Как работают гейзеры и почему они горячие

 

 

Гейзеры, горячие ключи и минеральные источники — последние отголоски грозной вулканической деятельности.

Гейзеры — это источники, в которых через определенные промежутки времени происходят извержения кипящей воды. Со взрывом и грохотом огромный столб кипятка, окутанный густыми клубами пара, взлетает вверх большим фонтаном, достигая иногда 80 м.

Фонтан бьет некоторое время, затем вода исчезает, клубы пара рассеиваются, и наступает состояние покоя.

Некоторые гейзеры выбрасывают воду совсем невысоко или только разбрызгивают ее. Бывают горячие источники, похожие на лужи, в которых вода кипит пузырями. Обычно вокруг гейзера есть бассейн, или неглубокий кратер, поперечник которого достигает нескольких метров.

Края такого бассейна и прилегающей к нему площадки покрыты отложениями содержащегося в кипятке кремнезема. Эти отложения называются гейзеритом. Около некоторых гейзеров образуются конусы из гейзерита высотой от нескольких сантиметров до нескольких метров.

Тотчас после извержения гейзера бассейн освобождается от воды, и на дне его можно увидеть заполненный водой канал (жерло), уходящий глубоко под землю.

Перед началом извержения вода поднимается, медленно заполняет бассейн, бурлит, выплескивается, затем со взрывом высоко взлетает фонтан кипятка.

Гейзеры — очень редкое и красивое явление природы. Его можно наблюдать у нас (на Камчатке), в Исландии, в Новой Зеландии и Северной Америке. Небольшие одиночные гейзеры встречаются в некоторых других вулканических областях.

В восточной части Камчатки, южнее Кроноцкого озера, много гейзеров в долине р. Гейзерной. Река начинается на безжизненных склонах потухшего вулкана Кихпиныч и в нижнем течении образует долину до 3 км шириной. На уступах склонов этой долины располагается множество горячих ключей, горячих и теплых озер, грязевых котлов и гейзеров.

Здесь известно около 20 крупных гейзеров, не считая мелких, выплескивающих воду всего на несколько сантиметров. Около некоторых из них почва теплая, а иногда даже горячая.

Многие гейзеры окружены натеками разноцветного гейзерита причудливых форм, похожими на красивые искусственные решетки. Иногда гейзерит покрывает площади в несколь ко десятков квадратных метров. Так, например, около самого большого камчатского гейзера — «Великана», выбрасывающего огромный фонтан на высоту в несколько десятков метров, образовалась площадка гейзерита примерно в гектар. Она вся покрыта натеками в виде маленьких каменных розочек серовато-желтого цвета.

Извержение гейзера. Фото: Geoffrey Plauche

Гейзер в разрезе. Штрихами показана вода, кружками — газы.

Неподалеку находится гейзер «Жемчужный», названный так по форме и цвету отложений гейзерита: с перламутровым отливом, похожим на жемчуг. Есть гейзер «Сахарный» с обильными и красивыми отложениями нежно-розового гейзерита. Это пульсирующий источник, вода из него не выбрасывается фонтаном, а выплескивается равномерными толчками.

Гейзер «Первенец» находится на каменистой горячей площадке почти на самом берегу р. Шумной, недалеко от устья р. Гейзерной. Бассейн «Первенца», около полутора метров в диаметре и такой же глубины, окружают крупные глыбы камней. Если взглянуть в бассейн тотчас после извержения, можно увидеть, что в нем совершенно нет воды, а на дне находится отверстие, или канал, косо уходящий в глубину. Через некоторое время из-под земли доносится гул, похожий на шум мотора: по каналу начинает подниматься вода, постепенно наполняющая бассейн. Она кипит, доходит до краев бассейна, поднимается все выше и выше, выплескивается и, наконец, со взрывом вырывается косо направленный столб кипятка, окутанный густыми облаками пара. Фонтан поднимается на высоту не менее чем 15—20 м. Он бьет две-три минуты, затем наступает тишина, пар рассеивается, и в опустевший бассейн можно опять заглянуть без риска. Через небольшой промежуток времени снова слышится гул и гейзер опять начинает действовать.

