VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Вулканы
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Вулканом звали римского бога огня и покровителя кузнецов. Древние римляне верили, что в огнедышащей горе находится его кузница. И когда бог Вулкан ковал металл, с горы доносился глухой рокот и лязг, текла раскалённая лава, из вершины вырывался дым и огонь. С тех пор и начали люди называть огнедышащие горы вулканами.
Вулканы, извергающие дым и огонь, раскаленную лаву и горячий пепел, испокон веков привлекают внимание человека, зачаровывают своей мощью и ужасают непредсказуемыми извержениями. Сейчас не менее 500 млн. человек, т.е. около 8% всего населения Земли, живут в зоне досягаемости поражающих факторов вулканической деятельности. Научились люди использовать вулканы и себе во благо. Поэтому наблюдение и изучение вулканических процессов остаются актуальными и в наши дни.
Я часто вижу извержения вулканов в мультфильмах, телепередачах, и мне стало очень интересно узнать, почему извергаются вулканы и как это происходит. Я провёл социологический опрос среди своих одноклассников, знакомых и друзей о том, что они знают об извержении вулканов. Я спросил их, знают ли они, что такое вулкан, какие вулканы им известны? Знают ли они строение и виды вулканов? Знают ли они причины извержения вулканов? И получил следующие результаты (Приложение 1).
Я знал, что вулкан внутри наполнен горячей магмой. Но что заставляет ее вырваться наружу? Почему вдруг вулкан «оживает» и начинает извергать дым и огонь?
Моя гипотеза: когда магмы в вулкане становится слишком много и она перегревается, она выплёскивается наружу.
Цель моего исследования: выяснить причины извержения вулканов.
Задачи, которые я себе поставил: Узнать, что такое вулкан. Изучить строение вулкана.
Изучить виды вулканов. Понять с помощью опытов, почему и как они извергаются. Узнать, какие вред и пользу несут извержения вулканов для человека. Создать действующую модель
вулкана в домашних условиях.
Методы и приёмы исследования для достижения своей цели я использовал следующие:
изучение научной литературы, интернет источников; просмотр научно-познавательных передач; экспериментирование и моделирование.
С результатами исследования я планирую ознакомить своих одноклассников и друзей.
Человек и природа тесно взаимосвязаны. Поэтому очень важно изучать природные явления и то, что нас окружает. Практическая значимость проекта состоит в том, что в моей работе содержится много информации о вулканах, а без этих знаний невозможно сформировать целостную научную картину мира.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИССЛЕДУЕМОЙ ПРОБЛЕМЫ
Общие сведения
Вулкан – это коническая гора с кратером на вершине, через который из недр земли время от времени извергается огонь, лава, пепел, горячие газы, пары воды и обломки горных пород («Толковый словарь русского языка», Ожегов С.И). Считается, что эти извержения играют роль предохранительных клапанов, высвобождая огромное количество тепла и давление, действующее глубоко в недрах земли. Обычно вулкан представляет собой конусообразную гору (стенки которой состоят из застывшей лавы и пепла) с отверстием в центре, или кратером – через него и происходят извержения.
По оценкам различных экспертов, количество вулканов на планете может быть примерно от 800 штук и вплоть до нескольких десятков тысяч.
При этом подавляющее большинство вулканов находится в океанах, и лишь незначительная их часть на суше. Вулканы, расположенные на суше хорошо изучены, для них точно определены даты прошлых извержений, известен характер вылившихся продуктов. Ученые ведут постоянное наблюдение за вулканами и могут предсказать начало их извержений. Однако изучение деятельности подводных вулканов по понятным причинам затруднено, поэтому многие вулканические проявления, происходящие на дне океана, остаются загадкой до сих пор.
Строение вулкана
Величественный конус на поверхности Земли - лишь верхушка вулкана. Каким бы большим ни казался вулкан, его наземная часть очень мала по сравнению с подземной, откуда поступает магма. Конус вулкана сложен продуктами его извержения. На вершине располагается кратер - чашеобразное углубление, иногда заполненное водой.
