Чудеса природы. Гейзеры

Процесс испарения воды воочию можно наблюдать на кухне, глядя на закипевший чайник, из носика которого вырывается струя пара. Кипение – интересный процесс, и он имеет отношение к очередному чуду природы, о котором пойдет речь, - гейзерам. Лучше всего наблюдать кипение в стеклянной посуде. Сначала на дне емкости возникают пузырьки. Они, то появляются, то исчезают. В воде всегда есть воздух. Однако микроскопические скопления газа со всех сторон «обжаты» молекулами воды и для глаза до поры незаметны. Дополнительная энергия, которую они приобретают на дне подогреваемого сосуда, приводит к резкому увеличению давления в пузырьке воздуха. Он буквально распухает на глазах и становится виден. Однако его энергии оказывается недостаточно, чтобы пузырек пробился через весь объем воды, все еще не нагретой до температуры кипения, и он схлопывается. Множество ударов воды о дно сосуда при схлопывании пузырьков воздуха порождает характерные звуки начальной стадии кипения. Японцы называют ее «шум сосен». Действительно, похоже. Когда температура повышается, пузырькам воздуха уже хватает энергии, чтобы вырваться на поверхность. Эту стадию кипения японцы называют «крабьими глазами». Тоже верное образное сравнение. Наконец, когда вода уже е в состоянии «впитать» новые порции энергии, начинается кипение «ключом» и интенсивное испарение воды.

 Лучше всего наблюдать кипение в стеклянной посуде

Внутрь гейзера заглянуть трудно. До начала XX века можно было лишь видеть, что происходит снаружи. Лучших мест для наблюдений сначала было три. В Новой Зеландии на острове Северный, в американском национальном парке Йеллоустоун и в Исландии. Вырывающиеся местами из исландской земли фонтаны кипящей воды и пара и породили само слово «гейзер». В переводе с исландского geysa – «хлынуть». Один из самых известных исландских паровых фонтанов так и называется – Гейсир. В 1941 году гейзеры были обнаружены и на территории нашей страны. Их открыли на Камчатке, в долине реки, берущей свое начало неподалеку от подножия вулкана Кихпиныч.

 Гейзер Гейсир

Главное в гейзерах, что происходит сильное и порой даже загадочное впечатление, - четкая периодичность их работы. К примеру, один из гейзеров Исландии называется Прыгающей Ведьмой. Он выбрасывает кипящий фонтан на высоту 15 метров каждые два часа. У других гейзеров промежуток между «извержениями» может варьировать от нескольких минут до часов или даже дней. Американский гейзер Гигант в парке Йеллоустоун выбрасывает пар и воду на высоту до 40 метров каждые три дня. Гейзер Старый Служака работает по более напряженному графику – стреляет кипятком каждые 53-70 минут. Бывает гейзеры, по которым можно сверять часы. Разброс времени между их извержениями меньше минуты.

Американский гейзер Старый Служака в парке Йеллоустоун

 Гейзер Строккур Исландия

Эта периодичность работы давно не давала ученым покоя. Как ее объяснить? Исследовать гейзер трудно. Мало найдется желающих лезть в воронку, откуда регулярно бьет струя кипятка. Поэтому первая модель гейзера, появившаяся в начале XIX века, была чисто умозрительной – созданной только путем размышлений. Помните – в самом начале этого рассказа был упомянут чайник? Сначала гейзер пытались представить именно в виде такого подземного чайника. Есть большая пещера, заполненная горячими поземными водами, есть узкий канал – «носик чайника», по которому перегретый пар устремляется кверху. В качестве горящего на плите газа выступает подземное тепло, порожденное лежащими относительно неглубоко пластами магмы.

 Гейзер Ваймангу Новая Зеландия

На необычное, подземное происхождение вод гейзеров указывали, вроде бы, красивые отложения минералов вокруг их воронок и отверстий. Гейзерит бывает розовым, беловатым, серовато-желтым. По фактуре он похож на зернистый творог и мелкую гранитную крошку. Часто образует красивые «розочки» и структуры, напоминающие скелеты кораллов. Однако более детальные исследования показали – по составу гейзерит близок к опалам, ничего необычного в его химической природе нет, а основная масса воды, которую выбрасывают гейзеры, имеет атмосферное происхождение.

Странно как-то получается… Как же эта вода заливается в подземный кипящий «чайник» гейзера? И главное, почему ее вскипание происходит периодами?

 

Следующее важное наблюдение, которое помогло пролить свет на эту загадку, было сделано в 1836 году. С помощью специальных методов было обнаружено, что температура в канале Большого гейзера Исландии увеличивается с глубиной. Чем глубже, тем горячее. Самое любопытное, что находящаяся в этом канале вода была на глубине нагрета выше 100°С и не кипела. Правда, для физиков тут большого сюрприза не было. Они давно доказали, что температура кипения воды зависит от давления. К примеру, чтобы заставить кипеть воду при давлении, превышающем атмосферное (на поверхности земли) примерно в пять раз, ее нужно нагреть до 150°С. Наоборот – при пониженном давлении вода способна кипеть даже при комнатной температуре. Это легко доказать несложным опытом. Возьмите обычный пластиковый шприц. Наполните его водой. Зажмите отверстие пальцем и оттяните поршень вниз. Давление внутри резко упадет, и в воде появится множество пузырьков – она закипит!

  Долина гейзеров Камчатка

Учитывая этот любопытный механизм зависимости температуры кипения от давления, ученые разработали новую модель работы гейзера. Представьте себе длинный вертикальный узкий каменистый канал в земле. Он наполняется водой, как заполняется ею обычный колодец – за счет грунтовых вод. Чем глубже слой воды, тем больше в нем давление. Геотермальное тепло нагревает воду. Ее температура в нижних слоях канала подходит к температуре кипения и наконец, превышает ее. Вскипающий слой воды начинает поднимать кверху воду, находящуюся выше. Давление в ней падает, и вода этих верхних слоев в свою очередь начинает закипать. Так развивается лавинообразный процесс, в результате которого вся вода в канале быстро превращается в крутой кипяток и пар. Гейзер «выплевывает» свое клокочущее содержимое вверх и вновь начинает заполняться относительно холодными грунтовыми водами.

 

Согласно этой гипотез, «расписание» работы каждого гейзера должно зависеть от ширины и конфигурации его подземного канала, скорости поступления грунтовых вод и быстроты их нагрева под землей. Несмотря на простоту и логичность описанной схемы, действующую рукотворную модель гейзера для проверки этой модели пока еще никто не построил. Так что каждый гейзер по-прежнему хранит загадку длительности своего личного периода работы.

 

Источник: Афонькин С.Ю. Чудеса природы. - Спб., 2010.