Гейзер ( / ˈ ɡ aɪ z ər / , UK : / ˈ ɡ iː z ər / ) [1] [2] — источник с прерывистым выбросом воды, выбрасываемой турбулентно и сопровождаемой паром. Образование гейзеров — довольно редкое явление, вызванное особыми гидрогеологическими условиями , которые существуют лишь в нескольких местах на Земле.
Как правило, гейзерные поля располагаются вблизи активных вулканических зон, а эффект гейзера обусловлен близостью магмы . Поверхностная вода прокладывает себе путь вниз до средней глубины около 2000 метров (6600 футов), где она контактирует с горячими породами. Находящаяся под давлением вода кипит, и это вызывает эффект гейзера, когда горячая вода и пар выбрасываются из поверхностного жерла гейзера.
Извержение гейзера может измениться или прекратиться из-за продолжающегося отложения минералов в гейзерной трубе, обмена функциями с близлежащими горячими источниками , влияния землетрясений и вмешательства человека. [3] Как и многие другие природные явления, гейзеры не являются уникальными для Земли. Струеобразные извержения, часто называемые криогейзерами, наблюдались на нескольких лунах внешней Солнечной системы. Из-за низкого давления окружающей среды эти извержения состоят из пара без жидкости; их легче заметить из-за частиц пыли и льда, переносимых газом. Струи водяного пара наблюдались вблизи южного полюса спутника Сатурна Энцелада , в то время как извержения азота наблюдались на спутнике Нептуна Тритоне . Также есть признаки извержений углекислого газа из южной полярной ледяной шапки Марса .
В случае Энцелада считается, что выбросы приводятся в движение внутренней энергией. В случаях извержений на Марсе и Тритоне активность может быть результатом солнечного нагрева через твердотельный парниковый эффект . Во всех трех случаях нет никаких доказательств существования подземной гидрологической системы, которая отличает земные гейзеры от других видов извержений, таких как фумаролы .
Термин «гейзер» в английском языке появился в конце 18 века и происходит от Geysir , гейзера в Исландии . [4] Его название означает «тот, кто фонтанирует». [4] [5]
Гейзеры — это непостоянные геологические образования. Гейзеры обычно связаны с вулканическими областями. [6] [ нужен лучший источник ] Когда вода закипает, возникающее давление выталкивает перегретый столб пара и воды на поверхность через внутреннюю систему гейзера. Для образования гейзеров требуется сочетание трех геологических условий, которые обычно встречаются в вулканической местности: сильная жара, вода и система водоснабжения. [6] [ нужен лучший источник ]
Тепло, необходимое для образования гейзера, поступает из магмы , которая должна находиться близко к поверхности Земли. [7] Для того, чтобы нагретая вода образовала гейзер, требуется водопроводная система (состоящая из трещин , разломов , пористых пространств и иногда полостей). Это включает в себя резервуар для хранения воды, пока она нагревается. Гейзеры обычно выстраиваются вдоль разломов . [6] [ нужен лучший источник ]
Активность гейзеров, как и активность всех горячих источников, вызвана тем, что поверхностная вода постепенно просачивается вниз через землю, пока не встретится с горной породой, нагретой магмой . В неизвергающихся горячих источниках геотермально нагретая вода затем поднимается обратно к поверхности путем конвекции через пористые и трещиноватые породы, в то время как в гейзерах вода вместо этого взрывообразно выталкивается вверх высоким давлением пара , создаваемым при кипении воды внизу. Гейзеры также отличаются от неизвергающихся горячих источников своей подземной структурой; многие состоят из небольшого отверстия на поверхности, соединенного с одной или несколькими узкими трубками, которые ведут к подземным резервуарам воды и плотной горной породе. [8]
По мере наполнения гейзера вода в верхней части колонны охлаждается, но из-за узости канала конвективное охлаждение воды в резервуаре невозможно. Более холодная вода сверху давит на более горячую воду снизу, подобно крышке скороварки , позволяя воде в резервуаре перегреваться , т. е. оставаться жидкой при температурах, значительно превышающих точку кипения при стандартном давлении. [8]
В конечном итоге температура у дна гейзера повышается до точки, где начинается кипение, заставляя пузырьки пара подниматься к вершине колонны. Когда они прорываются через отверстие гейзера, часть воды переливается или выплескивается, уменьшая вес колонны и, таким образом, давление на воду ниже. При таком сбросе давления перегретая вода мгновенно превращается в пар, бурно кипятя по всей колонне. Образующаяся пена расширяющегося пара и горячей воды затем выплескивается из отверстия гейзера. [6] [ нужен лучший источник ] [9]
