gejzer

Gejzer — rodzaj gorącego źródła wydobywającego się okresowo z głębi ziemi w postaci strumienia wody i pary wodnej, niekiedy z domieszką rozdrobnionego materiału skalnego, sięgającego do 30-60 m wysokości. Gejzery, zależnie od formy wybuchu, zróżnicowane są na gejzery fontannowe (gwałtowne wybuchy w formie rozprysków na powierzchni niewielkiego zbiornika wodnego) i gejzery stożkowe (spokojne wybuchy w formie wysokiego strumienia wody z niewielkiego stożka utworzonego z osadów spieku). Gejzery występują na obszarach czynnej lub niedawno wygasłej (trzeciorzędowej) aktywności wulkanicznej, m.in. na Islandii (dolina Haukadalur), w USA (Park Narodowy Yellowstone), na Kamczatce (Dolina Gejzerów), w Chile (El Tatio) i na Wyspie Północnej Nowej Zelandii (strefa wulkaniczna Taupō). Gorące wody gejzerów stanowią środowisko życia dla mikroorganizmów ekstremofilnych (np. sinic, bakterii); wykorzystywane są przez człowieka do ogrzewania i produkcji energii elektrycznej.

Występowanie gejzerów

Gejzery są gorącymi źródłami ściśle związanymi z obszarami czynnej lub niedawno wygasłej (trzeciorzędowej) aktywności wulkanicznej. Ich lokalizacja na kuli ziemskiej uwarunkowana jest kombinacją szczególnych warunków hydrogeologicznych, mianowicie występowaniem źródła ciepła (tzw. ogniska magmowego, czyli gorącego stopu glinokrzemianów i krzemianów z domieszką tlenków i siarczków oraz dużą ilością wody i gazów wulkanicznych), dostępem do zasobów wodnych zgromadzonych w zbiornikach podziemnych i obecnością rozbudowanego systemu szczelin, kanałów i próżni (ubytków) skalnych doprowadzających i odprowadzających wodę z i na powierzchnię ziemi poprzez ujście gejzeru (tzw. otwór erupcyjny gejzeru).

Główne obszary występowania gejzerów:

• Stany Zjednoczone Ameryki Północnej (USA) – Park Narodowy Yellowstone położony w stanie Wyoming (ok. 400 aktywnych gejzerów, np. Old Faithful, Steamboat Geyser, Grand Geyser, Great Fountain Geyser, Daisy Geyser, Riverside Geyser);
• Rosja – Dolina Gejzerów położona w Górach Wschodnich na wschodnim wybrzeżu Półwyspu Kamczatka (ok. 100 aktywnych gejzerów, np. Wielikan, Grot, Pierwieniec, Bolszoj, Fontan, Szczel, Żemczużnyj);
• Chile – pole gejzerów El Tatio położone na skraju pustyni Atakama w płn.-wsch. części kraju na wysokości 4300 m n.p.m. (ok. 100 aktywnych gejzerów, np. Boiling Geyser, El Cobreloa, El Cobresal, Terrace Geyser, Tower Geyser);
• Nowa Zelandia – strefa wulkaniczna Taupō położona w centralnej części Wyspy Północnej (ok. 40 aktywnych gejzerów, np. Pōhutu Geyser, Prince of Wales Feathers Geyser, Te Horu Geyser, Lady Knox Geyser, Papakura Geyser);
• Islandia – dolina Haukadalur w płd.-zach. części wyspy, pole geotermalne Hveravellir w centrum wyspy (ok. 40 aktywnych gejzerów, np. Geysir, Strokkur, Óþerrishola, Litli Geysir, Litli Strokkur, Álfaauga, Grænihver, Gjósandi).

Pojedyncze gejzery występują również na innych obszarach wulkanicznych kuli ziemskiej, m.in. w Peru, Boliwii, Meksyku, Kenii, Japonii, Chinach, Indonezji, na Azorach, niektórych wyspach Pacyfiku (Polinezji Francuskiej, Marianach, Aleutach) i zach. części USA. Nazwa tych gorących źródeł wywodzi się od staronordyckiego czasownika geysa („tryskać”, „wybuchać”), a rozpowszechniona została za pośrednictwem Geysiru – gejzeru z płd. zach. części Islandii.

