Ключ к гейзерам, сказал Майкл Манга, профессор Земли и планетологии Калифорнийского университета в Беркли, — это подземный изгиб или петля, которая улавливает пар, а затем медленно выходит из него, нагревая водяной столб до тех пор, пока он не закипит. В конце концов, пузырьки пара вызывают внезапное закипание в верхней части колонны, снижая давление на воду внизу и позволяя ей закипеть. Колонна кипит сверху вниз, выбрасывая воду и пар на сотни футов в воздух.«У большинства гейзеров есть пузырьковая ловушка, в которой накапливается пар, вводимый снизу, и выпуск пара из ловушки готовит гейзер к извержению», — сказал Манга. «Вы можете видеть, как водяной столб нагревается и нагревается до тех пор, пока достаточное количество воды не достигнет точки кипения, так что, как только верхний слой начинает кипеть, кипение становится самовоспроизводящимся».
Новое понимание механики гейзеров исходит из исследований манги за последние несколько лет гейзеров в Чили и Йеллоустоне, а также из экспериментального гейзера, который он и его ученики построили в своей лаборатории. Сделанный из стекла с изгибом или петлей, он периодически извергается, хотя, что удивительно, не так регулярно, как настоящий гейзер, который они изучали в пустыне Атакама в Чили, получившей название Эль-Джефе. В течение шести дней наблюдений Эль Джефе извергался каждые 132 секунды плюс-минус две секунды.«Кажется, что у многих гейзеров есть какая-то полость, которая торчит на той стороне, где скапливается пар», — поясняет Манга. «Итак, мы сказали:« Давайте поместим полость и посмотрим, как пузырьковая ловушка вызывает извержения ». Это позволяет нам получать как небольшие, так и большие извержения в лаборатории ».
Манга и его коллеги, в том числе первый автор Каролина Муньос-Саез, аспирантка Калифорнийского университета в Беркли из Чили, сообщают о своих выводах о чилийских гейзерах в февральском выпуске журнала «Journal of Volcanology and Geothermal Research» за 2015 год. Описание лабораторного гейзера появилось в сентябрьском номере того же журнала за 2014 год.
Баланс давления и температурыПо всему миру существует менее 1000 гейзеров — половина из них в Йеллоустоне — и все они расположены в действующих или ранее действующих вулканических областях.
Вода с поверхности стекает вниз и нагревается горячей магмой, в конечном итоге, возможно, спустя десятилетия, она поднимается обратно на поверхность в виде горячих источников, грязевых котлов и гейзеров.Причины периодических извержений гейзеров, некоторые с периодичностью, по которой можно установить часы, вызвали интерес многих ученых, но немецкий химик Роберт Бунзен первым провел измерения давления и температуры внутри гейзера — Великого гейзера в Исландии, после названные гейзеры — в 1846 году. Основываясь на этих измерениях, он предположил, что извержения начинаются, когда вода начинает закипать на поверхности, снижая давление в перегретом водяном столбе и позволяя кипению распространяться вниз от поверхности. Вода под давлением закипает при более высокой температуре, поэтому уменьшение давления на перегретую воду позволяет ей закипеть.
С тех пор, по словам Манги, несколько исследователей вставили видеокамеры в гейзеры и увидели особенности, которые предполагают наличие подводных камер или петель, улавливающих пузырьки пара. Измерения Манги в Йеллоустоне и Чили связывают изменения температуры и давления в толще воды с подземными водопроводными трубами, чтобы объяснить периодические извержения.
Гейзеры — ключ к пониманию вулкановМанга изучает гейзеры, чтобы получить представление об извержениях вулканов, которые во многом похожи на гейзеры, но их гораздо труднее изучать.
Манга и его ученики вводят датчики температуры и давления на глубину до 30 футов в гейзеры — что невозможно сделать с вулканом — и сопоставляют их с наземными измерениями сейсмических датчиков и наклономеров, чтобы определить последовательность подземных событий, ведущих к извержение вулкана. Они также смогли погрузить видеокамеры на глубину шести футов в гейзеры, чтобы увидеть затопленные каналы и камеры внизу.
Он надеется, что сможет экстраполировать свои выводы на вулканы, вывести внутреннюю механику из внешних сейсмических и гравитационных измерений.Но гейзеры очаровательны сами по себе, сказал он.«Одна из наших целей — выяснить, почему существуют гейзеры — почему бы вам просто не получить горячий источник — и что именно контролирует извержение гейзера, включая погоду и землетрясения», — сказал он.
В публикации этого месяца Манга и его ученики сообщают об Эль-Джефе («вождь»), гейзере, расположенном на высоте около 14000 футов в поле гейзеров Эль-Татио в Чили, где вода кипит при 86 градусах Цельсия (187 градусов по Фаренгейту). ) вместо 100 (212 градусов по Фаренгейту). В 2012 году они записали внутренние и внешние данные во время 3600 извержений за шесть дней. Они сравнили их с наземными измерениями в Lone Star и других гейзерах в Йеллоустоне. В парке запрещены инвазивные измерения.
Они пришли к выводу, что Бунзен был по существу прав — кипение начинается в верхней части столба перегретой воды и распространяется вниз, — но также и то, что пузырьки, вырвавшиеся из захваченного пара в каналах под гейзером, нагревают столб воды до точки кипения. . Поскольку весь столб воды выкипает из-под земли, более половины объема выходящего вещества составляет пар, хотя большая часть массы — это жидкая вода, как они обнаружили. По словам Манги, шлейф, видимый издалека, в основном представляет собой пар, конденсирующийся в капли воды в воздухе.
PreplayВ таких местах, как Йеллоустоун, пузыри, которые медленно выходят из подземной петли, вызывают мини-извержения, называемые предварительными, ведущими к крупному извержению. Извержения прекращаются, когда столб воды в гейзере остывает ниже точки кипения, и процесс повторяется. На все эти подземные процессы, похоже, влияет только источник тепла глубоко под гейзером, потому что они не смогли найти доказательств того, что температура поверхности влияет на извержения.
Манга планирует продолжить свои исследования Йеллоустона и Чили — его следующая поездка в Йеллоустон состоится осенью — чтобы собрать больше данных, которые помогут объяснить периоды гейзеров и лучше понять подземные процессы.Соавторами Manga и Munoz-Saez в февральской статье являются Шауль Гурвиц из Геологической службы США в Менло-Парке, Калифорния; Максвелл Рудольф из Портлендского государственного университета в Орегоне; Ацуко Намики из Хиросимского университета в Японии; и почетный профессор Чи-Юэн Ван из Калифорнийского университета в Беркли.
Соавторами сентябрьской статьи 2014 года стали студенты Калифорнийского университета в Беркли Эстер Адельштейн, Аарон Тран, Каролина Муньос-Саез и исследователь Александр Штейнберг.Работа поддерживается Национальным научным фондом и программой CONICYT для поддержки сотрудничества Беркли и Чили, которая находится в ведении Центра латиноамериканских исследований Калифорнийского университета в Беркли.