0 просмотров

Как гейзеры влияют на идею глобального потепления?

Гейзеры и водопроводные системы Земли

Мэг Стрипи
GS662 12 декабря 1996 г.

Гейзеры — это, по сути, горячие источники, которые становятся термодинамически и гидродинамически нестабильными. Однако гейзеры крайне редко встречаются на поверхности земли, что указывает на то, что для возникновения гейзеров необходим сложный набор параметров. На Рисунке 1 показаны местоположения, а в Таблице 1 перечислены названия гейзерных полей мира. Стоит отметить, что известно, что на Земле существует всего около пятидесяти гейзерных полей, и около двух третей из этих пятидесяти содержат пять или менее активных гейзеров. В Йеллоустонском национальном парке в Вайоминге, США, почти на порядок больше гейзеров, чем в любом другом известном месте, и он был местом обширного изучения свойств и характеристик гейзеров.

Поскольку гейзеры настолько редки, было проведено несколько исследований условий, которые должны существовать для активности гейзеров. Было обнаружено, что должны быть соблюдены по крайней мере три основных условия, но есть много других факторов, влияющих на тип и частоту извержений. Основными элементами гейзера являются: 1) водопровод, 2) источник тепла и 3) резервуар и связанная с ним водопроводная система (рис. 2).

Фигура 2.
Поперечное сечение типичного гейзера (по Уайту, 1967 г.)

Подавляющее большинство воды в гейзерной системе метеоритное. Часто гейзерные поля встречаются на берегах рек, которые обычно являются значительной составляющей водного источника гейзера. Осадки и циркулирующие подземные воды также играют значительную роль. Анализ содержания тридия в гейзерной воде показывает, что возраст подземных вод, выброшенных из гейзерной системы, составляет порядка 500 лет; это, очевидно, количество времени, которое требуется грунтовым водам, чтобы циркулировать на глубину, нагреваться и возвращаться на более мелкие уровни.

Статья в тему:  Что вызывает глобальное потепление во Вьетнаме

Извержение воды или газа из гейзера в значительной степени связано с взаимодействием между горячими и холодными источниками жидкости. Это требует постоянной, стабильной подачи тепла.Каждое поле гейзеров в мире расположено рядом с каким-то вулканическим, неглубоким источником тепла. Часто гейзерные поля располагаются вблизи границ литосферных плит, для которых характерен активный вулканизм. Предполагается, что другие поля гейзеров, такие как Йеллоустоун, расположены над горячими точками или шлейфами. Подавляющее большинство всех полей гейзеров расположено над крупными телами риолитов, хотя некоторые поля связаны с более основными вулканическими породами, такими как андезит или базальт.

Рисунок 3.
Шесть типов резервуарных систем
(по Райнхарту, 1980 г.)

Резервуары и связанные с ними водопроводные системы

Третьим важным компонентом гейзерных систем является резервуар и водопроводная система. Хотя эти системы считаются чрезвычайно сложными и уникальными для каждого гейзера, существует шесть общих классификаций типов резервуаров, из которых все они, как считается, произошли. На рис. 3 показаны эти шесть основных типов:

Тип A: гейзеры, попадающие в эту категорию, обычно имеют один стояк,

соединен с подземным резервуаром с приподнятым конусом на поверхности. Такие гейзеры обычно извергаются через довольно регулярные промежутки времени, их извержения, как правило, продолжительны, причем гейзеры играют на значительной высоте. Old Faithful в Йеллоустонском национальном парке является примером гейзера, который, как считается, имеет водопроводную систему такого типа. В 1992 году зонд, оснащенный датчиками температуры и давления, а также видеокамерой, был отправлен в стояк Old Faithful. Он обнаружил на глубине 45 футов пещеру размером с (довольно большой) автомобиль, наполненную сильно кипящей водой (Bryan, 1995).

Статья в тему:  Как перестать беспокоиться о глобальном потеплении

Тип B: Сантехнические системы типа B представляют собой глубокие, довольно узкие шахты. Гейзеры, связанные с этим типом системы резервуаров, обычно довольно сильные, а их извержения короткие, например, Круглый гейзер в Йеллоустонском национальном парке. Гейзер Круглый извергается примерно каждые 8 ​​часов на высоту около 25 метров.

