ELLEN P. METZGER
ÚVOD
Cíl: Studenti zhotoví papírový model ilustrující koncept šíření mořského dna a vývoj symetrických magnetických „pruhů“ na obou stranách středooceánského centra šíření.
Navržené rozdělení studentů do skupin:
Rámcová integrace: Studenti pracují jako jednotlivci: Témata: Vzorce změn: v průběhu času vzniká nové mořské dno vyvěráním magmatu v centrech středooceánského šíření; staré oceánské dno je ničeno subdukcí v hlubokomořských příkopech. Přírodovědné dovednosti a procesy: Odvozování z modelu. Integrace s jinými obory: Fyzikální vědy: dipólové magnety a magnetická pole; konvekce. Oceánografie: topografie oceánského dna. Vědy o živé přírodě: živočichové vyskytující se u vývěrů horké vody na dně oceánu.
Související aktivity: Podmořská pohoří.
ZÁKLADNÍ INFORMACE
Před provedením této aktivity by se studenti měli seznámit s následujícími informacemi:
1) typy hranic mezi litosférickými deskami;
2) vlastnosti oceánského dna;
3) pojem šíření mořského dna; a
4) charakter magnetického pole Země a skutečnost, že v minulosti mnohokrát změnilo svou polaritu.
Zemské vrstvy Země je vrstevnatá planeta skládající se z kůry, pláště a jádra (obr. 1). Vnějších asi 100 km tvoří pevná vrstva zvaná litosféra, která se skládá z kůry a svrchního pláště. Litosféra je rozdělena na řadu velkých a malých desek, které se pohybují nad astenosférou, plastickou vrstvou ve svrchním plášti. Zemětřesení a sopky se soustřeďují na hranicích mezi litosférickými deskami. Předpokládá se, že pohyb desek je způsoben konvekčními proudy v plášti (obr. 2), i když přesný mechanismus není znám. Litosférické desky se pohybují rychlostí několika cm za rok.
Typy hranic desek Existují tři typy hranic mezi litosférickými deskami (obr. 3):
1) konvergentní hranice desky se sbližují neboli přibližují. Pokud se deska oceánské litosféry srazí s tlustší a méně hustou kontinentální litosférou, ponoří se hustší oceánská deska pod kontinent v subdukční zóně (obr. 2).
2) divergentní hranice dvě desky se rozcházejí neboli vzdalují a vzniká nová zemská kůra nebo litosféra.
3) transformační zlomová hranice desky se posouvají jedna kolem druhé bez vzniku nebo destrukce litosféry.
Zpět na začátek
Oceánské dno Mapa oceánského dna ukazuje různé topografické prvky: ploché roviny, dlouhé horské řetězce a hluboké příkopy. Středooceánské hřbety jsou součástí řetězce pohoří dlouhého asi 84 000 km. Středoatlantický hřbet je nejdelším horským řetězcem na Zemi. Tyto hřbety jsou centry šíření nebo divergentními hranicemi desek, kde se vlivem vývěru magmatu z pláště vytváří nové oceánské dno.
Hlubokomořské příkopy jsou dlouhé, úzké pánve, které sahají 8-11 km pod hladinu moře. Příkopy vznikají v sousedství subdukčních zón, kde se oceánská litosféra sesouvá zpět do pláště (obr. 2).
Drift kontinentů Myšlenka, že se kontinenty pohybují, je stará; Alfred Wegener, německý meteorolog, navrhl hypotézu kontinentálního driftu. na počátku 20. století. Wegener použil několik důkazů na podporu své myšlenky, že kontinenty byly kdysi spojeny v superkontinent zvaný Pangaea a od té doby se od sebe vzdalují: (1) podobnost tvaru kontinentů, jako by do sebe kdysi zapadaly jako dílky skládačky; (2) přítomnost zkamenělin, jako je Glossopteris, fosilní kapradina, jejíž výtrusy nemohly překonat široké oceány, na nyní značně oddělených kontinentech Afriky, Austrálie a Indie; (3) přítomnost ledovcových usazenin na kontinentech, které se nyní nacházejí v blízkosti rovníku; a (4) podobnost sekvencí hornin na různých kontinentech. Zpět na začátek
Wegenerova hypotéza kontinentálního driftu nebyla široce přijata, protože neměl žádný mechanismus, který by vysvětlil, jak se kontinenty pohybují. Myšlenka byla oživena až poté, co nové technologie umožnily průzkum oceánského dna.
