Gejzery to obiekty wyrzucające wodę w stanie ciekłym i parę w ich punkcie wrzenia. Z definicji to, co nazywamy gejzerami, wybucha okresowo (to znaczy regularnie) lub epizodycznie, co oznacza, że odstępy czasu między erupcjami nie zawsze są takie same. Istnieje wiele innych sposobów klasyfikacji gejzerów. Są gejzery duże i małe oraz zimne gejzery, które wyrzucają mieszaninę wody w stanie ciekłym i dwutlenku węgla. Ogólnie gejzery nie są zbyt powszechne. Kiedyś na całym świecie było ich około tysiąca, ale teraz jest ich około pięćset. Znikają, ponieważ strefy, w których znajdują się gejzery, mają zasoby geotermalne. Ze względu na zmiany klimatyczne coraz częściej wykorzystuje się energię geotermalną. Wystarczy przystąpić do wydobywania płynów do zasilania instalacji geotermalnej,jak gejzery zaczynają tracić swoje źródło energii i wody. Jeśli będziesz kontynuować ten proces wystarczająco długo, wszystkie gejzery mogą zniknąć.
Znaczenie badania gejzerów
Istnieją trzy powody, dla których badanie gejzerów jest ważne. Po pierwsze, gejzery to modele erupcji wulkanów. Interesuje nas to, jak wybuchają, co wywołuje tę erupcję, jak ciecz wypływa na powierzchnię, jak jest transportowana do atmosfery. Wulkany są duże i niebezpieczne, ale nie wybuchają zbyt często. Gejzery są małe i mniej niebezpieczne i wielokrotnie wybuchają. Jedną z rzeczy, które chcemy zbadać na podstawie badań gejzerów, jest zrozumienie i symulowanie procesu erupcji. Możemy również przetestować szereg instrumentów geofizycznych na gejzerach. Możemy użyć sejsmometru do pomiaru ruchu ziemi, możemy zmierzyć pola elektryczne i magnetyczne, możemy nagrywać filmy, a także możemy spróbować połączyć wszystkie te typy pomiarów, aby zrozumiećco się dzieje podczas erupcji. A potem możemy spróbować przenieść nasze odkrycia z małych gejzerów do dużych wulkanów.
Drugim powodem, dla którego interesujemy się gejzerami, jest to, że dają nam możliwość zrozumienia, w jaki sposób Ziemia transportuje wodę. Są rzeczy zwane systemami geotermalnymi, których używamy do wytwarzania energii geotermalnej. Systemy geotermalne wytwarzają materiały takie jak złoża złota. Przewożąc płyny możemy przetransportować wszystkie rozpuszczone w nim pierwiastki. Badanie gejzerów stwarza nam okazję, aby zobaczyć, jak ziemia transportuje mieszaninę pary i wody.
Trzecim powodem jest to, że gejzery to ciekawe i fascynujące zjawisko. Jeśli zrozumiemy, jak Ziemia transportuje płyny i energię, musimy być w stanie wyjaśnić, jak działają gejzery. A stopień, w jakim teraz tego nie robimy, wskazuje nam, że istnieją podstawowe rzeczy dotyczące wymiany ciepła na Ziemi, o których wciąż nie wiemy.
Park Narodowy Yellowstone / Zdjęcie: unsplash.com
Film promocyjny:
Rozpoczynają się badania nad gejzerem
Pierwsze nowoczesne badania naukowe nad gejzerami przeprowadził Robert Bunsen - najbardziej znany jest jako wynalazca palnika Bunsena. Palnik Bunsena to mały palnik, który widzisz w swojej klasie. Jego odkrycie doprowadziło do wynalezienia spektroskopii. W 1841 roku opublikował artykuł o pomiarach dokonanych wewnątrz gejzeru na Islandii. Pomiary te są nadal aktualne.
Jedno z głównych pytań, które zadał, brzmiało: „Dlaczego wybucha gejzer?” Można sobie wyobrazić kilka metod erupcji: może rozpocząć się zarówno na szczycie gejzeru, jak iu jego podstawy. Bunsen dokonywał pomiarów, zanurzając się coraz niżej w gejzer, mierząc różne punkty wrzenia. To musiało być trudne w 1841 roku. Niemniej jednak pomiary te przeprowadził w gejzerze Geysir, od którego wszystkie inne gejzery wzięły swoją nazwę. Okazuje się, że na Islandii znajduje się prawdziwy obiekt zwany Geysir, a wszystkie inne gejzery noszą jego imię.
Bunsen stwierdził, że im głębiej idziemy, tym wyższa temperatura wody. Jest to również ważna właściwość wrzącej wody: jeśli ciśnienie wzrasta, temperatura wrzenia spada. Tak więc, jeśli weźmiesz wodę o określonej temperaturze na dużych głębokościach i podniesiesz ją wyżej na powierzchnię, ciśnienie spadnie. Im głębiej idziemy, tym wyższe ciśnienie. I odwrotnie będzie również: jeśli przejdziemy z głębszego na płytszy, wówczas temperatura wrzenia spada.