С давних пор славится своими горячими источниками, кипящими реками и гейзерами Исландия. В долинах почти всех ее рек видны поднимающиеся облачка паров от кипящих ключей и гейзеров. Они особенно многочисленны в юго-западной части острова. Там интересно посмотреть знаменитый «Большой Гейзер». Его бассейн диаметром около 18 м. Гладкое дно бассейна в центре переходит в округлое жерло около 3 м в диаметре, по форме похожее на раструб пионерского горна. Канал гейзера уходит на большую глубину, соединяясь под землей трещинами с пещерами, периодически наполняющимися горячей водой и паром. Температура воды в гейзере на поверхности до 80°, а в канале на некоторой глубине до 120°.

Извержение «Большого Гейзера» очень красиво. Оно повторяется через каждые 20— 30 часов и длится 2,5—3 часа. «Большой Гейзер» фонтанирует на высоту до 30 м.

Суровая природа Исландии заставляет жителей использовать некоторые горячие источники для орошения полей. На обогретых почвах выращивают овощи и злаки. Горячую воду источников применяют и для отопления домов в городах и поселках. Так, например, столица Исландии Рейкьявик полностью отапливается водами горячих источников.

На Северном острове Новой Зеландии до 1904 г. действовал гейзер «Ваимангу». Это был самый большой гейзер в мире. Во время сильного извержения его струя выбрасывалась в воздух на 450 м. Но теперь этот гейзер совершенно исчез. Объясняют это снижением на 11 м уровня воды в ближайшем оз. Таравера.

На берегу оз. Вайкато (Новая Зеландия) есть гейзер «Кроус-Нест» («Воронье гнездо»), извержение которого зависит от уровня воды в озере. Если вода стоит высоко, то гейзер извергается каждые 40 минут, если уровень воды низкий, извержение происходит через 2 часа.

Многочисленные и разнообразные горячие источники и гейзеры находятся в Северной Америке на границе штатов Вайоминг и Монтана. Это живописное место, окруженное высокими снежными хребтами Скалистых гор, называется Йеллоустонским национальным парком. Оно представляет собой высокое плоскогорье, изрезанное глубокими долинами рек и впадинами озер.

Несколько миллионов лет назад здесь происходили очень сильные вулканические извержения, следом которых и остался этот удивительный уголок природы. Из 200 гейзеров Йеллоустонского парка самым знаменитым считается «Старый служака». В течение многих сотен лет он не прекращает своей деятельности, так же как и некоторые другие гейзеры и горячие источники Йеллоустонского парка.

Представьте себе, какое огромное количество тепла приносится этими гейзерами и горячими источниками на поверхность Земли! Предполагается, что тепло всех источников Иеллоустонского парка может расплавить около 3 Т льда в секунду.

Откуда же берется это тепло?

Гейзеры возникают в районах, где недалеко от земной поверхности залегает неостывшая магма. Выделяющиеся из нее газы и пары, поднимаясь, проходят длинный путь по трещинам. При этом они смешиваются с подземными водами, нагревают их и сами переходят в горячую воду с растворенными в ней различными веществами. Такая вода и выходит на поверхность земли в виде бурлящих горючих ключей, различных минеральных источников, гейзеров и т. п.

Ученые предполагают, что под землей гейзер состоит из пещер (камер) и соединяющих их проходов, трещин и каналов, встречающихся в застывших лавовых потоках. Эти пещеры заполняются циркулирующими подземными водами, на небольшой глубине от которых находятся неостывшие магматические очаги.

Извержение гейзеров происходит по-разному, в зависимости от величины подземных камер, от формы каналов и расположения трещин, по которым поступает тепло из глубины недр, от количества и скорости притока грунтовых вод.

Из физики известно, что точка кипения воды при давлении в 1 атмосферу на уровне моря равна 100°.

Если давление увеличивается, температура кипения повышается,

а при уменьшении давления она понижается. Давление столба воды в канале гейзера повышает точку кипения воды на дне канала. Вода при нагревании снизу приходит в движение; нагретый нижний слой воды делается менее плотным и поднимается на поверхность, а более холодная вода с поверхности спускается вниз, где, согреваясь, в свою очередь поднимается, и т. д. Таким образом, пары и газы, беспрерывно просачивающиеся по трещинам из глубины, согревают воду, доводя до кипения.

Если канал гейзера широкий и имеет более или менее правильную форму, вода, перемещаясь (циркулируя), перемешивается, закипает и выплескивается на поверхность в виде горячего источника. Если же канал извилистый и узкий, вода не может смешиваться и нагревается неравномерно. Вследствие давления сверху столба воды внизу вода оказывается перегретой и не превращается в пар. Пар выделяется отдельными пузырями. Накапливаясь внизу, сжатый пар стремится расшириться, давит на верхний слой воды в канале и поднимает ее настолько, что она выплескивается на поверхность Земли небольшими фонтанами — предвестниками извержения.

Выплескивание воды уменьшает вес столба воды в канале; следовательно, давление на глубине понижается и перегретая вода, находясь выше точки кипения, мгновенно превращается в пар. Давление пара снизу так велико, что выталкивает воду из канала в виде огромных фонтанов кипятка и клубов пара.



.

ГЕЙЗЕРЫ (от исл. geysa — хлынуть * а. geyser, spouting spring; н. Springquelle, Geiser; ф. source jaillissante; и. geiser) — источники, периодически выбрасывающие горячую воду и пар. Распространены в областях современной или недавно прекратившейся вулканической деятельности, где происходит интенсивный приток тепла из магматического очага.

Гейзеры могут иметь вид небольших усечённых конусов с достаточно крутыми склонами, низких, очень пологих углублений, котловинок, неправильной формы ям и др.; на их дне или стенках находятся выходы трубообразных или щелеобразных каналов. Гейзеры практически с постоянной продолжительностью цикла называются регулярными, с изменчивой — нерегулярными. Продолжительность отдельных стадий цикла измеряется в минутах и в десятках минут, стадия покоя длится от несколько минут до несколько часов или дней. Вода, выбрасываемая гейзером, относительно чистая, слабо минерализованная (1-2 г/л), по химическому составу хлоридно-натриевая или хлоридно-гидрокарбонатно-натриевая, содержащая относительно много кремнезёма, из которого у выхода канала и на склонах образуется гейзерит.

Гейзеры известны в CCCP на Камчатке; за рубежом — в Исландии, Канаде, США, Новой Зеландии, Японии, Китае. Крупные гейзеры на Камчатке обнаружены в 1941 в долине реки Гейзерная, вблизи вулкана Кихпиныч. Всего на Камчатке около 100 гейзеров, из них около 20 крупные, по величине и силе извержений не уступающие действующим гейзерам Исландии, США и Новой Зеландии. Самый большой гейзер Камчатки — Великан, выбрасывающий струи воды высотой 40 м и пара высотой несколько сотен метров. В Исландии действует около 30 гейзеров. Среди гейзеров Йеллоустонского национального парка (около 200) самые большие — Гигант и Старый Служака. Первый выбрасывает пар и воду на высоту до 40 м с периодом в 3 дня, второй — на высоту 42 м через каждые 53-70 мин. Новозеландский гейзер Ваймангу — самый большой и мощный на Земле — действовал нерегулярно с периодом от 5 до 30 ч в 1899-1904; выбрасывал при каждом извержении около 800 т воды, действие гейзера прекратилось вследствие понижения на 11 м уровня воды в соседнем озере Таравера.

Относительно образования и периодичности деятельности гейзеров существует ряд гипотез. По одной из них, необходимым условием существования гейзеров является питание их в приповерхностных частях канала перегретыми водами с температурой свыше 100°С. При подъёме воды вверх по каналу давление её уменьшается и вода вскипает; при этом быстро растёт упругость образующегося пара, который, преодолевая давление воды в канале, выбрасывает воду. С началом фонтанирования гейзера вся вода в канале вскипает и извергается за счёт значительного увеличения объёма пароводяной смеси.

Выброшенная вода, несколько охлаждённая, частично падает в чашу гейзера и попадает в его канал. Большая часть воды просачивается в канал из боковых пород, нагревается (а в нижних частях канала перегревается), и снова происходят образование пара и выброс пароводяной смеси. Водяной пар и горячая вода гейзера могут быть использованы для отопления зданий, теплиц и работы энергетических установок (см. геотермальные ресурсы).

.

Таинственные явления

Загадка гейзеров

Гейзеры – это одно из чудес природы. Вначале в мире было 3 самых лучших места для наблюдения за ними. В Новой Зеландии на остове Северный, в национальном парке Йеллоустоун (США) и в Исландии. Именно исландцы назвали вырывающиеся из земли фонтаны кипящей воды и пара словом geysa (хлынуть). Отсюда и пошло название "гейзер".

В 1941 году на Камчатке была обнаружена целая долина гейзеров недалеко от подножия вулкана Кихпиныч. Таким образом, на планете стало 4 места, где наиболее ярко проявляют себя кипящие фонтаны, извергающиеся из земных недр.

Почему гейзеры извергаются периодично?

Следует сказать, что загадка гейзеров неразрывно связана с периодичностью их извержения. К примеру, в Исландии есть гейзер, который называется Прыгающей Ведьмой. С интервалом в 2 часа он выбрасывает на высоту до 15 метров кипящий фонтан. У других аналогичных фонтанов периодичность извержений может варьироваться в пределах от нескольких минут до часов и даже дней.

Так в Йеллоустонском парке гейзер Гигант выбрасывает пар и кипящую воду на высоту 40 метров каждые 3 дня. А аналогичный фонтан Старый Служака выстреливает кипятком из земных недр каждые 70 минут. По некоторым таким фонтанам можно сверять часы, так как интервал между выбросами не превышает минуту.

Вот именно эта поразительная периодичность и не давала учёным покоя во все времена. Ещё в начале XIX века была создана первая умозрительная модель гейзера.

Учёные предполагали, что глубоко под землёй есть большая пещера, заполненная горячими подземными водами. Есть также узкий канал, по которому перегретый пар выходит на земную поверхность. А подземное тепло дают пласты магмы, лежащие на небольшой глубине. Но почему вскипание воды происходит периодами?

Важное наблюдение было сделано в 1836 году. С помощью специальных методов было установлено, что температура в канале Большого гейзера Исландии с глубинной увеличивается. Но самое любопытное заключалось в том, что на большой глубине вода имела температуру более 100 градусов по Цельсию, но при этом не кипела.

Однако для физиков это было вовсе не сюрпризом. Они давным давно доказали, что температура кипения воды зависит в первую очередь от давления. Например, чтобы вода закипела при давлении, превышающем атмосферное в 5 раз, её нужно нагреть до 150 градусов по Цельсию. А вот при низком давлении вода закипает даже при комнатной температуре.

Принцип работы гейзера

Опираясь на природный механизм зависимости температуры кипения от давления, учёные разработали модель работы гейзера. Выглядит она так: в земле существует длинный вертикальный узкий канал. Он наполнятся грунтовыми водами. При этом чем глубже слой воды, тем больше в нём давление. Воду нагревает геотермальное тепло. Её температура в нижних слоях канала подходит к температуре кипения и, в конце концов, превышает её.

Вскипающий слой воды начинает толкать вверх воду, которая находится выше. Давление в ней падает, и верхние слои в свою очередь также начинают закипать. Так развивается лавинообразный процесс, в результате которого вся вода в подземном вертикальном канале очень быстро превращается в кипяток и пар. Гейзер извергает своё кипящее содержимое на землю и вновь начинает заполняться холодными грунтовыми водами.

Согласно данной гипотезе, загадка гейзеров объясняется вполне логично. А периодичность извержения зависит от ширины и конфигурации подземного канала, а также от скорости его заполнения грунтовыми водами. Немалое значение имеет и близость источника тепла, который должен нагреть водную массу и запустить процесс парообразования.

Но хотя данная схема выглядит вполне привлекательно, пока ещё никто не смог доказать её правильность. Для этого нужно построить рукотворную модель, полностью соответствующую по своим параметрам природному эквиваленту. Этого не сделано по сей день, а поэтому гейзеры продолжают хранить свою загадку и по праву считаются настоящим чудом природы.

Валерий Лапшин

Рубрики: Путешествия

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *