ELLEN P. METZGER
INDLEDNING
Formål: Eleverne skal lave en papirmodel, der illustrerer begrebet spredning af havbunden og udviklingen af symmetriske magnetiske “striber” på hver side af et center for spredning i midten af oceanerne.
Foreslået gruppering af eleverne: Eleverne arbejder individuelt.
Integrering af opgaver: Temaer: Forandringsmønstre: Med tiden skabes ny havbund ved opstrømning af magma ved mellemoceaniske spredningscentre; gammel havbund ødelægges ved subduktion ved dybe havgrave. Naturvidenskabelige færdigheder og processer: Ud fra en model. Integrering med andre discipliner: Fysisk videnskab: dipolmagneter og magnetfelter; konvektion. Oceanografi: topografi af havbunden. Biovidenskab: dyr, der findes ved varmtvandsventiler på havbunden.
Relaterede aktiviteter: Undervandsbjerge.
BAGGRUNDINFORMATION
Hvor de udfører denne aktivitet, bør eleverne være bekendt med:
1) typer af grænser mellem lithosfæriske plader;
2) træk ved havbunden;
3) begrebet spredning af havbunden; og
4) karakteren af Jordens magnetfelt og det faktum, at det har vendt sin polaritet mange gange i fortiden.
Jorden er en lagdelt planet, der består af skorpe, kappe og kerne (fig. 1). De yderste ca. 100 km er et stift lag kaldet lithosfæren, som består af jordskorpen og den øverste kappe. Litosfæren er opdelt i en række store og små plader, der bevæger sig over asthenosfæren, et plastisk lag i den øverste kappe. Jordskælv og vulkaner er koncentreret ved grænserne mellem lithosfæriske plader. Man mener, at pladebevægelser skyldes konvektionsstrømme i kappen (fig. 2), selv om man ikke kender den nøjagtige mekanisme. Litosfærepladerne bevæger sig med en hastighed på nogle få cm om året.
Typer af pladegrænser Der findes tre typer af grænser mellem litosfæreplader (Fig. 3):
1) konvergerende grænse Pladerne konvergerer, eller kommer sammen. Hvis en plade med oceanisk lithosfære kolliderer med tykkere og mindre tæt kontinental lithosfære, vil den tættere oceaniske plade dykke ned under kontinentet i en subduktionszone (fig. 2).
2) divergent grænse to plader divergerer, eller bevæger sig fra hinanden, og der dannes ny skorpe eller lithosfære.
3) transformforkastningsgrænse plader glider forbi hinanden uden dannelse eller ødelæggelse af lithosfære. 
Tilbage til toppen
Oceanbunden Et kort over oceanbunden viser en række forskellige topografiske træk: flade sletter, lange bjergkæder og dybe grøfter. Midtoceaniske rygge er en del af en bjergkæde på ca. 84.000 km lang. Den midtatlantiske ryg er den længste bjergkæde på Jorden. Disse rygge er spredningscentre eller divergerende pladegrænser, hvor opstrømning af magma fra kappen skaber ny havbund.
Dybvandsgrave er lange, smalle bassiner, der strækker sig 8-11 km under havniveau. Grøfter opstår i nærheden af subduktionszoner, hvor den oceaniske litosfære glider tilbage i kappen (fig. 2).
Kontinentaldrift Ideen om, at kontinenterne flytter sig, er gammel; Alfred Wegener, en tysk meteorolog, fremsatte hypotesen om kontinentaldrift i begyndelsen af 1900-tallet. Wegener brugte flere beviser til at understøtte sin idé om, at kontinenterne engang var forenet i en superkontinent kaldet Pangæa og siden har bevæget sig væk fra hinanden: (1) ligheden i kontinenternes form, som om de engang passede sammen som brikkerne i et puslespil; (2) tilstedeværelsen af fossiler som Glossopteris, en fossil bregne, hvis sporer ikke kunne krydse brede oceaner, på de nu vidt adskilte kontinenter Afrika, Australien og Indien; (3) tilstedeværelsen af istidsaflejringer på kontinenter, der nu findes nær ækvator; og (4) ligheden i bjergarternes rækkefølge på de forskellige kontinenter. Return to top
Wegeners hypotese om kontinentaldrift blev ikke bredt accepteret, fordi han ikke havde nogen mekanisme til at forklare, hvordan kontinenterne bevæger sig. Ideen blev først genoplivet, da ny teknologi gjorde det muligt at udforske havbunden.