Тип C: Резервуарные системы, такие как показанная в Типе C на Рисунке 3, имеют стояки, аналогичные системам Типа A. Однако вокруг отверстий на их поверхности не образуются конусы. Вместо этого их отверстия имеют слегка приподнятые края и находятся в бассейнах с водой. Это делает их поведение несколько отличным от чисто столбчатого гейзера, такого как Old Faithful, и чисто фонтанных гейзеров, таких как Большой или Большой фонтан в Йеллоустоне.

Типы D, E и F: эти три типа резервуарных систем типичны для гейзеров-фонтанов, таких как Большой и Большой фонтан, гейзер Нарцисс в Йеллоустоне и Великий гейзер в Исландии. Гейзер с системой, подобной гейзеру типа D, извергается серией взрывов с промежуточными периодами затишья. Вероятно, это связано со сложным набором взаимосвязанных резервуаров, которые опорожняются последовательно. Типы E и F — это другие конфигурации гейзеров для фонтанов или бассейнов. Извержения для обеих этих систем длительные и довольно регулярные, но не особенно сильные.

Если эти необходимые элементы (водоснабжение, источник тепла и водохранилище) не присутствуют в правильной конфигурации, геотермальная активность в этом районе все равно будет, но гейзеры развиваться не будут. Фумаролы, или паровые жерла, образуются, когда воды очень мало, но имеется интенсивный источник тепла. Или, если горячей воды в избытке, но она находится в высокопроницаемой породе, то вода будет перенасыщена илом и глиной, что образует грязевой котёл. Или, если есть избыток воды, но источник тепла недостаточно горячий для развития гейзера, образуется горячий бассейн. Если вода в водохранилище каким-то образом будет ограничена от циркуляции или если стояки будут слишком большими, то образуется кипящий горячий источник. Как правило, в районах, где встречаются гейзеры, также происходит большинство этих других явлений.

Статья в тему:  Что глобальное потепление делает с белыми медведями

Процессы, при которых извергаются гейзеры, которые обычно легко понять с качественной точки зрения, также можно объяснить с помощью более аналитического подхода.Существует два основных типа извержений: те, которые возникают из-за гейзеров-фонтанов или бассейнов, и извержения из-за столбчатых гейзеров. На рис. 4 показано поперечное сечение типичного гейзера бассейна. Сразу после извержения котловина или резервуар гейзера медленно заполняется водой. Принято считать, что большинство гейзерных систем имеют два отдельных источника воды: один, через который течет большое количество неглубокой прохладной воды, и отдельный источник, который приносит небольшое количество кипящей воды с глубины. Вода будет смешиваться в резервуаре с горячей, менее плотной водой, движущейся вверх в бассейне, и более холодной, более плотной водой, движущейся вниз. Эта система движется конвективным образом до тех пор, пока резервуар не заполнится и температура всей системы постепенно не возрастет. Когда вода нагревается до критической температуры, капля движущейся вверх горячей воды сохранит достаточно тепловой энергии после смешивания, чтобы оставаться при температуре кипения. Когда это происходит, вода превращается в пар, достигая поверхности. Это взбалтывает всю воду в системе, и начинает подниматься больше горячей воды, и происходит череда взрывов.

Столбчатые гейзеры извергаются немного сильнее, чем гейзеры с бассейнами. В резервуарной системе столбчатого гейзера горячая вода, циркулирующая на глубине, поступает в водопроводную систему гейзера и смешивается с более прохладной водой, как в гейзере с бассейном. Резервуар заполняется и продолжает нагревать всю систему до тех пор, пока вся вода не достигнет точки кипения на заданной глубине. Если источник тепла постоянный, то система нагреется настолько, что пузырьки пара перестанут схлопываться, достигнув поверхности воды. Вначале пузырьки начинают подниматься и перемещаться по водопроводной системе без затруднений. Однако по мере того, как все больше и больше пузырьков пара начинают подниматься, они попадают в сужение в водопроводной системе гейзера (в столбчатых гейзерах сужения в каналах имеют решающее значение для извержения).Давление нарастает до тех пор, пока не поднимает вышележащую воду вверх и из канала, чтобы пузырьки пара могли выйти. Когда вышележащая вода поднимается из системы, возникающее в результате падение давления снижает температуру кипения остаточной воды в резервуаре. Эта вода, уже закипев, закипает еще сильнее и образует больше пузырьков пара. Этот пар быстро расширяется, и резервуар катастрофически опустошается. Извержение будет продолжаться до тех пор, пока либо в резервуаре не закончится вода, либо температура системы не упадет ниже точки кипения.

