Впервые я увидел извержение гейзера на Камчатке. Из спокойной, дымящейся земли с грохотом вырвалась мощная колонна кипятка и пара.
Картина была настолько наглядной, что объяснение возникло само собой: В глубине горячо. Вода закипает. Пар накапливается — и вырывается наружу.
Я стоял на краю «Долины гейзеров» и был уверен, что понял суть. Ровно до тех пор, пока мысль не споткнулась об одну деталь: Если всё дело в кипении — почему гейзер не извергается постоянно, как обычные фумаролы?
- Вода кипит всё время.
- Источник тепла никуда не исчезает.
- Что останавливает процесс?
Что за клапан закрывает гейзер между извержениями? Где он вообще находится — в камне, в воде, в геометрии гейзера?
И в этот момент я впервые понял:
я смотрю на зрелищное следствие — и совершенно не понимаю, что именно им управляет.
Наблюдая за механикой гейзера, я стал замечать странности, которые моя простая модель «кипящего чайника» объяснить не могла.
- Первое — ритм. Почему один гейзер фонтанирует каждые 4 минуты с точностью метронома, а другой молчит часами, чтобы потом выдать гигантский столб пара? Где тут простая причинно-следственная связь «нагрелось — вырвалось»?
- Второе — пробные «плевки». Я видел гейзер, который перед главным, сокрушительным выбросом не просто коптил паром. Он… «плевался». Из его жерла несколько раз вылетали небольшие, аккуратные порции воды, будто система делала пробные выстрелы, калибровала силу.
Это не было похоже на срыв клапана. Это было похоже на работу какого-то многоступенчатого механизма.
Оказалось, что еще в 18 веке
европейские учёные задавали такой же вопрос, впервые столкнувшись с гейзерами в Исландии.
Они описывали гейзеры как «подземные котлы» или «дымоходы, ведущие к огненным пещерам». Великий немецкий учёный Александр фон Гумбольдт, путешествуя по Америке, интерпретировал гейзеры именно через призму вулканического пара, пробивающего себе дорогу через воду. Это была вполне разумная для своего времени модель: есть жар, есть вода — будет пар и извержение.
Проблема была лишь в том, что эта модель не объясняла ни строгой периодичности, ни тех самых «плевков», которые видел я. Она описывала скорее следствие — мощный выброс, — но не могла вскрыть истинный механизм, который к этому выбросу приводит.
В те времена просто не хватало знаний о тонкостях поведения воды под давлением.
Стало ясно, что дело не в выборе между «котлом» и «кипятильником». Что я упускаю самое важное — ключевое условие извержения.
Им оказалось не само кипение.
А особое состояние, которое ему предшествует — «перегрев», и «спусковой крючек» который срывает этот перегрев в кипение.
Представьте себе
не просто пещеру с водой, а чётко сконструированную природой «систему сообщающихся сосудов». Внизу — обширная подземная камера-резервуар. С поверхностью её соединяет длинная, узкая, извилистая трубка — жерло.
Эта геологическая конструкция и есть та самая «машина»
Вода в нижней камере нагревается от магмы. Но из-за того, что сверху давит тяжелый столб воды в жерле, давление в глубине огромно. А при высоком давлении вода не кипит при 100 градусах. Она может спокойно нагреться до 120, 150 градусов, оставаясь жидкостью. Это и есть перегрев — состояние накопленной энергии. Система «заряжается». Это невидимый, тихий процесс.
А где же тот самый «клапан». Как вы поняли это не физическая заслонка. В данном случае клапан это давление столба воды, запирающее кипение.
И тогда я понял, что мы с вами, наблюдая фонтан, видим не начало процесса, а его «финальный, шумный аккорд». Мы видим следствие. А причина — это сложный танец температуры и давления в скрытой от глаз системе.
Но мы можем увидеть эту систему прямо дома
Чтобы почувствовать этот принцип, забудем на минуту о вулканах. Представьте обычную «скороварку».
Вы ставите её на огонь, вода внутри нагревается. Клапан закрыт, давление растёт, и точка кипения внутри повышается. Вода становится перегретой.
