Важность изучения гейзеров
Существует три причины, которые обуславливают важность изучения гейзеров. Во-первых, гейзеры являются моделями вулканических извержений. Нас интересует то, как они извергаются, что провоцирует это извержение, как жидкость поднимается к поверхности, как она транспортируется в атмосферу. Вулканы большие и опасные, но они не извергаются очень часто. Гейзеры маленькие и менее опасные и извергаются много раз. Одна из вещей, которые мы хотим исследовать на основании изучения гейзеров, — это как понять и смоделировать процесс извержения. Мы также можем опробовать на гейзерах целый ряд геофизических инструментов. Мы можем использовать сейсмометр, чтобы измерять движение земли, мы можем измерять электрические и магнитные поля, мы можем записывать видео, а также можем попытаться совместить все эти типы измерений, чтобы понять, что происходит во время извержения. И потом мы можем попробовать перенести наши выводы с маленьких гейзеров на большие вулканы.
Вторая причина, по которой нас интересуют гейзеры, заключается в том, что они дают нам возможность понять, как Земля транспортирует воду. Существуют вещи, называемые геотермальными системами, которые мы используем для геотермальной энергии. Геотермальные системы производят материалы вроде золотых месторождений. Транспортируя жидкости, мы можем транспортировать все элементы, которые в ней растворены. Изучение гейзеров создает для нас возможность увидеть, как земля транспортирует смесь пара и воды.
И третья причина заключается в том, что гейзеры являются интересным и увлекательным феноменом. Если мы понимаем, как Земля транспортирует жидкости и энергию, мы должны уметь объяснять принцип работы гейзеров. И степень того, насколько нам не удается это сделать сейчас, указывает нам на то, что существуют базовые вещи о теплопередаче Земли, которые нам до сих пор не известны.
Начало исследования гейзеров
Первые современные научные исследования гейзеров проводились Робертом Бунзеном — он в большей степени известен как изобретатель горелки Бунзена. Горелка Бунзена — это маленькая горелка, которую вы видите в школьном классе. Его открытие привело к изобретению спектроскопии. В 1841 году он опубликовал статью, посвященную измерениям, сделанным внутри гейзера в Исландии. Эти измерения все еще релевантны.
Один из основных вопросов, которым он задавался, — это вопрос «Почему гейзер извергается?». Можно представить несколько способов извержения: оно может начаться как у вершины гейзера, так и у его основания. Бунзен делал измерения по мере того, как опускался все ниже внутрь гейзера, измеряя различную температуру кипения. Должно быть, в 1841 году это было не очень легко. И тем не менее он провел эти измерения в гейзере Гейсир, от которого свое название получили все остальные гейзеры. Получается, что в Исландии есть реальный объект, названный Гейсиром, и все остальные гейзеры названы вслед за ним.
Бунзен выяснил, что чем глубже мы опускаемся, тем выше температура воды. В этом также заключается важное свойство кипящей воды: если давление поднимается, температура кипения опускается. Таким образом, если взять воду определенной температуры на большой глубине и поднимать ее выше к поверхности, то давление будет снижаться. Чем глубже мы опускаемся, тем выше давление. И обратное тоже будет верно: если мы движемся от большей глубины к меньшей, то температура кипения снижается.
Таким образом, мы начинаем с горячей воды, переносим ее в зону низкого давления, вода начинает кипеть, и случается извержение. И если мы продолжаем выкачивать воду из гейзера, вся остальная вода попадает под действие низкого давления, и извержение продолжается. Предположительно это будет продолжаться до тех пор, пока вода не закончится. Потом мы снова наполняем гейзер и подогреваем его. В других областях науки это называется декомпрессионное кипение. В целом это основной способ того, как Земля производит вулканические породы. Мы берем породу, переносим ее в зону низкого давления — она тает. Возможно, гейзеры работают таким же образом. Бунзен предложил эту теорию в 1841 году.
Рождение новых гейзеров
В принципе, в местности, где уже существует много гейзеров, должны появляться новые объекты. Более того, они должны появляться, потому что некоторые из них умирают. На самом деле мы не совсем понимаем, что способствует появлению нового гейзера. Существуют предположения, что они появляются в результате взрыва. Если накапливать под землей пар и воду, то можно получить взрыв, называемый гидротермальным взрывом. Так происходит в местах вроде Йеллоустона. Важность взрыва заключается в том, что он приводит к появлению дыры или полости, которая необходима для того, чтобы гейзер накапливал воду и пар.
Тем не менее в лабораториях ученым удается создавать гейзеры, не делая больших углублений. Более того, ученые создают гейзеры в лабораториях уже более сотни лет. Способ достаточно прост: все, что для этого нужно, — это тепло и вода. Ученые берут контейнер с водой, подогревают ее снизу — в конце концов вода закипает. Кипящая вода продвигается по гейзеру, и происходит извержение. Когда пар или тепло заканчиваются, извержение прекращается.
Смысл в изучении гейзеров в лаборатории заключается в том, что появляется возможность понять, как различные переменные влияют на извержение. Существует множество переменных, которые необходимо учесть: насколько велик диапазон нагрева, какова геометрия и так далее. Это предоставляет возможность понять, как тепло и масса транспортируются в горячей системе. Таким образом, лабораторные эксперименты могут использоваться для того, чтобы лучше понять естественные гейзеры.