Вулкан питается через отверстие, называемое главным каналом, или жерлом. Через жерло выходят газы, а также обломки пород и расплавы, поднявшиеся с глубин, которые постепенно формируют рельеф на поверхности вулкана. С жерлом связана целая система вулканических трещин, боковых каналов и магматических очагов, расположенных от одного до десятков километров от поверхности Земли. Первичный магматический очаг находится на глубине 60-100 км, а вторичный магматический очаг, который непосредственно питает вулкан, - на глубине 20-30км.
Основные части вулканического аппарата представлены на рисунке (Приложение 2).
Виды вулканов
Виды вулканов разделяют по самым разным признакам. Самая простая и распространенная классификация основывается на активности вулканов. Таким образом, выделяют:
Действующие – вулканы, извержение которых приходится на память человечества. Таким является, например Этна – самый активный вулкан в Европе (Италия, остров Сицилия 3323 м).
Потухшие – вулканы, об извержении которых не сохранилось никаких сведений (Например, Эльбрус – самая высокая вершина (5642 м) в России, Кабардино – Балкарии).
Уснувшие - считаются потухшими, но вдруг начинают действовать. Самый известный из таких вулканов – Везувий (Италия, провинция Неаполь 1281 м). После 600 лет сна он внезапно «ожил» и полностью уничтожил несколько городов, в т.ч. знаменитый город Помпею.
Самая высокая гора в Северной ОсетииКазбек (5047 м) относится к потенциально активным, поскольку по данным радиоуглеродного анализа его последнее извержение происходило около 6000 лет назад. В каталоге И. И. Гущенко «Извержения вулканов мира» [4] сказано, что последний раз гигант извергался примерно в 750 году до нашей эры. Таким образом, Казбека не стоит списывать со счетов. Несмотря на длительное затишье, в его недрах, вероятно, продолжает бурлить раскаленная магма, что подтверждается активностью гидротермальной системы, окружающей вулканическую постройку.
По другой классификации вулканы разделяют следующим образом:
Конусовидные – имеют форму конуса; при извержении таких вулканов вытекает лава, взрываются газы и пар в жерле, выбрасываются пепел и глыбы. Таким является, например вулкан Ключевая Сопка (4850 м). Он расположен в России на Камчатке, это самый активный и высокий вулкан Евразии.
Щитовые - склоны таких вулканов пологие, горячая жидкая лава растекается быстро, на значительные расстояния. Пример такого вулкана – вулкан Мауна-Лоа (Гавайи), один из самых мощных в мире, в переводе означает «длинные горы».
Подводные - эти вулканы расположены на дне океана. Подводные вулканы растут в высоту. По мере извержений они обрастают вулканической массой, которая не разлетается, как на поверхности земли. Со временем вулкан потухает, израсходовав запасы своей магмы. Если во время своей жизни вулкан достигает поверхности воды, то он дает рождение вулканическому острову, а сам со временем исчезает.
Причины извержения вулканов
Наша Земля не вся твердая насквозь: сверху твердая литосфера, под ней вязкий слой горячей мантии, а в центре твердое ядро (Приложение 3) .
Литосфера вся изрезана разломами и напоминает мозаику. Куски этой литосферы называются литосферными плитами.
Мантия находится в постоянном движении и вместе с ней движутся и литосферные плиты, при этом они могут сталкиваться и наползать друг на друга. Часть плиты, которая оказалась снизу, постепенно погружается в мантию и начинает плавиться. Так образуется магма густая масса расплавленных пород с газами и парами воды. Магма легче, чем окружающие породы, поэтому она медленно поднимается к поверхности и накапливается в так называемых магматических очагах, которые располагаются чаще всего вдоль линии столкновения плит (Приложение 4).
