297
з історії

132
учня

72
для 11 классу

244
відкореговано


Вашій увазі

415
кейсів
Останнє оновлення:
24.01.2017


Кейс - урок «Мировой океан – океан возможностей»
Кейс - урок «Мировой океан – океан возможностей»

Раздел: Науки, природа и человек

Уровень (класс): 9+

Тема: Природные явления, география и окружающая среда

Цель: Освоить информацию о морях и океанах, увидеть их в новом ракурсе, научиться находить креативные подходы в решении сложных проблем.

 

Какая информация меня здесь ждет?

  • Какие химические вещества наиболее распространены в Мировом океане и почему?
  • Как рассчитать скорость цунами и высоту морских волн? Какую энергию они в себе несут?
  • Можно ли получать нефть из морской воды?
  • Какие экологические опасности таят воды Мирового океана?
  • Сколько стоит пресная вода?
6 разверток по предметам, явлениям и практикам:
Вступление

Мировой содержит в себе большую часть необходимых элементов. Другое дело, что не так просто научиться их извлекать. Кроме веществ, океан несет в себе колоссальный поток энергии. И тут тоже только предстоит научиться ее трансформировать в электроэнергию. Он таит в себе тысячи новых видов живых существ. Главное – научиться их находить и беречь. Он – ключ к планетарному климату, и главное – научиться этим ключом правильно пользоваться. Понимание процессов Мирового океана – дает также возможности, которые в будущем, возможно, будут обеспечивать нашу цивилизацию необходимыми ресурсами.

 

 

 

Химия

Океан – это огромный биохимический завод, сырьем которому служит минеральный и органический сток суши, космическая пыль, продукты жизнедеятельности и отмирания живых организмов самого океана. К тому же океан имеет бесплатные источники энергии: энергию Солнца (свет и тепло), энергию приливов и геотермальная энергию (внутреннее тепло Земли).

К настоящему времени в морской воде обнаружено 49 химических элементов. Среди них: алюминий, йод, медь, цинк, свинец, олово, уран, марганец, торий, ртуть, серебро, золото, радий и другие. Содержание 40 из 49 элементов настолько мало, что в сумме они составляют всего 0,02 г на 1 кг воды. Однако главное – это соли. Так как соотношение между главнейшими солями в морской воде постоянное, для определения общей солености морской воды находят содержание в ней хлора и полученную величину умножают на 1,81. Океанская вода - это многоэлементный раствор, и к тому же питательный раствор.

 

 

Среди присутствующих в океанской воде элементов есть и радиоактивные.

 

 

 

Соленый вкус морской воды обуславливают неорганические вещества, и самая главная особенность этого солевого раствора – постоянство состава. Соотношение солей (по составу) остается постоянным всегда. При этом сама соленость воды может быть выше или ниже в зависимости от географической широты или глубины вод.

 

Соленость вод мирового океана (промилле)

Единица измерения солености вод – промилле «‰». Это количество твёрдых веществ в граммах, растворённое в 1 кг морской воды.

У экватора, благодаря обильным дождям и сравнительно незначительному испарению, соленость океана несколько ниже. На широте около 20° как северной, так и южной, где испарение велико, соленость увеличивается. В умеренных широтах дождей становится больше, испарение - меньше, а соленость в итоге уменьшается. Например, в Красное море не впадает ни одна река, и здесь почти не бывает дождей, поэтому соленость воды в нем достигает 40-41 ‰. В Черном море, в которое впадают многоводные реки, соленость поверхностного слоя воды 17-18 ‰, в Белом море - 25-26 ‰, в Балтийском море – всего 3-4 ‰. С глубиной соленость воды в океане несколько повышается.

Постоянство солевого состава вод мирового океана ученые объясняют двумя гипотезами.

 

 

Состав солей океанской воды, по сравнению с речной, таков:

 

Кроме минеральных, неорганических примесей, океанская (морская) вода содержит примеси органические. Они представлены, с одной стороны, продуктами жизнедеятельности и разложения отмерших животных и растений, с другой – органические веществами попадающие со стоком. Взвешенное органическое вещество называется детрит, а растворенное – гумус. Детрит и органическая слизь иногда образуют на поверхности моря хорошо заметные пленки и полос и пены.

