MENYELIDIKI ALIRAN VULKANIK MELALUI PENELITIAN

MENYELIDIKI ALIRAN VULKANIK MELALUI PENELITIAN

Dengan menggunakan fluida dan bahan-bahan sederhana, para siswa mengeksplorasi faktor-faktor yang memperngaruhi aliran vulkanik (kekentalan, lereng, suhu magma, dan penyaluran). Mereka mengeksplorasi hubungan antara volume dan area permukaan sebuah aliran. Aktivitas ini membantu mereka mengembangkan pemahaman tentang sifat dan bahaya aliran lava, aliran gunung api (piroklastik) dan lahar. Siswa juga merancang percobaan tekontrol, dan belajar bagaimana pengetahuan sains bumi memberikan kontribusi untuk perencanaan yang matang.

INFORMASI LATAR BELAKANG

Fluida (aliran), berlawanan dengan padatan, adalah zat atau maten yang terus berubah bentuk selama mereka terkena oleh kekuatan pengubah. Ada dua jenis fluida: Likuida (cairan) dan gas. Likuida memiliki volume tetap yang pasti, sedangkan gas mengembang memenuhi wadah mereka. Campuran partikel cair atau padat di dalam gas, dan campuran partikel padat di dalam sebuah likuida, juga berperilaku sepert fluida, kecuali partikelnya sangat banyak sehingga membentuk jaringan yang saling mengait. Magma (batuan encer) merupakan likuida. Magma umumnya mengandung partikel padat berbentuk kristal yang mengambang di dalam magma manakala ia mendingin. Magma, terutama ketika mereka mendekati permukaan bumi, juga bisa berisi gelembung gas; yang naik ke atas secara perlahan-lahan melalui magma.

Dua sifat fisik paling mencolok pada fluida adalah ketumpatan dan kekentalannya. Kedua sifat ini tidak berkaitan secara langsung. Ketumpatan (density) sebuah fluida adalah massa, per satuan volumenya. Kekentalan (viscosity) sebuah cairan menjelaskan daya tolaknya terhadap perubahan bentuk. Berikut ini adalah percobaan pemikiran yang bagus untuk memberi Anda pemahaman yang lebih baik tentang konsep kekentalan. letakkan sebuah piring kaca secara mendatar di atas meja, olesi dengan lapisan tebal cairan kental seperti madu, molase, sirup jagung, atau oli motor, dan kemudian tutup lapisan cairan itu dengan piring kaca lainnya. Tempelkan pegangan corong sedot di piring atas, dan geserlah piring atas secara mendatar, searah dengan piring bawah. Lapisan cairan di antara piring mengalami gerakan bergeser. Semakin besar viskositas cairan, semakin besar daya yang harus Anda kerahkan untuk memutar piring atas dalam kecepatan tertentu. Magma dan lava, meskipun keduamya adalah likuida, memiliki viskositas yang sangat tinggi, bahkan jauh lebih tinggi dibandingkan cairan kental sehari-hari seperti tersebut di atas. Siswa tidak boleh membayangkan bahwa magma dan lava adalah sama “lumernya” dengan cairan yang ada pada pengalaman sehari-hari mereka. Magma yang kaya-silika lebih tinggi viskositasnya daripada magma rendah silika.

Seperti pada cairan lainnya, lava mengalir menuruni lereng ketika menanggapi tarikan gravitasi. Satu volume tertentu lava yang mengalir mendapat pengaruh dari komponen gaya gravitasi lereng. Hukum gerakan kedua Newton menunjukkan bahwa cairan tentu mengalami percepatan dalam gerakannya menuruni lereng. Alasan mengapa ia tidak mengalir pada kecepatan yang hampir tetap adalah adanya daya gesek yang berkembang di dasar aliran, yang mengimbangi gaya gravitasi gerakan menuruni lereng. Lava mengalir lebih cepat pada lereng yang curam karena gaya gravitasi melerengnya lebih besar. Lava yang mengalir melalui saluran parit cenderung bergerak lebih cepat daripada lava yang mengalir seperti lembaran lebar, karena area landasan aliran, tempat munculnya gaya gesek penghambat, lebih kecil dalam kaitannya dengan volume aliran, untuk mana gaya gravitasinya sebanding. Dengan alasan yang sama, arus lava yang lebih tebal cenderung untuk bergerak lebih cepat daripada arus yang lebih tipis.

