Гейзер ( / ˈ ɡ aɪ z ər / , Великобритания : / ˈ ɡ iː z ə / ) [1] [ 2] представляет собой источник , характеризующийся периодическим выбросом воды, выбрасываемой турбулентно и сопровождаемой паром. Как достаточно редкое явление, образование гейзеров обусловлено особыми гидрогеологическими условиями, существующими лишь в немногих местах на Земле.
Обычно все гейзерные поля расположены вблизи активных вулканических зон, а гейзерный эффект обусловлен близостью магмы . Как правило, поверхностные воды опускаются на среднюю глубину около 2000 метров (6600 футов), где контактируют с горячими камнями. Возникающее в результате кипение воды под давлением приводит к гейзерному эффекту горячей воды и распылению пара из вентиляционного отверстия на поверхности гейзера.
Извергательная активность гейзера может измениться или прекратиться из-за продолжающегося отложения минералов в трубопроводах гейзера, обмена функциями с близлежащими горячими источниками , воздействия землетрясений и вмешательства человека. [3] Как и многие другие природные явления, гейзеры не являются уникальными для Земли. Реактивные 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 делают более заметными благодаря частицам пыли и льда, поднимаемым газом. Струи водяного пара наблюдались вблизи южного полюса спутника Сатурна Энцелада , а извержения азота наблюдались на спутнике Нептуна Тритоне .
Есть также признаки извержений углекислого газа из южной полярной ледяной шапки Марса . В случае Энцелада считается, что шлейфы управляются внутренней энергией. В случае с выбросами на Марс и Тритон, активность может быть результатом солнечного нагрева посредством твердотельного парникового эффекта . Во всех трех случаях нет никаких свидетельств существования подповерхностной гидрологической системы, которая отличала бы наземные гейзеры от других видов излияний, таких как фумаролы .
Термин «гейзер» на английском языке появился в конце 18 века и происходит от слова «Гейсир» , гейзера в Исландии . [4] Его название означает «тот, кто льется». [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 внутренние трубопроводы гейзера. Для образования гейзеров требуется сочетание трех геологических условий, которые обычно встречаются в вулканической местности: сильная жара, вода и система гидротехнических сооружений. [6] [ нужен лучший источник ]
Тепло, необходимое для образования гейзера, исходит от магмы , которая должна находиться близко к поверхности земли. [7] Для того, чтобы нагретая вода образовала гейзер, необходима водопроводная система (состоящая из трещин , трещин , пористых пространств, а иногда и полостей). Сюда входит резервуар для хранения воды во время ее нагрева. Гейзеры обычно располагаются вдоль разломов . [6] [ нужен лучший источник ]
Активность гейзеров, как и вся активность горячих источников, вызвана тем, что поверхностные воды постепенно просачиваются сквозь землю, пока не встречаются с камнями, нагретыми магмой . В неизвергающихся горячих источниках геотермически нагретая вода затем поднимается обратно к поверхности за счет конвекции через пористые и трещиноватые породы, тогда как в гейзерах вода вместо этого взрывным образом выталкивается вверх под высоким давлением пара , создаваемым, когда вода закипает внизу. Гейзеры также отличаются от неизвергающихся горячих источников своим подземным строением; многие из них состоят из небольшого отверстия на поверхности, соединенного с одной или несколькими узкими трубками, ведущими к подземным резервуарам с водой и герметичной породой. [8]
По мере наполнения гейзера вода в верхней части колонны остывает, но из-за узости канала конвективное охлаждение воды в водоеме невозможно. Более холодная вода сверху давит на более горячую воду снизу, подобно крышке скороварки , позволяя воде в резервуаре перегреваться , то есть оставаться жидкой при температурах, значительно превышающих точку кипения при стандартном давлении. [8]
В конечном итоге температура у нижней части гейзера повышается до точки, где начинается кипение, заставляя пузырьки пара подниматься к верху колонны. Когда они прорываются через отверстие гейзера, часть воды переливается или выплескивается, уменьшая вес колонны и, следовательно, давление на воду внизу. При таком сбросе давления перегретая вода превращается в пар, бурно кипящий по всей колонне. Образовавшаяся пена расширяющегося пара и горячей воды затем выбрасывается из отверстия гейзера. [6] [ нужен лучший источник ] [9]
