Sisällys Maan aarteet 7 1 Planeetta kuin aarrearkku...8 Maan aarteet 6 2 Kallioperä koostuu kivilajeista...12 3 Kivet 1 rakentuvat Planeetta mineraaleista kuin aarrearkku...16...8 4 Maaperä 2 Kallioperä koostuu koostuu maalajeista kivilajeista...20...12 5 Ihminen 3 Kivet hyödyntää rakentuvat Maan mineraaleista aarteita...24...16 6 Luonnonvarat 4 Maaperä...28 koostuu maalajeista...20 5 Ihminen hyödyntää Maan aarteita...24 6 Luonnonvarat...28 Raaka-aineesta tuotteeksi 35 7 Seos ja puhdas aine...36 Raaka-aineesta tuotteeksi 34 8 Seoksen aineet voidaan erottaa...40 9 Malmista 7 Seos metalliksi ja puhdas...44 aine...36 10 Öljystä 8 Seoksen muoviksi aineet...48 voidaan erottaa...40 11 Tuotteiden 9 Malmista elinkaari metalliksi...52...44 12 Kierrätys 10 Öljystä ja ongelmajätteet muoviksi...48...56 11 Tuotteiden elinkaari...52 12 Kierrätys ja ongelmajätteet...56 Sähköllä valoa, lämpöä ja liikettä 60 13 Virtaa piirissä...62 14 Sarjakytkennässä yksi virtapiiri...66 15 Rinnankytkennässä monta virtapiiriä...70 16 Magnetismi..74 17 Sähköllä liikettä liikkeestä sähköä...78 18 Sähkön käytössä tervettä järkeä...82 19 Hankaamalla sähköiseksi...86 4
Sähköllä valoa, lämpöä ja liikettä 61 13 Virtaa piirissä...62 14 Sarjakytkennässä yksi virtapiiri...66 15 Rinnankytkennässä monta virtapiiriä...70 Energia arjessa 90 16 Magnetismi..74 17 Sähköllä 20 liikettä Energia liikkeestä ei häviä sähköä...92...78 18 Sähkön 21 käytössä Miten tervettä sähköä järkeä...82 tuotetaan?...98 19 Hankaamalla 22 Miten sähköiseksi generaattoria...86 pyöritetään?...102 23 Energiaa säästämään...106 Energia arjessa 91 Liitteet 20 Energia ei häviä...92 21 Miten sähköä tuotetaan?...98 Tarvikelista 110 22 Miten generaattoria pyöritetään?...102 Monisteet ja kalvot (1.1 23.1)...111 23 Energiaa säästämään...106 Monisteiden vastaukset...159 Työkortit (1 15)...164 Työkorttien opettajan ohjeet...171 Itsearviointien ohjesivu...174 Itsearvioinnit...175 Kokeet...180 Vaihtoehtoisia koetehtäviä...188 Kokeiden ja vaihtoehtotehtävien vastaukset...193 5
Maan aarteet Tavoitteet Jakson tavoitteet Oppilas oppii työskentelemään ja liikkumaan turvallisesti itseään ja ympäristöään suojellen sekä noudattamaan annettuja ohjeita tekemään havaintoja ja mittauksia, etsimään tietoa tutkittavasta kohteesta sekä pohtimaan tiedon luotettavuutta tekemään johtopäätöksiä havainnoistaan ja mittauksistaan sekä tunnistamaan luonnonilmiöihin ja kappaleiden ominaisuuksiin liittyviä syy-seuraussuhteita tekemään yksinkertaisia luonnontieteellisiä kokeita, joissa selvitetään ilmiöiden, eliöiden, aineiden ja kappaleiden ominaisuuksia sekä niiden välisiä riippuvuuksia käyttämään luonnontieteellisen tiedon kuvailemisessa, vertailemisessa ja luokittelussa fysiikan ja kemian alaan kuuluvia käsitteitä. Keskeiset sisällöt Energia ja sähkö erilaisia sähkön ja lämmön tuotantotapoja sekä energiavarat Luonnon rakenteet kitka sekä erilaisista voimista aiheutuvia liike- ja tasapainoilmiöitä Aineet ympärillämme maaperästä saatavien aineiden luokittelu sekä aineiden erotusmenetelmiä elinympäristöön kuuluvien aineiden ja tuotteiden alkuperä ja käyttö. Jakson toteutus Maan aarteet (arvio 8 oppituntia) 1. Planeetta kuin aarrearkku (1 ot) 2. Kallioperä koostuu kivilajeista (1 ot) 3. Kivet koostuvat mineraaleista (2 ot) 4. Maaperä koostuu maalajeista (2 ot) 5. Ihminen hyödyntää Maan aarteita (1 ot) 6. Luonnonvarat (1 ot) Kirjan kaikkien tutkimusten tarvikkeet on koottu sivulle 110. Tietojen testaus ja itsearviointi sivulla 175. Jakson koe sivulla 180. Maastotunti-, ryhmätyö- tai projektiaiheita Maaston tutkiminen, jääkauden jälkien etsiminen ja kuvaaminen (luku 2) Kiviretki, luokan oman kivikokoelman kerääminen (luku 3) Maaperän tutkiminen, maaperänäytteitten hakeminen luonnosta ja kokoelman teko (luku 4) Rakennetun ympäristön havainnointi ja materiaalien kartoitus (luku 5) WWW-linkit www.tat.fi /aarre1 (virtuaalinen oppimateriaali öljystä, kaasusta ja kestävästä kehityksestä) opettajatv.yle.fi /vko46/tiedealus (oppimateriaalia, videoita ja animaatioita Maasta) 6