 

 

Сцепление детрита с бактериями, органической слизью и фитопланктоном образует в толще воды хлопья «морского снега», который приходилось наблюдать океанавтам, погружавшимся в море в батискафах.

Воды мирового океана содержат также растворенные газы. Они представлены соединениями азота, кислорода и углерода. Количество газообразных соединений азота невелико, поэтому и его роль мала. Его используют только нитрифицирующие донные бактерии.

Кислород, наоборот, имеет огромное значение. Кислород поступает в воду из воздуха и от растительных организмов, выделяющих его в процессе фотосинтеза при разложении углекислоты. Расходуется кислород на дыхание организмов и на окисление отмершего органического вещества. В периоды интенсивного развития фитопланктона или, как говорят океанологи, в период его «цветения» (хотя фитопланктон, конечно, не цветет), вода в поверхностных слоях океана бывает даже перенасыщена кислородом. В это время некоторая его часть выделяется в атмосферу.

 

По мере увеличения глубины содержание растворенного кислорода в морской воде уменьшается. На некоторых глубинах, примерно в слое 400-800 м, во всех океанах и особенно в Индийском океане наблюдается довольно резкое понижение содержания кислорода в воде. Предполагается, что в этом слое происходит интенсивное потребление кислорода при окислении отмершего органического вещества. Ниже этого слоя содержание кислорода опять повышается, а затем ко дну снова понижается.

В некоторых районах океана на окисление гумуса расходуется весь кислород, содержащийся в воде. Тогда бактерии начинают потреблять кислород серных соединений (сульфатов) и выделяют при этом газ сероводород. Именно такое явление известно во впадине Кариако в Карибском море и в Черном море, где с некоторой глубины и до самого дна простирается сероводородная зона, в которой отсутствует всякая жизнь, если не считать сероводородных бактерий. Годовой расход кислорода на окислительные процессы в океане составляет 35 млрд. т.

Еще одним химическим свойством морской воды является бактерицидное действие. Морская вода губит даже стафилококки, на которые не действует пенициллин. Некоторые бактерии погибают в морской воде в течение 24 часов.

Вопрос:


Какая из двух гипотез, объясняющих постоянство солевого состава морской воды, кажется вам правильной? Почему?

 

Физика

Одно из физических явлений, с которыми у нас ассоциируются моря и океаны – волны. Однако, ветровые морские волны и волны-цунами отличаются своими физическими характеристиками.

Ветровые волны. Первые измерения волн Средиземного моря сделал в 1725 году итальянский ученый ЛуиджиМарсильи.

 

В начале ХХ века измерение высоты волн начали производить с помощью очень чувствительного барометра (альтиметра). Этот прибор точно регистрирует подъем и опускание судна на волнах, но он, к сожалению, ощущает также и всякие помехи, в частности перепады барометрического давления, которые быстро наступают и неоднократно повторяются при сильном ветре.

Гораздо точнее реагируют на волнение манометры, лежащие на дне. При прохождении волны давление над прибором меняется, а сигналы по проводам поступают на сушу или регистрируются прямо на дне самописцем. Таким способом можно измерять высоту волн только на мелководье, где глубина сравнима с высотой волн. На больших глубинах в соответствии с законом Паскаля давление выравнивается, и с увеличением глубины все меньше зависит от высоты волн. В наши дни волны изучаются с помощью сложных и очень точных приборов, действующих автоматически и выдающих информацию в виде столбцов готовых цифровых данных. 

В тайфунах Тихого океана отмечены грандиозные волны тридцатиметровой высоты.

Человеку, стоящему на палубе судна в бушующем море, волны кажутся очень крутыми, нависающими подобно стенам. На самом деле они пологие. Обычно длина волны в 30—40 раз больше ее высоты, лишь в редких случаях соотношение высоты волны к ее длине равно 1:10. Таким образом, наибольшая крутизна волн в открытом море не бывает больше 18 градусов.

Длина штормовых волн не превышает 250 метров. В соответствии с этим скорость их распространения достигает 60 километров в час. Волны зыби, как более длинные (до 800 метров и более), катятся со скоростью около 100 километров в час, а иногда и еще быстрее.

