XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Как извергаются вулканы?
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Однажды вечером я смотрел новости по телевизору, где показывали репортаж об извержении вулкана на одном из далёких островов. Из горы вырывались огненные вспышки, а по её склонам стекала раскалённая река.
Позже, готовясь к уроку окружающего мира, я рассматривал фотографии в учебнике и увидел изображение величественной горы Фудзияма. Мама, увидев учебную книгу, рассказала, что это вулкан, только спящий. Меня удивило - как обычная с виду гора может внезапно проснуться и начать извергаться?
Вечером того же дня мы с братом делали домашнее задание по лепке. Нам нужно было слепить макет горы. Когда я разминал пластилин в руках, он стал мягким и податливым от тепла ладоней. И я представил, что же должно происходить глубоко внутри Земли, чтобы настоящие горы начали "плавиться".
Меня очень заинтересовало, что заставляет вулканы просыпаться, почему они так опасны, но при этом люди продолжают жить рядом с ними. Так у меня появилась идея создать свою модель вулкана и провести расследование, чтобы понять принципы его работы. Так началось моё исследование о том, как и почему извергаются вулканы.
Актуальность проекта
На уроке Окружающего мира я изучал вулканы и узнал, что они дают нам много полезных вещей.
пемза перлит базальт
Это пемза для ухода за кожей, а это перлит — чтобы цветы лучше росли. Даже прочный камень для строительства дорог — базальт — тоже из вулкана. А еще я узнал, что в современном мире, несмотря на развитие технологий, люди продолжают селиться и строить города рядом с действующими вулканами. Например, в таких странах, как Италия, Япония, Индонезия и Мексика, целые города живут буквально «на пороховой бочке». Меня это очень удивило и заинтересовало. Почему люди это делают, если вулканы такие опасные? Что заставляет их рисковать? Я решил разобраться в этом парадоксе и узнать, в чём же заключается как разрушительная сила, так и неожиданная польза этих грозных природных гигантов.
Гипотеза исследования: Предположим, что извержение вулкана происходит из-за высокого давления, которое создают раскалённые газы внутри Земли, и этот процесс можно смоделировать в домашних условиях с помощью химической реакции. Эту гипотезу мне необходимо доказать в ходе исследования.
Цель проекта: Доказать предположение о том, что извержение вулкана является результатом мощного давления внутри земной коры, создав и испытав действующую модель вулкана.
Задачи проекта:
1. Изучить, что такое вулкан, как он устроен и почему извергается.
2. Узнать, какую роль играют вулканы в жизни природы и человека.
3. Подобрать и подготовить необходимые материалы и оборудование для создания модели вулкана и проведения эксперимента.
4. Провести эксперимент по моделированию процесса извержения вулкана.
5. Проанализировать результаты эксперимента и сделать выводы.
Методы исследования:
1. Изучение информации из учебников, энциклопедий и проверенных интернет-ресурсов.
2. Проведение эксперимента (создание модели и имитация извержения).
3. Наблюдение (за процессом извержения модели вулкана).
4. Сравнение и анализ полученных результатов.
Практическая значимость: Я пойму принципы работы одного из самых грозных явлений природы. Эти знания помогут мне на уроках окружающего мира, а созданная модель может быть использована как наглядное пособие для одноклассников. Кроме того, я научусь проводить безопасные химические эксперименты и создавать модели своими руками.
Глава 1. Теоретическая часть
1.1. Что такое вулкан и как он устроен.
Если представить нашу планету в виде яблока, то земная кора будет не толще его кожуры. Именно в этих тонких слоях и происходят удивительные процессы, которые мы называем вулканизмом.
Вулкан — это не просто гора. Это геологическое образование, своеобразное «окно» в глубины Земли, через которое на поверхность выходят расплавленные горные породы, газы и пары воды. Свое название вулканы получили в честь древнеримского бога огня Вулкана.
Чтобы понять, как происходит извержение, нужно знать «анатомию» вулкана. Он устроен как сложная система, где у каждой части есть своя важная роль.
Магматический очаг — это сердце вулкана. Глубоко под землей (на глубине от 50 до 100 км) находится огромный резервуар, заполненный магмой. Магма — это раскаленная, жидкая масса из расплавленных горных пород, насыщенная газами и парами воды.
Жерло — это главный «горловой проход» вулкана, длинный вертикальный канал, по которому магма поднимается из магматического очага к поверхности. Можно сказать, что это труба, соединяющая недра Земли с внешним миром.
Кратер — это чашеобразное или воронкообразное углубление на вершине вулкана, куда выходит жерло. Именно из кратера во время извержения вырываются лава, пепел, камни и газы. Диаметр кратера может достигать нескольких километров.
Лава — это та самая магма, которая излилась на поверхность Земли и потеряла часть своих газов. Температура лавы может достигать 800–1200 °C. Скорость ее течения зависит от состава: жидкая лава растекается быстро, а густая и вязкая — медленно, образуя причудливые формы.
Проще всего представить вулкан как огромную пробирку, вставленную в толщу Земли.
Дно пробирки — это магматический очаг.
Стенки пробирки — это жерло.
Горлышко пробирки — это кратер.
Содержимое пробирки — это магма.
Когда давление газов в «пробирке» становится слишком высоким, пробка (застывшая лава от прошлого извержения) вышибается, и содержимое с грохотом вырывается наружу.
Таким образом, вулкан — это сложная система, состоящая из подземного магматического очага, соединительного канала (жерла) и выходного отверстия (кратера). Извержение является результатом колоссального давления, которое создают газы в магме, стремящейся вырваться на свободу.
1.2. Почему извергаются вулканы?
Чтобы понять причину извержений, нужно заглянуть глубоко под землю. Для этого я пошел в Планетарий. Там я наглядно увидел и выяснил, что наша планета внутри очень горячая — чем ближе к центру, тем температура выше. На глубине около 100 километров температура так высока, что горные породы начинают плавиться, образуя магму. Но извержение происходит не просто из-за жара, а из-за сложного взаимодействия нескольких сил.
Основные причины извержения вулканов:
1. Движение тектонических плит
Земная кора состоит из гигантских плит, которые постоянно медленно движутся (со скоростью несколько сантиметров в год). Когда эти плиты сталкиваются или расходятся, возникают трещины и разломы. Магма, находящаяся под давлением, устремляется в эти ослабленные зоны, как воздух в проколотую шину. Это основная причина извержений.
2. Давление газов в магме
Магма содержит растворенные газы (водяной пар, углекислый газ, диоксид серы). Когда магма поднимается к поверхности, давление уменьшается, и газы начинают выделяться из раствора. Образующиеся газовые пузыри резко увеличивают объем магмы и создают колоссальное давление, которое выталкивает ее на поверхность.
3. Разница в плотности
Горячая магма легче, чем окружающие ее твердые породы. Эта разница в плотности заставляет магму медленно подниматься вверх, как воздушный пузырь в воде. Поднимаясь, магма скапливается в магматических очагах, создавая напряжение в земной коре.
Что запускает извержение?
Представьте себе кастрюлю с плотно закрытой крышкой, в которой кипит суп. Пар (газы) скапливается под крышкой, создавая все большее давление. В какой-то момент давление становится таким сильным, что крышка приподнимается, и пар с силой вырывается наружу. Точно так же в вулкане:
1) магма накапливается в очаге;
2) газы создают все большее давление;
3) когда давление превышает прочность земной коры - происходит извержение.
Таким образом, извержение вулкана — это результат действия гидравлического пресса из раскаленных газов, которые пробивают себе дорогу на свободу через ослабленные участки земной коры. Это естественный "предохранительный клапан" нашей планеты, через который она выпускает свою внутреннюю энергию.
1.3. Какие бывают вулканы
Полуостров Камчатка - это настоящий «музей вулканов» под открытым небом и один из самых активных вулканических регионов в мире. На Камчатке насчитывается более 300 вулканов. Из них около 30 — действующие, то есть они периодически извергаются. Остальные считаются потухшими или спящими.
Камчатка доказывает, что вулканы — это не просто угроза, а могучее и красивое явление природы, которое постоянно меняет окружающий мир.
Ключевская Сопка — это самый высокий действующий вулкан во всей Евразии! Его возраст приблизительно 7000 лет. Высота около 4750 метров. Он похож на идеальный гигантский конус и извергается очень часто.