Zaczynamy więc od gorącej wody, przenosimy ją do strefy niskiego ciśnienia, woda zaczyna wrzeć i dochodzi do erupcji. A jeśli nadal będziemy wypompowywać wodę z gejzeru, cała reszta wody spada pod wpływem niskiego ciśnienia, a erupcja trwa. Przypuszczalnie będzie to trwać do wyczerpania wody. Następnie uzupełniamy gejzer i podgrzewamy. W innych dziedzinach nauki nazywa się to gotowaniem dekompresyjnym. Ogólnie jest to główny sposób, w jaki Ziemia wytwarza skały wulkaniczne. Bierzemy skałę, przenosimy ją do strefy niskiego ciśnienia - topi się. Być może gejzery działają w ten sam sposób. Bunsen zaproponował tę teorię w 1841 roku.
Narodziny nowych gejzerów
W zasadzie na obszarze, na którym istnieje już wiele gejzerów, powinny pojawić się nowe obiekty. Co więcej, muszą się pojawić, ponieważ część z nich umiera. W rzeczywistości nie do końca rozumiemy, co przyczynia się do powstania nowego gejzeru. Istnieją sugestie, że pojawiają się one w wyniku eksplozji. Jeśli para i woda gromadzą się pod ziemią, może dojść do wybuchu, zwanego wybuchem hydrotermalnym. Dzieje się tak w miejscach takich jak Yellowstone. Znaczenie eksplozji polega na tym, że tworzy dziurę lub wnękę, która jest niezbędna, aby gejzer gromadził wodę i parę.
Niemniej naukowcom udaje się stworzyć gejzery w laboratoriach bez tworzenia dużych zagłębień. Ponadto naukowcy od ponad stu lat tworzą w laboratoriach gejzery. Metoda jest dość prosta: wszystko, czego potrzeba, to ciepło i woda. Naukowcy biorą pojemnik z wodą, podgrzewają go od dołu - w końcu woda wrze. Wrząca woda przepływa przez gejzer i następuje erupcja. Kiedy para lub ciepło się kończą, erupcja ustaje.
Celem badania gejzerów w laboratorium jest zrozumienie, jak różne zmienne wpływają na erupcję. Należy wziąć pod uwagę wiele zmiennych: jak duży jest zakres grzania, jaka jest geometria i tak dalej. Daje to wgląd w to, jak ciepło i masa są transportowane w gorącym systemie. Dlatego eksperymenty laboratoryjne mogą być wykorzystane do lepszego zrozumienia naturalnych gejzerów.
Konsekwencje globalnego ocieplenia
Na Ziemi jest tylko kilka miejsc, w których można znaleźć gejzery. Jest Park Narodowy Yellowstone, w którym znajduje się około połowa wszystkich gejzerów, Dolina Gejzerów na Kamczatce, Dolina Gejzerów El Tatio w Chile, kilka znajduje się w Nowej Zelandii, kilka w Afryce, a jeszcze kilka na Islandii. Wszystkie mają trzy cechy.
Dolina gejzerów El Tatio, Chile / Zdjęcie: pixabay.com
Pierwsza to niedawna aktywność wulkaniczna. Jest to ważne, ponieważ gejzery potrzebują ciepła. Jeśli nie ma ciepła, które zapewniają młode wulkany, trudno jest pojawić się gejzerom. Po drugie, większość tych stref została ostatnio pokryta lodowcami. Mogli przyczynić się do stworzenia odpowiedniego rodzaju materiałów potrzebnych do zasilania gejzerów. Potrzebna jest również woda - to trzecia cecha. Większość wymienionych miejsc ma dostęp do dużej ilości wody, z wyjątkiem Chile, gdzie na pustyni Atakama znajdują się gejzery. Tam woda najprawdopodobniej pochodzi z głębokiego podziemnego poziomu wodonośnego (wodonośnego) i tworzy gejzery.
W związku z tym pomysł, że globalne ocieplenie może wpływać na gejzery, musi brzmieć dziwnie. Ale tak nie jest z dwóch powodów. Pierwsza odnosi się do faktu, że gejzery potrzebują wody, jej brak wpłynie na nie. Po drugie, fakt, że jest tak mało gejzerów, sugeruje, że reagują one na swoje środowisko. W chłodniejszych warunkach rozgrzanie gejzeru trwa dłużej. To sprawia, że zimne gejzery są interesującym obiektem badań.
Basen gejzerowy ma zwykle na powierzchni zbiornik wodny. W tej niecce, która jest bardzo wrażliwa na zmiany temperatury powietrza, wybuchają gejzery. W Parku Yellowstone znajduje się Daisy Geyser, który zimą rzadziej wybucha niż latem. Jest również wrażliwy na wiatr: jeśli wieje silny wiatr, basen ochładza się i trwa dłużej. Można więc przypuszczać, że im cieplejsza staje się Ziemia, tym częściej powinny występować erupcje.
