жажду, и на каменной отделке образовались углубления от локтей.

Амфитеатр - огромное сооружение из камня в виде чаши, внешне по своей форме напоминает московские Лужники. В праздничные дни сюда стекалось до 20 тыс. горожан - любителей посмотреть бой гладиаторов.

2. О вулканах. Важные открытия. Ио.

В 1610 г. Г. Галилей открыл Ио.

Ио

Диаметр: …………………………………3630 км.

Расстояние от спутника до планеты:…..422000 км.

Период обращения:………………1 сутки 18 часов

Это самый близкий к Юпитеру спутник, он удален от центра планеты на 422 тыс. км, т. е. чуть дальше, чем Луна от Земли. Благодаря огромной массе Юпитера период обращения Ио гораздо короче лунного месяца и составляет всего 42,5 ч. Для наблюдателя в телескоп это самый непоседливый спутник: практически каждый день Ио видна на новом месте, перебегая с одной стороны Юпитера на другую.

По массе и радиусу (1815 км) Ио похожа на Луну. Самая сенсационная особенность Ио заключается в том, что она вулканически активна! На ее желто-оранжевой поверхности "Вояджеры" обнаружили 12 действующих вулканов, извергающих султаны высотой до 300 км. Основной выбрасываемый газ - диоксид серы, замерзающий потом на поверхности в виде твердого белого вещества. Доминирующим оранжевым цветом спутник обязан соединениям серы. Вулканически активные области Ио нагреты до 300°С.

Постоянно над планетой поднимается фонтан газа высотой 300 км. Мощный подземный гул сотрясает почву, из жерла вулкана с огромной скоростью (до 1 км/с) вылетают вместе с газом камни и после свободного безатмосферного падения с огромной высоты врезаются в поверхность во многих сотнях километров от вулкана. Из некоторых вулканических кальдер (так называются котлообразные впадины, образовавшиеся вследствие провала вершины вулкана) выплёскивается расплавленная черная сера и растекается горячими реками. На фотографиях "Вояджеров" видны черные озера и даже целые моря расплавленной серы.

Крупнейшее лавовое море возле вулкана Локи имеет размер 20 км в поперечнике. В центре его расположен потрескавшийся оранжевый остров из твёрдой серы. Черные моря Ио колышутся в оранжевых берегах, а в небе над ними нависает громада Юпитера…

Существование таких пейзажей вдохновило много художников. Вулканическая активность Ио обусловлена гравитационным влиянием на нее других тел системы Юпитера. Прежде всего, сама гигантская планета своим мощным тяготением создала два приливных горба на поверхности спутника, которые затормозили вращение Ио, так что она всегда обращена к Юпитеру одной стороной - как Луна к Земле. Орбита Ио не является точным кругом, горбы слегка перемещаются по её поверхности, что приводит к разогреванию внутренних слоев планеты. В еще большей степени этот эффект вызывается приливными воздействиями других массивных спутников Юпитера, в первую очередь ближайшего к Ио - Европы. Постоянное разогревание недр привело к тому, что Ио является самым вулканически активным телом Солнечной системы.

В отличие от земных вулканов, у которых мощные извержения эпизодичны, вулканы на Ио работают практически не переставая, хотя активность их может меняться; вулканы и гейзеры выбрасывают часть вещества даже в космос. Поэтому вдоль орбиты Ио тянется плазменный шлейф из ионизированных атомов кислорода и серы и нейтральных облаков атомарных натрия и калия.

Ударные кратеры на Ио отсутствуют из-за интенсивной вулканической переработки поверхности. На ней есть каменные массивы высотой до 9 км. Плотность Ио довольно высока - 3000 кг/м3. Под частично расплавленной оболочкой из силикатов в центре спутника расположено ядро с большим содержанием железа и его соединений.

3. О гейзерах.

Долины смерти.

