Как работают гейзеры и почему они горячие. Что такое гейзер? Что такое гейзер вулкана? Где гейзеры
Гейзерами называют источники, которые периодически извергают в виде фонтана горячую воду и пар.
Для рождения и существования этих «водных вулканов» нужен комплекс из трёх подземных факторов:
— особая система полостей и каналов.
Вода, извергаемая гейзером, просачивается под землю после дождей, таяния снега, из ложа рек и озёр. Максимально она может достичь глубины примерно до 2 км. Для появления гейзера нужно, чтобы здесь же был источник тепла. Такое бывает лишь в активных вулканических местностях, где в недрах нагреваются и перемещаются расплавленные горные породы, газы.
Подогретая на подземной «печке» вода может по трещинам и порам вернуться к поверхности в виде обычных горячих источников. Но иногда она скапливается в полости, из которой наверх ведёт один или несколько узких каналов. По ним-то вода и выталкивается наружу. Гейзер «Старый служака» (США) выбрасывает за пятиминутное извержение до 32 тысяч литров кипятка. Неудивительно, что в Исландии гейзерной водой обогревают дома, тепличные хозяйства.
Многие гейзеры как красочные и редкие явления природы – объекты внимания туристов. Бассейны вокруг отверстия гейзеров заселяют бактерии, которые любят тепло и прекрасно чувствуют себя в очень горячей воде. Гейзеры дали им шанс расселиться далеко на Север.
Что заставляет гейзеры извергаться?
Мнения геологов тут расходятся. Одна из теорий рисует такой сценарий.
Подземная вода накапливается в разломе плотных и прочных пород. Они не позволяют влаге просачиваться сквозь них. Выход возможен лишь через трещины-каналы, которые сужаются кверху и открываются где-то на поверхности.
Вода в канале остывает и, по законам физики, стремится опуститься. Но подогрев снизу создаёт давление воды и не позволяет ей этого. В результате вода посреди канала сдавливается и сверху, и снизу.
Даже нагревшись до 100°С, она из-за повышенного давления не закипает. Перегретая вода поднимается выше по каналу, тут давление ослабевает, и она начинает-таки закипать. Пар резко увеличивается в объёме и вылетает вместе с кипящей водой через выходное отверстие. Следом выбрасывается и часть закипающей воды из резервуара.
Снаружи пар мигом охлаждается и превращается в облако . Пена оседает, часть воды стекает назад в канал – до следующего извержения.
Где можно встретить гейзеры?
На Земле не так много мест, где сходятся разом все три условия, необходимые для рождения гейзеров. Известно пять гейзерных полей: в Исландии, в каньоне «Долина гейзеров» на Камчатке, национальном парке «Йéллоустоун» (США), горном районе Эль-Тáтио на севере Чили, близ вулкана Тáупо на Северном острове Новой Зеландии.
Какой гейзер самый знаменитый в мире?
Пожалуй, тот, что находится в Исландии и активен вот уже 10 тысяч лет. В незапамятные времена его прозвали Гейзиром, от исландского «geysa» – хлынуть. Этот периодический фонтан стал первым, описанным в печатной книге. Уже в XVIII веке его знали по всей Европе, и позднее в его честь такие феномены стали называть гейзерами.
Первоначально участок с этим чудом природы принадлежал местному фермеру, тот продал его бизнесмену, который окружил гейзер высоким забором и пускал зрителей только за плату. Владельцы менялись, последний в 1935 году подарил участок «исландскому народу на вечные времена».
Некогда Гейзир извергался каждые полчаса. Он пережил несколько землетрясений, которые явно взбадривали его. После землетрясения 2000 года фонтан вырос вдвое и пару дней бил в высоту на уровне 40-этажного небоскрёба! Ныне фонтан стал много ниже и появляется лишь трижды в день.
Специалисты научились расчищать канал гейзера, когда тот засоряется. Особенно много народу собирается здесь 17 июня – Дня независимости. Накануне тут по заданию правительства работают геологи. Их обязанность – обеспечить праздничные «салюты» гейзера-старожила, и он никогда не подводит.
ГЕЙЗЕРЫ (от исландского geysa - хлынуть), источники, периодически выбрасывающие горячую воду и пар. Гейзеры распространены в основном в областях современной или недавно прекратившейся вулканической деятельности. В их цикле выделяют четыре стадии: покой, излив, извержение (фонтанирование), парение (некоторые из них могут быть не выражены). Гейзеры с практически постоянной длительностью цикла - регулярные, с изменчивой - нерегулярные. Наличие стадии покоя отличает гейзеры от других пульсирующих (в том числе кипящих) источников. Длительность цикла может измеряться минутами, часами, днями и даже годами. Стадия покоя длится от нескольких минут до нескольких часов или дней (продолжительность стадий покоя и излива и их соотношение с длительностью цикла индивидуальны для каждого гейзера), стадия извержения - от одной до нескольких минут, стадия парения, если она есть, не превышает нескольких минут. Вода, выбрасываемая источниками, слабоминерализованная (1-2 г/л), содержит относительно много кремнезёма, из которого у выхода канала, имеющего вид небольшого усечённого конуса или пологого углубления (ямы), образуются покровы гейзерита (пористой опаловой породы). Гейзеры характеризуются высотой пароводяного фонтана и массой выброшенной за одно извержение воды (мощностью).
Относительно периодического режима деятельности гейзеров существует ряд предположений. По одной из наиболее распространённых гипотез функционирования гейзеров (скважинной модели), предложенной в середине 19 века, существует канал, в который попадает горячая вода с температурой кипения выше, чем при атмосферном давлении (свыше 100°С). Кипение не происходит потому, что над горячей водой находится достаточно протяжённый столб охлаждённой воды. По мере поступления воды её уровень повышается и через некоторое время достигает поверхности. Начинается излив (сток), вследствие чего давление в области соприкосновения охлаждённой и горячей воды понижается и наступает момент, когда оно становится меньше соответствующего температуре кипения воды. Начинается кипение и выброс пароводяной смеси - извержение. Если поступление воды на глубине затруднено, то уровень зоны кипения будет опускаться, пока система не опорожнится. Пар поднимется и выйдет из канала, а выброшенная вода частично опустится вниз, образуя столб охлаждённой воды, не позволяющий кипеть поступающей на глубине горячей воде. Система вернётся к начальному состоянию. Известны другие модели функционирования гейзеров: смешения холодных и горячих вод с переменным расходом или камерная модель, учитывающая особую форму подводящего канала. По мнению некоторых исследователей, каждый гейзер обладает индивидуальным механизмом деятельности, обусловленным сложным строением подземной системы каналов и множественностью потоков вод, питающих гейзеры.
Гейзеры встречаются во многих странах. Высокие, мощные гейзеры известны в Исландии, Канаде, США, Китае, Японии, Новой Зеландии и России (открыты на Камчатке в Долине гейзеров в 1941). Масса выброшенной за одно извержение воды наибольшая у камчатских гейзеров (например, Грот, Великан, Малый). Всего на Камчатке около 100 гейзеров, из них около 20 - крупные. В США, в Йеллоустонском национальном парке, находится самый высокий современный гейзер - Стимбот, или Пароход (максимальная высота его пароводяного фонтана 90-120 м; последние крупные извержения в 1989, 1990, 1991, 2000, 2002, 2003, 2005); другие высокие гейзеры - Гигант и Старый Служака. В прошлом самым высоким и мощным на Земле гейзером был Ваймангу (остров Северный, Новая Зеландия), который действовал нерегулярно с периодом от 5 до 30 часов в 1899-1904, выбрасывая при каждом извержении струю воды на высоту до 180 м (около 800 тонн воды), при этом отдельные брызги долетали до высоты 450 м. Другой высочайший гейзер прошлого - Экселсиор (Йеллоустонский национальный парк); в 1880-е годы он извергался широким водяным фронтом до высоты 90 м, в 1985 году отмечена его последняя активность.
Лит.: Устинова Т. И. Камчатские гейзеры. М., 1955; Дрознин В. А. Физическая модель вулканического процесса. М., 1980; Rinehart 3. S. Geysers and geotermal energy. N. Y., 1980; Bryan Т. S. The geysers of Yellowstone. 3rd ed. Niwot, 1995.
Долгое время считалось, что в Долине гейзеров обитают духи, и люди сторонились этого места. Теперь сюда съезжаются толпы туристов. Но расхожие представления о горячих источниках до сих пор не всегда соответствуют действительности. «Вокруг света» развенчивает мифы о гейзерах
1 ГЕЙЗЕР — ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ ВУЛКАН
Извержения вулкана и гейзера похожи, поэтому бытует мнение, что любой гейзер может стать вулканом. На самом деле это не так. Для существования гейзеров действительно необходима близость к районам вулканизма и наличие на глубине магматического очага. Но в отличие от вулкана в работе гейзеров магма выполняет лишь функцию подогрева воды. Извержение гейзера невозможно без наличия вертикальных или наклонных трещин в земле, резервуаров, заполняемых грунтовыми водами, и постоянного притока этих вод.