Ключевым требованием, позволяющим извергаться гейзеру, является материал, называемый гейзеритом , обнаруженный в скалах рядом с гейзером. Гейзерит, в основном диоксид кремния (SiO 2 ), растворяется из горных пород и откладывается на стенках водопроводной системы гейзера и на поверхности. Отложения делают каналы, несущие воду на поверхность, герметичными. Это позволяет давлению доходить до самого верха и не просачиваться в рыхлый гравий или почву, которые обычно находятся под гейзерными полями. [8]
В конце концов вода, оставшаяся в гейзере, снова остывает до температуры ниже точки кипения, и извержение прекращается; нагретые грунтовые воды начинают просачиваться обратно в водоём, и весь цикл начинается заново. Продолжительность извержений и время между последовательными извержениями сильно различаются от гейзера к гейзеру; Строккур в Исландии извергается на несколько секунд каждые несколько минут, а извержение Гранд-гейзера в США длится до 10 минут каждые 8–12 часов. [8]
Существует два типа гейзеров: гейзеры-фонтаны , которые извергаются из водоемов, обычно в виде серии интенсивных, даже сильных всплесков; и конусные гейзеры , которые извергаются из конусов или насыпей кремниевого агломерата (включая гейзерит ), обычно образуя устойчивые струи, длящиеся от нескольких секунд до нескольких минут. Old Faithful , пожалуй, самый известный гейзер Йеллоустонского национального парка, является примером конусного гейзера. Гранд Гейзер , самый высокий предсказуемый гейзер на земле (хотя Гейсир в Исландии выше, это непредсказуемо), также в Йеллоустонском национальном парке, является примером гейзера-фонтана. [10]
В мире есть много вулканических областей с горячими источниками , грязевыми котлами и фумаролами , но очень немногие из них имеют извергающиеся гейзеры. Основная причина их редкости заключается в том, что для существования гейзера необходимо одновременное возникновение нескольких мощных переходных сил. Например, даже при наличии других необходимых условий, если структура горных пород рыхлая, извержения разрушат каналы и быстро уничтожат любые зарождающиеся гейзеры. [11]
Гейзеры — хрупкие явления, и если условия изменятся, они могут бездействовать или исчезнуть. Многие из них были разрушены просто людьми, бросавшими в них мусор, в то время как другие прекратили извержение из-за обезвоживания геотермальными электростанциями. Однако у Гейсира в Исландии были периоды активности и покоя. Во время длительных периодов покоя извержения иногда вызывались искусственно — часто в особых случаях — путем добавления в воду поверхностно-активных мыл. [12]
Специфическая окраска гейзеров обусловлена тем, что, несмотря на кажущиеся суровые условия, в них (а также в других жарких местах обитания ) часто обнаруживается жизнь в виде термофильных прокариотов . 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 были в целом убеждены, что ни одна жизнь не может выжить при температуре выше примерно 73 °C (163 °F) — верхнего предела выживания цианобактерий , поскольку структура ключевых клеточные белки и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) будут разрушены. Оптимальная температура для термофильных бактерий была еще ниже, в среднем около 55 °C (131 °F). [13]
Однако наблюдения доказали, что жизнь действительно может существовать при высоких температурах и что некоторые бактерии даже предпочитают температуры выше точки кипения воды . Известны десятки таких бактерий. [14] Термофилы предпочитают температуру от 50 до 70 °C (от 122 до 158 °F), тогда как гипертермофилы лучше растут при температурах от 80 до 110 °C (от 176 до 230 °F). Поскольку они обладают термостабильными ферментами, сохраняющими свою активность даже при высоких температурах, их использовали в качестве источника термостабильных средств , которые важны в медицине и биотехнологии , [15] например, при производстве антибиотиков , пластмасс , моющих средств (по использование термостабильных ферментов липаз , пуллуланаз и протеаз ) и продуктов ферментации (например, производится этанол ). Среди них первым открытым и наиболее важным для биотехнологии является Thermus aquaticus . [16]
Гейзеры встречаются довольно редко и требуют сочетания воды , тепла и случайного водопровода . Такая комбинация существует в нескольких местах на Земле. [17] [18]
Йеллоустоун — крупнейший гейзерный регион, содержащий тысячи горячих источников и примерно от 300 до 500 гейзеров. В девяти гейзерных бассейнах здесь находится половина от общего числа гейзеров в мире. Он расположен в основном в Вайоминге , США, с небольшими частями в Монтане и Айдахо . [19] Йеллоустон включает в себя самый высокий в мире действующий гейзер ( Гейзер-пароход в бассейне гейзеров Норриса ).