F Y S I I K K A Maan aarteet K E M Ihminen saa ravintonsa ja tarvitsemansa materiaalit Maan kamaralta. Ihminen itsekin on rakentunut aineista, jotka kiertävät maapallolla. Tässä jaksossa tutustutaan Maan kerroksiin ja niiden arvokkaisiin aineisiin. I A Tarvikkeet jaksoa varten Tarvikkeet on ilmoitettu yhtä oppilasta tai työparia kohden. Luku 1 tulenkestävä lasikulho, kaksi puupalikkaa, pipetti, lämpökynttilä, nestemäistä elintarvikeväriä, ruokaöljyä, 20 30 pelikorttia, sinitarraa Luku 2 koulun kivikokoelma tai ulkoa kerättyjä kiviä Luku 3 kolikko, rautanaula, juomalasi, veitsi, teräsviila, hiekkapaperi, mineraalinäytteitä, suurennuslasi, kaakeli tai sulake (lasittamatonta posliinia), kivinäytteitä, Mineraalien ominaisuuksia -taulukko sivulla 120. Luku 4 pikkulapio tai lusikka, sanomalehti, isoreikäinen sihti, pienireikäinen sihti, purkkeja, vaaka, suurennuslasi, kulhoja, pinsetit, sivellin, maaperänäytteitä, lasipurkki, mittakannu, desilitran mitta Luku 6 kartonkilaatikko, jossa on nostettava kansi, alumiinifoliota, talouskelmua tai muuta kalvoa, lankaa, teippiä, lämpömittari, astia, joka mahtuu laatikkoon, vettä Muistiinpanoja Johdattelu aiheeseen Kysymyksiä kuvasta 1. Mitä sinun käytössäsi olevia asioita kuvassa on? (polkupyörä, tuoli, kirja, pusero, koruja, ruokaa ) 2. Onko kuvassa esineitä, joita et tunnista? Kuvaile niitä. (mahdollisesti kultaharkko, Oscar-patsas, öljykanisteri) 3. Mikä kuvassa on mielestäsi kaikkein arvokkainta? Onko se myös kalleinta? (Elämän laadun kannalta arvokkaita ovat elävän luonnon edustajat, puu ja lehmä sekä ruoka, rahallisesti arvokkainta ovat kulta ja jalokivet.) 4. Mikä kuvassa on kaikkein halvinta? Onko se myös arvottominta? (Multa on halvinta, mutta elämän kannalta erittäin tärkeää ja arvokasta.) 5. Miten luokittelisit kuvan sisällön? (elävät ja elottomat, halvat ja kalliit, elintärkeät ja vähemmän tärkeät ) 6. Mitä voisit lisätä kuvaan? Perustele. Muistiinpanoviivoille opettaja voi arvioida jakson tai luvun opetustaan ja jättää vinkkejä mahdolliselle oppaan seuraavalle käyt- täjälle. Mikä onnistui hyvin, miksi?... Mitä on huomioitava seuraavalla kerralla?... Mitä tekisin toisin, miksi? Mistä oppilaat pitivät? Mikä vei odotettua enemmän aikaa? jne. 7
1. Laatat erkanevat syntyy uutta merenpohjaa 2. Laatat törmäävät syntyy poimuvuoristoja KALVO 1.1 Numerotietoa Maasta Maan säde pinnalta keskipisteeseen on 6 370 km. Kuoren alla oleva vaippa on 80 % maapallon tilavuudesta ja 2/3 massasta. Vaippa jatkuu lähes 2 900 kilometrin syvyyteen, missä alkaa maapallon metallinen ydin. Ulkoydin on nestemäistä ja sisäydin suuren paineen vuoksi kiinteää. Maapallon ytimen lämpötila voi olla jopa 7 000 C. 111 112 KALVO 1.2 KALVO 1.3 Vuosi Tulivuori Seurauksia 1400 Santorini, Muinaissaari Atlantiksen tuho? eaa. Kreikka 79 jaa Vesuvius, Italia Pompeijin kaupungin tuho, 2000 kuoli 1586 Kelut, 10 000 kuoli Indonesia 1586 Vesuvius, Italia 4000 kuoli 1783 Lakagigar, Myrkkykaasut lamauttivat maatalouden Islanti 10 000 kuoli nälkään 1792 Unzen, Japani 15 000 kuoli 1815 Tambora, 80 000 kuoli nälkään Indonesia 1883 Krakatau, Purkausta seurannut tsunami Indonesia hukutti 36 000 ihmistä 1902 Mont Pelée, 30 000 kuoli Martinique 1586 Surtsey, Islanti Syntyi uusi saari, nykyisin Maailmanperintökohde 1980 St. Helens, 65 kuoli, hävitti 600 km 2 metsää USA 1586 El Chichon, Suuri purkaus Maan lämpötila aleni Meksiko väliaikaisesti 0,5 C 1984 Nevado del Armeron kaupungin tuho, 20 000 kuoli Ruiz, Kolumbia 1991 Mt. Pinatubo, 200 000 ihmistä evakuoitiin, 300 kuoli Filippiinit 113 Planeetta kuin aarrearkku 1 Tavoitteet Opetuspolku 1 Planeetta kuin aarrearkku Maapallon synty ja rakenne Maapallo syntyi avaruuden pölystä noin viisituhatta miljoonaa vuotta sitten. Aluksi se oli kokonaan sulaa kiviainesta. Vähitellen sulan kiviaineksen pinta jäähtyi ja muodosti kiinteistä kivilaatoista koostuvan kuoren. Maapallon kiinteää kuorikerrosta kutsutaan kallioperäksi. Kuorta ja sisäydintä lukuunottamatta maapallo on sulaa, kuumaa metallia, pääasiassa fysiikka nikkeliä ja rautaa. Sulan raudan virtaukset maapallon sisällä tekevät Maasta magneettisen. Hidasta liikettä Maankuoren alla on sulaa kiviainesta, magmaa. Magman virtaukset aiheuttavat maankuoren laattojen hitaan liikkumisen. Kun laatat hitaasti ajautuvat toisiaan päin, syntyy poimuvuoristoja. Alueilla, joissa laatat erkanevat toisistaan, syntyy uutta merenpohjaa. Laattojen rajakohdissa esiintyy maanjäristyksiä ja tulivuoria, joista sulaa kiviainesta voi purkautua maanpinnalle. sisäydin ulkoydin vaippa / sula kiviaines laatoista koostuva kuori Maapallo koostuu kerroksista, joista kuori ja sisäydin ovat kiinteää ainetta. Kuori on Maan kokoon verrattuna paksuudeltaan kuin omenan kuori. 8 Fysiikan ja kemian polku 6 Maan rakenne Maankuoren laatat Tuhoisimpia tulivuorenpurkauksia TAULUMALLI s. 111 s. 112 s. 113 1 Pl<a n <a k u i n a<a rre<a k k u sisäydin ulkoydin vaippa / sula kiviaines laatoista koostuva kuori Euraasian Pohjois-Amerikan Afrikan Tyynenmeren Intian Etelä-Amerikan Antarktiksen Laattojen törmäysvyöhyke MAA, tärkeitä tietoja Ikä: 5 miljardia vuotta Rakenne: koostuu useista kerroksista, joista vain sisäydin ja kuori kiinteitä Ominaisuudet: suurimmaksi osaksi sulaa ainesta, magneettinen, koostuu lukemattomista aineista Yleisimmät alkuaineet: rauta, happi, pii, magnesium, nikkeli, alumiini 8
Magman liikkeet aiheuttavat toisaalla laattojen erkanemisen ja toisaalla poimuvuoristoja synnyttäviä laattojen törmäyksiä. Aineet kiertävät maapallon pinnalla Maapallolta on löydetty noin 90 alkuainetta, ja niistä on syntynyt valtava määrä erilaisia yhdisteitä. Maapallo on siis todellinen aineiden aarrearkku. Maa on ainoa planeetta, jolla on todistetusti elämää. Lukemattomat eliöt ovat rakentuneet erilaisista aineista. Eliöt saavat kaikki tarvitsemansa aineet maapallolta ja luovuttavat ne takaisin aineiden kiertoon kuollessaan. Maapallon alkuaineita kemian merkkikielellä rauta happi pii magnesium nikkeli alumiini Fe O Si Mg Ni Al Laattojen saumakohdissa maanpinnalle voi syntyä tulivuoria, joista purkautuvaa sulaa ja kuumaa kiviainesta kutsutaan laavaksi. Syventävää tietoa Maapallon synty Maa ja muut planeetat syntyivät samaan aikaan Auringon kanssa 4,6 mrd. vuotta sitten. Aurinkokunnan keskelle tiivistyi eniten ainetta, johon syntyi kirkas tähti, Aurinko. Maa kehittyi lähelle Aurinkoa ja alkoi lämmetä, koska se oli jatkuvasti pienempien kappaleiden pommituksen kohteena, ja kasvava vetovoima puristi kappaletta kokoon. Koska kivi on huono lämmönjohde, lämpöenergia kerääntyi Maan sisään eikä siirtynyt pinnan kautta avaruuteen. Radioaktiiviset aineet hajosivat ja tuottivat myös lämpöä, ja muutaman sadan miljoonan vuoden kuluttua Maan sisällä oli lämpötila, joka sulatti raudan. Raskaammat alkuaineet vajosivat Maan sisäkerroksiin ja kevyimmät nousivat pintaan muodostaen kuorikerroksen. Laattojen liikkeet Maapallon kuorikerros on jakautunut noin kahteenkymmeneen an, jotka kelluvat ja liikkuvat vaipan sulan kiviaineksen päällä. Laattojen liike on hidasta, vain noin 1 5 cm sadassa vuodessa. Kohdissa, jossa laatat erkanevat, syntyy uutta merenpohjaa (valtamerten keskiselänteet) ja esimerkiksi Atlantti laajenee jatkuvasti. Laattojen törmäyskohdissa syntyy poimuvuoristoja, kuten Andit ja Himalaja, jotka kohoavat edelleen. Oppilaat kysyvät Maan aarteet 9 Mistä maanjäristykset johtuvat? Mannerlaattojen raja-alueilla laattojen liike toisiaan vasten aiheuttaa kallioperään suuren jännityksen, joka laukeaa maanjäristyksessä ja maaperä tärähtelee. Myös tulivuorenpurkaus voi saada aikaan maanjäristyksiä. Maanjäristysten voimakkuutta mitataan herkällä piirtolaitteella, seismografilla, ja Richterin asteikolla, jolla ei ole määriteltyä ala- tai ylärajaa. Suurin tähän mennessä todettu järistys on ollut 9,5 richteriä vuonna 1960 Chilessä. Onko Suomessa maanjäristyksiä? Suomi sijaitsee kaukana mannerlaattojen saumakohdista, mutta Suomessa on kuitenkin hyvin heikkoja, jääkaudesta johtuvia järistyksiä. Paksun mannerjään painama kiinteä maankuori alkoi nousta, kun jää suli. Tämä palautuminen jatkuu edelleen aiheuttaen heikkoja maanjäristyksiä. Tuliperäistä toimintaa Toimivia tulivuoria on noin 500, joista 80 % sijaitsee laattojen törmäysalueella ja vain 5 % erkanemisalueella. Tuliperäistä eli vulkaanista toimintaa ovat myös kallioperän kaasupurkaukset, kuumat lähteet ja niistä suihkuavat geysirit. Tulivuorenpurkausta voi edeltää maanjäristys, muutos maaperän kaltevuudessa, lämpötilan nousu, esim. lumen sulaminen ja muutokset kasvillisuudessa tai kaasujen määrän lisääntyminen. Oppilaat kysyvät Mitä laava on? Laava on magmaa, joka on joutunut kosketuksiin ilman tai veden kanssa. Sanaa laava käytettiin luultavasti ensimmäisen kerran Vesuviuksen purkauksen yhteydessä vuonna 1737, ja sen uskotaan juontuvan italian kielen sanasta labes, joka tarkoittaa putoamista tai vyöryä. 9
MONISTE 1.4 Voiko maapallon sisällä asua? Välitunnilla tulivat puheeksi kaikki hassut asiat lapsuudesta. Miten hölmöjä juttuja pienenä olikaan tehty ja mihin kaikkiin asioihin lapsena oli uskottu. - Mä pelkäsin oikeesti kuuta, kun se oli ku ilkeän ukon naama, sanoi Liisa. - Mua huijattiin moneen kertaan ja että avaruus on niinku lasikuvun takana. makaroneilla, sanoi Niko. Muut olivat ihmeissään ja Niko jatkoi: - Mä luulin myös, että me asutaan maan sisällä, mutta niinku pallon sisäkuorella - Ensin mulle selitettiin, että makaronit ja taivas oli siinä keskellä. Ihmettelin kasvaa pensaassa niinku marjat, että niissä vaan, miten meret ei valunu kiinalaisten rei issä on ollu siemenet. Sitten, ku mulle niskaan, kun ne