Šíření mořského dna Na počátku 60. let 20. století navrhl princetonský geolog Harry Hess hypotézu šíření mořského dna, při němž bazaltové magma z pláště stoupá a vytváří nové oceánské dno na středooceánských hřbetech. Na každé straně hřbetu se mořské dno pohybuje od hřbetu směrem k hlubokomořským příkopům, kde je subdukováno a recyklováno zpět do pláště (obr. 2). Ověření hypotézy o šíření mořského dna poskytlo studium zemského magnetismu.
Magnetické pole Země Předpokládá se, že magnetické pole Země vzniká pohybem tekutého železa ve vnějším jádru při rotaci planety. Pole se chová tak, jako by se v blízkosti středu Země nacházel permanentní magnet, skloněný asi 11 stupňů od zeměpisné osy rotace (obr. 4). Všimněte si, že magnetický sever (měřený kompasem) se liší od zeměpisného severu, který odpovídá ose otáčení planety.
Položením tyčového magnetu pod list papíru s železnými pilinami se vytvoří obrazec, jak se piliny vyrovnávají s magnetickým polem vytvářeným magnetem. Magnetické pole Země je podobné tomu, které vytváří jednoduchý tyčový magnet. V současné době jsou siločáry magnetického pole Země uspořádány tak, jak je znázorněno na obrázku 4; současná orientace magnetického pole Země se označuje jako normální polarita. Na počátku 60. let 20. století geofyzici zjistili, že se magnetické pole Země periodicky obrací; tj. severní magnetický pól se stává jižním a naopak. Proto se na Zemi střídají období obrácené polarity s obdobími (jako nyní) normální polarity. Přestože se magnetické pole v těchto obdobích obrací, fyzicky se Země nepohybuje ani nemění směr své rotace.
Bazaltové lávy obsahují minerály obsahující železo, jako je magnetit, který funguje jako kompas. To znamená, že když se tyto minerály bohaté na železo ochladí pod svůj Curieho bod, zmagnetují se ve směru okolního magnetického pole. Studium dávného magnetismu (paleomagnetismu) zaznamenaného v horninách různého stáří poskytuje záznam o tom, kdy magnetické pole Země změnilo svou polaritu. Zpět na začátek
Během druhé světové války byly vyvinuty citlivé přístroje zvané magnetometry, které měly pomoci odhalit ponorky s ocelovým trupem. Když výzkumní vědci použili magnetometry ke studiu oceánského dna, objevili překvapivý vzorec. Měření magnetických změn ukázalo, že v mnoha oblastech jsou kolem středooceánských hřbetů symetricky uspořádány střídající se pásy hornin zaznamenávající normální a obrácenou polaritu (obr. 5).
V roce 1963 F. Vine a D. H. Matthews usoudili, že když čedičové magma stoupá a vytváří nové oceánské dno v centru šíření středooceánských hřbetů, zaznamenává polaritu magnetického pole existující v době krystalizace magmatu. Jak se při šíření nová oceánská kůra od sebe odděluje, měly by se od hřbetu na obou stranách odnášet pruhy přibližně stejné velikosti (obr. 5). Čedičové magma tvořící se na středooceánských hřbetech slouží jako jakýsi „magnetofon“, který zaznamenává magnetické pole Země, jak se v čase obrací. Pokud je tato myšlenka správná, měly by být střídající se pruhy normální a obrácené polarity uspořádány symetricky kolem center středooceánského šíření. Objev takových magnetických pruhů poskytl pádný důkaz, že dochází k šíření mořského dna.