Строго говоря, с такой скоростью перемещается не водная масса, образующая волну, а лишь ее форма, точнее энергия волны. Частица воды в волнующемся море совершает не поступательные, а колебательные движения, и это иногда вводит наблюдателя в заблуждение.

 

Колеблется она одновременно в двух направлениям. В вертикальной плоскости ее колебания объясняются различием в уровнях между гребнем волны и ее подошвой. Они возникают под воздействием гравитационных сил. Но так как при опускании гребня до уровня подошвы вода отжимается в стороны, а при его вздымании возвращается на прежнее место, то частице воды невольно совершает колебательные движения также и в горизонтальной плоскости. Сочетание того и другого движений приводит к тому, что фактически частицы воды движутся по круговым орбитам, диаметр которых у поверхности равен высоте волны. Точнее, они описывают спирали, поскольку под воздействием ветра вода получает также и поступательное движение, благодаря которому, как было сказано, возникают морские течения.

Колебательные движения частиц воды быстро убывают с глубиной. Когда высота волны равна 5 метрам (средняя высота волн при шторме), а длина 100 метрам, то уже не глубине 12 метров диаметр волновой орбиты водных частиц равен 2,5 метра, а на глубине 100 метров — всего 2 сантиметра.

Особый вид волны – цунами.

 

Волны цунами относятся к длинным волнам. Расстояние от гребня к гребню (длина волны) значительно превосходит глубину океана.

Цунами и приливы отличаются от обычных ветровых (штормовых) волн и морской зыби. Ветровое волнение затрагивает лишь верхний слой океана, на глубине 50 м волнение уже не ощущается. А приливы и течения, вызванные волной цунами, вовлекают в движение всю водную массу – от дна до поверхности.

Скорость распространения волны цунами определяется глубиной океана H и ускорением свободного падения g:

 

Если жидкость бесконечно глубокая, единственная величина, имеющая линейный размер, это длина волны. Другой физический параметр – это гравитационная постоянная g (9,81 м/с2), обеспечивающая возвращающую силу при колебаниях частиц воды. Других физических параметров, влияющих на скорость, нет.

 

Специалисты службы оповещения о волнах цунами, получив сведения о сильном подводном землетрясении (положение эпицентра), рассчитывают время подхода волны к берегу по формуле, учитывающей координаты точки на карте глубин (x и y).

 

Как и все виды волн (звук, свет, радиоволны), цунами испытывает затухание, отражение, преломление и рассеяние.

Затухание волн. В открытом океане с ровным дном энергия волны затухает как 1/r, где r – расстояние от источника. Соответственно амплитуда (высота) волны уменьшается как обратно пропорционально. Также волна испытывает затухание за счёт рассеяния на неоднородностях рельефа дна.

Отражение. Отражение волны от крутого берега приводит к удвоению её амплитуды на берегу. Если амплитуда набегающей волны 5 м, то при отражении на линии берега высота составит 10 м. Коэффициент отражения от берега-стенки близок к 1. Однако, если берег покатый, при выходе волны на мелководье происходит обрушение гребня.

Когда высота волны a сравнима с глубиной воды H, разница между скоростями движения «подошвы» волны и её гребня становится существенной.

Скорость движения вершины волны равна:

 

Вершина волны догоняет подошву. Естественно, после этого коэффициент отражения становится существенно меньше единицы. Волновая энергия в этом случае расходуется на трение в бурлящем потоке.

Преломление. В роли коэффициента преломления для волн цунами выступает скорость. Чем меньше глубина воды, тем скорость распространения меньше. Соответственно «луч» цунами всегда загибается в сторону мелководья. Особенности топографии дна могут создавать дополнительные эффекты. На шельфе, глубина которого в среднем 200 м, могут образовываться так называемые «захваченные» волны.

 

Энергия цунами. Энергия, которую несут волны цунами, поддается оценке. Во время землетрясения над очагом формируется начальное смещение поверхности океана. Считается, что вся энергия цунами в этот момент представлена в виде потенциальной энергии поднятия столба жидкости над очагом.

Средняя высота смещения поверхности океана обозначается через a. Тогда потенциальная энергия выразится формулой:

 

Для мощных землетрясений типичными размерами источника считаются размеры 1000 км на 1000 км.  

 

Для источника со средней высотой смещения поверхности a = 0,5 м получается примерно 1014 Дж, что равняется энергии бомбы, взорванной в Хиросиме. 

Вопрос:


С какой скоростью будет двигаться волна цунами на глубине 2500 м?

Технологии

Фраза «Мировой океан – океан технологий» – вполне справедливая фраза. Технологии можно разделить на тривиальные (те которые используются относительно давно) и инновационные. К тривиальным технологиям можно отнести добычу нефти и газа с морских и океанических шельфов.

Добыча нефти и газа.

 

Добыча нефти и природного газа в акваториях Мирового океана имеет уже довольно длительную историю. Примитивными способами морскую добычу нефти вели еще в XIX в. в США (в Калифорнии) и в Японии. Начало же действительно быстрого роста морской добычи нефти и газа относится к 1960-м гг.

Объемы известных морских запасов нефти колеблются в пределе 240-300 млрд. тонн, а современная добыча составляет только 25% процентов известных месторождений. Общий объем запасов нефти указан из расчета разведанных месторождений, в настоящий момент исследовано только около 2% территории континентальных шельфов.

Аквакультура. Это разведение и выращивание водных организмов (рыб, ракообразных, моллюсков, водорослей) в естественных и искусственных водоёмах, а также на специально созданных морских плантациях. Аквакультура, в частности разведение пресноводных рыб, насчитывает около 4тыс. лет. В Китае около 3750 лет тому назад уже были пруды для разведения рыбы.

 

 

Вполне возможно, что дальнейший рост рыболовной отрасли будет обеспечиваться главным образом за счет аквакультуры.

В некоторых случаях, аквакультура позволяет снизить пресс браконьерства на дикие популяции, развивать спортивное рыболовство. Кроме того, произведенная в рыбохозяйствах черная икра и выращенные осетры являются единственной законной альтернативой добытой браконьерами икры и рыбы.

К инновационным технологиям можно смело отнести энергетику «приливно-отливного типа», получение топлива из морских водорослей, добычу некоторых химических элементов из морской воды.

Приливная электростанция (ПЭС) — особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов (кинетическую энергию вращения Земли). Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 18 метров.

 

Получение топлива из морских водорослей. Исследования в этой области ведутся в разных странах. Например, Тихоокеанская национальная северо-западная лаборатория Министерства энергетики США разработала новый способ превращения водорослей в нефть. Процесс, занимающий в природе миллионы лет, в специальном химическом реакторе проходит менее, чем за час. Для получения энергии нужны лишь зеленые водоросли и нагретая до определенной температуры пресная вода.

Для такого превращения водорослей необходим лишь простенький химический реактор, работающий по принципу обычной скороварки. Сначала в него загружают водоросли, а потом подают горячую воду под высоким давлением 20,7 МПа с температурой в 350 градусов. Эта технология не предусматривает сушку водорослей: допускается содержание в них воды до 90% от общей массы.

Результатом химической реакции между компонентами водорослей и водой становится чистая нефть, которая может легко перерабатываться в бензин на уже существующих заводах. Продолжительность одного цикла – 45-50 минут.

 

 

Кроме того, в качестве побочного продукта, вырабатывается биогаз, который можно использовать для получения метана или сжигать для подогрева реактора.

Добыча химических элементов из морской воды.

Кроме огромного количества солей, в водной толще океана хранится столько цветных металлов, что запасы всех месторождений земного шара по сравнению с ними ничтожны.

 

В свою очередь, запасы пресной воды на Земле уменьшаются. Один из вариантов решения этой проблемы – опреснение морской воды. При этом концентрат морской воды – ценный источник сырья для получения металлов.

 

Извлечение металлов из концентрата осуществляется как при помощи сорбции ионообменными материалами (материалы, «пропускающие», связывающие определенные молекулы), так и при помощи специальных бактерий – биотехнологический метод.

Каждый год приносит новые технологии использования вод Мирового океана. При этом важным становится соблюдение экологических законов-принципов, известных как «ЗАКОНЫ КОММОНЕРА». Их сформулировал Б. Коммонер, еще в 1970 г. И свою актуальность они не потеряют до тех пор, пока будет осуществляться человеческая хозяйственная деятельность:

 

Вопрос:


Согласны ли вы с этими законами-принципами? Приведите примеры из своей жизни или из своих наблюдений.


 Экология

Говоря о морях и океанах, к великому сожалению, невозможно не затронуть тему загрязнения окружающей среды и экологических катастроф из-за техногенной нагрузки на Мировой океан. А, учитывая, что Мировой океан огромная и сложная биогеохимическая система, воздействие на любом уровне (воды морей, рек, атмосферные осадки, подземные воды) неизбежно влияет на всю систему в целом. Самый яркий и уже ставший классикой пример: в период «моды на пестициды» повсеместное использование ДДТ привело к тому, что этот ядохимикат был обнаружен даже в крови пингвинов Антарктики.

 

Но органические вещества различных групп так и продолжают поступать в воды Мирового океана. А, учитывая присутствие ионов хлора в океанической воде, это приводит к еще более токсичному вторичному загрязнению – загрязнению диоксинами.

 

Для Мирового океана, как и для любой сложной системы, характерно действие закона Эшби: «управляющая» система всегда сложнее «управляемой», но изменение части изменяет целое.

Техногенное воздействие на окружающую среду можно классифицировать как по типу (физическое, химическое, биологическое) так и по «происхождению» ( стоки, загрязнение от водного транспорта, захоронение отходов).

 

Загрязнителем экосистемы является полютант, который в нее может попадать как со сточными водами предприятий, так и с атмосферными осадками, а также может быть следствием аварий при шельфовой газо- и нефтедобычи, и при транспортировке нефти.

 

 

 

 

Физическое загрязнение представлено, прежде всего, тепловым загрязнением. Возникает в результате сброса нагретых сточных вод электростанций и некоторых производств (повышает температуру на 6-8 градусов Цельсия). Площадь таких пятен может достигать 30 кв. км. Это мешает водообмену, снижает растворимость кислорода на фоне повышения его потребления. Запускается механизм гипоксии (кислородное голодание) у водных организмов, что может привести к мору.

 

Механическое загрязнение – «мусорные пятна». На данный момент известны пять больших скоплений «мусорных пятен» — по два в Тихом и Атлантическом океанах, и одно — в Индийском океане. Данные мусорные круговороты в основном состоят из пластиковых отходов, образующихся в результате сбросов из густонаселённых прибрежных зон континентов.

 

Для защиты вод Мирового океана принимают ряд мер, включая очистку акваторий, мониторинг (в том числе глобальный), законодательную регуляцию водоохраны (внутренних вод также).

 

Искусство

Океан всегда был притягателен для художников. Волны, корабли, закаты, моряки - все это часто было темой изобразительного искусства. Синий, бирюзовый, голубой, ультрамарин, электрик, индиго, белопенный – вот далеко не полный перечень красок, которыми играют волны на картинах художников-маринистов.

Марина – это жанр изобразительного искусства, изображающий морское сражение или морской вид или как разновидность пейзажа. В качестве самостоятельного вида пейзажной живописи выделился в начале XVII века в Голландии. Пример марины голландского художника – картина « Христос во время шторма на море Галилейском» (1633 г.) Рембрандта.

 

 

Самые известные художники – маринисты Уильям Тернер и Иван Константинович Айвазовский.

Знаменитый «Девятый вал» Айвазовского:

 

Айвазовский изобразил море, еще не успокоившееся после неистового ночного шторма, и людей, потерпевших крушение в океане. Лучи восходящего солнца освещают катящиеся волны:  верхняя часть полотна написана в пурпурно-фиолетовых и золотых тонах – так окрашивают небо, проходя через клубящиеся, похожие на туман, облака, первые лучи солнца. Самая большая из них – девятый вал – снова готова обрушиться на людей. Поэтому художник изобразил тревожное море в сине-зеленых тонах, гребни волн которого переливаются всеми цветами радуги. С замечательным мастерством и силой передано Айвазовским великолепие волнующегося моря. На полотне все находится в движении, и море вместе с вздымающимися и тяжело обваливающимися волнами кажется по-настоящему «живым».

Одна из наиболее известных картин Уильяма Тернера «Последний рейс корабля «Отважный»:

 

Во Франции существует официальное звание художника Морского флота, присваиваемое министром обороны выдающимся художникам-маринистам. Звание может быть присуждено не только художникам, но также фотографам, иллюстраторам, гравёрам и скульпторам.

Бизнес

Рассмотрим вариант установки, способный опреснять 35 куб. м морской воды в сутки. Типовая опреснительная установка для вод Черного или Азовского морей будет включать в себя:

 

Особенностями ее эксплуатации будут:

• необходимость пополнения запасов реагентов;

• замена фильтрующих элементов (мешки и наполнители);

• замена мембран.

 

Стоимость эксплуатации такой установки составит 16383,5 грн. в месяц. При производительности 35 куб. м в сутки стоимость 1 куб. м опресненной воды составит 15,6 грн.

Подведение итогов кейс-урока

Наименование

Содержание

1

Результаты кейс - урока можно дополнить такими находками учеников

 

2

Какие 3 сайта помогли найти важную информацию?

http://edufuture.biz/

http://galspace.spb.ru/index41.html

http://geo.koltyrin.ru/morja.php

 

3

В помощь ученику и коучу:

http://edufuture.biz/

http://www.okeanavt.ru/taini-okeana/1069-himia-okeana.html

http://www.oceanographers.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=37&Itemid=148

http://www.grandars.ru/shkola/geografiya/voda-mirovogo-okeana.html

http://www.seapeace.ru/oceanology/water/13.html

4

Где брать информацию для кейса:

http://edufuture.biz/

Химия: http://www.okeanavt.ru/taini-okeana/1069-himia-okeana.html

http://www.oceanographers.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=37&Itemid=148

http://underwater.su/books/item/f00/s00/z0000041/st004.shtml

http://www.grandars.ru/shkola/geografiya/voda-mirovogo-okeana.html

http://www.seapeace.ru/oceanology/water/13.html

Физика: http://fiz.1september.ru/articlef.php?ID=200501107

http://www.fao.org/aquaculture/ru/ аквакультура

http://ria.ru/nature/20100707/252716700.html#ixzz3p1MPYPSx

http://ekolog.org/books/2/3.htm

Технологии: :http://www.rosbalt.ru/style/2015/03/13/1377333.html

Бизнес http://aqua-just.com/stati/sebestoimost-opresnennoy-vodi.html

Экология: http://www.ecosystema.ru/07referats/oceans.htm

 

5

Локация проведения кейс - урока:

Кейс - урок проходит в классе. Возможно проведение в музее, библиотеке.

6

Соревновательность:

Команды мальчиков и девочек.

Счет составил:….

Задания для них:

1. Какая из команд назовет большее количество химических элементов и соединений, присутствующих в морской воде?

2. С какой скоростью будет двигаться цунами в желобе Тонга, если его глубина составляет 10.882 м?

7

Домашнее задание:

Сформулировать по пять вопросов к материалу кейса (индивидуальное задание).

8

Продолжительность:

90 мин (спаренный урок)

 

9

Возможность схемы проведения с учеником-дублером

 

возможно

10

Полученные знания и наработанные компетенции:

Умение быстро найти необходимую информацию по теме;

Получение практических навыков применения полученной информации.

Получение конкретных знаний по математике, физике, химии, географии, технологии и других разделов (приведены в развертках).

11

Теги:

тяжелые металлы, соли, биогеохимический цикл, волна, аквакультура, приливные электростанции, течения, подводные хребты, планктон, опреснение

12

Авторы:

Грабовская Лариса Леонидовна

13

Принимали участие в апгрейде кейса:

 

 

 

The End

«Знання завжди повинні бути свіжими!»

Цікаві факти

Протягом життя у людини виділяється така кількість слини, що нею можна заповнити два басейни середньго розміру.

Знайшли помилку? Виділіть текст та натисніть Ctrl + Enter, ми будемо Вам дуже вдячні!

Знайшли помилку? Виділіть текст та натисніть Ctrl + Enter, ми будемо Вам дуже вдячні!