kuulemma asui maapallolla naurettiin siitä asiasta päiväkodissa, mun vastapäätä, kertoi Riku. Mä ajattelinkin, serkku selitti, että se reikä on porattu että taivas jotenki vuosi, kun satoi. Ja makaroniin sen jälkeen, ku se on tehty. Että pelkäsin, että joskus se romahtaa kokonaan. siellä tehtaalla on ihan erikseen sellanen kone. Kaikkia nauratti taas. Muisteltiin, että jossain sarjakuvassakin pelättiin, että taivas putoaa Kaikki nauroivat. Kai sä nyt jo tiedät, niskaan. että ne kaivetaan monen sadan kilometrin syvyydestä makaronikaivoksista? nauroi - Voisko ihminen asua maan sisällä, jos tulis Tomppa. -Ja, että siinä reiässä on asunut joka katastrofi, joka tuhoais ympäristön maan joku muinaisen perhosen toukka. pinnalla? mietti Niko. - Tosta kaivamisesta mulle tulee mieleen, Muisteltiin, että ihmiset olivat asuneetkin miten mä pienenä pelkäsin avaruuslentoja, luolissa ja historian aikana oli usein paettu sanoi Mila. vihollista maanalaisiin käytäviin. Mutta ne eivät olleet kovin syvällä. - Kävitkös monta kertaa avaruudessa? Ja joko olet voittanut lentopelon? vinoili Niko. - Sellanen kirja on, missä mennään maapallon keskipisteeseen, siitä on tehty - Heko, heko, mä pelkäsin sitä, mitä piirrossarjakin, sanoi Tomppa. maapallolle tapahtuu, ku aina joudutaan poraamaan iso reikä sitä rakettia varten, - Tosi tieteellistä, jos on tehty oikein että se pääsis avaruuteen. Pelkäsin, että piirrossarja, nauroi Liisa. joskus kova tuuli voi heittää jonkun ihmisen siitä reiästä avaruuteen tai avaruus jotenkin - Satua se on eikä tiedettä, sanoi Eki, eihän rupeais imemään ihmisiä sinne, selitti Mila. maan sisällä voi olla, siellä on niin kuumaa, että kivetkin sulavat. - Sä siis luulit, että me asutaan maapallon sisällä. Niin mäkin luulin, sanoin Anni. - Häh, sulaa vai? ihmetteli Niko. Mistä Luulin, että puolet maapallosta on maata, tiedät? Ja liittyyks tulivuorenpurkaukset jonka pinnalla eletään ja loput on taivasta jotenki tähän juttuun? 114 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. Vihjeet: 1. Maapallon kiinteän kuoren alla oleva kerros. 2. Maapallon uloin kerros. 3. Maapallon sisin kerros, joka koostuu sisä- ja ulko-osasta. 4. Maankuoren alla olevan kiviaineksen nimitys. 5. Magma eli kiviaines. 6. Maanpinnalle tulivuorista purkautuva kiviaines. 7. Nämä aiheuttavat maankuoren laattojen liikkumisen. 8. Nimitys maapallon kiinteälle kuorikerrokselle. 9. Maapallo koostuu näistä. 10. Kuorikerros on olomuodoltaan. 11. Laattojen rajakohdissa joskus esiintyvä ilmiö. 12. Maankuoren osa. 13. Alueilla, joissa laatat erkanevat toisistaan syntyy. Ratkaisusana: Syntyy mannerlaattojen törmäysten tuloksena. MONISTE 1.5 115 1. Etsi maapallon aineisiin liittyvät sanat. Sanoja on yhteensä 13. H A L U M I I N I S H E T V A L K U A I N E Ä D K S Y B P U M A G N E E T T I N E N P S S H N I K K E L I N I S I L Ö P E M R K L A N O U I Y H D I S T E F A N T T P U E Y K P I I V Ä A H E V H Y S T R A U T A I V N Ä G T Ä N O U T M A G M A G D Y I S 2. Täydennä tehtävän ohje ja suorita tehtävä. Yhdistä seuraavien nimet niiden merkkeihin. rauta Mg happi Al pii Fe alumiini Si magnesium Ni nikkeli O 116 Etsi nimet ja merkit kirjan takakannen sisäpuolella olevasta jaksollisesta järjestelmästä. MONISTE 1.6 Planeetta kuin aarrearkku 1 Tutkimukset Kiertoliikettä Tavoitteet selventää sulan aineen kiertoa Maan sisällä auttaa ymmärtämään maankuoren laattojen liikkeitä ja niiden seurauksia harjoitella varovaisuutta tutkimuksen tekemisessä. Toteutus ja tulokset Tutkimus sopii hyvin demonstraatioksi. Kun kulhon pohjalla olevat öljy ja elintarvikeväri lämpenevät, ne laajenevat, kevenevät ja alkavat nousta ylöspäin. Virtaus nousee pinnalle ja alkaa pinnalla jäähtyessään jälleen laskeutua pohjaa kohti. Liike kuvaa laattoja liikuttavia konvektiovirtauksia eli magman virtauksia Maan vaipassa. Kynttilä edustaa ytimessä tapahtuvaa radioaktiivisten aineiden hajoamista, joka pitää raudan sulana ja vaikuttaa sulan magman kiertoon (konvektiovirtauksiin) ja uusien kivilajien syntyyn. (Käytettyä öljyä voidaan edelleen käyttää esimerkiksi eri nesteiden ominaisuuksia tutkittaessa.) Tutkimuksia KIERTOLIIKETTÄ Tee näin Aseta puupalikat pöydälle hieman toisistaan erilleen. Kokeile, että kulho pysyy puupalikoiden päällä. Ota kulho pois ja aseta lämpökynttilä palikoiden väliin. Sytytä kynttilä. Kaada kulho puolilleen ruokaöljyä ja aseta se puupalikoiden päälle. Purista pipetistä hieman elintarvikeväriä kulhon pohjalle. Mitä kulhossa tapahtuu? Mistä ilmiö johtuu? Minkä maapallon ilmiön olet tutkimuksella