Wybuch gejzeru na Islandii, fot. jennimareephoto/envato

Cechy charakterystyczne gejzerów

Gejzer stanowi szczególny rodzaj źródła gorącego (termalnego) wydostającego się okresowo z wnętrza ziemi w postaci strumienia gorącej wody (ogrzanej gazami wulkanicznymi z ognisk magmowych) oraz kłębów pary wodnej, zawierającego w niektórych przypadkach niewielką domieszkę rozdrobnionego materiału skalnego. Każdy gejzer składa się z powierzchniowego otworu erupcyjnego (szczeliny, krateru) połączonego z jednym lub większą ilością kanałów prowadzących do podziemnych zbiorników wody, sieci krętych kanałów bocznych i szczelin skalnych. Wody gejzerów bogate są w rozpuszczone substancje mineralne (gejzeryt, aragonit) osadzające się w ich otoczeniu w postaci kopców o różnych kształtach i barwach (spieków).

Gejzery, w zależności od formy wybuchu (erupcji), zróżnicowane są na:

• gejzery fontannowe (ang. fountain geysers, pool geysers) – gejzery cechujące się gwałtownymi wybuchami w formie rozprysków lub rozbryzgów na powierzchni niewielkiego zbiornika wodnego (np. Grand Geyser, Great Fountain Geyser, Geysir, Strokkur, Grænihver);
• gejzery stożkowe (ang. cone geysers, columnar geysers) – gejzery cechujące się spokojnymi wybuchami w formie wyrzutów wysokich strumieni wody z niewielkiego stożka utworzonego z osadów spieku (np. Old Faithful, Steamboat Geyser, Daisy Geyser, Riverside Geyser, Lady Knox Geyser).

Strumienie gorącej wody wydobywające się z gejzeru osiągają średnią wysokość 30-60 m; towarzyszące im kłęby pary wodnej mogą unosić się na wysokość przekraczającą 300 m. Grand Geyser i Great Fountain Geyser wyrzucają fontanny wody na wysokość 30-60 m, fontanny wody z gejzeru Strokkur sięgają 15-20 m wysokości; znacznie niższe są erupcje gejzerów Grænihver (do 3 m) i Geysira (do 10 m). Kolumny wody i pary wodnej wydostające się z gejzerów stożkowych (np. Daisy Geyser, Riverside Geyser) osiągają 20-30 m wysokości. Wyższe erupcje wyróżniają Old Faithful (ponad 50 m wysokości) i Steamboat Geyser (ponad 90 m wysokości). Gorąca woda wydostająca się z gejzeru ma z reguły temperaturę 80-100°C.

Lady Knox Geyser na Wyspie Północnej Nowej Zelandii, fot. mdurinik/envato

Proces erupcji gejzerów

Erupcje gejzerów określane są często mianem wybuchów hydrotermalnych, gdyż proces ich powstawania i charakterystyczny przebieg ściśle związane są z hydrologicznymi i termicznymi właściwościami wody i pary wodnej. Do erupcji gejzeru dochodzi więc w dużym skrócie, gdy nagły spadek ciśnienia ograniczającego utrzymującego przegrzaną wodę w systemie kanałów i szczelin skalnych w głębi gejzeru powoduje jej gwałtowne przejście w stan gazowy, czyli parę wodną. Wysokie ciśnienie powstałej pary wodnej wypycha następnie kolumnę wrzącej wody wraz z tworzącymi się pęcherzykami pary w górę kanału do powierzchniowego ujścia gejzeru.

Przebieg erupcji gejzeru obejmuje następujące etapy:

• gromadzenie się wody pochodzącej z powierzchniowych cieków i zbiorników wodnych bądź opadów atmosferycznych (deszczu, śniegu) w podziemnych komorach, kanałach i szczelinach skalnych w głębi gejzeru;
• podgrzewanie wody przez ogniska magmowe do temperatury wyższej od temperatury wrzenia (tzw. przegrzewanie) pod wpływem ciśnienia ograniczającego wywieranego przez chłodniejszą wodę gromadzącą się w górnych partiach gejzeru;
• osiągnięcie temperatury wrzenia przez wodę gromadzącą się w górnych partiach gejzeru, skutkujące uwolnieniem się niewielkiej ilości gorącej wody przez zewnętrzne ujście gejzeru i spadkiem ciśnienia ograniczającego;
• gwałtowna przemiana przegrzanej wody w stan gazowy (parę wodną) pod wpływem zmniejszenia ciśnienia ograniczającego utrzymującego ją w podziemnych komorach, kanałach i szczelinach skalnych gejzeru;
• wypychanie kolumny wrzącej wody wraz z tworzącymi się pęcherzykami pary wodnej w górę kanału prowadzącego do ujścia gejzeru pod wpływem wysokiego ciśnienia pary wodnej, skutkujące erupcją gejzeru.