Статья в тему:  Как глобальное потепление влияет на Грецию

Также полезно более количественно проанализировать тепловой и гидрологический режимы извержения гейзеров. Для столбчатого гейзера после извержения резервуар начинает пополняться смесью холодной и горячей воды или пара. Если источником тепла является пар, то после конденсации пара температура источника тепла равна температуре воды:

T h =T s + (r/c), где r = теплота парообразования воды
T s = температура пара
c = удельная теплоемкость воды

По мере заполнения резервуара вся остаточная вода в резервуаре имеет температуру Т о . С течением времени количество воды (которая представляет собой смесь горячей и холодной воды) увеличивается с постоянной скоростью, определяемой следующим образом:

p(dV/dt) = q 1 , где q 1 = расход горячей и холодной воды (q h + q c )
p = плотность жидкости

По мере заполнения резервуара температура всего резервуара изменяется по формуле:

pV(dT/dt) = q h (T h — T o ) + q c (T c — T o ), где q h = скорость притока горячей воды
q c = скорость притока холодной воды.

Пусть T e1 = равновесная температура после смешивания, поэтому:

T e1 знак равно (q c T c + q h T h )/q 1 .

Гейзеры будут активны только тогда, когда T e1 > T o (т. е. температура после смешивания должна быть больше температуры остаточной воды в резервуаре).

Таким образом, время (t 1 ), необходимое для заполнения резервуара, определяется выражением:

t 1 = (VA — V O )(p/q 1 ), где VA = объем воды в полном резервуаре
VO = первоначально присутствующий объем воды
p = плотность водной смеси
q 1 = скорость потока

Температура (T 1 ) в момент времени t 1 составляет:

T 1 = T e1 + (V O /VA )(TO — T e1 ).

Как только резервуар наполняется, вода начинает подниматься по стояку (или выходному каналу). Объем воды в резервуаре должен оставаться постоянным, поскольку резервуар имеет фиксированный размер, но общее давление в резервуаре увеличивается из-за веса воды в стояке. Повышение давления в системе пласта уменьшает перепад давления между водой в окружающем массиве горных пород и водой в пласте. Это снижает скорость общего притока в резервуар. Однако эта разница в значительной степени незначительна в компетентной магматической породе, так что время, за которое также заполняется стояк, t 2 , составляет:

Статья в тему:  Карта: как будет выглядеть Калифорния, если глобальное потепление продолжится

t 2 = t 1 = V c /q, где V c = объем стояка
q = скорость потока в стояк

Когда и резервуар, и стояк заполнены, вода во всей системе начинает нагреваться. Извержение начнется, когда температура воды T 2 станет выше точки кипения воды T b на данной глубине. Когда это происходит, пузырьки пара начинают вытеснять вышележащую воду из стояка, общее давление падает, начинается бурное кипение и извержение гейзера. Количество времени между окончанием одного извержения и началом следующего будет просто количеством времени, которое требуется для заполнения водохранилища, плюс количество времени, необходимое для заполнения стояка, плюс время, необходимое для нагрева воды. всю систему до точки кипения. Следовательно, общий интервал времени между извержениями:

t = (VA — V O )/q 1 + (VA /q 1 )ln[(T e2 — T 2 )/(T e2 — T b )]

Гейзеры и газ — интимная связь

Газы широко распространены в гейзерных системах, и их присутствие может существенно повлиять на поведение гейзеров.Углекислый газ является наиболее распространенным газом (около 80-100% всего газа в любом гейзере) наряду с другими второстепенными газами, включая кислород, окись углерода, водород, метан, азот, аргон и сероводород (Allen and Day, 1935; Barth, 1950). Большинство газов имеют вулканическое происхождение, хотя некоторые газы, вероятно, также имеют атмосферный компонент. Присутствие значительного количества газа может повлиять на гидростатическое давление в системе, так что вода, содержащая газ, может кипеть при температуре, намного более низкой, чем ее собственная точка кипения. Следовательно, присутствие большого количества газов может спровоцировать извержение, даже если источник тепла недостаточно интенсивен, чтобы нагреть воду до точки кипения. Газообразные гейзеры, или гейзеры, приводимые в движение присутствием газа, а не температурой системы, обычно встречаются в нефте- и газодобывающих регионах, таких как восток США. Такие гейзеры обычно выбрасывают жидкости и газ, температура кипения которых намного ниже точка воды при атмосферных условиях, хотя бассейны воды кажутся сильно кипящими. Гейзеры могут приводиться в движение различными газами, такими как углекислый газ или углеводороды. Во многих случаях эти гейзеры извергаются без предупреждения, но их извержение происходит довольно регулярно.

Статья в тему:  Как экономия воды остановит глобальное потепление

Поведенческие изменения у гейзеров

Изменения в атмосферных условиях Земли, по-видимому, по-разному влияют на поведение гейзеров. Райнхарт (1972) изучил колебания количества осадков, усредненные за год, и пришел к выводу, что влияние на поведение гейзеров практически отсутствует. Однако анализ сезонных осадков и интервалов извержений гейзера Old Faithful в Калифорнии показывает заметную корреляцию. В этом случае увеличение количества осадков, по-видимому, систематически сокращает интервалы извержений (Silver and Valette-Silver, 1992). Однако все согласны с тем, что такие колебания определенно влияют на приповерхностные особенности, такие как грязевые котлы или горячие источники.

Изменения барометрического давления, даже небольшие, по-видимому, оказывают значительное влияние на активность гейзеров в годовом масштабе (Rinehart 1972). Многие наблюдатели за активностью гейзеров отмечают, что температура воды в гейзерах и горячих источниках повышается в условиях пониженного давления, обычно в сезон дождей. Однако многие гейзеры, по-видимому, реагируют на такие колебания неравномерно, что указывает на то, что на глубине могут существовать конфликтующие напряжения, которые заставляют гейзеры реагировать неравномерно.

Рисунок 4. Влияние земных приливов
по сантехническим системам (по Райнхарту, 1980 г.)

ОТЛИВ ПРИЛИВ

Земные приливы, как и океанские, возникают в результате взаимодействия между гравитационными полями Земли, Солнца и Луны. Эти приливные силы могут систематически влиять на поведение гейзеров. На рис. 4 схематично показано влияние приливов и отливов на водопроводные системы. Отливы, связанные с выдавливанием, закрывают отверстия русел и ограничивают поступление воды в водохранилища. И наоборот, расширение, связанное с приливами, открывает трещины и каналы и обеспечивает более быстрый поток воды в водопроводную систему. Графики извержений многих гейзеров совпадают с приливами и, по-видимому, наиболее подвержены влиянию 4,4-летних циклических приливов, возникающих из-за разницы в наклоне орбитальных плоскостей Земли и Луны (Rinehart, 1972, 1980; рис. 5).

Статья в тему:  Как глобальное потепление повлияет на солнечную энергию

Рисунок 5. Корреляция между приливной силой
и интервал между извержениями гейзеров
(по Райнхарту, 1980 г.)