havainnollistanut? MAANJÄRISTYKSEN KESTÄVÄ RAKENNELMA Tee näin Rakenna korteista sinitarran avulla pulpetille noin 20 senttimetriä korkea, mahdollisimman kestävä rakennelma. Aiheuta maanjäristyksiä heiluttamalla pulpettia sekä sivusuunnassa että pystysuunnassa. Miten rakennelma kestää? Miten korteista voisi rakentaa vielä kestävämmän rakennelman? Tarvikkeet tulenkestävä lasikulho kaksi puupalikkaa pipetti lämpökynttilä nestemäistä elintarvikeväriä ruokaöljyä Tarvikkeet 20 30 pelikorttia sinitarraa Eri rakennelmien kestävyyden vertailuun tarvitaan joka kerta mahdollisimman samanlainen järistys. Pohdi, miten voisit toistaa järistykset samanlaisina. Mitä pitää ottaa huomioon, kun rakennetaan alueille, joilla esiintyy maanjäristyksiä? Maanjäristyksen kestävä rakennelma Tavoitteet auttaa ymmärtämään maanjäristysten voimaa ja seurauksia ymmärtää tarkkuuden ja toistettavuuden merkityksen tutkimuksen teossa. Tutkimusraportti 10 Fysiikan ja kemian polku 5 Tarina Maapallon ominaisuuksia Maapallon aineet s. 114 s. 115 s. 116 Kiertoliikettä Tutkin, mitä öljylle ja elintarvikevärille tapahtuu kulhossa, kun niitä lämmitetään. että öljy ja elintarvikeväri alkavat nousta kulhon pohjalta, kun ne lämpenevät. Pinnalla jäähdyttyään ne alkavat jälleen laskeutua pohjaa kohti. Opin, että samoin tapahtuu maapallon sisällä, kun lähellä ydintä kuumentunut magma alkaa nousta ja jäähdyttyään pinnalla laskeutuu alemmas. Maanjäristyksen kestävä rakennelma Tutkin, miten korteista sinitarran avulla rakennettu rakennelma kestää alustan liikuttelua eri suuntiin. että rakennelma sortuu, kun alustaa liikutellaan tarpeeksi rajusti. Erilaiset rakennelmat kestävät eri tavoin liikuttelua. Opin, että maanjäristykset koettelevat rakennelmia, mutta on mahdollista suunnitella paremmin kestäviä rakenteita. 10
Tehtäviä 1. Mistä maapallo on syntynyt? 2. Millainen on maapallon kuori? 3. Mikä aiheuttaa maankuoren laattojen liikkumisen? 4. Mitä laattojen liike voi aiheuttaa niiden rajakohdissa? 5. Mitä voit sanoa eri aineiden määrästä maapallolla? 6. Suunnittele, miten voit havainnollistaa maankuoren laattojen välisen törmäyksen. magnesium 13 % pii 15 % 7. Ota selvää maanjäristyksistä. a) Millaisella asteikolla järistysten voimakkuutta mitataan? b) Mikä on voimakkain koskaan mitattu järistys? c) Millaisia ohjeita ihmisille annetaan maanjäristysalueilla? d) Tapahtuuko Suomessa maanjäristyksiä? muut 7 % happi 30 % Koko maapallon yleisimmät alkuaineet ovat rauta, happi, pii ja magnesium. 8. Etsi tietoa jostakin tapahtuneesta maanjäristyksestä tai tulivuorenpurkauksesta. Missä, milloin ja miten se tapahtui? Mitkä olivat sen seuraukset? Miksi se on jäänyt historiaan? Miten samantyyppiseen luonnonkatastrofiin voitaisiin varautua paremmin? 9. Miksi Maan sisällä oleva kiviaines pysyy sulana? 10. Pohdi, miksi ihmiset asuvat toimivien tulivuorten lähellä tai maanjäristysalueilla, vaikka saattavat olla hengenvaarassa. Vuoristot syntyvät maankuoren laattojen poimuttuessa. rauta 35 % 11 Tehtävien vastaukset 1. Maapallo on syntynyt avaruuden pölystä. 2. Maapallon kuori koostuu kiinteistä kivilaatoista. (Sitä kutsutaan kallioperäksi.) 3. Maankuoren laatat liikkuvat niiden alla olevan sulan kiviaineksen, magman, virtausten mukana. 4. Laattojen liike voi aiheuttaa poimuvuoristojen tai uuden merenpohjan syntymistä, maanjäristyksiä tai tulivuorten purkauksia. 5. Maapallolla on valtava määrä erilaisia aineita, joista 90 on alkuaineita ja loput niistä syntyneitä yhdisteitä. 6. Laattojen törmäyksen voi havainnollistaa esimerkiksi makuualustojen tai mattojen avulla: kun niitä työnnetään toisiaan kohti, ne nousevat poimuille. 7. a) Maanjäristysten voimaa mitataan Richterin asteikolla. b) Chilessä 1960 tapahtunut järistys oli voimakkuudeltaan 9,5 Richterin asteikolla. c) Maanjäristysalueilla taloissa saattaa olla esim. ohjeita, että järistyksen sattuessa on nopeasti poistuttava talosta, mutta hissiä ei saa käyttää. d) Suomessa tapahtuu heikkoja maanjäristyksiä, kun kallioperän jännitykset laukeavat. Vain harvoin ne ovat niin voimakkaita, että ihmiset huomaavat niitä ilman mittauslaitteita. 8. Ks. kalvo (sivulla 113). Toteutus ja tulokset Kun verrataan erilaisten rakennelmien kestävyyttä, on tärkeää, että aiheutetut järistykset ovat mahdollisimman samanlaisia. Oppilaiden tehtävänä on keksiä, miten tämä on mahdollista toteuttaa. Hyvä vaihtoehto on asettaa joka kerta pöydän jalan alle samankokoinen kirja tms., joka nykäistään aina mahdollisimman samalla tavalla pois. WWW-linkit www.geologia.fi (Suomen Kansallinen Geologian Komitea: taustatietoa, sanasto, erilaisia tehtäviä ja hyviä linkkejä) www.kiviopas.fi (Vuolukivialan koulutushanke: syventävää tietoa maapallon rakenteesta) www.helsinki.fi /jippo/teemat (LUMA-keskus: tutkimus poimuvuorista ja oppilaiden kysymyspalsta) 9. Maan sisällä oleva kiviaines pysyy sulana, koska Maan sisäytimessä tapahtuvat ydinreaktiot tuottavat runsaasti lämpöä ja pitävät ytimen lämpötilan 4 000 6 000 C :ssa, jopa 7000 asteessa. 