Sejbundsspredning I begyndelsen af 1960’erne fremsatte Princeton-geologen Harry Hess hypotesen om spredning af havbunden, hvor basaltisk magma fra kappen stiger op og skaber ny havbund ved mellemoceaniske rygge. På hver side af ryggen bevæger havbunden sig fra ryggen mod dybhavsgravene, hvor den subduceres og genanvendes tilbage i kappen (fig. 2). En test af hypotesen om spredning af havbunden blev leveret af undersøgelser af Jordens magnetisme.
Jorden magnetiske felt Jordens magnetiske felt Jordens magnetiske felt menes at opstå som følge af bevægelsen af flydende jern i den ydre kerne, når planeten roterer. Feltet opfører sig som om en permanent magnet befandt sig nær Jordens centrum, der hælder ca. 11 grader fra den geografiske rotationsakse (fig. 4). Bemærk, at magnetisk nord (som målt med et kompas) adskiller sig fra geografisk nord, som svarer til planetens rotationsakse.
Placeres en stangmagnet under et stykke papir med jernspåner på, vil der opstå et mønster, når spånerne retter sig ind efter det magnetfelt, som genereres af magneten. Jordens magnetfelt svarer til det, der genereres af en simpel stangmagnet. I øjeblikket er kraftlinjerne i Jordens magnetfelt arrangeret som vist i figur 4; den nuværende orientering af Jordens magnetfelt betegnes som normal polaritet. I begyndelsen af 1960’erne opdagede geofysikere, at Jordens magnetfelt med jævne mellemrum vender om, dvs. at den magnetiske nordpol bliver til sydpol og omvendt. Jorden har derfor oplevet perioder med omvendt polaritet, der har afvekslet med perioder (som nu) med normal polaritet. Selv om magnetfeltet vender i disse perioder, bevæger den fysiske Jord sig ikke og ændrer ikke sin rotationsretning.
Basaltiske lavaer indeholder jernholdige mineraler som magnetit, der fungerer som kompasser. Det vil sige, at når disse jernrige mineraler afkøles under deres Curiepunkt, bliver de magnetiseret i retning af det omgivende magnetfelt. Undersøgelser af gammel magnetisme (palæomagnetisme), der er registreret i bjergarter af forskellig alder, giver et billede af, hvornår Jordens magnetfelt vendte sin polaritet. Return to top
Under Anden Verdenskrig blev der udviklet følsomme instrumenter kaldet magnetometre for at hjælpe med at opdage stålskrogede ubåde. Da forskere brugte magnetometre til at undersøge havbunden, opdagede de et overraskende mønster. Målinger af magnetiske variationer viste, at der i mange områder var skiftevis bånd af sten med normal og omvendt polaritet, som var symmetrisk arrangeret omkring de midt-oceaniske rygge (Fig. 5).
I 1963 konkluderede F. Vine og D.H. Matthews, at når basaltisk magma stiger op for at danne ny havbund ved et midt-oceanisk spredningscenter, registrerer det polariteten af det magnetfelt, der eksisterede på det tidspunkt, hvor magmaen krystalliserede. Når spredningen trækker den nye oceaniske skorpe fra hinanden, bør striber af omtrent samme størrelse bæres væk fra ryggen på hver side (fig. 5). Basaltisk magma, der dannes ved de mellemoceaniske rygge, fungerer som en slags “båndoptager”, der optager Jordens magnetfelt, efterhånden som det vender om gennem tiden. Hvis denne idé er korrekt, skulle skiftende striber med normal og omvendt polaritet være placeret symmetrisk omkring de midt-oceaniske spredningscentre. Opdagelsen af sådanne magnetiske striber gav stærke beviser for, at spredning af havbunden finder sted.
Alderen af havbunden understøtter også spredning af havbunden. Hvis spredningen af havbunden fungerer, bør den yngste oceaniske skorpe findes ved højderyggene, og der bør findes gradvist ældre skorpe, når man bevæger sig væk fra højderyggene og hen mod kontinenterne. Dette er tilfældet. Den ældste kendte havbund er dateret til omkring 200 millioner år, hvilket indikerer, at ældre havbund er blevet ødelagt ved subduktion ved dybhavsgrave.
Det krævede udforskning af havbunden at opdage havbundsspredning, den mekanisme for kontinenternes bevægelse, som Alfred Wegener manglede. Hypotesen om kontinentaldrift fik fornyet interesse og førte, når den blev kombineret med spredningen af havbunden, til teorien om pladetektonik. Historien om kontinenternes bevægelse er et fantastisk eksempel på, hvordan hypoteser som kontinentaldrift og spredning af havbunden bliver grundigt afprøvet, før en ny teori opstår. For en oversigt over pladetektonikkens historie, se Tarbuck og Lutgens (1994). Tilbage til toppen
MATERIALER (Kilder angivet nedenfor)
Kort over havbunden
Kort over “This Dynamic Planet” map
Til hver elev:
2 ark 8,5 x 11″ ringbindspapir (karton til mapper kan bruges i stedet for papir for at lave en mere robust model)
saks
lineal
gennemsigtig tape
masking tape
farveblyanter eller farvekridt Forslag: Lav din egen model i forvejen, så du kan vise eleverne den, inden de laver deres modeller.
