Evalueringsopgave i NF om Vulkaner

Side 1

HF Efterslægten September 2015

Vulkaner og Jordens opbygning

Evalueringsopgave i naturvidenskabelig faggruppe

Side 2

2

Indledning

I dagligdagen tænker vi ikke meget over det, men vores jordklode havde været et meget anderledes sted uden vulkansk aktivitet. Magmavulkaner spiller en væsentlig rolle for jordens opbygning og liver på jorden.

Derfor er det et meget relevant emne at beskæftige sig med. Denne tværfaglige opgave om jordens udvikling er skrevet ud fra problemformuleringen: Hvordan påvirker stoffer i magmavulkaner deres omgivelser?

Problemformuleringen behandles ud fra et kemisk, geografisk og biologisk synspunkt. I arbejdet med problemformuleringen har vi besvaret følgende problemstillinger:

Hvordan er Jorden opbygget?

Hvordan fungerer vulkaner?

Hvordan har vulkanudbrud påvirket livet på Jorden?

Hvordan er atomet opbygget?

Hvordan er vulkanproduktet SiO_{2} ´s beliggenhed i Jorden?

Jordens udvikling

~9,3 milliarder år efter "the Big Bang" opstår Jorden, ubeboelig og endnu ikke fysisk stabil.

Jorden blev dannet sammen med det øvrige solsystem ved at samle sig ud af en roterende sky af gasser og andre grundstoffer. Takket været kraftige radioaktive processer i jordens indre steg kernetemperaturen hurtigt og medførte kraftig vulkansk aktivitet. Ved en gradvis men kontinueret omsmeltningsproces af jordens litosfære og asthenosfære forvandlede magmaen sig med tiden fra at være jernrig og balsaltisk til at

være en mere kølig og siliciumdioxydrig magma, også kendt som surt/andesitisk magma. Den højere

viskositet medførte, at lavaen var koldere og mere fast ved overfladen, hvilket også lå til grund for, at vores første faste kontinenter opstod. Efter jordskorpedannelsen antages det, at jordens overflade hovedsageligt var dækket af aktive vulkaner og hav. De aktive undervandsvulkaners konstante udbrud medtog vigtige mineraler og næringsstoffer til overfladen inde fra jordens indre. ~ 1,7 milliarder år senere opstår det første liv på havets bund.

Kloden består af 4 sfærer, og yderste lag er jordskorpen.

Med en dybde på 10 - 60km består sfæren hovedsageligt af bjergarter, heraf en stor grad af Silicium(SiO )
                                                                                   2 .

Det sekundære lag er asthenosfæren, placeret under litosfæren. Dette er laget, som de tektoniske plader glider på. Med en dybde på 100 - 300km er temperaturen noget varmere og konsistensen af jordmaterialet er derfor blød og plastisk.

I det midterste lag er mesosfæren med en dybde på 300 - 2880 km, der desuden udgør 75-80% af jordens masse. Der fremkommer høje temperaturer og tryk i mesosfæren, hvilket medfører, at det højt opvarmede materiale er forholdsvis fast i sin konsistent.

I asthenosfæren foregår en voldsom energi udveksling med jordens indre kerne. Denne energiudveksling kaldes for "konvektionsstrøm" (bilag 2), og er resultatet af den kraftige varmeenergi. Denne opadgående energistrøm af varme bevæger sig i konstante cirkulationer bestående af opvarmet og nedkølet magma.

Bilag 1

Denne cirkulation betegnes som en "torus" og ses gentagende gange som et af universet fortrukne byggesten og figurer i de fleste kappelag (Bilag 1). Den varme magma bliver presset op mod asthenosfæren for at afgive energien, for derefter at søge ned igen efter nedkølingen og påbegynde cyklussen forfra.

Det inderste lag af jorden kaldes for den indre kerne og er en afrundet sfære hovedsageligt bestående af 4 komponenter:

Side 3

3

Svovl (S), krom(Cr), jern (fe), og nikkel (Ni). Denne kerne er ydereligere delt op i en indre og ydre kerne.

Den indre kerne er oval og strækker sig derfor fra km, med en gennemsnits temp. på 3650°. Da trykket er enormt, er denne massive metal sfære fast i sin konsistens, på trods af at jern smelter ved 1540°.

Den ydre kerne strækker sig fra 2900 – 5150 km i dybden, og er ca. 2.257 km tyk. Sfæren består ligeledes også af metal, men er til forskel for den indre kerne flydende. Dette skyldes at trykket er mindre, hvilket

giver jern sin omsmeltnings evne igen. Til sammen udgør de 1/3 af jordens vægt.