Stáří mořského dna rovněž podporuje šíření mořského dna. Pokud šíření mořským dnem funguje, měla by se nejmladší oceánská kůra nacházet na hřbetech a postupně starší kůra by se měla nacházet při pohybu od hřbetů směrem ke kontinentům. Tak tomu také je. Nejstarší známé oceánské dno je staré asi 200 milionů let, což naznačuje, že starší oceánské dno bylo zničeno subdukcí v hlubokomořských příkopech.
K objevu šíření mořského dna, mechanismu pohybu kontinentů, který Alfred Wegener postrádal, byl zapotřebí průzkum oceánského dna. Hypotéza kontinentálního driftu si získala nový zájem a ve spojení s šířením mořského dna vedla k teorii deskové tektoniky. Historie myšlení o pohybu kontinentů poskytuje nádherný příklad toho, jak jsou hypotézy, jako je kontinentální drift a šíření mořského dna, důkladně testovány, než vznikne nová teorie. Přehled historie deskové tektoniky viz Tarbuck a Lutgens (1994). Zpět na začátek
MATERIÁLY (Zdroje uvedeny níže)
Mapy oceánského dna
Mapa „This Dynamic Planet“
Pro každého studenta:
2 listy pořadačového papíru 8,5 x 11″ (místo papíru lze použít karton na spisy, aby byl model pevnější)
nůžky
pravítko
průhledná páska
maskovací páska
barevné tužky nebo pastelky Návrh: Vyrobte si vlastní model předem a ukažte ho studentům předtím, než si vyrobí své modely.
ZDROJE MATERIÁLŮ
Mapy dna Arktidy, Atlantiku, Tichého a Indického oceánu jsou k dispozici u National Geographic Society, Educational Services, P.O. Box 98019, Washington, D.C., 20090-8019; telefon 1-800-368-2728. Každá mapa stojí 10,90 USD.
Od Fisher-EMD: (1) Fosforeskující mapa oceánského dna: rozměry 24″ X 24″. (10,60 USD); (2) nástěnná mapa středoatlantického hřbetu (27,40 USD). Objednávejte u Fisher Scientific-EMD, 4901 W. Lemoyne Street, Chicago, IL 60651; telefon 1-800-955-1177.
„This Dynamic Planet: Mapa světa sopek, zemětřesení a deskové tektoniky“ má rozměry 150 x 100 cm; vytvořily ji United States Geological Survey a Smithsonian Institution. Objednávejte na adrese: USGS Map and Book Distribution, P.O. Box 25286, Federal Center, Bldg. 810, Denver, CO 80225; telefon 303-236-7477. Cena je 3,00 USD. Zpět na začátek
POKYNY
Postupujte podle pokynů na listech s aktivitami pro studenty. Studenti si mohou pro svůj model vyměřit rozmístění subdukčních zón a středooceánského hřbetu podle obrázku 1 v listech studentských aktivit, nebo jim můžete dát k dispozici připravenou šablonu. Pro pevnější model můžete šablonu zkopírovat na pořadač nebo podobný karton.
Modifikace: Pro mladší děti vynechejte vysvětlení magnetických proužků a změny polarity. Použijte model, abyste jim ukázali vznik nového mořského dna v centrech šíření a zánik starého mořského dna v subdukčních zónách. Můžete žákům předem vystřihnout kousky papírového modelu nebo použít model, který jste vyrobili, jako ukázku pro třídu.
Rozšíření: Hydrotermální ventilační systémy, tzv. černé a bílé dýmovnice, které se nacházejí v centrech šíření oceánů, jsou jedním z nejzajímavějších objevů učiněných během posledních patnácti let mořského výzkumu. V těchto dýmovnicích se nacházejí ložiska nerostných surovin a jedinečné ekosystémy, které existují v naprosté tmě. Propojte učivo o šíření mořského dna a topografii oceánského dna s biologií tím, že necháte studenty zkoumat jedinečné tvory spojené se společenstvy hydrotermálních vývěrů. Některé navrhované odkazy jsou uvedeny níže.
REFERENCE A ZDROJE
NSTA/FEMA, 1988, Tremor Troop Earthquakes: National Science Teachers‘ Association, Washington, D.C.
Tarbuck, E. J. a Lutgens, F. K., 1994, Earth Science (7th ed.), Macmillan Publishing Company, s. 207-242.
Všeobecné informace:
Yulsman, T., 1993, Charting Earth’s Final Frontier: Earth, vol. 2, no. 4 (červenec 1993), s. 36-41. Pojednává o mapování sopek, zlomů, kaňonů a lávových proudů na oceánském dně pomocí sonaru s bočním snímáním nazvaného GLORIA (Geologic Long-Range Inclined Asdic).
Publikace pro všeobecné zájemce „Marine Geology: Research Beneath the Sea“ od United States Geological Survey poskytuje přehled metod a vybavení, které mořští geologové používají ke studiu oceánského dna. Brožura popisuje studium topografie oceánského dna, sedimentů a nerostných zdrojů. Objednejte si až 50 bezplatných výtisků (použijte hlavičkový papír školy) na adrese: United States Geological Survey, Box 25286, Denver Federal Center, Bldg. 810, Denver CO 80225; telefon (303)236-7476.
Pro mladší děti:
Cole, J., 1992, The Magic School Bus on the Ocean Floor: Scholastic, Inc., New York. Děti ze třídy paní Frizzleové se vydají na výlet na hluboké oceánské dno, kde studují živočichy a rostliny, vývěr horké vody a korálový útes (pro děti na prvním stupni ZŠ).
O hlubokomořských hydrotermálních systémech:
Ballard, R. D. a Grassle, J. F., 1979, Incredible World of the Deep-sea Rifts: National Geographic, v. 156, č. 5 (listopad 1979), s. 680-705.
Lutz, R. A. a Hessler, R. R., 1983, Life Without Sunlight – Biological Communities of Deep-Sea Hydrothermal Vents (Život bez slunečního světla – biologická společenstva hlubokomořských hydrotermálních průduchů): The Science Teacher, roč. 50, č. 3 (březen 1983), s. 22-29.
Tunnicliffe, V., 1992, Hydrothermal-Vent Communities of Deep Sea: American Scientist, v. 80 (July-August, 1992), p. 336-349. Zpět na začátek
Videa:
„Treasures of Neptune: Klondike na dně oceánu“ (149,00 USD; 26 min). Zabývá se vztahem mezi deskovou tektonikou a mořskými ložisky nerostných surovin; ukazuje, jak se mapuje oceánské dno, a zabývá se systémy těžby mořských surovin včetně podvodních lopat a lopatek a obřích „vysavačů“. Objednávejte u Films for the Humanities & Sciences, P.O. Box 2053; Princeton, N. J. 08543-2053; telefon 1-800-257-5126. „Poslední hranice na Zemi“ (79,00 USD; 26 min.). ukazuje, jak vědci zkoumají mořské dno pomocí mapování pomocí sonaru Side Scan Sonar a hlubokomořských vrtů. Objednávejte na adrese: Brittanica Learning Materials, Customer Service, 310 South Michigan Avenue, Chicago, IL 60604-9839; tel. 1-800-554-9862.
„Physical Oceanography“ (59,95 USD; 19 min.). Popisuje metody zkoumání oceánů; interakci oceánů s biosférou, litosférou a atmosférou, která vytváří jedinečné prostředí; a tři hlavní charakteristiky oceánů: jejich chemismus, topografii a pohyb vody. Objednávejte u Scott Resources, P.O. Box 2121K, Fort Collins, CO, 80522; telefon 1-800-289-9299.
Slides:
„Podmořský průzkum“ (16,00 USD za 22 diapozitivů). Tato sada ilustruje podmořský výzkum pomocí hlubinných ponorek a dálkově řízených vozidel ke studiu riftových systémů oceánského dna. Obsahuje fotografie černých kuřáků, trubicových červů a vybavení používaného oceánografy. Objednávejte u American Geophysical Union, Attn.: Orders, 2000 Florida Avenue, N.W., Washington, D.C. 20009; tel. 1-800-966-2481.
Některé související aktivity:
Modul Crustal Evolution Education (CEEP), „How Fast Is the Ocean Floor Moving?“ vypracovala Národní asociace učitelů geologie. V tomto modulu studenti zkoumají údaje ze sedimentů na oceánském dně, určují, zda tyto údaje podporují teorii šíření mořského dna, a vypočítávají rychlost šíření Východopacifického vzestupu. Mezi další moduly CEEP týkající se oceánského dna patří: „Litosférické desky a topografie oceánských pánví“; „Mikrofosilie, sedimenty a šíření mořského dna“; „Pohyb dna Tichého oceánu“; „Záhada mořského dna: „Záhada mořského dna“; „Mapování zvratů polarity“; a „Kreslení tvaru oceánského dna“. Každý z těchto modulů je k dispozici jako balíček pro třídu, který obsahuje příručku pro učitele a 30 studentských vyšetřovacích brožur a stojí 23,50 USD. Objednávejte u Ward’s Natural Science Establishment, Inc. 5100 West Henrietta Road, P.O. Box 92912, Rochester, New York 14692-9012; telefon 1-800-962-2260.
GLOSÁŘ
astenosféra část pláště, která je podkladem litosféry. Tato zóna se skládá ze snadno deformovatelných hornin a v některých oblastech dosahuje hloubky až 700 km.
kontinentální drift První hypotéza navrhující velké horizontální pohyby kontinentů. Tato myšlenka byla nahrazena teorií deskové tektoniky.
konvergentní hranice desek hranice mezi dvěma litosférickými deskami, které se pohybují směrem k sobě. Takové hranice se vyznačují subdukcí, zemětřeseními, sopkami a stavbou pohoří.
Curieho bod teplota (asi 580 °C), nad níž hornina ztrácí magnetismus.
hlubokomořské příkopy dlouhé, úzké a velmi hluboké (až 11 km) pánve orientované rovnoběžně s kontinenty a spojené se subdukcí oceánské litosféry.
divergentní hranice desek hranice mezi dvěma deskami, které se od sebe vzdalují; mezi šířícími se deskami vzniká nová litosféra.
litosféra tuhá, nejsvrchnější vrstva Země; zahrnuje zemskou kůru a svrchní plášť a je tlustá asi 100 km.
středooceánský hřbet souvislý horský řetězec na dně všech velkých oceánských pánví, který označuje místo, kde vzniká nové oceánské dno, když se od sebe vzdalují dvě litosférické desky.
normální polarita magnetické pole, které má stejný směr jako současné zemské pole.
paleomagnetismus trvalá magnetizace zaznamenaná v horninách, která umožňuje rekonstruovat dávné magnetické pole Země.
Pangaea nebo Pangea předpokládaný „superkontinent“, který se začal rozpadat před 200 miliony let a vytvořil současné kontinenty.
tektonika desek teorie, která předpokládá, že zemská litosféra je rozlámaná na desky, které se pohybují přes plastickou vrstvu v plášti. Vzájemné působení desek způsobuje zemětřesení, sopky a pohoří.
obrácená polarita magnetické pole, jehož směr je opačný než směr současného zemského pole.
transformační hranice desek hranice mezi litosférickými deskami, které se posouvají jedna kolem druhé.
šíření mořského dna hypotéza navržená na počátku 60. let 20. století, podle níž se nové oceánské dno vytváří tam, kde se dvě desky od sebe vzdalují na středooceánských hřbetech.
subdukční zóna dlouhá, úzká zóna, kde jedna litosférická deska klesá pod druhou. Zpět na začátek
MODEL ŠÍŘENÍ MOŘSKÉHO DNA
ÚVOD: Vytváření nového mořského dna v centrech středooceánského šíření a jeho destrukce v subdukčních zónách je jedním z mnoha cyklů, které způsobují neustálé změny na Zemi.
CÍL: Účelem této aktivity je vytvořit jednoduchý model, který znázorňuje vývoj oceánské kůry v důsledku šíření mořského dna a subdukce.
MATERIÁLY:
2 listy papíru o rozměrech 8,5″ x 11″ (1 z listů lze nahradit kartonem)
pravítko
barevné tužky nebo pastelky
nůžky
průhledná lepicí páska
maskovací páska
POKYNY:
1) Položte jeden list pořadačového papíru tak, aby delší stranou směřoval k vám (obr. 1).
2) Uprostřed papíru nakreslete svislou čáru o výšce 11,5 cm, přičemž na obou stranách čáry ponechte 5 cm. Tato čára představuje střed oceánského šíření (viz Obrázek 1).
3) Nakreslete druhou svislou čáru napravo od středové čáry tak, aby ležela 3 cm od pravého okraje papíru. Tato čára představuje subdukční zónu.
4) Nakresli třetí svislou čáru vlevo od středové čáry tak, aby ležela 3 cm od levého okraje papíru. Tato čára představuje další subdukční zónu. Až budete hotovi, měl by váš list papíru vypadat jako schéma na obrázku 1.
Označte středooceánský hřbet a subdukční zóny.
5) Pomocí nůžek rozstřihněte svislé čáry tak, aby na papíře byly tři štěrbiny, všechny stejně vysoké a navzájem rovnoběžné. Abyste zpevnili vytvořené štěrbiny, umístěte přes každou z nich maskovací pásku a přes pásku štěrbinu znovu vystřihněte.
6) Na druhý list papíru nakreslete 11 pruhů, každý o šířce 2,54 cm (1″), kolmých k dlouhému okraji papíru.
7) Vyberte jednu barvu, která bude znázorňovat normální polaritu, a druhou, která bude znázorňovat obrácenou polaritu. Střídavě vybarvujte pruhy, které představují období normální a obrácené polarity. Pásek úplně vlevo vybarvěte jako obrácenou polaritu.
8) Papír rozstřihněte na polovinu rovnoběžně s dlouhým okrajem, abyste získali dva proužky papíru, jak je znázorněno na Obrázku 2. Pásy na každém proužku označte šipkami, které označují střídající se období normální (šipka nahoru) a obrácené (šipka dolů) polarity. Zpět na začátek
9) Jeden konec každého pásu papíru prostrčte rozšiřující se středovou čárou na prvním papíru (viz Obrázek 3).
10) Každý pás papíru vytáhněte směrem ke štěrbinám, které jsou nejblíže okrajům papíru (subdukční zóny). Každý proužek zalepte tak, aby vznikla smyčka podle obrázku 3.
11) Kroužením pásků papíru (které představují oceánskou kůru) simulujte pohyb oceánského dna z centra středooceánského šíření do subdukční zóny.
Začněte pohyb pásků s pruhy představujícími normální polaritu.
OTÁZKY:
1) Země je stará asi 4,6 miliardy let. Proč si na základě pozorování vašeho modelu šíření mořského dna myslíte, že nejstarší oceánské dno je staré jen asi 200 milionů let?“
2) Na skutečném oceánském dně nejsou všechny střídající se pruhy normální a obrácené polarity stejně široké. Co to vypovídá o délkách, které představují normální a obrácená polarita?