MATERIALEKUNDER
Kort over det arktiske, atlantiske, stillehavs- og indiske ocean kan fås hos National Geographic Society, Educational Services, P.O. Box 98019, Washington, D.C., 20090-8019; telefon 1-800-368-2728. Hvert kort koster $10.90.
Fra Fisher-EMD: (1) Fosforescerende kort over havbunden: måler 24″ X 24″ ($10.60); (2) kort i vægstørrelse over Mid-Atlantic ridge ($27.40). Bestilles hos Fisher Scientific-EMD, 4901 W. Lemoyne Street, Chicago, IL 60651; telefon 1-800-955-1177.
“This Dynamic Planet: World Map of Volcanoes, Earthquakes, and Plate Tectonics” måler 150 x 100 cm; udviklet af United States Geological Survey og Smithsonian Institution. Bestilles hos USGS Map and Book Distribution, P.O. Box 25286, Federal Center, Bldg… 810, Denver, CO 80225; telefon 303-236-7477. Prisen er $3.00. Return to top
PROCEDURE
Følg trinene på elevaktivitetsarkene. Eleverne kan måle placeringen af subduktionszonerne og den midtoceaniske ryg til deres model som vist i figur 1 i elevaktivitetsarkene, eller du kan give dem den medfølgende færdige skabelon. Du kan eventuelt kopiere skabelonen på mappe eller lignende karton for at få en mere robust model.
Modifikationer: For yngre børn kan man udelade forklaringen om magnetstriber og omvendt polaritet. Brug modellen til at vise dem dannelsen af ny havbund ved spredningscentre og forsvinden af gammel havbund ved subduktionszoner. Du kan evt. klippe papirmodellerne ud til eleverne på forhånd eller bruge en model, du selv har lavet, som demonstration for klassen.
Udvidelser: Hydrotermiske ventilationssystemer, kaldet black and white smokers, der findes ved oceaniske spredningscentre, er en af de mest spændende opdagelser, der er gjort i løbet af de sidste femten års havforskning. Disse smokers er steder med mineralforekomster og unikke økosystemer, der eksisterer i totalt mørke. Integrer en enhed om spredning af havbunden og havbundens topografi med biologi ved at lade eleverne undersøge de unikke væsner, der er forbundet med hydrotermiske slammsamfund. Nedenfor er der nogle forslag til referencer.
REFERENCER OG RESSOURCER
NSTA/FEMA, 1988, Tremor Troop Earthquakes: National Science Teachers’ Association, Washington, D.C.
Tarbuck, E. J. og Lutgens, F. K., 1994, Earth Science (7th ed.), Macmillan Publishing Company, p. 207-242.
Generelle oplysninger:
Yulsman, T., 1993, Charting Earth’s Final Frontier: Earth, vol. 2, no. 4 (juli 1993), s. 36-41. Omtaler kortlægning af vulkaner, forkastninger, kløfter og lavastrømme på havbunden ved hjælp af et side-scan sonar-apparat kaldet GLORIA (Geologic Long-Range Inclined Asdic).
Publikationen af almen interesse “Marine Geology: Research Beneath the Sea” fra United States Geological Survey giver en oversigt over de metoder og det udstyr, som havgeologer anvender til at undersøge havbunden. Pjecen beskriver undersøgelser af havbundens topografi, sedimenter og mineralressourcer. Bestil op til 50 gratis eksemplarer (brug skolens brevpapir) fra United States Geological Survey, Box 25286, Denver Federal Center, Bldg. 810, Denver CO 80225; telefon (303)236-7476.
Til yngre børn:
Cole, J., 1992, The Magic School Bus on the Ocean Floor: Scholastic, Inc, New York. Børnene i fru Frizzles klasse tager på en udflugt til den dybe havbund for at studere dyre- og planteliv, en varmtvandsspalte og et koralrev (for børn i folkeskolen).
Om dybhavshydrotermiske systemer:
Ballard, R. D. og Grassle, J. F., 1979, Incredible World of the Deep-sea Rifts: National Geographic, v. 156, No. 5 (Nov. 1979), s. 680-705.