Обычно существует сильная корреляция между активностью землетрясений и поведением гейзеров. Это явление наблюдалось веками, но только недавно были задокументированы изменения в поведении гейзеров. Землетрясение на озере Хегбен в 1959 г. оказало на гейзеры Йеллоустона самое сильное воздействие из всех землетрясений с момента открытия парка (Rinehart, 1980). Поскольку эпицентр находился так близко к Йеллоустону (всего около 50 км), последствия были значительными.Сразу после землетрясения все гейзеры в парке изверглись, а средняя температура в гейзерах и родниках повысилась в среднем на 2°C. Некоторые гейзеры, которые ранее бездействовали, стали активными, якобы в результате открытия запечатанных каналов вдоль плоскостей ослабления, а несколько активных гейзеров изменили свое поведение при извержении. Однако реакция гейзеров на землетрясения кажется несколько изменчивой. Old Faithful в Йеллоустоне был единственным гейзером в парке, который не изменил своего извержения после землетрясения на озере Хегбен (Rinehart, 1980). Однако он отреагировал на несколько других землетрясений с эпицентрами гораздо дальше, таких как землетрясение магнитудой 8,4 на Аляске в 1964 году. в региональном напряжении. Поскольку гейзеры регистрируют сейсмическую активность достаточно последовательно, было проведено несколько исследований того, можно ли использовать гейзеры в качестве предикторов сейсмической активности. Райнхарт (1980) утверждает, что в его детальных исследованиях гейзеров не было выявлено систематических корреляций между землетрясениями и активностью гейзеров. Более позднее исследование Сильвера и Валетт-Сильвера (1992) показало, что некоторые гейзеры в Калифорнии показывают изменения в наблюдаемой активности до того, как произошло землетрясение. Они предполагают, что, хотя реакция гейзеров на тектоническое напряжение изучена недостаточно, существуют два основных механизма, с помощью которых сейсмическая активность может влиять на поведение гейзеров. В первом случае изменения регионального поля деформации изменяют объемную скорость потока в водоем, тем самым влияя на интервал между извержениями гейзеров. В другом сценарии проницаемость водопроводной системы может измениться из-за деформационных изменений микротрещин в гейзерном резервуаре.

Статья в тему:  Как пожары влияют на глобальное потепление

Хотя гейзеры обычно фиксируют изменения на Земле, трудно четко выделить влияние какого-либо отдельного события на поведение гейзеров. Гейзеры и связанные с ними геотермальные области динамичны по своей природе и наиболее широко используются для получения геотермальной энергии, которую они могут извлекать. По мере усложнения технологии получения изображений недр наше понимание природы поведения гейзеров значительно улучшится, и, следовательно, использование гейзеров в качестве инструмента для прогнозирования поведения Земли на поверхностных уровнях земной коры может стать более значимым.

Другие ссылки, связанные с гейзерами:

Аллен, Э.Т. и Дэй, А.Л. (1935) Горячие источники Йеллоустонского национального парка, Publ. 466. Институт Карнеги в Вашингтоне,
Вашингтон, округ Колумбия, 525 стр.

Барт, Т.Ф.В. (1950) Вулканическая геология: горячие источники и гейзеры Исландии, Publ. 587. Институт Карнеги в Вашингтоне,
Вашингтон, округ Колумбия, 174 стр.

Брайан, Т. Скотт (1995) Гейзеры Йеллоустона, третье издание. Университетское издательство Колорадо, 463 стр.

Райнхарт, Дж.С. (1972) Колебания активности гейзеров, вызванные колебаниями земных приливных сил, барометрического давления и
тектонические напряжения. жур. Геофиз. Рез. 77, 342-350.

Райнхарт, Дж.С. (1972) 18,6-летний прилив регулирует активность гейзеров. Наука 177, 346-347.

Райнхарт, Дж.С. (1980) Гейзеры и геотермальная энергия. Springer-Verlag, 223 стр.

Сильвер, Пол Г. и Валетт-Сильвер, Натали Дж. (1992) Обнаружение гидротермальных предшественников большой Северной Калифорнии.
Землетрясения. Наука 257 , 1363-1368.

Уайт, Д.Э. (1967) Некоторые принципы активности гейзеров в основном из Стимбот-Спрингс, Невада. амер. жур. науч. 265, 641-684.

голоса
Рейтинг статьи
Статья в тему:  Сколько американцев не верят в глобальное потепление
Ссылка на основную публикацию
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x
Adblock
detector