Ключевым требованием, позволяющим гейзеру извергаться, является материал, называемый гейзеритом, который находится в скалах около гейзера. Гейзерит, в основном диоксид кремния (SiO 2 ), растворяется в скалах и откладывается на стенках водопроводной системы гейзера и на поверхности. Отложения делают каналы, несущие воду на поверхность, герметичными. Это позволяет давлению переноситься наверх и не просачиваться в рыхлый гравий или почву, которые обычно находятся под полями гейзера. [8]
В конце концов вода, оставшаяся в гейзере, остывает до температуры ниже точки кипения, и извержение заканчивается; нагретые грунтовые воды начинают просачиваться обратно в резервуар, и весь цикл начинается снова. Продолжительность извержений и время между последовательными извержениями сильно различаются от гейзера к гейзеру; Строккюр в Исландии извергается в течение нескольких секунд каждые несколько минут, в то время как Гранд-Гейзер в Соединенных Штатах извергается в течение 10 минут каждые 8–12 часов. [8]
Существует два типа гейзеров: фонтанные гейзеры , которые извергаются из водоемов, как правило, серией интенсивных, даже сильных, взрывов; и конусные гейзеры , которые извергаются из конусов или насыпей кремнистого шлака (включая гейзерит ), как правило, устойчивыми струями, которые длятся от нескольких секунд до нескольких минут. Старый Служака , возможно, самый известный гейзер в Йеллоустонском национальном парке, является примером конусного гейзера. Гранд Гейзер , самый высокий предсказуемый гейзер на Земле (хотя Гейсир в Исландии выше, он непредсказуем), также в Йеллоустонском национальном парке, является примером фонтанного гейзера. [10]
В мире много вулканических областей, в которых есть горячие источники , грязевые котлы и фумаролы , но очень немногие из них имеют извергающиеся гейзеры. Основная причина их редкости заключается в том, что для существования гейзера должны одновременно возникнуть множественные интенсивные переходные силы. Например, даже при наличии других необходимых условий, если структура породы рыхлая, извержения размоют каналы и быстро уничтожат любые зарождающиеся гейзеры. [11]
Гейзеры хрупкие, и если условия изменятся, они могут заснуть или погаснуть. Многие были разрушены просто людьми, которые бросали в них мусор, в то время как другие прекратили извергаться из-за осушения геотермальными электростанциями . Однако у Гейзера в Исландии были периоды активности и покоя. Во время его длительных периодов покоя извержения иногда искусственно вызывались — часто в особых случаях — путем добавления в воду поверхностно-активных мыл. [12]
.jpg/1280px-Aerial_image_of_Grand_Prismatic_Spring_(view_from_the_south).jpg)
Некоторые гейзеры имеют особые цвета, потому что, несмотря на суровые условия, в них (а также в других горячих местах обитания ) часто встречается жизнь в виде термофильных прокариот . Ни один известный эукариот не может выжить при температуре выше 60 °C (140 °F ). [13]
В 1960-х годах, когда впервые появились исследования биологии гейзеров, ученые в целом были убеждены, что никакая жизнь не может выжить при температуре выше 73 °C (163 °F) — верхнего предела для выживания цианобактерий , поскольку структура ключевых клеточных белков и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) будет разрушена. Оптимальная температура для термофильных бактерий была установлена еще ниже, около 55 °C в среднем (131 °F). [13]
Однако наблюдения доказали, что могут существовать при высоких температурах, и что некоторые бактерии даже предпочитают температуры выше точки кипения воды. Известны десятки таких бактерий. [14] Термофилы предпочитают температуры от 50 до 70 °C (от 122 до 158 °F), в то время как гипертермофилы лучше растут при температурах до 80–110 °C (от 176 до 230 °F). Поскольку у них есть термостабильные ферменты, которые сохраняют свою активность даже при высоких температурах, их использовали в качестве источника термостабильных инструментов , которые важны в медицине и биотехнологии , [15] например, в производстве антибиотиков , пластмасс , моющих средств (при использовании термостабильных ферментов липаз , пуллуланаз и протеаз ) и продуктов ферментации (например, производится этанол ). Среди них первым обнаруженным и наиболее важным для биотехнологии является Thermus aquaticus . [16]
Гейзеры довольно редки, для их образования требуется сочетание воды , тепла и удачной сантехники . Такое сочетание существует лишь в немногих местах на Земле. [17] [18]
Йеллоустоун — крупнейшее место гейзеров, содержащее тысячи горячих источников и приблизительно от 300 до 500 гейзеров. Он является домом для половины общего числа гейзеров в мире в своих девяти гейзерных бассейнах. Он расположен в основном в Вайоминге , США, с небольшими участками в Монтане и Айдахо . [19] Йеллоустоун включает в себя самый высокий в мире действующий гейзер ( гейзер Стимбот в бассейне гейзеров Норриса ).