Lutz, R. A. og Hessler, R. R., 1983, Life Without Sunlight – Biological Communities of Deep-Sea Hydrothermal Vents (Liv uden sollys – biologiske samfund i hydrotermiske dybhavsventiler): The Science Teacher, v. 50, No. 3 (marts 1983), s. 22-29.
Tunnicliffe, V., 1992, Hydrothermal-Vent Communities of the Deep Sea: American Scientist, v. 80 (juli-august, 1992), p. 336-349. Return to top
Videoer:
“Treasures of Neptune: Klondike on the Ocean Floor” ($149,00; 26 min). Ser på forholdet mellem pladetektonik og marine mineralforekomster; viser, hvordan havbunden bliver kortlagt, og ser på indvindingssystemer til marine ressourcer, herunder undervandsskovle og skovle og gigantiske “støvsugere”. Bestilles hos Films for the Humanities & Sciences, P.O. Box 2053; Princeton, N. J. 08543-2053; telefon 1-800-257-5126. “The Last Frontier on Earth” ($79,00; 26 min.). viser, hvordan forskere udforsker havbunden ved hjælp af Side Scan Sonar-kortlægning og dybvandsboring. Bestil fra: Brittanica Learning Materials, Customer Service, 310 South Michigan Avenue, Chicago, IL 60604-9839; telefon 1-800-554-9862.
“Physical Oceanography” (59,95 $; 19 min.). Beskriver metoder til udforskning af havene; oceanernes samspil med biosfæren, lithosfæren og atmosfæren for at skabe et unikt miljø; og de tre vigtigste karakteristika ved havene: deres kemi, topografi og vandbevægelser. Bestil hos Scott Resources, P.O. Box 2121K, Ft. Collins, CO, 80522; telefon 1-800-289-9299.
Slides:
“Undersea Exploration” ($16.00 for 22 dias). Dette sæt illustrerer undersøisk forskning ved hjælp af dybhavsdykkerfartøjer og fjernstyrede fartøjer til undersøgelse af riftsystemer på havbunden. Omfatter billeder af sortrøgere, rørorme og udstyr, der anvendes af oceanografer. Bestil fra American Geophysical Union, Attn: Orders, 2000 Florida Avenue, N.W., Washington, D.C. 20009; telefon 1-800-966-2481.
Nogle relaterede aktiviteter:
Modulet Crustal Evolution Education (CEEP), “How Fast Is the Ocean Floor Moving?” er udviklet af den nationale sammenslutning af geologilærere. I dette modul undersøger eleverne data fra sedimenter på havbunden, afgør, om dataene støtter teorien om spredning af havbunden, og beregner spredningshastigheden for East Pacific Rise. Andre CEEP-moduler med relation til havbunden omfatter: “Lithosfæriske plader og topografi af havbassiner”, “Mikrofossiler, sedimenter og udbredelse af havbunden”, “Bevægelse af Stillehavets bund”, “Et havbundsmysterium”, “Et havbundsmysterium: Kortlægning af polaritetsomvendinger” og “Plotting the Shape of the Ocean Floor”. Hvert af disse moduler kan fås som en klassepakke, der indeholder en lærervejledning og 30 undersøgelseshæfter til eleverne, og som koster 23,50 USD. Bestil hos Ward’s Natural Science Establishment, Inc., 5100 West Henrietta Road, P.O. Box 92912, Rochester, New York 14692-9012; telefon 1-800-962-2260.
GLOSSAR
asthenosfære en del af kappen, der ligger under lithosfæren. Denne zone består af let deformerbar bjergart og når i nogle områder op i en dybde på 700 km.
kontinentaldrift Den første hypotese, der foreslår store horisontale bevægelser af kontinenterne. Denne idé er blevet erstattet af teorien om pladetektonik.
konvergent pladegrænse en grænse mellem to lithosfæriske plader, der bevæger sig mod hinanden. Sådanne grænser markeres ved subduktion, jordskælv, vulkaner og bjergdannelse.
Curie-punkt den temperatur (ca. 580 grader C), over hvilken en sten mister sin magnetisme.
dybhavsgrave lange, smalle og meget dybe (op til 11 km) bassiner, der er orienteret parallelt med kontinenterne og er forbundet med subduktion af oceanisk lithosfære.
divergent pladegrænse en grænse mellem to plader, der bevæger sig væk fra hinanden; ny lithosfære dannes mellem de spredte plader.
lithosfære Jordens stive, yderste lag; omfatter skorpe og den øverste kappe og er ca. 100 km tyk.
midtoceanryg en sammenhængende bjergkæde på bunden af alle større havbassiner, som markerer det sted, hvor der dannes ny havbund, når to lithosfæriske plader bevæger sig væk fra hinanden.
normal polaritet et magnetfelt, der har samme retning som Jordens nuværende magnetfelt.
paleomagnetisme den permanente magnetisering, der er registreret i bjergarter, og som gør det muligt at rekonstruere Jordens gamle magnetfelt.