2 ВОДА, ИЗВЕРГАЕМАЯ ГЕЙЗЕРАМИ, — ПОДЗЕМНАЯ
Это не совсем так. На самом деле подземная вода — это, по сути, вода от талых и дождевых вод. Она попадает в гидротермальную систему, движется по подземным водоносным слоям. В процессе движения вода нагревается от магмы и выходит на поверхность в виде гейзера или горячего источника. Этот путь может занимать несколько сотен лет, поэтому и принято называть эту «выдержанную» воду подземной.
3 ГЕЙЗЕРЫ ПОСТОЯННО ИЗВЕРГАЮТ СТРУЮ ПАРА И ВОДЯНОЙ СТОЛБ
Существуют четыре стадии работы гейзера: излив, фонтанирование, парение и наполнение или восстановление уровня воды в канале. У каждого гейзера эти стадии занимают разное время — несколько минут или часов, в зависимости от размеров гейзера, формы и его расположения в земле. Определить, что вскоре над землей появится струя воды, сложно. Нужно знать характер конкретного гейзера, чтобы предсказать, что вскоре начнется извержение. Например, для гейзера Великан не существует способа распознать, перерастет ли очередной всплеск в извержение. А вот за 10-15 секунд перед извержением гейзера Щель раздается шум воды.
4 ЖИЗНЬ В КИПЯТКЕ И ВБЛИЗИ НЕГО НЕВОЗМОЖНА
При извержении температура воды достигает как минимум +98 °С. Казалось бы, выжить в такой среде ни одно существо не способно. Но это не так. В водах долины широко распространены термофильные синезеленые водоросли. Этот тип древнейших организмов Земли (они заселили водоемы планеты около трех миллиардов лет назад) предпочитает для развития температуры свыше 45 °С. Кроме того, на склонах долины растет скрученник китайский — редкая орхидея. А вблизи гейзеров обитают личинки мух-львинок (Odontomiya argentata) и м ух-береговушек (Scatella stagnalis). Они ползают по внутренним каменистым сводам гейзеров, зачастую попадая в их мелкие струи, оставаясь и после этого активными. Высокотемпературный режим усиливает обмен веществ насекомых, и потому цикл их развития завершается даже при недостатке корма и других неблагоприятных факторах. Тепло земли для выведения потомства используют и птицы. Так, трясогузка вьет гнезда и откладывает яйца на прогретых почвах. Благодаря этому природному инкубатору птенцы в Долине гейзеров появляются раньше, чем на остальной территории Камчатки.
5 ВОДА В ГЕЙЗЕРАХ ЧИСТАЯ И ПОЛЕЗНА ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ
Считается, что все природное, не тронутое человеком, полезно. Час то это справедливо. Но не в этом случае. Вода в гейзерах долины не только не полезна людям, но даже опасна для них. В ней содержатся такие токсичные элементы, как ртуть, мышьяк и сурьма. Причем норма предельно допус тимой концентрации мышьяка для питьевых вод в реке Гейзерной превышена более чем в 10 раз, а сурьмы — более чем в 3 раза.
В сентябре 2013 года проект «Долина гейзеров: сохранить и показать» получил грант Русского географического общества.
— В 2007 году оползень перекрыл в Кроноцком заповеднике течение реки Гейзерной, — говорит начальник научного отдела ФГБУ «Кроноцкий государственный заповедник» Дарья Паничева. — Под завалами оказались семь гейзеров, еще девять затопило образовавшееся в каньоне озеро. В сентябре 2013 года прошли обильные ливни. Паводок размыл плотину, и за сутки уровень воды упал почти на три метра (за шесть лет вода уходила со скоростью примерно метр в год). Большинство гейзеров вновь оказалось на поверхности. Кроме того, пока долина была затоплена, образовались новые источники.
Считается, что в Долине гейзеров находится около 100 гейзеров, но названия имеют пока 40 из них. В 2011 году Андрей Леонов создал каталог основных объектов долины.
— Из-за отсутствия органа, регулирующего названия, возникала путаница: один гейзер мог иметь два названия, — говорит Андрей Леонов. Имена гейзеров всегда связаны с внешними проявлениями источника.
Врата Ада
— две глубокие ямы. Мрачные своды уходят вглубь земли, дно обычно скрыто клубами пара. Из глубины доносится глухое клокотание и низкочастотные шумы, напоминающие тяжкие вздохи. Пугающий вид этих провалов и их сходство с представлениями людей о входе в подземный мир и дали название гейзеру.
Мартышка
расположена на склоне, который напоминает мордочку животного.
Ванна
похожа на джакузи размерами пять метров в длину, два в ширину и глубиной полметра. Наполнена водой, с поверхности которой каждые две минуты происходит всплеск на высоту 1-2 метра.
Великан
— самый крупный гейзер долины. Фонтан кипятка достигает 35 метров.
Гоша
назван в честь экспедиции американской Ассоциации наблюдения и изучения гейзеров GOSA (Geyser Observation and Study Association
) 1991 года.
Фотографии: Вадим Гиппенрейтер
В регионах интенсивной современной или недавно завершившейся вулканической деятельности часто встречаются источники, которые под высоким давлением пара периодически выбрасывают на поверхность Земли фонтаны горячей воды и непосредственно пар. Это так называемые гейзеры. Существуют и горячие источники, характеризующиеся медленным вытеканием воды из трещин в земной коре.
Богата горячими источниками и гейзерами Исландия, где их насчитывается около 700. Название «гейзер» происходит от исландского слова «хлынуть, фонтанировать». На территории России гейзеры имеются на Камчатке, особенной популярностью пользуется Долина гейзеров. Также известны эти явления в Северной и Южной Америке, Японии, Новой Зеландии, Китае. Внешний вид гейзеров разнообразен. Они могут выглядеть как небольшие усеченные конусы с крутыми склонами, как невысокие пологие купола, как мелкие чашеобразные канавы, как ямы неправильной формы, т.д. В их стенках или дне имеются выходные отверстия щелевидных или трубчатых каналов.
Функционирование гейзеров отличается наличием периодов покоя, заполнения котловины водой, фонтанирования смеси пара и воды, завершения выброса пара и вновь перехода в стадию покоя. Гейзеры делят на две группы: регулярные и нерегулярные. У тех источников, которые относятся к первой группе, продолжительность цикла и его отдельных периодов относительно постоянна, у нерегулярных гейзеров изменчива. У разных гейзеров стадии могут длиться минуты, десятки минут, а продолжительность периодов покоя может составлять от нескольких минут до нескольких дней. Деятельность гейзеров не длительная, что связано с несколькими факторами, в частности, уменьшением течения подземных вод у каналов, снижением теплового потока, др.
Гейзеры фонтанируют, извергая воду на большую высоту. Например, гейзер Великан на Камчатке с периодичностью в 5-6 часов выбрасывает струю воды диаметром 3 м и высотой до 50 м. А на территории Северной Америки гейзер «Старый служака» каждый час поднимает водный столб на высоту 80 м.
Вода, выбрасываемая гейзерами на земную поверхность, чистая, слабо минерализованная, с повышенным содержанием кремнезема. Такая порода, как гейзерит, близкая по структуре к опалу, формируется у выхода канала гейзера именно из кремнезема. Химический состав воды хлоридно-натриевый или хлоридно-гидрокарбонатно-натриевый. Вода, выбрасываемая гейзерами, атмосферного происхождения, с примесью конденсата влаги магмы.
Общепринятой считается нижеописанная гипотеза о механизме возникновения гейзеров. Вода, просочившаяся в канал из пластов горных пород, в нижних его отделах нагревается и закипает с образованием пара, который и выбрасывает воду наружу.
Похожие материалы:
Гейзеры (исл., ед. ч. geysir, от geysa — хлынуть), источники, периодически выбрасывающие горячую воду и пар. Распространены в областях современной или недавно прекратившейся вулканическую деятельности, где происходит интенсивный приток тепла из вулканического очага. Гейзеры могут иметь вид небольших усечённых конусов с достаточно крутыми склонами, низких, очень пологих куполов, небольших чашеобразных углублений, котловинок, неправильной формы ям и др.; в их дне или стенках находятся выходы трубообразных или щелеобразных каналов.
Деятельность гейзеров характеризуется периодической повторяемостью покоя, наполнения котловинки водой, фонтанирования пароводяной смеси и интенсивных выбросов пара, постепенно сменяющихся спокойным их выделением, прекращением выделения пара и наступлением стадии покоя. Различают регулярные и нерегулярные гейзеры. У первых продолжительность цикла в целом и его отдельных стадий почти постоянна, у вторых — изменчива, у разных гейзеров продолжительность отдельных стадий измеряется минутами и десятками минут, стадия покоя длится от нескольких минут до нескольких часов или дней. Вода, выбрасываемая гейзерами, относительно чистая, слабо минерализованная (1-2 г на литр), по химическому составу — хлоридно-натриевая или хлоридно-гидрокарбонатно-натриевая, содержащая относительно много кремнезёма, из которого у выхода канала и на склонах образуется близкая к опалу порода — гейзерит. Главная масса воды гейзеров — атмосферного происхождения, возможно, с примесью магматической воды. Деятельность гейзеров в целом относительно кратковременна и зависит от ряда условий — уменьшения теплового потока, прекращения у каналов гейзеров движения подземных вод и др.
Сформированный концентрическими минеральными образованиями, гейзер Большой Фонтан в Йеллоустонском национальном парке извергается каждые 9-15 часов. В заповеднике около 10 000 горячих ключей и других термальных источников, включая более чем 300 гейзеров. Первый национальный парк в США и во всем мире, Йеллоустон, был основан в 1872 году.(Фотограф Майкл Мелфорд).
Гейзеры известны в СССР на Камчатке; за рубежом в Исландии, в Северной Америке, Новой Зеландии, Японии, Китае. Крупные гейзеры на Камчатке были обнаружены в 1941 в долине р. Гейзерной, начинается эта река на безжизненных склонах потухшего вулкана Кихпиныч и в нижнем течении образует долину шириной до 3 км. В этой долине встречается много горячих ключей, горячих и теплых озер и т. д.. Здесь известно около 20 крупных гейзеров, не считая мелких, выплескивающих воду вверх всего на несколько сантиметров. Почва около них теплая, а иногда и горячая. Многие гейзеры окружены натеками разноцветного гейзерита, которые покрывают иногда большие площади. Так, например, около самого большого камчатского гейзера Великан, выбрасывающего фонтан высотой в несколько десятков метров, образовалась площадка гейзерита примерно в гектар. Она вся покрыта натеками в виде маленьких каменных розочек серовато-желтого цвета. Неподалеку находится гейзер Жемчужный, названный так по форме и цвету отложений гейзерита. Гейзер Сахарный окружен красивыми отложениями нежно-розового гейзерита. Это пульсирующий источник. Вода из него выплескивается равномерными толчками. Гейзер Первенец находится на каменистой горячей площадке почти на самом берегу реки Шумной, недалеко от устья Гейзерной. Бассейн Первенца диаметром и глубиной около полутора метров окружают крупные глыбы камней. Если заглянуть в него тотчас после извержения, можно увидеть, что в нем совершенно нет воды, а на дне видно отверстие, или канал, косо уходящий в глубину. Через несколько минут 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 высотой 15-20 м бьет 2-3 мин, затем исчезает, пар рассеивается.
С давних пор славится своими горячими источниками, кипящими реками и гейзерами Исландия. В долинах большинства ее рек видны поднимающиеся облачка паров от кипящих ключей и гейзеров. Они особенно многочисленны в юго-западной части острова. Интересен знаменитый Большой Гейзер с диаметром бассейна около 18 м. Гладкое дно бассейна в центре переходит в округлое жерло около 3 м в диаметре, по форме похожее на раструб пионерского горна. Извержения Большого Гейзера очень красивы. Они повторяются через каждые 20- 30 ч и длятся около 3 ч. Высота фонтана достигает 30 м. Жители суровой Исландии используют горячие источники для выращивания в теплицах овощей и фруктов. Столица Исландии Рейкьявик и большинство городов и поселков полностью отапливаются водами горячих источников.
На острове Северном в архипелаге Новая Зеландия до 1904 г. действовал гейзер Ваймангу. Это был самый большой гейзер в мире. Во время сильного извержения его струя выбрасывалась на высоту 450 м. Но теперь этот гейзер совершенно исчез, что связано с понижением на 11 м уровня воды в ближайшем озере Таравера. Извержение другого новозеландского гейзера - Кроус-Нест (Воронье гнездо) на берегу озера Вайкато тоже -зависит от уровня воды в озере. Если вода стоит высоко, гейзер извергается каждые 40 мин, если уровень воды низкий - извержение происходит через 2 ч.
Относительно образования и периодической деятельности гейзеров существует ряд гипотез. По уточнённым данным В. В. Аверьева, А. С. Нехорошева и В. М. Сугробова, 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 растет 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 охлажденная, частично падает в чашу гейзера и попадает в его канал. Большая же часть воды просачивается в канал из боковых пород, нагревается (а в нижних частях канала перегревается), и снова происходит образование пара и выброс пароводяной смеси. Выходы водяного пара и горячей воды гейзера могут быть использованы для отопления зданий, теплиц и работы энергетических установок.
Схема действия гейзера.
Гейзеры - очень редкое и красивое явление природы.