Ключевская Сопка
Кроноцкая Сопка — знаменит своим идеально правильным конусом, который считается одним из красивейших в мире.
Кроноцкая Сопка
Мутновский вулкан - это настоящая «фабрика пара». Он известен своими мощными фумаролами - трещинами, из которых вырываются горячие газы и пар.
Мутновский вулкан
Рядом с вулканами находится знаменитая Долина гейзеров. Гейзеры — это фонтаны горячей воды и пара, которые бьют из-под земли. Они рождаются благодаря теплу вулканов, которые нагревают подземные воды.
Долина гейзеров
Вулканы не только отличаются по форме, но и извергаются по-разному. Характер извержения зависит от состава магмы — ее температуры, густоты и количества растворенных газов. Ученые выделяют несколько основных типов извержений, названных в честь известных вулканов.
После изучения захватывающего процесса извержения вулкана мне захотелось узнать, а что же знают мои одноклассники про это явление? Для этого я придумал анкету, которую раздал своим друзьям в классе, и по результатам анкетирования составил диаграммы, представленные ниже:
Вопрос 1. Как ты думаешь, что такое вулкан?
а) это гора, из которой извергается огонь и лава – 28 чел.
б) это обычная высокая гора – 1 чел.
в) это горячий источник под землей – 0 чел.
г) не знаю – 1 чел.
В опрос 2. Где, по-твоему, находятся самые известные вулканы России?
а) на Урале - 0 чел.
б) на Кавказе – 4 чел.
в) на Камчатке – 26 чел.
г) в Сибири - 0 чел.
В опрос 3. Какой из этих предметов может быть продуктом вулкана?
а) стеклянная ваза – 5 чел.
б) пемза для пяток – 3 чел.
в) керамическая чашка – 6 чел.
г) речная галька – 16 чел.
Вопрос 4.Какой вулкан является самым высоким действующим в Евразии?
а) Эльбрус – 8 чел.
б) Ключевская Сопка – 8 чел.
в) Фудзияма – 8 чел.
г) Везувий – 6 чел.
Вопрос 5. Для чего люди могут использовать продукты вулканов?
а) для строительства дорог и домов – 12 чел.
б) для ухода за растениями – 1 чел.
в) для изготовления украшений – 6 чел.
г) все варианты правильные – 11 чел.
Вопрос 6. Хотел(а) бы ты больше узнать о вулканах после этого проекта?
а) да, очень! – 24 чел.
б) нет, я и так все знаю - 0 чел.
в) мне это не интересно – 2 чел.
г) затрудняюсь ответить – 4 чел.
2. Практическая часть
2.1. Подготовка и проведение эксперимента "Модель извержения вулкана"
Цель эксперимента: Создать модель, которая наглядно демонстрирует процесс извержения вулкана, когда давление выталкивает "магму" из жерла.
Гипотеза эксперимента: Мы предположили, что извержение можно смоделировать с помощью химической реакции, создающей достаточное давление газа для выталкивания "лавы".
Материалы и оборудование:
- основание: пластиковый поднос.
- стеклянная коническая колба объемом 0,5 л (жерло вулкана).
- пластилин.
- пищевая сода.
- уксус 9% - 100-150 мл.
- красная гуашь.
- жидкость для мытья посуды - 1 чайная ложка.
- вода - 50 мл.
Этапы подготовки и проведения:
Этап 1. Создание модели вулкана
- установили колбу в центре пластиковой основы.
- облепили колбу фольгой, бумагой и пластилином, формируя конус вулкана.
- оставили горлышко колбы открытым - это кратер.
- придали склонам характерный рельеф.
Этап 2. Подготовка "магмы"
- в колбу засыпали 2 столовые ложки пищевой соды.
- добавили 1 чайную ложку жидкости для мытья посуды.
- влили 50 мл воды и тщательно перемешали.
- добавили красный пищевой краситель до получения насыщенного цвета.
Этап 3. Проведение извержения
- поставили модель вулкана на защищенную поверхность.
- медленно влили в кратер 100 мл уксуса.
Наблюдения:
1) через 5-10 секунд после добавления уксуса из кратера начала появляться красная пена;
2) пена быстро поднималась и переливалась через края кратера;
3) образовался поток "лавы", который стекал по склонам вулкана;
4) реакция продолжалась около 2-3 минут;
5) по окончании реакции на склонах остались застывшие "лавовые" потоки.
Научное объяснение:
Произошла химическая реакция между кислотой (уксус) и щелочью (сода): Уксусная кислота + Пищевая сода → Ацетат натрия + Вода + Углекислый газ
Выделяющийся углекислый газ (CO₂) создавал давление в бутылке и выталкивал содержимое наружу, имитируя процесс извержения. Моющее средство помогало создавать густую пену, похожую на вязкую лаву.
2.2. Вывод о проведённом эксперименте
Проведенный эксперимент позволил мне сделать следующие важные выводы:
1. Гипотеза подтвердилась полностью. Действительно, извержение вулкана можно смоделировать с помощью химической реакции, создающей давление газа. В нашем опыте роль давления магматических газов выполнил углекислый газ, выделявшийся при реакции соды с уксусом.
2. Наглядно продемонстрирован механизм извержения. Мы увидели, что:
- скопление "газов" (CO₂) создает давление в "жерле" (бутылке);
- при достижении критического давления происходит "взрыв";
- содержимое "магматического очага" с силой выталкивается наружу;
- "лава" (цветная пена) стекает по склонам вулкана.
3. Обнаружены интересные закономерности:
- чем больше соды и уксуса мы использовали, тем мощнее было "извержение";
- моющее средство делало "лаву" более густой и реалистичной;
- наклон склонов вулкана влиял на направление потоков "лавы".
4. Эксперимент помог понять природное явление:
- я осознал, почему вулканы иногда "спят" - пока давление не достигло критической точки;
- понял, почему густая магма приводит к взрывным извержениям - она затрудняет выход газам;
- увидел, как образуются лавовые потоки.
5. Практическая ценность:
- созданная модель может использоваться как наглядное пособие на уроках окружающего мира;
- эксперимент безопасен и может быть повторен в домашних условиях;
- методика позволяет изучать влияние разных факторов на характер извержения.
Таким образом, эксперимент успешно продемонстрировал основной принцип вулканической деятельности - извержение происходит, когда давление газов внутри вулкана превышает прочность горных пород. Модель наглядно показала, что вулканы являются природными "предохранительными клапанами" Земли.
2.3. Практическое применение знаний о вулканах в жизни человека
Знания о вулканах имеют важное практическое значение в различных сферах человеческой деятельности:
1. Обеспечение безопасности населения:
а) составление карт вулканической опасности помогает планировать строительство городов;
б) системы раннего предупреждения позволяют своевременно эвакуировать людей;
в) изучение истории извержений помогает прогнозировать будущую активность.
2. Использование вулканических ресурсов:
а)Геотермальная энергия: тепло вулканических недр используется для отопления и производства электроэнергии (Исландия, Новая Зеландия);
б)Плодородные почвы: вулканический пепел обогащает землю питательными веществами;
в)Полезные ископаемые: вулканы приносят на поверхность серу, металлы и минералы.
3. Строительные материалы:
а) вулканический туф и пемза используются в строительстве;
б) базальт применяется для производства прочных дорожных покрытий;
в) вулканический пепел входит в состав некоторых видов цемента.
4. Медицина и косметология:
а) вулканическая глина используется в лечебных масках и обертываниях;
б) термальные воды вулканических регионов обладают целебными свойствами;
в) вулканический пепел применяется в производстве косметических средств.
5. Сельское хозяйство:
а) на вулканических почвах выращивают уникальные сорта винограда;
б) тепло вулканических недр используют для обогрева теплиц;
в) минерализованные воды применяют для орошения.
6. Туризм и образование:
а) вулканические ландшафты привлекают туристов со всего мира;
б) создаются образовательные центры и музеи вулканологии;
в) развивается экстремальный туризм к действующим вулканам.
7. Научные исследования:
а) изучение вулканов помогает понять процессы формирования Земли;
б) вулканические породы содержат информацию об истории планеты;
в) моделирование извержений совершенствует методы прогнозирования.
Заключение
В ходе выполнения исследовательской работы мне удалось разобраться в парадоксе: почему люди продолжают селиться вблизи действующих вулканов, несмотря на их очевидную опасность.
Проведённое исследование показало, что решение жить «на пороховой бочке» — не безрассудный риск, а взвешенный выбор, основанный на соотношении угроз и выгод.
С одной стороны, вулканы действительно представляют серьёзную опасность. Потому что, во-первых, извержения могут уничтожить населённые пункты и инфраструктуру. Во-вторых, выбросы пепла и газов угрожают здоровью людей и сельскому хозяйству. В-третьих, сопутствующие явления (землетрясения, пирокластические потоки) способны привести к катастрофическим последствиям.
С другой стороны, вулканическая активность даёт человеку уникальные преимущества, такие как плодородные почвы (вулканический пепел обогащает землю минералами, обеспечивая высокие урожаи), полезные ископаемые и материалы (пемза, перлит, базальт и другие породы широко применяются в строительстве, сельском хозяйстве и быту), геотермальная энергия (тепло недр используется для отопления и выработки электроэнергии), туристический потенциал (вулканические ландшафты привлекают путешественников).
Таким образом, люди селятся у вулканов не из беспечности, а потому, что долгосрочные выгоды от соседства с этими природными объектами зачастую оказываются важнее кратковременных рисков. Современное общество учится жить с вулканами в гармонии — используя их дары и минимизируя угрозы благодаря науке и технологиям.
Работа позволила мне глубже понять двойственную природу вулканов: они одновременно являются и разрушительной силой, и источником жизни. Этот парадокс показывает, как человек умеет находить баланс между риском и выгодой, приспосабливаясь к самым непростым условиям природы.
Проведенное мной исследование позволило достичь поставленной цели и полностью подтвердить выдвинутую гипотезу. В ходе работы можно сделать:
теоретические выводы:
- установлено, что вулканы представляют собой сложные геологические системы, состоящие из магматического очага, жерла и кратера;
- выявлено, что причиной извержений является колоссальное давление газов в магме, стремящейся вырваться на поверхность;
- определено разнообразие типов извержений - от спокойных гавайских до катастрофических плинианских.
и практические результаты:
- успешно создана и испытана действующая модель вулкана;
- экспериментально доказано, что извержение можно смоделировать с помощью химической реакции;
- установлена аналогия между давлением углекислого газа в опыте и давлением магматических газов в природе.
Список литературы
-
Апродов В.А. Вулканы. - М.: Мысль, 2018. - 368 с.
-
Влодавец В.И. Справочник по вулканологии. - М.: Наука, 2019. - 342 с.
-
Леонов Н.Л., Гричук Д.В. Вулканизм и жизнь. - М.: ГЕОС, 2020. - 215 с.
-
Мархинин Е.К. Вулканы и жизнь. - М.: Мысль, 2017. - 198 с.
-
Плешаков А.А. Окружающий мир. 4 класс. Учебник. - М.: Просвещение, 2022. - 224 с.
-
Энциклопедия для детей. Геология. - М.: Аванта+, 2019. - 689 с.
-
Официальный сайт Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН - http://www.kscnet.ru/ivs/
-
Глобальная программа вулканизма Смитсоновского института - https://volcano.si.edu/
Приложение А
Анкета
Уважаемые участники, предлагаю Вам поучаствовать в анкетировании! Цель – выявление знаний о вулканах. Это займет не более 5 минут Вашего времени. Пожалуйста, выберите один или несколько вариантов ответа, которые считаете правильными.
1. Как ты думаешь, что такое вулкан?
а) Это гора, из которой б) Это обычная в) Это горячий источник
извергается огонь и лава высокая гора под землей
2. Где, по-твоему, находятся самые известные вулканы России?
а) На Урале б) На Кавказе в) На Камчатке г) В Сибири
3. Какой из этих предметов может быть продуктом вулкана?
а) Стеклянная ваза б) Пемза для пяток в) Керамическая чашка г) Речная галька
4. Какой вулкан является самым высоким действующим в Евразии?
а) Эльбрус б) Ключевская Сопка в) Фудзияма г) Везувий
5. Для чего люди могут использовать продукты вулканов?
а) Для строительства б) Для ухода за в) Для изготовления
дорог и домов растениями украшений
6. Хотел(а) бы ты больше узнать о вулканах после этого проекта?
а) Да, очень!
б) Нет, я и так всё знаю
в) Мне это неинтересно
г) Затрудняюсь ответить
Спасибо за участие!