10. Ihmiset asuvat toimivien tulivuorten lähellä esimerkiksi siksi, että maaperä siellä on hyvin hedelmällistä. Tulivuorten purkaukset ja maanjäristykset tapahtuvat samoilla paikoilla yleensä niin harvoin, että niiden tuhot unohtuvat tai ainakin yritetään unohtaa. Tutkimusraportissa vastataan ainakin seuraaviin kysymyksiin: Mitä tutkin? Mitä havaitsin? Mitä opin? 11
KALVO 2.1 Kiviaines kiertää maapallolla välillä jähmettyen ja sulaen uudelleen; kallioperä rapautuu ja kulkeutuu merenpohjaan. Se kerrostuu dkikiiljikijk l dll g ki hj 117 Kallioperä koostuu kivilajeista 2 Tavoitteet Oppilas oppii, että kallioperä koostuu kivilajeista oppii, että kivilajit jaetaan kolmeen luokkaan syntytavan mukaan ymmärtää, että osa kivilajeista on ikivanhoja ja toisaalta niitä syntyy jatkuvasti tietää, että Suomen yleisimmät kivilajit ovat graniitti ja gneissi. Opetuspolku 1. Tehdään Tunnista kiviä -tutkimus: kivet jaetaan ryhmille, jotka selvittävät niiden nimet luvun kuvien ja kirjan sisäkannen kiviliitteen avulla ja kiinnittävät niihin nimilaput. 2. Ryhmät vievät kivet jähmettyneille, kerrostuneille ja muuttuneille kivilajeille valmiiksi nimettyihin paikkoihin. 3. Kaikki oppilaat tutustuvat yhdessä tehtyyn kivinäyttelyyn. 4. Luetaan kirjasta, miten erilaiset kivilajit ovat syntyneet, ja tehdään taululle ja vihkoihin kaavio. 5. Tutustutaan Suomen kallioperään kirjan tekstin (ja oppaan lisätekstin) avulla. 6. Tehdään tehtävä 7. 7. Kotitehtäviksi tehtävät 1 4 tai tehtävä 8. 2 Kallioperä koostuu kivilajeista Ikivanhoja ja aivan uusia kiviä Maankuoren mullistukset ovat sekoittaneet kiviainesta. Kiviä tutkimalla saadaan tietoa muinaisista tapahtumista, koska jokaisen kiven ominaisuuksiin vaikuttaa se, miten ja missä kivi on muodostunut. Vanhimmat tunnetut kivilajit ovat noin neljä miljardia vuotta vanhoja. Uutta kiviainesta syntyy jatkuvasti esimerkiksi tulivuorten purkauksissa. jähmettyneet kivilajit KIVILAJIT kerrostuneet kivilajit Kivilajien synty Kivilajien muodostuminen kestää kauan ja edellyttää kovaa painetta sekä korkeaa lämpötilaa. Jähmettyneet kivilajit ovat syntyneet sulan kiviaineksen eli magman jähmettyessä ja kiteytyessä. Kerrostuneet kivilajit ovat syntyneet meren pohjaan kertyneen hienon kiviaineksen kerrostuessa. Kiviainesta rapautuu irti kalliosta, kun tuuli, sade ja lämpötilan graniitti kalkkikivi gneissi muuttuneet kivilajit Kivilajit jaetaan kolmeen luokkaan syntytavan perusteella. Kivilajin syntytapa määrää sen rakenteen. 12 Fysiikan ja kemian polku 6 Kivilajien kierto TAULUMALLI s. 117 2 K<a l l i<o[p& rä k<o\o{s$t u u k i#v_i l<a j^ i%s$t<a KIVILAJIT Jähmettyneet kivilajit Syntyneet magman jähmettyessä ja kiteytyessä graniitti Kerrostuneet kivilajit Syntyneet rapautuneen kiviaineksen kerrostuessa kalkkikivi Muuttuneet kivilajit Syntyneet jähmettyneistä tai kerrostuneista kivilajeista vuorten poimuttuessa gneissi 12
Suomen kallioperä on jääkauden muokkaamaa. Siinä näkyy monin paikoin jään kulkusuunnan mukaisia uurteita. vaihtelut kuluttavat sitä. Virtaavan veden mukana se päätyy mereen. Meren pohjan kovassa paineessa irtaimet maalajit tiivistyvät uusiksi kivilajeiksi, kuten hiekkakiveksi. Suomessa kerrostuneita kivilajeja esiintyy Koke mäenjoen ja Oulujoen alajuoksuilla. Muuttuneet kivilajit ovat syntyneet jähmettyneistä tai kerrostuneista kivilajeista vuorten poimuttuessa, kun mannerlaatat ovat törmänneet toisiinsa. Tällaisia kivilajeja on paljon esimerkiksi Alpeilla sekä Ruotsin ja Norjan rajavuoristossa Skandeilla. Suomen kallioperä Suomen kallioperää kutsutaan peruskallioksi. Se on poimuttunut moneen kertaan ja on jopa 1,5 3 miljardia vuotta vanhaa. Peruskallio sisältää erilaisia jähmettyneitä kiviä, kivettynyttä merenpohjan hiekkaa ja savea sekä kivettynyttä kalkkiliejua. Suomen yleisimmät kivilajit ovat graniitti ja gneissi. Syventävää tietoa Jähmettyneet kivilajit Magmasta kiteytymällä syntyneet jähmettyneet kivilajit voidaan jakaa syväkiviin, laavakiviin ja juonikiviin. Syväkivet, kuten graniitti, ovat kiteytyneet nimensä mukaisesti syvällä maankuoressa. Laavakivet eli vulkaaniset kivet, kuten basaltti, jähmettyvät