Долина гейзеров ( ‹See Tfd› Russian : Долина гейзеров ), расположенная на полуострове Камчатка в России , является второй по величине концентрацией гейзеров в мире. Этот район был открыт и исследован Татьяной Устиновой в 1941 году. В этом районе насчитывается около 200 гейзеров, а также множество горячих источников и постоянных фонтанов. Район был образован в результате активной вулканической деятельности. Своеобразный способ извержений является важной особенностью этих гейзеров. Большинство гейзеров извергаются под углом, и только очень немногие имеют гейзерные конусы, которые существуют на многих других гейзерных полях мира. [18] 3 июня 2007 года мощный грязевой поток повлиял на две трети долины. [20] Тогда сообщалось, что над долиной образуется термальное озеро. [21] Несколько дней спустя было замечено, что вода немного отступила, обнажив некоторые из затопленных объектов. Гейзер Великан, один из крупнейших на поле, не был погребен под оползнем и недавно [ количественно ] был замечен активным. [22]
Название «Эль-Татио» происходит от слова на языке кечуа , означающего «печь» . Эль-Татио расположен в высокогорных долинах Анд в Чили , в окружении множества действующих вулканов, на высоте около 4200 метров (13 800 футов) над уровнем моря. В настоящее время в долине насчитывается около 80 гейзеров. После уничтожения многих новозеландских гейзеров оно стало крупнейшим гейзерным полем в Южном полушарии и третьим по величине гейзерным полем в мире. Характерной особенностью этих гейзеров является то, что высота их извержений очень низкая, самое высокое из них достигает всего шести метров (20 футов), но со столбами пара, которые могут достигать высоты более 20 метров (66 футов). Средняя высота извержения гейзера в Эль-Татио составляет около 750 миллиметров (30 дюймов). [18] [23]
Вулканическая зона Таупо расположена на Северном острове Новой Зеландии . Она имеет длину 350 километров (217 миль) и ширину 50 километров (31 милю) и лежит над зоной субдукции в земной коре. Гора Руапеху отмечает ее юго-западный конец, в то время как подводная гора Факатане (85 км или 53 мили за островом Факаари/Уайт ) считается ее северо-восточной границей. [24] Многие гейзеры в этой зоне были уничтожены из-за геотермальных разработок и гидроэлектростанции, но несколько десятков гейзеров все еще существуют.
В начале 20-го века в этой зоне находился самый большой из когда-либо известных гейзеров — гейзер Ваймангу . Он начал извергаться в 1900 году и извергался периодически в течение четырех лет, пока оползень не изменил местный уровень грунтовых вод . Извержения Ваймангу обычно достигали 160 метров (520 футов), а некоторые супервзрывы, как известно, достигали 500 метров (1600 футов). [18] Недавние научные исследования показывают, что толщина земной коры под зоной может составлять всего пять километров (3 мили). Под ней лежит пленка магмы шириной 50 километров (30 миль) и длиной 160 километров (100 миль). [25]
Из-за высокой вулканической активности в Исландии, она является домом для некоторых из самых известных гейзеров в мире. В стране насчитывается около 20–29 активных гейзеров, а также многочисленные ранее активные гейзеры. [26] Исландские гейзеры распространены в зоне, простирающейся с юго-запада на северо-восток, вдоль границы между Евразийской плитой и Северо-Американской плитой . Большинство исландских гейзеров сравнительно недолговечны. Также характерно, что многие гейзеры здесь повторно активизируются или заново создаются после землетрясений, становясь спящими или потухшими через несколько лет или десятилетий.