Konvektionsstrømmen er hovedårsagen til, at de tektoniske plader har rykket sig sammen og fra hinanden igen af flere omgange.

Den enorme varme fra jordens kerne søger opad der hvor trykket er lavest.

Denne varme bliver derefter overført til asthenosfæren, der ligeledes sender energi overskuddet op hvor trykket er lavest, det resulterer i et af de to udfald beskrevet herunder.

Varmen prøver at komme af med energien, med den konsekvens at de tektoniske plader optager energien og bevæger sig. Afhængigt af den tektoniske grænse kan den bevæge sige i 3 retninger (bilag 2). "Den destruktive pladegrænse" er definitionen på, at 2 tektoniske plader skubbes mod hinanden. Af denne bevægelse opstås såkaldte foldebjerge. Her kan bl.a. nævnes Himalayabjergkæden. Da de tektoniske plader der grænser op ved Himalaya konstant er under pres af asthenosfæren i den samme retning, vokser Himalaya bjergkæden stadig den dag i dag.

En anden retning, som 2 tektoniske plader kan bevæge sig hedder "den konstruktive pladegrænse".

Dette opstår, når 2 plader bevæger sig væk fra hinanden, og i stedet for foldebjerge opstår spredningszoner.

Den sidste retning, 2 plader kan bevæge sig på hedder "den bevarende pladegrænse", og er den mindst fatale. Dette er når de 2 tektoniske plader glider på langs af hinanden og dermed forskyder energien.

Konvektionstrømmen kan også afskille sig med sin overskydende energi ved at skyde det op mod overfladen ved spredningszoner i form af vulkaner.

Afhængigt af densiteten og dermed dybden af magmaen, skydes magma op til overfladen.

Denne magma bliver til lava og størkner ved overflade temperaturer. Ved størkneprocessen udvider lavaen sig gradvist op af i form af lag og

danner vulkaner. Den afgørende^{Bilag 2}

faktor for en vulkans opbygning er dens magmas densitet. Jo dybere magmaen stammer fra, desto varmere og mere flydende er lavaen ved overfladen. Ligeledes, jo mere jernholdig magmaen er, desto lavere er viskositeten ved overfladen. Lav viskositet skaber skjoldvulkaner der dækker et stort areal, men ikke bliver særligt høje. Hvis vulkanen i stedet får sin magma relativt tæt på jordens overfalde dannes keglevulkaner. Dette skyldes at magmaen omsmelter asthenosfærens højere lag og dermed fortynder sin basaltiske komponenter til en mere stenholdig blanding, hvad giver en højere mængde siliciumdioxyd. Det andesitisk magmas lavere densitet vises i form af høj viskositet ved overfladen hvor den er mere fast og kølig. Derfor får keglevulkaner ofte mulighed for at opnå større højder. Det er primært også derfor at alle aktive vulkaner, og mærkbare jordskælv, sker ved tektoniske pladegrænser hvor spredningszoner opstår.

Det første liv

Det første liv på jorden opstår først for 3,8 mia. år siden. Teorien om det første live på Jorden går på, at Jorden i en årrække er blevet bombarderet af meteorer som har medbragt vand, salt, forskellige kemikalier, aminosyrer og mineraler, som er essentielle for liv og som dannede havene og søerne. Småt mikroskopisk liv af encellede organismer begyndte, at udvikle sig på bunden af havene. De første celler på jorden var heterotrofe og fik derfor energi fra omgivelserne, herunder andre cellers organiske molekyler. Efterhånden

Side 4

4 som mængden af føde svandt ind, udviklede nogle af disse organismer, evnen til at få energi og omdanne

CO_{2} og H_{2} O til ilt, også kaldet fotosyntesen. Fotosyntese er en proces der foregår i plantecellernes grønkorn.

Under fotosyntesen omdannes CO2 og H2O til glukose og ilt.

Den kemiske reaktion starter først ved tilførsel af lysenergi og skrives 6CO2 + 6H2O + Lysenergi →
C6H12O6 (glukose) + 6O2.

Respiration foregår også i planteceller, men i en anden organel, mitokondrien. Ved respirationen omdannes glukose, ilt og adenosindifosfat til ATP(adenosintrifosfat), kuldioxid og vand.

Formålet med respirationen er, at skabe energi til optag af næringsstoffer som igen muliggør vækst.

Den frie ilt fra fotosyntesen blev udskilt til atmosfæren. Denne ophobning af fri ilt var en katastrofe for livet på Jorden. Næsten alt det daværende liv blev udslettet, da det ikke kunne tåle ilt, men samtidig dannede katastrofen grundlaget for de ilt-afhængige organismer, som i dag udgør næsten alt liv på vor planet.

Det første liv opstod i havene, da udvikling af liv på landjorden simpelthen ikke var muligt grundet abiotiske faktorer. Det er først for omkring 370 mio. år siden, at jordens overflade er stabil nok. Solens stråler har reageret med oxygen i atmosfæren og skabt ozonlaget, som beskytter mod radioaktive stråler fra solen.

Jorden har flere gange været udsat for massudryddelser af liv. Hver gang har livet rejst sig fra støvet. Der er mange teorier om årsagen til de forskellige masseudryddelser, men de fleste beskæftiger sig med stor vulkansk aktivitet. Man kender til i alt 5 masseudryddelser, og herunder er beskrevet 2 af de største:

For 250 mio. år siden skete den store Perm–Trias udslettelse, populært kaldet massedøden. Det var den største og mest alvorlige udryddelse af liv i jordens historie og førte til, at 96% af havets dyr og 70% af dyrene på landjorden uddøde. Da så megen biodiversitet blev mistet, tog det også væsentligt længere tid for jorden at komme sig end ved nogen anden masseudryddelse. En af teorierne til årsagen af massedøden går på, at stor vulkansk aktivitet kreerede en askesky som blokerede for solens lys og derved næsten

umuliggjorde fotosyntesen. Samtidig med dette tilførte udbruddene betydelige mængder CO til atmosfæren,
                                                                          2

hvilket øgede drivhuseffekten og derved temperaturen på jorden betragteligt.

For 65 mio. år siden blev jorden udsat for endnu en massudryddelse, Kridt-tertiær udslettelsen. Denne udslettelse dræbte omkring 50% af de landlevende dyr og dinosaurerne uddøde. Ifølge Impact-teorien skyldtes denne massedød et stort meteornedslag, som sendte støv op i atmosfæren. Støvet blokerede for solens lys i 1-2 år og sænkede temperaturen på jorden med ca. 20 grader. Modsat Impact-teorien, forklarer en konkurrerende teori udslettelsen med en række gigantiske vulkanudbrud.

Ved store vulkanudbrud udsendes en betydelig mængde støvpartikler og svovldioxid til den øverste del af atmosfæren - Stratosfæren. Ved meget store udbrud kan denne askesky sprede sig over hele jorden og reflektere solens lys, hvilket vil resultere i et fald i den globale temperatur. Samtidig med dette udsendes en masse Kuldioxid som bidrager til drivhuseffekten og dermed på længere sigt en temperaturstigning. Selvom vulkaner har skabt store naturkatastrofer er de uundværlige for livet på jorden. Meget tyder på at jordens atmosfære og til dels også havene er skabt af de luftarter og den vanddamp som vulkaner har frigjort fra jordens indre.

De er også den primære kilde til kuldioxid i atmosfæren, som hvis vi var foruden, ikke ville have drivhuseffekten. Dette ville betyde en kold og ubeboelig jordklode. Udbruddet fra en vulkan er også gavnligt for planterne og frodigheden på jorden. Asken hjælper plantens rødder med at holde på fugtigheden og frigiver grundstoffer som fosfor og kalium der giver næring til planterne.

Vulkaner har altså haft en afgørende betydning for, at livet har kunnet udvikle sig fra encellede organismer til mennesker.

Side 5

5

Atomets opbygning

Et atom består af en kerne med neutralt ladede neutroner og positivt ladede protoner. Rundt om kernen findes de negativt ladede elektroner, i lag vi fremover vil kalde for skaller. Der kan være 2 elektroner i den inderste skal og derefter 8,18,32, 32.. osv. men højest 8 i den yderste.

Antallet af protoner og elektroner bestemmer et given atoms egenskaber og dets muligheder for at indgå forbindelser med andre atomer ved kemiske reaktioner. Vi skelner som sagt mellem de forskellige atomer ved at bestemme antallet af protoner og elektroner og dele dem op i grundstoffer.

Antallet af protoner og elektroner i et grundstof er konstant, men antallet af neutroner kan variere.

Atomer med samme antal elektroner og protoner, men forskellige antal neutroner kalders isotoper.

De forskellige isotoper har samme egenskaber, men forskellig atommasse. ”Atommassen er

gennemsnits værdien af den naturligt forekommende isotopblanding, afrundet til 1 decimal. 1 u =
1/12 af massen af et 12C-atom (isis s. 13)”.

Grundstofferne har vi sat ind i Grundstoffernes Periodiske

System. De enkelte stoffers position i det periodiske system er bestem af antallet af elektroner, dvs.

nr 1, brint, har en elektron, nr 2, Helium, har to osv. Vi skelner også i mellem metaller og ikke-metaller.

Ydermere er systemet delt op i hovedgrupper nummereret fra 1-8, alle stoffer i en hovedgruppe

(udover Helium, der er i hovedgruppe 8 på trods af der kun er 2 elektroner i grundstoffet) har samme antal elektroner i yderste skal. Grunddstoffer i samme hovedgruppe, udover ædelgasserne i hovedgruppe 8, deler også den egenskab, at de mangler samme antal elektroner i yderste skal for at opfylde oktetreglen. Oktetreglen, eller ædelgasreglen, siger at ”Atomerne får en særlig stabil elektronstruktur, hvis de i yderste skal har: 2 elektroner (de første 5 grundstoffer), 8 elektroner (alle andre) (Isis s.29)”.

Det betyder at grundstofferne i gruppe 1-7 vil reagere med andre atomer med det formål, at komme til at emulere den ædelgas der ligger i samme periode. Ved en kemisk reaktion binder 2 eller flere atomer sig med hinanden. To metaller der reagerer med hinanden danner et molekyle, det samme gælder for to ikke-metaller, et metal og et ikke-metal danner salte – ion-bindinger.

Ved en kemisk reaktion kan grundstofferne ændre form og gå fra solid(s) til liquid(l) til gas(g) eller aqua(aq), men reglen om massebevarelse siger at der aldrig kan forsvinde atomer.

Densitetsbestemmelse af SiO2 – Forsøg

Formålet med forsøget er, at undersøge vulkanproduktet SiO2´s densitet med henblik på, at bestemme dets beliggenhed i Jorden ved at sammenholde densiteten for SiO2 med densiteten fra jordens forskellige sfærer.

Materialer: bægerglas (100ml), målekolbe, SiO2, vægt, vand.

Vi vejede vores SiO2(9,1g) og hældte den derefter i en målekolbe med 50 ml vand.

Herefter målte vi igen volumen af målekolben der nu var steget til 54 ml.

Det betyder, at 9,1g SiO2 fylder 4ml. Det viser at SiO2 har en densitet på 2,2g/ml.
Densiteten på 2,2g/ml stemmer overens med lithosfærren og vi kan derfor konkludere, at SiO2

befinder sig i de yderste af jordens sfærer.

Vi har efterfølgende undersøgt den faktiske densitet af SiO2 og fundet ud af, at den er på

2,65g/cm3.

Bilag 4 Bilag 3

Side 6

6

Fejlkilder:

Sten i SiO2.

Uperfekt overførsel af SiO2 fra bægerglas til målekolbe. Upræci vejning og opmåling.

Konklusion

Stofferne som magma og udbrud fra vulkaner frigiver fra jordens indre, har haft stor indvirkning på jorden.

Vulkanisme har bidraget med at forme og udvikle planeten jorden igennem hele dens eksistens. Landskabet, livet og atmosfæren er alle blevet påvirket af den vulkanske aktivitet. Lige fra dannelsen af kontinenter til spredning af næring og massedød.

Havde der ikke været vulkaner på jorden, ville mennesket højst sandsynligt ikke eksistere i dag.

Kildeangivelse

http://vulkaneksperten.dk/ https://da.wikipedia.org/wiki/Forside
http://www.global-klima.org/
ISIS kemi C 2005-6 - Kim Bruun, Karsten Ulrik Jensen, Søren Munte, Hans Birger Jensen & Systime A/S

Biologi til tiden 2012 - Lone Als Egebo, Paul Paludan-Müller, Kresten Cæsar Torp, Steen Ussing og Nucleus Forlag ApS.

Bilag 3: https://nf.systime.dk/index.php?id=198

Bilag 1: http://denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Fysik/Fluid_dynamik/konvektion

Bilag 2: http://www.geografifaget.dk/natur/jordens-opbygning/pladetektonik/pladegraenser/