Aliran piroklastik adalah arus dengan jenis sangat berbeda yang kadang-kadang disebabkan oleh letusan eksplosif. Jika gunung berapi menyemburkan suatu volume besar campuran gas terkonsentrasi, tetesan cair dan partikel padat, campuran itu bisa mengalir menuruni lereng seperti cairan padat. Viskositas efektif campuran seperti itu jauh lebih kecil daripada viskositas lava, sehingga kecepatan geraknya lebih besar. Kecepatan aliran piroklastik bisa lebih dari 100 meter per detik, yang bahkan lebih cepat daripada mobil balap! Potensinya untuk menghancurkan kehidupan tumbuhan dan hewan, dan hunian manusia, sangat mencengangkan. Ketika aliran piroklastik akhirnya berhenti, mereka kadang berubah menjadi batu padat manakala materi yang masih panas itu mendingin.

Lahar adalah jenis aliran remah (puing) yang materi padatnya sebagian besar atau seluruhnya berupa abu gunung (abu vulkanik). Aliran remah adalah campuran aliran-melereng air dan partikel padat. Jika konsentrasi partikel padatnya cukup tinggi, lebih dari 40-50 persen per volumenya, campuran, air dan partikelnya cenderung mengalir seperti cairan kental. Karena tingginya konsentrasi partikel padat, mereka tidak bisa dengan mudah mengendap ke dasar aliran, seperti yang akan terjadi pada aliran sungai biasa, sehingga campuran tersebut bisa mengalir pada jarak yang jauh. Jika siswa Anda ada yang pernah berpengalaman dengan cor beton, mereka bisa memahami bagaimana arus puing ini memiliki konsistensi mirip beton segar yang kebanyakan air. Kecepatan aliran puing bervariasi dari yang sangat lambat, tidak lebih cepat daripada langkah orang berjalan normal, sampai ke yang sangat cepat, puluhan meter per detik. Daerah yang rentan terhadap arus puing adalah daerah yang materi di situ lerengnya curam dan di mana endapan rapuh yang mengandung halus maupun kasar biasa terdapat permukaan tanah dengan lereng curam dan lapisan abu vulkanik yang termakan cuaca sangat rentan terhadap arus puing.

Aliran puing dengan materi padat yang terutama atau sepenuhnya berbentuk abu vulkanik disebut dengan lahar. Lahar biasanya terbentuk selama hujan lebat beberapa masa (seringkali dalam waktu lama) setelah letusan eksplosif menutupi tanah dengan lapisan tebal abu gunung. Lahar terutama umum muncul setelah pelapukan abu di dalam iklim yang hangat dan lembab telah menghasilkan materi liat halus yang berlimpah di dalam lapisan. Aliran puing bisa bermula dengan berbagai cara: limpasan menuruni lereng selama dan sesudah hujan deras; keruntuhan dan pergeseran lereng yang curam dan jenuh       air; atau pecahnya kubangan sementara di daratan yang tertutup abu vulkanik. Aliran puing, termasuk lahar, cenderung untuk mencari jalan ke dalam aliran atau lembah sungai yang ada, dan ketika mereka akhirnya terhenti, lembah akan terisi oleh lapisan endapan berair. Seisi desa bisa terkubur hampir seketika dengan cara ini. Desa Herculaneum, di dekat kota modem di Naples, Italia, terkubur dalam-dalam oleh lahar yang dihasilkan dari letusan gunung Vesuvius dua ribu tahun yang lalu.

Dalam kegiatan ini, siswa akan diminta untuk mengembangkan hipotesis dan kemudian merancang percobaan untuk menguji hipotesis mereka. Umumnya, sains benar-benar bekerja dengan cara demikian. Hipotesis muncul berdasarkan pemahaman terdahulu ilmuwan, yang mungkin didasarkan atas teori yang ada atau bukti pengamatan yang diperoleh. Namun, kadang-kadang ilmuwan hanya memiliki kecenderungan atau intuisi bahwa jenis percobaan baru tertentu akan mengungkapkan informasi tertentu yang membukakan area berpikir dan penelitian yang baru. baru kemudian para teoretisi harus bergulat untuk mengembangkan teori-teori baru berdasarkan bukti pengamata yang baru, bukan sebaliknya!