Erupcja gejzeru kończy się wraz z wyczerpaniem się zasobów wrzącej wody zgromadzonej w jego wnętrzu lub spadku temperatury wody poniżej temperatury wrzenia. Po zakończeniu erupcji schłodzona na powierzchni ziemi woda spływa z powrotem do podziemnych komór, kanałów i szczelin, gdzie ponownie się nagrzewa, dzięki czemu cykl rozpoczyna się od nowa.

Częstotliwość i długość trwania erupcji jest cechą wyróżniającą dla poszczególnych gejzerów, zależną w dużej mierze od ich rozmiarów, dostępu wody, temperatury i ciśnienia panujących w ich wnętrzu i aktywności ognisk magmowych. Niektóre gejzery wybuchają w regularnych odstępach czasu, czego przykładem są erupcje Old Faithful odbywające się co 60-90 minut w ciągu doby. Część gejzerów jest jednak nieprzewidywalna, a ich aktywność może zanikać na wiele dni lub lat; za przykład może posłużyć w tym przypadku Geysir, którego nieregularne erupcje odbywają się kilkukrotnie w ciągu roku i przedzielone są długimi okresami uśpienia.

Schemat erupcji gejzeru. Podczas erupcji gejzeru na powierzchnię wydostają się strumienie gorącej wody i kłęby pary wodnej, co odróżnia go od gorących źródeł i fumaroli (ekshalacji wulkanicznych). Autor: VectorMine/shutterstock.com

Znaczenie gejzerów

Gorące wody gejzerów o temperaturze wynoszącej 80-100°C stanowią środowisko życia dla mikroorganizmów ekstremofilnych (np. termofili, hipertermofili), jak sinice (cyjanobakterie), archeony (archeobakterie) i bakterie właściwe (eubakterie). Mikroorganizmy te wykształciły w toku ewolucji szereg termostabilnych enzymów umożliwiających przeżycie w warunkach ekstremalnie wysokich temperatur (np. lipazy, polimerazy, proteazy, pullulanazy). Jednym z nich jest bakteria Thermus aquaticus odkryta po raz pierwszy w gorących źródłach w Parku Narodowym Yellowstone. Wytwarzana przez nią termostabilna polimeraza Taq jest istotnym składnikiem reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR) wykorzystywanej w biologii molekularnej (np. badania genomu, badanie poziomu ekspresji genów), diagnostyce klinicznej (np. testy  genetyczne, badania prenatalne) bądź kryminalistyce (np. identyfikacja osób zaginionych).

Strumienie gorącej wody i kłęby pary wodnej wydostające się z gejzerów wykorzystywane są w wielu krajach do ogrzewania budynków mieszkalnych i użytkowych oraz produkcji energii elektrycznej (np. Islandia, Nowa Zelandia, USA, Japonia, Indonezja, Meksyk). Na obszarze Islandii wody gejzerów służą również do ogrzewania wody w hodowlach ryb (np. łososi) bądź ogrzewania szklarni niezbędnych do uprawy warzyw (np. ziemniaków, pomidorów, papryki, ogórków). Gorące wody gejzerów bogate w minerały stosuje się w celach leczniczych m.in. do łagodzenia objawów reumatyzmu, zapalenia stawów i chorób skóry (łuszczycy, egzemy). Obszary geotermalne z polami gejzerów (np. Park Narodowy Yellowstone w USA, rezerwaty geotermalne na Islandii) przyciągają duże ilości turystów, przyczyniając się do rozwoju branży hotelarskiej i gastronomicznej oraz rozbudowy infrastruktury turystyczno-rekreacyjnej.

Bibliografia:

1. Słownik encyklopedyczny, Grażyna Łabno, Wydawnictwo Europa, Warszawa 2006.
2. Encyklopedia Geograficzna Świata, tom IX Ziemia, Zdzisława Otałęga (red. nacz.), Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1997.
3. Geysers and Geothermal Energy, John S. Rinehart, Springer Science & Business Media, Berlin 2012.
4. Geysers: What They Are and How They Work, T. Scott Bryan, Mountain Press, Missoula 2005.
5. Geysers: When Earth Roars, Roy A. Gallant, Franklin Watts, London 1997.
6. The Geysers of Yellowstone, T. Scott Bryan, University Press of Colorado, Denver 2018.