Долина гейзеров ( русский : 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 существует около 200 гейзеров, а также множество горячих источников и вечных фонтанов. Территория образовалась в результате активной вулканической деятельности. Своеобразный характер извержений – важная особенность этих гейзеров. Большинство гейзеров извергаются под углом, и лишь немногие имеют конусы гейзеров, которые существуют на многих других гейзерных полях мира. [18] 3 июня 2007 года мощный сель затронул две трети долины. [20] Затем сообщалось, что над долиной формируется термальное озеро. [21] Несколько дней спустя было замечено, что вода несколько отступила, обнажая некоторые подводные объекты. Гейзер Великан, один из крупнейших на месторождении, не был погребен под оползнем, и недавно [ определить ] его активность наблюдалась. [22]
Название «Эль Татио» происходит от слова кечуа , обозначающего печь . Эль-Татио расположен в высоких долинах Анд, в окружении множества действующих вулканов в Чили , Южная Америка, на высоте около 4200 метров (13 800 футов) над средним уровнем моря. В настоящее время в долине находится около 80 гейзеров. После разрушения многих гейзеров Новой Зеландии оно стало крупнейшим гейзерным полем в Южном полушарии и третьим по величине гейзерным полем в мире. Отличительной особенностью этих гейзеров является то, что высота их извержений очень мала: высота самого высокого из них составляет всего шесть метров (20 футов), но столбы пара 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 . Его длина составляет 350 километров (217 миль), ширина — 50 км (31 миля), и он расположен над зоной субдукции в земной коре. Гора Руапеху отмечает его юго-западный конец, а подводная гора Факатане (85 км или 53 мили за пределами Вакаари / Уайт-Айленда ) считается его северо-восточной границей. [24] Многие гейзеры в этой зоне были разрушены из-за геотермальных разработок и гидроэлектрического водохранилища, но несколько десятков гейзеров все еще существуют.
В начале 20 века в этой зоне существовал самый большой из когда-либо известных гейзеров - гейзер Ваймангу . Оно начало извергаться в 1900 году и периодически извергалось в течение четырех лет, пока оползень не изменил местный уровень грунтовых вод . Извержения Ваймангу обычно достигают высоты 160 метров (520 футов), а известно, что некоторые сверхвзрывы достигали высоты 500 метров (1600 футов). [18] Недавние научные работы показывают, что толщина земной коры под этой зоной может составлять всего пять километров (3,1 мили). Под этим находится пленка магмы шириной 50 километров (30 миль) и длиной 160 километров (100 миль). [25]
Из-за высокого уровня вулканической активности в Исландии находятся одни из самых известных гейзеров в мире. В стране насчитывается около 20–29 действующих гейзеров, а также множество ранее действующих гейзеров. [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, характерно также то, что многие гейзеры здесь вновь активируются или вновь создаются после землетрясений, переходят в спячку или угасают через несколько лет или десятилетий.