Два самых известных гейзера Исландии находятся в Хаукадалуре . Большой Гейсир , который впервые извергся в 14 веке, дал начало слову гейзер . К 1896 году Гейсир был почти бездействующим, пока землетрясение в том году не вызвало извержения снова, которые происходили несколько раз в день; но в 1916 году извержения практически прекратились. На протяжении большей части 20 века извержения время от времени случались, как правило, после землетрясений. Были сделаны некоторые искусственные улучшения источника, и извержения были вызваны мылом в особых случаях. Землетрясения в июне 2000 года впоследствии пробудили гиганта на некоторое время, но в настоящее время он не извергается регулярно. Соседний гейзер Строккюр извергается каждые 5–8 минут на высоту около 30 метров (100 футов). [18] [27]
Известно, что гейзеры существовали по крайней мере в дюжине других мест на острове. Некоторые бывшие гейзеры развили исторические фермы, [ необходимо уточнение ], которые получали выгоду от использования горячей воды со времен Средневековья.
Раньше в Неваде было два крупных гейзерных поля — Beowawe и Steamboat Springs — но они были уничтожены установкой близлежащих геотермальных электростанций. На станциях геотермальное бурение сократило доступное тепло и понизило местный уровень грунтовых вод до такой степени, что гейзерная активность больше не могла поддерживаться. [18]
Многие из гейзеров Новой Зеландии были уничтожены людьми в прошлом веке. Несколько гейзеров Новой Зеландии также стали спящими или потухли естественным путем. Основное оставшееся поле — Вакареварева в Роторуа . [28] Две трети гейзеров в Оракеи Корако были затоплены при строительстве гидроэлектростанции Охакури в 1961 году. [29] Поле Вайракеи было потеряно из-за геотермальной электростанции в 1958 году. [30] Поле Ротомахана было уничтожено извержением вулкана Таравера в 1886 году . [31] [ 32]
Существуют различные другие типы гейзеров, которые по своей природе отличаются от обычных паровых гейзеров. Эти гейзеры отличаются не только стилем извержения, но и причиной, которая заставляет их извергаться.
В ряде мест, где наблюдается геотермальная активность , были пробурены скважины и снабжены непроницаемыми створками, которые позволяют им извергаться как гейзеры. Отверстия таких гейзеров искусственные, но подключены к естественным гидротермальным системам. Эти так называемые искусственные гейзеры , технически известные как извергающиеся геотермальные скважины , не являются настоящими гейзерами. Маленький старый верный гейзер в Калистоге, Калифорния , является примером. Гейзер извергается из обсадной трубы скважины, пробуренной в конце 19 века. По словам доктора Джона Райнхарта в его книге «Руководство по наблюдению за гейзерами» (1976, стр. 49), человек просверлил гейзер в поисках воды. Он «просто открыл мертвый гейзер». [33]
В случае с гейзером Биг-Майн-Ран в Эшленде, штат Пенсильвания , тепло, питающее гейзер (который извергается из заброшенного жерла шахты), поступает не от геотермальной энергии, а от долго тлеющего пожара на шахте Сентрейлия . [34]
Это природный горячий источник, который непрерывно извергает воду, не останавливаясь для подпитки. Некоторые из них неправильно называются гейзерами, но поскольку они не являются периодическими по своей природе, их не считают настоящими гейзерами. [35] [36]
Гейзеры используются для различных целей, таких как выработка электроэнергии , отопление и туризм . Множество геотермальных запасов обнаружено по всему миру. Гейзерные поля в Исландии являются одними из самых коммерчески выгодных мест расположения гейзеров в мире. С 1920-х годов горячая вода, направляемая из гейзеров, использовалась для обогрева теплиц и выращивания продуктов питания, которые в противном случае не могли бы быть выращены в негостеприимном климате Исландии. Пар и горячая вода из гейзеров также использовались для отопления домов с 1943 года в Исландии. В 1979 году Министерство энергетики США (DOE) активно продвигало развитие геотермальной энергии в «Зоне известных геотермальных ресурсов Гейзерс-Калистога» (KGRA) недалеко от Калистоги, Калифорния, посредством различных исследовательских программ и Программы гарантирования геотермальных кредитов. [37] Министерство обязано по закону оценивать потенциальное воздействие на окружающую среду развития геотермальной энергетики. [38]
В Солнечной системе есть много тел , где наблюдались или, как полагают, происходят извержения, которые внешне напоминают земные гейзеры. Несмотря на то, что их обычно называют гейзерами, они приводятся в действие принципиально другими процессами, состоят из широкого спектра летучих веществ и могут происходить в совершенно разных масштабах: от скромных по размеру марсианских струй углекислого газа до огромных шлейфов Энцелада . Как правило, есть две широкие категории особенностей, которые обычно называют гейзерами: сублимационные шлейфы и криовулканические шлейфы (также называемые криогейзерами).