erittäin nopeasti maan pinnalle purkautuneesta sulasta magmasta. Juonikivet, kuten diabaasi, ovat syntyneet, kun kallioperän rakoihin ja halkeamiin tunkeutunut magma on jähmettynyt. Kerrostuneet kivilajit Kun kivilajit joutuvat ilman ja veden vaikutuksen alaisiksi, ne rapautuvat. Niistä syntynyt hieno mineraaliaines kulkeutuu meren pohjaan ja muodostaa lajittuneita ja kerroksellisia maalajeja. Niiden osaset puristuvat vähitellen kivilajeiksi. Kerrostuneista kivilajeista voi usein selkeästi erottaa kerroksellisuuden, sillä eripainoiset, jyväkooltaan erilaiset, kiviainekset lajittuvat vedessä vuoronperään päällekkäin. Joskus kerrostuneissa kivilajeissa on nähtävissä myös aaltojen synnyttämiä kuvioita. Kalkkikivi on syntynyt kalkkiliejun kerrostuessa ja kivettyessä. Marmori on muuttunutta kalkkikiveä, jota louhitaan esimerkiksi Italiassa. Kalkkikiveä ja marmoria käytetään rakennusmateriaaleina. Integraatio Biologia ja maantieto Suomen kallioperän muodostuminen Maan aarteet 13 Muuttuneet kivilajit Kun magmakivet ja kerrostuneet kivet joutuvat maankuoren liikkeiden yhteydessä kovaan paineeseen ja lämpötilojen muutoksiin, niiden rakennusaineet järjestyvät uudelleen, ne muuttuvat toisenlaisiksi kiviksi. Muuttuneet kivilajit ovat Suomessa yleisiä, mikä todistaa, että täälläkin on ollut poimuvuoristoja. Suomen muinaisista poimuvuoristoista on jäljellä kovaa kivilajia (kvartsiitti) olevia huippuja, kuten Pohjois-Karjalan Koli. Matematiikka Suurten lukujen hallitseminen: voidaan tehdä esimerkiksi aikajana, johon tapahtumia sijoitetaan. Historia Kuuluisia jalokiviaarteita kautta aikojen, kruununjalokiviä ym. Kuvaamataito Erilaisten kivipintojen kuvaaminen erilaiset pintatekstuurit, jalokivien piirtäminen geometriset hiontapinnat huomioiden. Tulivuorenpurkaus maalauksena tai liiduilla raapetekniikkaa käyttäen. WWW-linkit www.kiviopas.fi (Vuolukivialan tietoa, opetusmateriaalia, kuvia ja erilaisia tehtäviä oppilaille) www.gsf.fi /aineistot/kiviopas/kivilajit (Geologian tutkimuskeskus: mm. retkeilijän kiviopas, jossa kivien testausosio) www.geologia.fi (Suomen Kansallinen Geologian Komitea: taustatietoa, sanasto, erilaisia tehtäviä ja linkkejä) www.gtk.fi (Geologian tutkimuskeskus: taustatietoa opettajalle) www.geologinenseura.fi /suomenkalliopera (taustatietoa opettajalle, karttoja, julkaisuja) 13
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Vihjeet: 1. Suomessa yleinen muuttunut kivilaji. 2. Muuttunut kalkkikivi. 3. Kallioperä koostuu näistä. 4. Esimerkiksi graniitti on tällainen kivilaji. 5. Muodostanut säännöllisiä rakenneyksiköitä. 6. Syntynyt kalkkiliejun kerrostuessa ja kiteytyessä. 7. Hiekkakivi on tällainen kivilaji. 8. Gneissi on tällainen kivilaji. 9. Suomen moneen kertaan poimuttunut, jopa 1,5 3 miljardia vuotta vanha kallioperä. Ratkaisusana on Suomen yleisin lajissaan. MONISTE 2.2 1. Etsi ruudukosta 8 jalokiveä. A R R U B I I N I D R Y S T I Q W V U M K D T Y I I N A I S A R T U J A L O K I V I F M U P R I Ä R T P P A S T Y I A V S T B U A K V A M A R I I N I L A U D A H S A N U M K R T A S P E K T R O L I I T T I T B K A T I N S K I Ä I T A B I I E U S M A R A G D I V I M I Ä MONISTE 2.3 2. Yhdistä kivilajit oikeisiin luokkiin ja ominaisuuksiin. Käytä apuna kirjan sisäkannessa olevaa tietoa. Kivilajien luokat Kivilaji Ominaisuus kalkkikivi Hienoista kvartsirakeista muodostunut Jähmettyneet kivilajit gneissi Savesta ja siltistä koostunut kivilaji, joka voi lohkeilla levyiksi gabro Voi muuttua gneissiksi oikeissa olosuhteissa kiilleliuske Emäksinen ja karkearakeinen Kerrostuneet kivilajit graniitti Siinä voi erottaa rantasoran pyöreitä kivimurskeita konglomeraatti Syntynyt eloperäisestä liejusta, kalsiumpitoinen hiekkakivi Rakenteeltaan usein raitainen Muuttuneet kivilajit marmori Tummanharmaa tai vihertävä, keski- ja hienorakeinen dioriitti Kiteytynyt kuumuudessa puhtaasta kalkkikivestä 119 Kallioperä koostuu kivilajeista 2 Tutkimukset Tunnista kiviä Tavoitteet kiinnittää huomio kivien eri ominaisuuksiin keksiä ominaisuuksia, joiden perusteella kiviä voi luokitella (käsitellään seuraavassa kappaleessa) harjoitella tarkkaa havainnointia ja vertailua tutustua tavallisimpiin kiviin. Toteutus ja tulokset Tutkimus on nopeinta suorittaa ryhmätyönä, jolloin jokainen ryhmä saa osan kivistä tutkittavakseen. Ryhmät esittelevät omat kivensä muille. Tulokset tarkistetaan kivikokoelman nimilapuista. Kiviä voi hakea myös luonnosta tai tuoda kotoa. Tällöin kannattaa varata tunnille tarkempi kiviopas tai mahdollisuus tutkia asiaa internetistä. Kivien