Чтобы лучше понять, что происходит с магмой при столкновении тектонических плит, я провел следующий опыт (Опыт 1). Я погрузил детали от конструктора, которые заменили тектонические плиты, в окрашенное тесто - «магму». При помощи палочек я привел «тектонические плиты» в движение, и они начали сталкиваться друг с другом. Некоторые плиты ушли под другие, и в этом месте «магму» вытолкнуло на поверхность «плит».
Этот опыт помог мне наглядно увидеть и понять, как под воздействием движения тектонических плит магма перемещается к поверхности земли.
Извержение вулкана происходит из-за дегазации магмы. Чтобы понаблюдать процесс дегазации, я провел свой второй опыт (Опыт 2). Я осторожно открыл бутылку с газированным напитком. Раздался хлопок, и из бутылки появился дымок это из напитка выходит газ (то есть происходит его дегазация). Затем я бутылку с газированной водой взболтал и нагрел (увеличив тем самым давление), и из нее вырвалась мощная струя, и удержать этот процесс было невозможно.
Магма в магматическом очаге находится под давлением, так же как и газированные напитки в закрытой бутылке. В том месте, где земная кора оказалась «неплотно закрыта», магма может вырваться из недр Земли, вышибив «пробку» вулкана, и чем прочнее была «пробка», тем сильнее будет извержение вулкана.
Таким образом, постоянно двигаясь, тектонические плиты могут погружаться в мантию и плавиться там, образуя магму. Магма медленно поднимается к поверхности. Газы, входящие в состав магмы, стремятся выйти наружу. Магма в магматическом очаге находится под давлением, прорывает земную кору в самых слабых местах и вырывается на поверхность. Так и происходит извержение вулкана.
Процесс извержения вулкана
Извержение вулкана сопровождается подземным гулом, иногда землетрясением, грозой, цунами.
Извержение вулкана – процесс выброса вулканом на земную поверхность раскаленных обломков, пепла, магмы. Газы, которые входят в состав магмы горючие, поэтому они часто воспламеняются и взрываются в жерле вулкана. Сила взрыва при извержении бывает настолько мощной, что на месте горы после извержения остается огромная «воронка» (кальдера), и если извержение продолжается, то прямо в этой впадине начинает расти новый вулкан.
Что бы лучше представить процесс извержения вулкана, я решил провести свой третий опыт. (Опыт 3) Для этого я сделал макет вулкана, затем поместил внутрь бутылку. В эту бутылку я налил окрашенную воду, добавил моющее средство, соду, уксус и получил «извержение». Сода вступает в реакцию с уксусом, при этом выделяется углекислый газ. Из-за этого смесь выползает из кратера, стекает по «вулкану» и застывает на его склонах.
Однако бывает, что магме удается найти легкий выход на поверхность Земли, тогда лава вытекает из вулканов вообще без взрывов.
У магмы не всегда хватает сил выйти на поверхность, и тогда она медленно застывает на глубине. В этом случае вулкан вообще не образуется.
Вулкан живёт и развивается на протяжении нескольких тысяч лет и большую часть времени находится в состоянии покоя. Собственно извержение обычно длится от нескольких дней до нескольких месяцев. Очень редко вулканы извергаются непрерывно на протяжении нескольких десятилетий, как, например, вулкан Килауэа на острове Гавайи.
Негативные последствия вулканов
Опасности, которые несут в себе вулканы, очень многообразны. Извержения вулканов разрушают дома, сжигают посевы, уничтожают скот и убивают людей. Наиболее опасными явлениями для человека и окружающей среды при извержении вулканов являются образующиеся при этом продукты извержений вулканов. Вулканы могут извергать: лавовые потоки, вулканические «бомбы», вулканическую пыль, грязевые потоки.
Раскаленные лавовые потоки – уничтожают или накрывают все на своем пути - дороги, сооружения, сельскохозяйственные земли, которые на много столетий исключаются из хозяйственного использования.
Вулканические "бомбы", имеющие размеры от небольшой гальки до огромных кусков камня и пластичной раскаленной лавы, могут разлетаться на значительные расстояния.
Но, пожалуй, еще более страшным явлением можно назвать выпадение раскаленного вулканического пепла, который не только уничтожает все вокруг, но и может засыпать толстым слоем целые города. При попадании в такой пеплопад спастись практически невозможно.
Вулканический пепел - на самом деле не пепел, а порошкообразный камень, выброшенный из вулкана в облаке пара и газов. Это абразивное, раздражающее и тяжелое вещество - под его весом могут ломаться крыши. Он может задушить урожай, заблокировать дороги и водные пути, а в комбинации с токсичными газами также может вызвать осложнения с легкими у детей, пожилых людей и больных легочными заболеваниями.
Грязевые потоки - слои пепла, смешанные с водой, грязью, камнями. Они могут перемещаться со скоростью до 100 км/ч с самым разрушительным эффектом, убежать от них практически невозможно.
Польза вулканов
Несмотря на свою разрушительную силу, вулканы приносят и пользу людям. Извержения порождают газы и горные породы, которую человек использует в своей жизни. Эти огнедышащие горы также дарят человеку горячую воду, энергию, различные металлы и даже драгоценные камни.
Вулканический пепел обогащает почву, т.к. содержит необходимые для растений питательные вещества, вот почему земли вблизи вулканов очень плодородны. Из пепла также делают различные удобрения, лекарства.
Горные породы, порождаемые извержениями вулканов, уже давно используются человеком для строительства домов и церквей. Например, базальт из-за его прочности всегда использовался для мощения дорог. Шлаки, или мелкие частички лавы, используются для производства бетона и чтобы фильтровать воду на очистных станциях. Пемза, испещренная дырочками, оставленными газами магмы, служит прекрасным звукоизолятором. Обладая очень шероховатой поверхностью, она входит в состав канцелярских резинок, некоторых видов зубной пасты.
Вулканы извергают большое количество таких металлов, как медь, железо и цинк, столь необходимых для промышленности. Что касается серы, то ее собирают (особенно в Индонезии) для того, чтобы производить спички, красители и удобрения. Также ее добавляют в каучук, чтобы сделать его более износостойким.
Также в вулканах находят алмазы, золото и полудрагоценные камни, такие как опал, топаз и аметист.
Приносят пользу вулканы и как источники энергии. Проходя через вулкан, вода сильно нагревается. Иногда она закипает или бьет источником через равные промежутки времени: это явление называется гейзером. Подобными источниками изобилует Исландия, Камчатка и национальный американский парк Йеллоустон. Также вода течет и просто в горячих источниках. Получаемая естественным путем или при помощи бурения, она дает энергию на геотермальных станциях. Есть подобные станции и в России.
Проходя через горную породу, вода вбирает в себя такие химические элементы, как сера, углекислый газ, кремнезем, известные своими лечебными свойствами в борьбе с астмой, болезнями дыхательных путей, кожными заболеваниями и аллергиями.
На термальных станциях пациенты пьют целебную воду или купаются в источниках, принимают грязевые ванны и проходят курс массажа. Купальщики так же пользуются этими прекрасными теплыми бассейнами, подаренными природой.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Опыт 1 «Движение тектонических плит»
Я погрузил детали от конструктора, которые заменили тектонические плиты, в окрашенное тесто - «магму». При помощи палочек я привел «тектонические плиты» в движение, и они начали сталкиваться друг с другом, некоторые плиты ушли под другие, и в этом месте «магму» вытолкнуло на поверхность «плит» (Приложение 4).
Опыт 2 «Процесс дегазации»
Я осторожно открыл бутылку с газированным напитком. Раздался хлопок, и из бутылки появился дымок это из напитка выходит газ (то есть происходит его дегазация). Затем я бутылку с газированной водой взболтал и нагрел (увеличив тем самым давление), и из нее вырвалась мощная струя, и удержать этот процесс было невозможно (Приложение 5).
Опыт 3 «Извержение вулкана в домашних условиях»
При изучении специальной литературы и интернет ресурсов, я также узнал, что можно сделать опыт «извержение вулкана». Для этого я сделал макет вулкана, затем поместил внутрь бутылку. В эту бутылку я налил окрашенную воду, добавил моющее средство, соду, уксус и получил «извержение». Сода вступает в реакцию с уксусом, при этом выделяется углекислый газ. Из-за этого смесь выползает из кратера, стекает по «вулкану» и застывает на его склонах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Работая над проектом, я узнал много нового и интересного. Я изучил, что такое вулкан, виды вулканов, познакомился с его строением и процессом извержения. Узнал, почему извергаются вулканы, какую пользу и вред они приносят. Также я сделал макет вулкана, провел опыты «Движение тектонических плит», «Процесс дегазации», «Извержение вулкана в домашних условиях».
Моя гипотеза о том, почему извергаются вулканы, подтвердилась лишь частично. В результате изучения специальной литературы и проведенных опытов я узнал, что это гораздо более сложный процесс.
На самом деле вулкан извергается, потому что в вулканической камере скопилась магма и под воздействием газа, входящего в её состав она поднимается вверх. Магма прорывает земную кору в самых слабых местах и выходит на поверхность. Это и есть извержение вулкана.
Жизнь вулкана подчиняется своим законам, которые учёным ещё только предстоит полностью познать.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
«Вулканы» Арналис Каролин, - М.: Атлас, 2007,-214 с.
«Вулканы» Апродов В. А. Издательство «Мысль» 1982 г. OZON.RU Наука Образование
«Вулканы» О. Грюнвальд, Бардинцефф, Жак – Мари Издательство «Эксмо» 2013 г.
«Извержения вулканов мира» И. И. Гущенко Каталог 1979 г.
«Современная детская энциклопедия» Перевод с английского Е.А. Дорониной, О.Ю. Пановой, - М.:Эксмо,2012,-320 с.
«Вулканы» Заварицкая Е. Издательский дом ОГИЗ «Гостехиздат» 1946 г.
«Большая детская энциклопедия» Перевод с английского А.И. Кима. -М.: ООО «Издательство РОСМЭН-ПРЕСС», 2002 г.
«Толковый словарь русского языка: 80 000 слов и фразеологических выражений» Ожегов С. И., Шведова Н. Ю.- Российская академия наук. Институт русского языка им. В.В. Виноградова. 4-е изд., дополненное. М.: Азбуковник, 1999. 944 с.
«Кратеры в огне» Гарун Тазиев Издательский дом «Мысль» 1976 г.
Все о вулканах http://www.vigivanie.com/vigivanie-pri-izvergenii-vulkana/3425-vulkani.html
Фотовулкановhttp:// yandex.ru/images
Приложение 1
Результаты социологического опроса
Приложение 2
Внутреннее строение вулкана
Магма – расплавленное вещество мантии;
Очаг магмы- камера под вулканом, заполненная магмой
Кратер – чашевидное отверстие на вершине вулкана;
Жерло – канал, по которому движется магма;
Лава – излившаяся на поверхность магма. Температура 750-1250 гр.
Боковой кратер - трещина, заполненная магматическим расплавом.
Приложение 3
Строение Земли
Наша Земля не вся твердая насквозь: сверху твердая литосфера, под ней вязкий слой горячей мантии, а в центре твердое ядро
Приложение 4
Перемещение магмы к поверхности Земли
Магма легче, чем окружающие породы, поэтому она медленно поднимается к поверхности и накапливается в так называемых магматических очагах, которые располагаются чаще всего вдоль линии столкновения плит.