Сублимационные шлейфы — это струи сублимированных летучих веществ и пыли из неглубоких источников под ледяными поверхностями. Известные примеры включают струи CO 2 на Марсе и извержения азота на спутнике Нептуна Тритоне .
На Марсе струи углекислого газа , как полагают, возникают в южной полярной области Марса весной, когда слой сухого льда, накопленный за зиму, нагревается солнцем. Хотя эти струи пока не наблюдались напрямую, они оставляют видимые с орбиты свидетельства в виде темных пятен и более светлых вееров поверх сухого льда. Эти особенности состоят в основном из песка и пыли, выдуваемых выбросами, а также паукообразных узоров каналов, созданных подо льдом быстрым потоком газа CO 2 . [39] Существует множество теорий, объясняющих извержения, включая нагревание от солнечного света, химические реакции или даже биологическую активность. [40]
Вояджер-2 обнаружил, что на Тритоне происходят активные выбросы азота и пыли, когда он пролетал мимо Луны в 1989 году. Эти выбросы достигали высоты 8 км, а ветры разносили их на расстояние до 150 км по ветру, создавая длинные темные полосы на яркой южной полярной ледяной шапке. [41] Существуют различные теории относительно того, что движет активностью на Тритоне, например, солнечный нагрев через прозрачный лед, [42] криовулканизм или базальный нагрев азотных ледяных щитов. [43]
Криовулканические струи или криогейзеры обычно относятся к крупномасштабным извержениям преимущественно водяного пара из активных криовулканических образований на некоторых ледяных лунах . Такие струи встречаются на луне Сатурна Энцеладе и луне Юпитера Европе .
Струи водяного пара вместе с частицами льда и меньшим количеством других компонентов (таких как углекислый газ , азот , аммиак , углеводороды и силикаты ) были замечены орбитальным аппаратом Кассини , извергающимися из отверстий, связанных с « тигровыми полосами » в южной полярной области Энцелада . Эти струи являются источником материала в кольце E Сатурна . Механизм, который вызывает эти извержения, остается неопределенным, как и то, в какой степени они физически связаны с подповерхностным океаном Энцелада , но считается, что они питаются, по крайней мере частично, приливным нагревом . [44] Кассини пролетал через эти струи несколько раз, что впервые позволило провести прямой анализ воды изнутри другого тела солнечной системы. [45]
В декабре 2013 года космический телескоп «Хаббл» обнаружил струи водяного пара, потенциально на высоте 200 км над южной полярной областью Европы . [46] Повторный анализ данных «Галилео» также показал, что он мог пролететь через струю во время пролета в 1997 году. [47] Вода также была обнаружена обсерваторией Кека в 2016 году, о чем было объявлено в статье журнала Nature за 2019 год, предполагающей, что причиной является криовулканическое извержение. [48] Предполагается, что линии Европы могут выбрасывать этот водяной пар в космос аналогично «тигровым полосам» Энцелада.