tunnistaminen tarkasti on usein vaikeaa, jopa mahdotonta ilman asiantuntijaa, joten tärkeintä ei ole varma kivilajin määritys, vaan ylipäänsä rakenteen ja tuntomerkkien tutkiminen. Tutkimuksia TUNNISTA KIVIÄ Tee näin Tutki kiviä ja nimeä ne kirjan kuvien avulla. Arvokkaita korukiviä Tarvikkeet koulun kivikokoelma tai ulkoa kerättyjä kiviä Kauneutensa ja harvinaisuutensa vuoksi arvokkaita kiviä kutsutaan jalokiviksi. Kun valo heijastuu hiotun jalokiven pinnoista, sen ominainen väri näkyy selvästi. Jalokiviä timantti rubiini safiiri smaragdi akvamariini opaali skpektroliitti Timantti on hiiltä samoin kuin lyijykynän sisällä oleva grafiitti. Hiilestä ei ole kuitenkaan helppo valmistaa timantteja, sillä se edellyttää kovaa painetta ja korkeaa lämpötilaa. Spektroliitti on Suomesta louhittava korukivi. Tunnista kiviä Tutkin erilaisia kiviä ja yritän nimetä niitä. Havaitsin, että osa kivistä on helppo nimetä selvien ominaisuuksiensa perustella. Opin, että selviä luokittelua helpottavia ominaisuuksia ovat esimerkiksi väri, kiilto, kuviot. 118 Kivilajit 14 Fysiikan ja kemian polku 6 Kaikenlaisia kiviä s. 118 s. 119 Kiva tietää Vanhimmat kivet Kanadasta on löydetty tiettävästi maailman vanhimmat kivet, jotka ovat yli 4 000 miljoonaa vuotta vanhat gneissit. Suomen peruskallio on myös hyvin vanhaa; vanhimmat löydöt ovat 3 500 miljoonan vuoden takaiset Pudasjärven gneissit. Fossiilit Eläimistä, kasveista tai jopa jalanjäljistä ja pesäkoloista voi miljoonien vuosien kuluessa syntyä fossiili. Fossiili voi syntyä esimerkiksi merenpohjaan, kun kuollut eliö vajoaa rapautuneeseen kiviainekseen, joka myöhemmin puristuu kiveksi. Fossiileja voi nähdä joidenkin rakennusten kalkkikivestä tehdyissä portaissa ja lattialaatoissa. 14
Tehtävien vastaukset Tehtäviä 1. Mistä kivien ominaisuudet johtuvat? 2. Mitä tarkoittaa kiviaineksen rapautuminen? 3. Millainen on Suomen kallioperä? 4. Mitkä ovat Suomen yleisimmät kivilajit? 5. Mieti, missä olet nähnyt graniittia. 6. Suunnittele koru, jossa käytät jalokiviä. 7. Tutki kuvia ja mieti, mistä kivestä esine tai rakennelma on tehty. Pohdi, miksi kyseistä kivilajia on käytetty juuri siihen tarkoitukseen. a) b) c) 1. Kivien ominaisuudet johtuvat siitä, missä ja miten kivet ovat muodostuneet. 2. Kiviaines rapautuu, kun tuuli, sade ja lämpötilan vaihtelut kuluttavat sitä ja irrottavat siitä ainesta. 3. Suomen kallioperä on moneen kertaan poimuttunut ja jopa 1,5-3 miljardia vuotta vanha. Se sisältää erilaisia jähmettyneitä kiviä, kivettynyttä merenpohjan hiekkaa ja savea sekä kivettynyttä kalkkiliejua. 4. Suomen yleisimmät kivilajit ovat graniitti ja gneissi. 5. 6. d) e) 8. Mitä voit päätellä seuraavien kivilajien löytöpaikan historiasta? a) hiekkakivi b) laavakivi c) gneissi d) peruskallion graniitti. Syventävää tietoa Rapautuminen Rapautumista eli kallioperän ja kivien muuttumista hienommaksi ainekseksi tapahtuu tuulen, sateen, jään, aaltojen ja lämpötilan vaikutuksesta. Aavikoilla suuret lämpötilojen muutokset ja kylmillä seuduilla kivien väleihin vuoroin jäätyvä ja sulava vesi rapauttavat kalliota. Suomen yleisin rapautumismuoto on pakkasrapautuminen Vesi rapauttaa myös siksi, että se muuttuu happamaksi, kun siihen liukenee ilmakehästä ja maan pinnalta esimerkiksi hiilidioksidia tai humusta. Myös kasvit hajottavat kiviä työntäessään juurensa kivien koloihin ja halkeamiin. Karkearakeiset kivilajit rapautuvat yleensä herkemmin kuin hienorakeiset. Oppilaat kysyvät Voiko kalliota rikkoa veden avulla? Kallio murtuu, jos siihen porattuun reikään suljetaan vettä. Kun vesi talvella jäätyessään laajenee, se murtaa kalliota. Luonnossa tämä ilmiö rapauttaa kiviainesta, ja ihmiset ovat käyttäneet keinoa esimerkiksi kallion murtamiseen rakennusten tieltä. 15 7. a) Liitu tehdään kalkkikivestä. b) Suomen Kansallisteatteri on rakennettu graniitista. c) Kylpyhuoneessa voidaan käyttää marmoria. d) Takka on tehty vuolukivestä. e) Koru on tehty todennäköisesti jalokivistä, esim. timanteista ja safiireista. 8. a) Paikka on muinaista merenpohjaa, jonne hiekka on kerrostunut ja aikojen kuluessa kovettunut hiekkakiveksi kovan paineen alla. b) Laavakivi on syntynyt paikalle, jolle tulivuoresta purkautunut sula laava on jähmettynyt jäähtyessään. c) Gneissin syntypaikalla maankuoren laatat ovat törmänneet toisiinsa, minkä seurauksena laatat ovat poimuttuneet vuoristoksi. Kovassa paineessa graniitti on muuttunut gneissiksi. d) Graniitti on syntynyt paikassa, jossa sula magma on jähmettynyt ja kiteytynyt syvällä maan sisällä. Muistiinpanoja..................... 15