Rancangan percobaan yang baik sangat penting di dalam sains. Pencoba perlu meragamkan setiap variabel atau parameter yang mungkin berefek pada proses atau gejala, atau setidaknya mempertimbangkannya dengan memastikan bahwa mereka tetap dijaga ketetapannya. Nilai dari masing-masing variabel atau parameter tersebut harus dipilih agar meliputi beragam sudut, dan angka nilainya harus dipilih agar “pola percobaan”-nya (jumlah variabel-versus jumlah nilai setiap variabel) tetap dalam batas-batas yang bisa dikerjakan. Anda mungkin bisa membuat siswa Anda terkesan oleh pemikiran bahwa,misalnya, dengan tiga atau empat variabel dan empat atau lima nilai untuk setiap variabel, pada akhimya mereka harus melakukan di antara duabelas (3 x 4) sampai dua puluh (4 x 5) percobaan individu!

 

Tujuan Kegiatan

Dalam kegiatan ini, siswa akan melakukan hal-hal berikut:

  1. Mengukur dan memahami bagaimana volume, suhu, lereng, dan penyaluran mempengaruhi aliran fluida.
  2. Menerapkan pemahaman tentang faktor-faktor yang mengendalikan aliran lava, aliran piroklastik, dan lahar (aliran lumpur).
  3. Menerapkan pemahaman tentang peta topografi untuk memprediksi pola aliran lahar (aliran lumpur) dari kumpulan data tertentu.
  4. Menjelaskan bahaya vulkanik yang terkait dengan beragam jenis aliran.
  5. Menyadari manfaat informasi sains bumi dalam merencanakan evakuasi dan pengambilan keputusan.
  6. Menunjukkan pemahaman tentang sifat bukti ilmiah dan konsep percobaan terkontrol.

 

Persiapan, Bahan yang Diperlukan, dan Kiat Pengajaran

Luangkan sebagian besar waktu kelas untuk pembukaan (untuk mengungkapkan konsepsi awal siswa) dan tahap-tahap awal Bagian A (di bawah). Ini akan memungkinkan siswa untuk mengakrabi bahan-bahan dan melakukan curah gagasan tentang kemungkinan percobaan. Anda bisa meninjau ulang rancangan mereka hari itu dan memberikan umpan balik saat berikutnya kelas bertemu.

 

Bagian A

Doronglah siswa untuk memikirkan dengan cermat rancangan percobaan untuk menguji hipotesis mereka. Ini mencakup tatanan atau pengaturan eksperimental, variabel atau fenomena yang hendak diamati, dan yang akan digunakan anda akan membutuhkan satu liter cairan kental (mengalir-lambat). Cairannya harus merupakan yang bisa berubah kekentalannya dengan sangat ketika dipanaskan atau didinginkan. Sabun cair berguna dengan baik dan mudah dibersihkan. Altematif lain meliputi, sirup jagung, sampo, dan gliserin. Fotokopilah selembar kertas grafik dengan jereng sentimeter ke transparansi overhead. Tempelkan transparansi ke folder manila. Jika Anda menginginkan area permukaan yang lebih besar untuk dikerjakan, lekatkan dua jereng transparansi dan lekatkan mereka ke folder manila terbuka. Folder tersebut menjadi pendukung untuk beberapa percobaan tertentu. Kalau tidak ada transparansi overhead, lembaran laminasi kertas grafik yang telah ditempelkan ke folder manila juga cocok. Tetes mata biasanya memiliki kapasitas 1 mililiter atau 1 sentimeter kubik. Siswa memerlukan buku untuk membuat beragam lerengan, dan sumber air panas dan es untuk melakukan percobaan tentang efek suhu terhadap viskositas.

Item yang diperlukan untuk percobaan ini adalah sebagai berikut:

  • Sabun cair (atau cairan kental),
  • tetes mata (dengan tutup karet -volume 1 ml atau 1 cc)
  • Es (untuk mendinginkan sabun cair)
  • Air panas atau sumber-panas (untuk menghangatkan sabun cair Anda tidak perlu mendidihkannya)
  • Transparansi (yang ke atasnya Anda memfotokopi selembar kertas grafik sentimeter persegi -ini menghasilkan jereng untuk memperkirakan permukaan aliran)
  • Penggaris meteran (30 cm)

Selagi siswa bekerja, edarkan dan tinjaulah hipotesis mereka, tabel data rancangan percobaan dan catatan yang mereka buat atas pengamatan mereka. Penyelidikan menyajikan banyak kesempatan untuk mendiskusikan sifat penelitian ilmiah. Sebagai contoh, siswa akan harus menentukan apa yang akan mereka lakukan terhadap gelembung yang muncul di dalam sabun cair (haruskah gelembung itu dipecahkan atau tidak?), bagaimana mengukur area yang tertutup oleh aliran, kapan harus berhenti mengukur, dan sebagainya. Siswa diminta untuk mencatat hasil mereka dalam tabel data. Mereka tidak secara khusus diminta untuk membuat grafik dari hasil mereka. Selagi Anda mengulas kerja siswa, tanyalah mereka apakah grafik data bisa membantu mengungkapkan pola di dalam data. Anda bisa mempersiapkan spreadsheet Excel terlebih dahulu, memplot hasil yang diperoleh setiap kelompok untuk langkah1-7 sedemikian rupa sehingga terbentuk satu grafik dari hasil setiap kelompok. Ini seringkali mengungkapkan data anomali dan memberikan kesempatan Untuk mendiskusikan bagaimana memecahkan dan/atau menangani perbedaan, atau apakah perlu atau tidak merampatkan data untuk membuahkan “hasil rata-rata kelas”.

Beberapa siswa mungkin memerlukan bantuan untuk menghitung atau menetukan area dan untuk mengingat bahwa area adalah dalam satuan panjang atau jarak yang dipersegikan, sedangkan volume adalah dalam satuan panatau jarak yang didadukan. Penyelidikan menyediakan kesempatan bagus untuk melakukan penilaian kinerja formatif tentang keterampilan proses sains.

Bagian ini memberikan tautan ke aplikasi teknologi. Mintalah siswa untuk menggunakan kalkulator grafik atau perangkat lunak spreadsheet untuk memplot waktu perjalanan lahar. Pilihan lainnya, mintalah mereka untuk mengembangkan keterampilan grafik mereka dengan kertas grafik. Kertas grafik kalkulator (atau komputer dengan program spreadsheet untuk memasukkan, memplot, dan mencetak data dan grafik)

Pembuka

Materi yang meletus dari sebuah gunung berapi dan mengalir menuruni lereng menjadi kekhawatiran besar bagi orang-orang yang tinggal di dekat gunung berapi. Misalkan Anda tinggal di dekat sebuah gunung berapi dan Anda baru saja diberitahu, bahwa ia telah meletus. Menurut pendapat Anda apa yang akan mempengaruhi jumlah waktu bagi Anda dan keluarga Anda untuk harus mengungsi lari dari aliran vulkanik? Apa yang mungkin mengontrol kecepatan aliran?

Apa pendapat Anda? Catatlah ide-ide Anda tentang pertanyaan ini di dalam buku catatan Anda. Bersiaplah untuk mendiskusikan tanggapan Anda bersama kelompok kecil Anda dan kelas.

 

PENYELIDIKAN

Bagian A: Area Aliran Lava

  1. Misalnya, sebuah gunung berapi menghasilkan dua kali jumlah lava dibandingkan pada Ietusan sebelumnya. Tulisiah sebuah hipotesis berdasarkan pertanyaan berikut: Apa hubungan antara volume letusan dan ukuran area yang dicakupnya? Catatlah hipotesis Anda di dalam buku catatan Anda.
  2. Periksa hipotesis Anda untuk melihat apakah ia bisa dibantah. Hipotesis harus merupakan prediksi yang bisa dimentahkan. Pernyataan “Sebagian bintang tidak akan pernah ditemukan” tidak bisa disangka Oleh karena itu, ia bukan sebuah hipotesis.
  3. Dalam penyelidikan ini, Anda akan menggunakan sabun cair untuk mensimulasikan aliran selama letusan gunung berapi. Aliran vulkanik meliputi lava, gas, dan campuran partikel padat dan gas. Di dalam buku catatan Anda, susunlah tabel data. Tabel itu semestinya membantu Anda mencatat hubungan antara volume sabun cair dan area permukaan yang diliputi oleh sabun, anda akan melakukan percobaan dengan 0, 5, 1, 2, 4, 8 dan 16 cm3 (sentimeter kubik) sabun cair.
  4. Tempatkan transparansi overhead jereng persegi di sebuah permukaan datar.
  5. Tuangkan 5 cm3 sabun cair ke kertas grafik transparan.
  6. Ketika sabun berhenti mengalir, ukurlah area aliran. Catat area aliran didalam tabel data Anda.
  7. Usap bersih permukaan. Ulangi percobaan menggunakan 1, 2, 4, 8 dan 16 cm3 sabun cair. Catat data Anda didalam tabel. Amati polanya.
  8. Kembangkan sebuah hipotesis dan rancanglah pengujian untuk salah satu pertanyaan berikut yang terkait dengan aliran cairan. Ingat bahwa selama penyelidikan ilmiah, Anda bisa menengok kembali materi atau data Anda dan merevisi prosedur Anda bilamana diperlukan.
  • Apakah efek suhu terhadap daya tolak aliran (viskositas)?
  • Apa yang terjadi pada cairan ketika lereng berubah dari curam menjadi landai?
  • Apakah efek yang akan Anda lihat jika cairan bergerak melalui saluran sempit?
  1. Tuliskan hipotesis Anda.
  2. Catat prosedur Anda di dalam buku catatan.
  3. Jelaskan variabel yang Anda
  4. Presentasikan prosedur Anda kepada guru Anda untuk mendapatkan persetujuan. Selanjutnya lakukan pengujian Anda.
  5. Catat data Anda.
  6. Ringkas kesimpulan Anda.
  7. Apakah hipotesis Anda benar?
  8. Mintalah hasil dari para kelompok di kelas Anda yang menyelidiki pertanyaan lain. Catat kesimpulan mereka di dalam buku catatan Anda.