Badania w Chile
Badania nad gejzerem są prowadzone na całym świecie, ale wiele poważnych pytań wymaga pomiarów wewnątrz gejzeru. W amerykańskich parkach narodowych naukowcom nie wolno prowadzić badań wewnątrz lub nawet w pobliżu gejzerów: zawsze istnieje możliwość uszkodzenia lub wpływu na gejzer, a celem parków narodowych jest ochrona i zachowanie środowiska, aby każdy mógł się nim cieszyć.
Prawie wszystkie gejzery to parki narodowe, więc naukowcy wypracowali porozumienie z lokalnymi społecznościami, aby zbadać gejzery w Chile. Pozwolono im wykonać pewne pomiary nie niszczące gejzerów, o ile nie zaszkodziły one gejzerom. Umowa ta pozwala naukowcom mierzyć temperaturę i ciśnienie wewnątrz gejzeru, a także pobierać i monitorować płyny bardziej szczegółowo niż byłoby to możliwe gdziekolwiek indziej.
Chile ma kilka szczególnie interesujących gejzerów. Gejzer El Jefe, zwany po hiszpańsku „Boss”, jest bardzo piękny: jest bardzo mały, a jego erupcje osiągają wysokość kilku metrów, trochę więcej niż wzrost człowieka. Dzięki niewielkim rozmiarom jest łatwy do nauki. Co więcej, jest to jeden z najbardziej regularnych gejzerów na świecie. Wybucha co 140 sekund, plus minus 1 sekunda. Nie ma dla niego znaczenia, jaka jest temperatura powietrza, +20 czy -10 ° C, nieważne, czy wieje wiatr. Ze względu na jego regularność możemy na nim eksperymentować. Możemy wykonać pomiary od wewnątrz lub dolać zimnej wody, aby zbadać, jak długo zajmie mu powrót do zdrowia. To wszystko sprawia, że jest to doskonały przykład systemu, który możemy wykorzystać jako model do zrozumienia podstawowych procesów.
Najnowsze odkrycia
Jest kilka szczególnie uderzających odkryć. Jedna rzecz identyfikuje i potwierdza, że w pobliżu gejzerów znajdują się duże nacięcia, czasami nazywane „pułapką bąbelkową”, co jest bardzo wyraźnym przykładem tej zasady: we wrzącej wodzie widać bąbelki, które są uwięzione w tym wycięciu i jak wystarczy tylko para, zaczyna się erupcja. Te pułapki są zwykle rozpoznawane po dźwięku wytwarzanym przez bąbelki. Dźwięk przenika przez glebę i można go zarejestrować za pomocą sejsmometru. Ponadto wewnątrz gejzerów umieszczono kamery wideo, a pojawienie się bąbelków zostało zarejestrowane na wideo. Pytanie tylko, czy to zachowanie jest typowe dla wszystkich gejzerów, czy tylko dobrze zbadanych.
Znaczenie innej obserwacji jest takie, że jesteśmy teraz w stanie zmierzyć prędkość ruchu wody wewnątrz gejzeru. Na tej podstawie możemy powiedzieć, że najprawdopodobniej wybuchają z prędkością dźwięku. Możemy właściwie zmierzyć i przetestować tę hipotezę. Obecnie ważne jest, aby zrozumieć, czy te odkrycia są uniwersalne, czy specyficzne dla poszczególnych badanych gejzerów. A to prowadzi nas do wielu otwartych pytań, na które wciąż nie ma odpowiedzi.
Park Narodowy Yellowstone / Zdjęcie: unsplash.com
Otwarte pytania
Nie ma jeszcze odpowiedzi na kilka podstawowych pytań. Dlaczego istnieją gejzery? Dlaczego po prostu nie stają się gorącymi źródłami? Czy erupcja zaczyna się na szczycie gejzeru, czy na dużych głębokościach dzieje się coś ważnego? Czy pod powierzchnią ziemi jest coś specjalnego, co prowadzi do powstania gejzerów? Małe erupcje występują zwykle przed głównym erupcją. Chcemy zrozumieć, czy te erupcje są przygotowaniem do głównych erupcji, czy są po prostu słabszymi erupcjami. Chcemy również wiedzieć, ile gejzerów masy i energii przenosi na powierzchnię, jak i dlaczego wybuchają pod wpływem wpływów zewnętrznych.
Co to wszystko oznacza? Na Ziemi są pływy, które deformują ziemię, a to może spowodować erupcję. Zmiany w przyrodzie mogą wpływać na erupcje, a także niedawne trzęsienia ziemi. Dlatego chcemy wiedzieć, jak dokładnie to wszystko wpływa na gejzery i ich funkcjonalność. Chcemy również wiedzieć, jak szybko materiał eksploduje. W naszych modelach eksploracji wulkanów zakładamy, że dzieje się to z prędkością dźwięku, ale w gejzerach możemy przetestować ten model. Biorąc pod uwagę, ile informacji zebrano z ostatnich pomiarów, istnieje duża szansa, że na wiele z tych pytań zostanie udzielona odpowiedź.
Michael Manga