В 30-х годах XX века группа колхозников перегоняла стадо от Братска до Ковы, что неподалеку от Ангары. При очередной проверке недосчитались двух коров. Двое из бригады погонщиков, зарядив ружья, отправились на поиски животных. Через некоторое время стал слышен тревожный лай убежавших вперед собак. Двинувшись в том направлении, погонщики вышли на чистую круглую поляну, совершенно лишенную растительности, диаметром около ста метров. Собаки, уже выбежавшие на черную землю, испуганно поджав хвосты, повернули назад. На расстоянии 15-20 метров от последних деревьев на голой, будто выжженной земле лежали трупы пропавших животных, а чуть дальше -несколько мертвых птиц.

Старший погонщик, опытный охотник, резко остановился. «Стой, дальше нельзя. Это - «Чертово кладбище». Ступишь на голую землю - смерть».

Поляна действительно навевала ужас: на голой земле, кроме околевших коров, виднелись тушки таежных животных, а то и просто груды костей. А нависшие над поляной ветви деревьев были обуглены, как от близкого пожара Собаки же, побывавшие на поляне всего минуту, перестали есть, сделались вялыми и вскоре подохли

Охотник рассказал, что на поляне часто гибнут забредающие туда при перегоне домашние животные Их трупы вытаскивают крюками на веревках. Мясо же у погибших коров неестественно алого цвета, и есть его нельзя. Старожилы называют это место «поляной смерти», «чертовым кладбищем» и давно собираются огородить его прочным забором, да как-то не то руки не доходят, не то люди боятся долго там находиться. Со дня опубликования этой истории в 1983 году в журнале «Техника - молодежи» десятки, если не сотни самодеятельных экспедиций с разных концов страны отправились на поиски «чертова кладбища», принеся ему лишь новые жертвы. По подсчетам дальневосточных исследователей аномальных явлений, которые сами искали эту поляну, за прошедшие годы во время ее поисков погибли, по меньшей мере, несколько десятков человек, в том числе и целые группы. Но не на поляне, а в непривычных для неподготовленных горожан суровых условиях сибирской тайги. Многих это место привлекало и потому, что в 400 километрах к северу находится эпицентр тунгусского взрыва.

В тех же местах, в якутской тайге, недалеко от Вилюйска есть еще одно аналогичное место «озеро смерти» Кахынайдаах. Над его темными водами нависли мрачные отвесные скалы. По берегам громоздятся поваленные деревья, кучи угольного шлака и обожженной глины. У предков нынешних якутов это озеро имело недобрую славу. На его берегах часто находили мертвых оленей, собак и других зверей, да и кое-кто из охотников, зашедших туда, лег костьми. По местной легенде, однажды пришел рыбак на это озеро и закинул сети. Но прогневались злые духи, вспенилась и закипела черная вода, раздался адский грохот, и к небу взметнулись языки голубого огня. Рыбак испугался и убежал, а когда все затихло, вернулся, вытащил невод, а он полон вареной рыбы. Уже в наше время геологи, работавшие в этом месте, установили, что озеро возникло на месте гигантского подземного пожара. Несколько тысяч лет назад на глубине 50 метров самовоспламенились залежи каменного угля, уголь выгорал, почва оседала, а образовавшийся котлован заполняли грунтовые воды. В пустотах под озером накапливался газ, в основном окись углерода, или угарный газ. Когда к этому подземному газохранилищу подобралось пламя подземного пожара, газ загорелся, и образовавшиеся пары воды вызвали гигантские взрывы. Взрывная волна валила деревья, выбрасывала со дна спекшуюся глину, и долго бесновался «злой подземный дух» над озером, выбрасывая столбы огня и пара.

Выделяющийся же по трещинам угарный газ скапливался в котловине озера, окруженного скалами, и убивал все живое, туда попадавшее.

Еще одна «долина смерти» находится на Камчатке, в опасном соседстве с известными геологическими и туристическими объектами Кроноцкого заповедника - Долиной гейзеров и кальдерой вулкана Узон. Участок, где находят погибших животных, находится в верховьях реки Гейзерной у подножия вулкана Кихпиныч и занимает около двух километров в длину и 200-300 метров в ширину. Растительности там почти нет, склоны долины покрыты многолетними снежниками.

Ранее от исследования камчатской «долины смерти» ученые отмахивались: ну, что там особенного? Рядом вулканы и гейзеры, скорее всего, животные и птицы отравились газами - углекислым и сероводородом, тем более что в долине отмечаются выходы самородной серы. Однако большинство погибших животных и птиц было найдено в районе небольшой впадины (50 на 100 метров), из которой есть свободный выход по руслу притока в долину реки Гейзерной. Как объяснить гибель крупных зверей - медведей и росомах - в местах, из которых они свободно могли уйти? К тому же и углекислый газ, и сероводород действуют медленно и только в высокой концентрации. Более того, отмечались случаи, когда медведи, съев мясо погибших в «долине смерти» животных, тут же погибали и сами. Сотрудники Института вулканологии провели исследование газовых выделений в «долине смерти» и обнаружили летучие соединения, содержащие цианистый водород и хлористый циан! Это очень токсичные и быстродействующие вещества, вызывающие паралич дыхательного центра и смерть. По-видимому, тот же фактор действует и в районе «чертова кладбища» на Кове.

4. О механизме извержения гейзеров

Извергающие кипяток гейзеры -- не только одно из впечатляющих природных явлений, но и слабо пока используемая естественная лаборатория для сейсмологов и вулканологов. На примере одного из самых знаменитых гейзеров мира - Старого Служаки, находящегося в Йеллоустонском национальном парке, штат Вайоминг, - механизм их извержения изучали американские ученые Сейсмологической лаборатории при Калифорнийском технологическом институте, Пасадена, США.

На протяжении многих десятилетий поведение этого гейзера наблюдает и регистрирует коллектив сотрудников Национального парка, используя не только обычные сейсмометры, термометры, определители давления, оборудование для взятия проб, но и новейшие цифровые сейсмометры, установленные вокруг гейзера, а также опускаемую в него телекамеру и акустические датчики, размещенные в водном столбе под поверхностью.

Гейзер извергается примерно каждый час. При этом систематическим образом изменяется характер вибрации почвы: сразу за очередным выбросом следует период спокойствия, затем колебания в течение приблизительно 10 мин. нарастают и, достигнув максимума, остаются на одном уровне до следующего извержения. Усиление вибраций идет не монотонно, а с вариациями, которые от цикла к циклу повторяются. Весь этот процесс ученые сумели воспроизвести на несложной модели.

Сейсмограммы показывают, что вибрации разрешаются дискретными взрывами, продолжающимися по 5 с каждый. Акустические показатели внутри гейзера говорят о том, что эти события начинаются немного раньше, чем поступает соответствующий сейсмический сигнал, в верхней части водной колонны, где они менее длительны (около 0,1 с). Большинство таких событий состоит из 2-3 пульсаций давления, которые хорошо согласуются с теорией возникновения звука при колебаниях газовых пузырьков радиусом около 5 см. По-видимому, подобные пузырьки формируются на глубине, затем поднимаются в более холодные слои (где пары находятся в нестабильном состоянии) и там лопаются.

К удивлению специалистов, в самой водной колонне не обнаружено свидетельств акустического резонанса, который обычно приводит к усилению первоначального звука, так как его эхо многократно отражается от стенок водяной колонки. Именно это играет ведущую роль в большинстве моделей, описывающих вулканические толчки.

При анализе акустики извержений в большинстве случаев проблема нелинейного возбуждения звука игнорируется; изучается лишь явление линейного резонанса в магматическом теле. При создании моделей резонанса существенная трудность - требование достаточно высоких контрастов акустического импеданса между жидкостями и твердым материалом стенки, что позволило бы акустической волне эффективно отражаться и возбуждать заметный резонанс. Его возникновение обычно связывают с наличием многочисленных пузырьков, что в большой степени снижает скорость акустической волны в жидкости, увеличивая контраст импеданса.

Еще большую роль акустический резонанс должен играть в гейзерах, где флюидом является вода, а не расплавленная порода, и обильные пузырьки обнаруживают себя как зрительно (на экране телевизора), так и на слух. Именно отсутствие различимого резонанса в случае Старого Служаки и вызывало сомнения в его важной роли при возбуждении вулканических сотрясений. Словом, главным источником звуков и сотрясений, происходящих в гейзере и вокруг него, служат пузырьки, подобные тем, которые заставляют «петь» закипающий чайник.

Однако сейсмовулканологи обращали внимание не только на гейзеры. Установленные ими цифровые сейсмометры в последние годы работают и на ряде вулканов. Так, на вулканах Семеру (Западная Ява, Индонезия) и Ареналь (Коста-Рика), где ранее исследователи выявили поразительную регулярность как в форме волн, так и в их спектрах, недавно получены записи, которые убедительно показывают наличие эффекта удвоения периодов, что обычно ведет к хаосу в динамике нелинейных осцилляторов.

Все, вместе взятое, указывает, что методика нелинейных исследований, развившаяся в последние два десятилетия, может плодотворно быть применена в изучении вулканических и сейсмических явлений. [Nature. 1998. V.396. №6709. P.311 (Великобритания)].

Итог урока по работе каждой группы (отметить особо выделившихся в группе). Отметить положительные стороны в работе учащихся групп и над чем нужно еще работать.

Литература

1. Милановский Е.Е. Орогенный вулканизм и тектоника альпийского пояса Евразии. - М. Недра, 1973. -312с.

2. Соболев В.С. Строение верхней мантии и способы образования магмы. «Чтения им. В.И. Вернадского» 13 - М. «Наука», 1970 - 208с..

3. Иванов В.В. Оновные стадии гидротермальной деятельности вулканов Камчатки и Курильских островов. //Геохимия, 1958г. №5.с.54

4. 4.Справочник гидрогеолога т.1 Термальные подземные воды. - Л.: «Недра» 1967г. - 197 с.

5. Апродов В.А. Вулканы. - М.: Мысль, 1982- 142с..

6. Лебединский В.И. Вулканы и человек. - М., «Недра» 1967- 138с..

7. Макдоналд Г. «Вулканы» - М., «Мир», 1975 - 218с.

8. Меняйлов А.А. Вулканы. - М., «Знание», 1965- 310с..

9. Тазиев Г. Кратеры в огне;… - М., «Мысль», 1976 -120с.

10. Устинова Т.И. Камчатские гейзеры. - М., Географизм, 1955 - 102с.

11. Стафеев К.Г. Жизнь вулкана. - М.: Просвещение, 1982г - 95с.

12. Сонин Н.И., Плешаков А.А. Природоведение - М., Дрофа, 2003г. -182 с.

13. Малахов А. Занимательно о геологии. М.% Молодая гвардия, 1969. - 238 с.

14. Бенькович Т.М., Бенькович Д.Л.Опорные конспекты по географии. М.: Просвещение . 1995- 173с.

15. Ершов В.В., Новиков А.А., Попова Г.В. Основы геологии. - М.:Недра -1986.- 310 с.

16. Аллисон А., Палмер Д. Геология. - М.:Мир, 1984. -370с.

17. Жарков Н.М. Внутренне строение Земли и планет. М.: Наука , 1983- 215с.

18. Иванова М.Ф. Общая геология с основами исторической геологии.- М.:Высшая школа , 1980.-310с.

19. Косыгин Ю.А. Тектоника М.:Недра, 1983-295 с.

20. Смирнова М.М.. Основы геологии СССР. М.% Высшая школа , 1984- 312с.

21. Шикихачева С.Г. Экспериментальная работа по апробации экологизации предмета окружающий мир. Развитие детей в гармонии с природой, 2001

22. Тарасов Л.В. Школа «Экология и диалектика» на пороге XXI столетия. Абакан: Издательство Хакасского государственного университета им.Н.Ф.Катанова, 1999 г. - 160 с.

23. Тарасов Л.В. Окружающий мир-6. Природа Земли: прошлое, настоящее, будущее. Такая беспокойная планета. Ч. 6-1.М.: Новая волна, 2000. 352 с.

24. Тарасов Л.В Новая общеобразовательная модель «Экология и диалектика» // Школьные технологии. - 1997, №1. - С. 55-70)