 

Bagian B: Masa Tempuh Perjalanan Lahar

  • Periksa tabel tentang perkiraan waktu perjalanan lahar (aliran) yang dipicu oleh letusan besar Gunung St. Helens. Nilai di dalam tabel bersumber dari simulasi komputer dan perilaku aktual aliran dalam letusan tahun 1980.
  • Buatlah grafik masa tempuh (dalam menit pada sumbu vertikal) versus jarak (dalam kilometer pada sumbu horisontal) untuk kedua kelompok data.
  1. Plot kedua kelompok data di grafik yang sama.
  2. Hubungkan titik-titik data sehingga Anda bisa membandingkan data.
  3. Hitung kecepatan rata-rata untuk aliran di sepanjang cabang Toutle River.
  • Jawablah pertanyaan berikut di dalam buku catatan Anda.
  1. Area manakah (Cabang Utara atau Cabang Selatan) yang cenderung memiliki lerengan yang lebih curam? Gunakan hasil penyelidikan dari Bagian A untuk menopang jawaban Anda.
  2. Apa bukti di dalam grafik Anda yang menunjukkan bahwa lerengan di setiap sungai tidak konstan? Jelaskan.
  3. Berdasarkan informasi di dalam tabel, jelaskan apakah menurut Anda sebuah komunitas yang terletak 50 km dari Mount Saint Helens di sepanjang masing-masing dari lembah sungai ini akan memiliki cukup waktu atau tidak untuk mengevakuasi manakala terjadi letusan besar yang tak terduga.

 

MERENUNGKAN KEGIATAN

Dalam kegiatan ini, Anda mendapati bahwa suhu, volume, saluran, dan lereng mempengaruhi aliran cairan. Dengan menganalisis data dari model komputer, Anda memprediksi aliran cairan vulkanik ke bawah lembah sungai didekat Gunung Saint Helens. Anda sekarang bisa menjelaskan bahaya vulkanik yang terkait dengan berbagai macam aliran dan faktor yang mempengaruhi aliran. Anda juga bisa memahami bagaimana aliran bisa mempengaruhi masyarakat di sekitarnya.

MENELITI LEBIH LANJUT

  • Telitilah sebuah aliran lava yang terkenal. Telusuri informasi di web tentang kelompok Columbia River Basalt di Northwest. Siapkan laporan kepada kelas tentang anggota kelompok basalt terkenal ini dalam kaitannya dengan karakteristik pendinginan terbesar, terpanjang, tertebal, efek pada topografi kuno, dan penyebabnya.
  • Lava dan biosfer: bagaimana aliran lava mempengaruhi di Mauna Loa dan Pegunungan Berapi Kilauea masyarakat Hawaii? Bagaimana lava yang memasuki Samudera Pasifik di Hawaii mempengaruhi ekosistem pantai? Apa jenis organisme yang berkembang dan tumbuh di kawasan “berasap hitam” di sepanjang pegunungan midocean ridge? Lakukan penelitian aliran retakan Laki 1783 di Islandia. Ia berukuran 40 km panjangnya dan mencakup 500 km2. Bagaimana ia mempengaruhi tumbuhan dan hewan ternak?
  • Lava dan kriosfer: apa yang terjadi ketika lava meletus dari gunung berapi yang berpuncak-es atau -salju? Ini adalah masalah pada pegunungan berapi Cascade. Gunung Rainier, yang menjulang dekat Seattle, memiliki dua puluh tujuh gletser. Wawasan tertentu bisa diperoleh dari eksplorasi atas letusan terbaru di Grimsvotn di Islandia.

 

-Micahel J. Smith dan John B. Southard-

Leave a Reply

Close Menu