А теперь — резко сдерните клапан. Давление внутри мгновенно падает. И вся перегретая вода, которая только что была спокойной жидкостью, в долю секунды вскипает по всему объёму, превращаясь в пар с огромной силой.
Гейзер — это и есть такая «природная скороварка». Но кто нажимает на клапан?
Вот он - загадочный механизм
А теперь давайте вернёмся к моим первым вопросам и пройдёмся по ним с новым пониманием.
Ритм
Почему гейзеры извергаются с разной периодичностью? Всё просто: у каждой «скороварки» свой размер. Большой резервуар нагревается долго, маленький быстро.
Что за плевки?
Это и есть самый изящный момент — «спусковой крючок системы». Перед главным извержением в самой горячей точке камеры всё же образуется первый крупный пузырь пара. Он, как поршень, выталкивает часть воды в жерло наружу.
Мы видим небольшой выброс. Но его главная роль не в этом. Выталкивая воду, этот пузырь снижает давление во всей системе. И вот тут срабатывает эффект скороварки:
- ⇢ давление упало ⇢
- ⇢ точка кипения рухнула ⇢
- ⇢ и вся оставшаяся перегретая вода в камере вскипает мгновенно и повсеместно.
Этот взрыв пара и есть главная сила, выбрасывающая грандиозный фонтан. Те «плевки», которые я принимал за неудачные попытки, на самом деле были критической частью механизма запуска.
Далее природа показывает нам свою изобретательность
Оказывается, «спустить курок» этой скороварке можно не только пузырём из глубины. Есть гейзеры, где запуск происходит засчёт конвекции.
Представьте гейзер с открытым кипящим бассейном у жерла. Более холодная и тяжёлая вода с его края может просочиться в боковой канал и, как жидкий поршень, провалиться вниз, вытесняя перегретую воду вверх и провоцируя тот же сброс давления.
То есть причиной извержения может стать не горячий пузырь снизу, а, как ни парадоксально, капля более холодной воды сверху. Это ещё один уровень изящества этой невидимой машины.
Бывает и ещё более наглядная демонстрация.
Я как-то наблюдал за гейзером, жерло которого было скрыто под водой прозрачного озера. Прежде чем над водой взметнулся пар, со дна, из тёмной дыры, начали медленно подниматься несколько огромных, одиноких пузырей. Это была редкая удача — видеть воочие тот самый «поршень», который, вырываясь, снижает давление и запускает всю цепную реакцию.
Мы видим пузыри и думаем: «Какая милая безделица». А на самом деле это — тихий, решительный щелчок взведённого курка.
И это не всё! Существует еще два вида «спусковых курков» которые я лично не видел, и поэтому вынес их описание в первый комментарий.
Разобравшись в скрытой механике гейзеров
я совсем иначе смотрю на тех первых исследователей, вроде Гумбольдта. Они не могли знать о тонкостях фазовых переходов под переменным давлением — термодинамика тогда только зарождалась.
Они видели мощный выброс пара и логично связали его с самым очевидным источником — вулканическим жаром. Сегодня хорошо видно, какое ограничение тогда работало: они были вынуждены судить о скрытом механизме лишь по его самому громкому и последнему проявлению.
Они описывали фейерверк, не имея возможности рассмотреть устройство пушки, которая его запускает.
Гейзеры научили меня скепсису по отношению к очевидным объяснениям
Теперь, когда я вижу какое-то яркое, шумное, эффектное явление — будь то экономический пузырь Биткоина, вспышка моды или чей-то публичный успех, — я всегда вспоминаю тихие пузыри на дне камчатского озера. И задаю себе простой вопрос: а что служит в этой ситуации той самой «подземной камерой», где копится напряжение? Что является «узким жерлом», сдерживающим давление? И какой, в конце концов, будет тот «первый пузырь», который незаметно для всех запустит цепную реакцию, видимую лишь в её громком финале?
Природа редко устраивает шоу просто так. За каждым фейерверком, как правило, стоит точный, часто красивый в своей простоте, механизм. И понимание этого делает мир куда более интересным и глубоким местом.