Последствия глобального потепления
На Земле есть всего несколько мест, где вы можете найти гейзеры. Существует Йеллоустонский национальный парк, где расположено около половины всех гейзеров, Долина гейзеров на Камчатке, Долина гейзеров Эль-Татио в Чили, несколько находятся в Новой Зеландии, несколько — в Африке, и еще несколько — в Исландии. Они все имеют три характерные черты.
Следовательно, идея о том, что глобальное потепление может повлиять на гейзеры, должна звучать странно. Но это не так по двум причинам. Первая отсылает к тому, что гейзерам нужна вода, ее отсутствие повлияет на них. Вторая заключается в том, что тот факт, что гейзеров существует так мало, позволяет предположить, что они реагируют на окружающую их среду. В холодных условиях необходимо больше времени, чтобы подогреть гейзер. Это делает холодные гейзеры интересным объектом исследования.
Бассейн гейзера обычно имеет резервуар воды на поверхности. Гейзеры извергаются через этот бассейн, который очень чувствителен к изменениям температуры воздуха. В Йеллоустонском парке существует гейзер Дейзи, который зимой извергается реже, чем летом. Он также чувствителен к ветру: если дует сильный ветер, то бассейн остывает, и на извержение требуется больше времени. Таким образом, можно предположить, что чем теплее становится Земля, тем чаще должны происходить извержения.
Исследование в Чили
Исследования гейзеров проводятся по всему миру, но многие серьезные вопросы требуют измерений внутри гейзера. В национальных парках США ученым не разрешено проводить исследования внутри гейзеров или даже вблизи них: всегда есть вероятность повредить гейзер или как-то повлиять на него, а цель национальных парков заключается в защите и сохранении окружающей среды, чтобы все могли ею наслаждаться.
Практически все места, где есть гейзеры, являются национальными парками, поэтому ученые выработали соглашение с местными общинами, чтобы изучать гейзеры в Чили. Им позволили предпринимать определенные, не разрушающие гейзер измерения, до тех пор пока они не вредят гейзерам. Это соглашение позволяет исследователям измерять температуру и давление внутри гейзера, а также брать пробу жидкостей и проводить их более детальный мониторинг, чем был бы возможен где-либо еще.
В Чили есть несколько гейзеров, которые особенно интересны. Гейзер Эль-Джефе, который в переводе с испанского называется «Босс», очень красивый: он очень маленького размера, а его извержения достигают высоты в пару метров, немногим больше роста человека. Из-за его небольшого размера его легко изучать. Кроме того, он один из самых регулярных гейзеров в мире. Он извергается каждые 140 секунд, плюс-минус 1 секунда. Для него неважно, какая температура воздуха, +20 или -10 °C, неважно, дует ли ветер. Из-за его регулярности мы можем проводить над ним эксперименты. Мы можем провести измерения изнутри или добавить немного холодной воды, чтобы изучить, сколько ему понадобится времени, чтобы прийти в себя. Это все делает его идеальным примером системы, которую мы можем использовать как модель для понимания базовых процессов.
Последние открытия
Есть несколько особенно ярких открытий. Одно определяет и подтверждает, что возле гейзеров есть большие выемки, которые иногда называют «ловушка для пузырей», что является очень наглядной демонстрацией этого принципа: вы можете заметить пузырьки, поднимающиеся в кипящей воде, они попадают в ловушку в этой выемке, и, как только пара в ней становится достаточно, начинается извержение. Такие ловушки обычно распознают по звуку, который производят пузыри. Звук проходит через почву, и его можно зафиксировать с помощью сейсмометра. Кроме того, внутрь гейзеров помещали видеокамеры, и появление пузырей фиксировали на видео. Вопрос теперь заключается лишь в том, характерно ли такое поведение всем гейзерам или только хорошо изученным.
Важность другого наблюдения состоит в том, что мы теперь способны измерять скорость движения воды внутри гейзера. На основании этого мы можем сказать, что они, скорее всего, извергаются со скоростью звука. И эту гипотезу мы в действительности способны измерить и проверить. Теперь важно понять, являются ли эти открытия универсальными или специфичными для конкретных изученных гейзеров. И это приводит нас к множеству открытых вопросов, которые до сих пор не имеют ответа.
Открытые вопросы
Есть несколько базовых вопросов, которые пока не имеют ответа. Почему гейзеры существуют? Почему они не становятся просто горячими источниками? Начинается ли извержение на вершине гейзера или что-то важное происходит на большой глубине? Находится ли что-то особенное под поверхностью земли, что приводит к формированию гейзеров? Перед основным извержением обычно происходят маленькие извержения. Мы хотим понимать, являются ли эти извержения подготовкой к основным или это просто более слабые извержения. Мы также хотим узнать, сколько массы и энергии гейзеры переносят на поверхность, как и почему они взрываются под воздействием влияния извне.
Что все это означает? На Земле есть приливы, они деформируют землю, и это может вызывать извержение. Изменения в природе могут влиять на извержения, недавние землетрясения также могут иметь воздействие. Поэтому мы хотим знать, как именно все это влияет на гейзеры и их функциональность. Мы также хотим знать, как быстро взрывается материал. В наших моделях для исследования вулканов мы предполагаем, что это происходит на скорости звука, но на гейзерах мы можем проверить эту модель. Учитывая, как много информации было получено из последних измерений, существует большой шанс, что многие из этих вопросов получат ответ.
Это перевод статьи нашего англоязычного издания Serious Science. Прочитать оригинальную версию текста можно по ссылке.