Pangaea eller Pangea det foreslåede “superkontinent”, der begyndte at bryde fra hinanden for 200 millioner år siden for at danne de nuværende kontinenter.
pladetektonik den teori, der går ud på, at Jordens lithosfære er opdelt i plader, der bevæger sig over et plastisk lag i kappen. Pladeinteraktioner producerer jordskælv, vulkaner og bjerge.
omvendt polaritet et magnetfelt med modsat retning af Jordens nuværende felt.
transform pladegrænse en grænse mellem lithosfæreplader, der glider forbi hinanden.
havbundsspredning en hypotese, der blev fremsat i begyndelsen af 1960’erne, om at der skabes ny havbund, hvor to plader bevæger sig væk fra hinanden ved mellemoceaniske rygge.
subduktionszone en lang, smal zone, hvor en lithosfærisk plade synker ned under en anden. Tilbage til toppen
En model for havbundsspredning
INDLEDNING: Dannelsen af ny havbund ved mellemoceaniske spredningscentre og dens ødelæggelse i subduktionszoner er en af de mange cyklusser, der får Jorden til at opleve konstante forandringer.
MÅL: Formålet med denne aktivitet er at lave en simpel model, der viser udviklingen af havbundskorpen gennem spredning af havbunden og subduktion.
MATERIALER:
2 ark 8,5″ x 11″ papir (1 af arkene kan erstattes af pap)
lineal
farveblyanter eller farvekridt
saks
gennemsigtig tape
afdækningstape
PROCEDURER: Hvis din lærer giver dig en færdig skabelon til denne aktivitet, skal du springe trin 1-4 over.
1) Læg et ark ringbindspapir, så den lange side er mod dig (fig. 1).
2) Tegn en lodret linje i midten af papiret med en højde på 11,5 cm, så der er 5 cm på hver side af linjen. Denne linje repræsenterer et midt-oceanisk spredningscenter (se figur 1).
3) Tegn en anden lodret linje til højre for centerlinjen, så den ligger 3 cm fra papirets højre kant. Denne linje repræsenterer en subduktionszone.
4) Tegn en tredje lodret linje til venstre for centerlinjen, således at den ligger 3 cm fra papirets venstre kant. Denne linje repræsenterer endnu en subduktionszone. Når du er færdig, skal dit stykke papir se ud som diagrammet i figur 1.
Mærk den midtoceaniske ryg og subduktionszonerne.
5) Klip med en saks de lodrette linjer af, så der bliver tre slidser på papiret, som alle er lige høje og parallelle med hinanden. For at forstærke de slidser, du har lavet, skal du lægge afdækningstape over hver slids og klippe slidsen ud igen gennem tapen.
6) På det andet ark papir tegner du 11 bånd, der hver er 2,54 cm (1 “brede) vinkelret på papirets lange kant.
7) Vælg en farve til at repræsentere normal polaritet og en anden til at repræsentere omvendt polaritet. Farvelæg skiftevis bånd for at repræsentere perioder med normal og omvendt polaritet. Farvelæg båndet længst til venstre som omvendt polaritet.
8) Skær papiret over på midten parallelt med den lange kant for at få to papirstrimler som vist i figur 2. Marker båndene på hver strimmel med pile for at angive skiftende perioder med normal (pil opad) og omvendt (pil nedad) polaritet. Tilbage til toppen
9) Før den ene ende af hver papirstrimmel gennem den spredte midterlinje på dit første stykke papir (se figur 3).
10) Træk hver papirstrimmel mod de slidser, der ligger nærmest papirets kanter (subduktionszonerne). Bind hver strimmel fast med tape, så der dannes en løkke som vist i figur 3.
11) Lad papirbåndene cirkulere (som repræsenterer havskorpen) for at simulere bevægelsen af havbunden fra det midt-oceaniske spredningscenter til subduktionszonen.
Start bevægelsen af båndene med bånd, der repræsenterer normal polaritet.
Spørgsmål:
1) Jorden er ca. 4,6 milliarder år gammel. På baggrund af observationer af din model for spredning af havbunden, hvorfor tror du så, at den ældste havbund kun er ca. 200 millioner år gammel?
2) På den virkelige havbund er de vekslende bånd med normal og omvendt polaritet ikke alle lige brede. Hvad fortæller dette dig om de tidslængder, som normal og omvendt polaritet repræsenterer?