Два самых известных гейзера Исландии расположены в Хаукадалуре . Великий Гейзер , первое извержение которого произошло в 14 веке, дал начало слову гейзер . К 1896 году Гейсир почти бездействовал, прежде чем землетрясение в том же году вызвало новые извержения, происходящие несколько раз в день, но в 1916 году извержения практически прекратились. На протяжении большей части 20-го века извержения происходили время от времени, обычно после землетрясений. В источнике были внесены некоторые искусственные улучшения, а в особых случаях извержения вызывались мылом. Землетрясения в июне 2000 года впоследствии на некоторое время пробудили гиганта, но в настоящее время он не извергается регулярно. Близлежащий гейзер Строккур извергается каждые 5–8 минут на высоту около 30 метров (98 футов). [18] [27]
Известно, что гейзеры существовали как минимум в десятке других районов острова. Некоторые бывшие гейзеры превратились в исторические фермы, которые со времен средневековья пользовались горячей водой.
Раньше в Неваде было два крупных поля гейзеров — Беоваве и Стимбот-Спрингс , — но они были уничтожены установкой близлежащих геотермальных электростанций. На станциях геотермальное бурение уменьшило доступное тепло и понизило местный уровень грунтовых вод до такой степени, что активность гейзеров больше не могла поддерживаться. [18]
Многие гейзеры Новой Зеландии были уничтожены людьми в прошлом веке. Несколько гейзеров Новой Зеландии также бездействовали или вымерли естественным путем. Основное оставшееся месторождение — Вакареварева в Роторуа . [28] Две трети гейзеров в Оракей Корако были затоплены в результате строительства плотины гидроэлектростанции Охакури в 1961 году. [29] Поле Вайракей было потеряно из- за геотермальной электростанции в 1958 году. [30] Поле Ротомахана было разрушено Извержение горы Таравера в 1886 году . [31] [32]
Существуют и другие типы гейзеров, которые по своей природе отличаются от обычных паровых гейзеров. Эти гейзеры различаются не только по способу извержения, но и по причине, вызвавшей их извержение.
В ряде мест, где наблюдается геотермальная активность , пробурены колодцы и оборудованы непроницаемыми створками, позволяющими им извергаться подобно гейзерам. Источники таких гейзеров являются искусственными, но подключены к естественным гидротермальным системам. Эти так называемые искусственные гейзеры , технически известные как извергающиеся геотермальные колодцы , не являются настоящими гейзерами. Примером может служить гейзер «Маленький старый верный» в Калистоге, Калифорния . Гейзер извергается из обсадной колонны скважины, пробуренной в конце 19 века. По словам доктора Джона Райнхарта в его книге « Руководство по наблюдению за гейзерами» (1976, стр. 49), мужчина пробурил 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 заброшенной шахты), исходит не от геотермальной энергии, а от давно тлеющего пожара в шахте Централия . [34]
Это природный горячий источник, из которого постоянно бьет вода, не останавливаясь для подпитки. Некоторые из них неправильно называют гейзерами, но поскольку они не являются периодическими по своей природе, их нельзя считать настоящими гейзерами. [35] [ нужен лучший источник ]
Гейзеры используются для различных видов деятельности, таких как производство электроэнергии , отопление и туризм . Многие геотермальные запасы находятся по всему миру. Гейзерные поля в Исландии являются одними из наиболее коммерчески выгодных гейзерных мест в мире. С 1920-х годов горячая вода, поступающая из гейзеров, использовалась для обогрева теплиц и выращивания продуктов питания, которые иначе невозможно было бы выращивать в негостеприимном климате Исландии. Пар и горячая вода из гейзеров также используются для отопления домов в Исландии с 1943 года. В 1979 году Министерство энергетики США (DOE) активно способствовало развитию геотермальной энергии в «Зоне известных геотермальных ресурсов Гейзеры-Калистога» (KGRA) недалеко от Калистоги, Калифорния, посредством различных исследовательских программ и Программы гарантий геотермальных кредитов. [36] По закону Департамент обязан оценивать потенциальное воздействие геотермального развития на окружающую среду. [37]
В Солнечной системе есть много тел , где наблюдались или предположительно происходят струйные извержения, часто называемые криогейзерами ( cryo означает «ледяной холод»). Несмотря на название и в отличие от гейзеров на Земле , они представляют собой извержения летучих веществ вместе с увлеченными частицами пыли или льда без жидкости. Нет никаких доказательств того, что происходящие здесь физические процессы аналогичны гейзерам. Эти шлейфы могли бы больше напоминать фумаролы .
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )