Gêiser

Uma seção transversal de um geyser em ação

Um geyser (,) é uma nascente caracterizada por uma descarga intermitente de água ejetada de forma turbulenta e acompanhada de vapor. Como um fenômeno bastante raro, a formação de gêiseres se deve a condições hidrogeológicas particulares que existem apenas em alguns lugares da Terra. Geralmente todos os campos de gêiseres estão localizados perto de áreas vulcânicas ativas, e o efeito gêiser se deve à proximidade do magma. Geralmente, a água da superfície desce até uma profundidade média de cerca de 2.000 metros (6.600 pés), onde entra em contato com rochas quentes. A ebulição resultante da água pressurizada resulta no efeito gêiser de água quente e vapor saindo da abertura da superfície do gêiser (uma explosão hidrotérmica).

A atividade eruptiva de um gêiser pode mudar ou cessar devido à deposição mineral em andamento no encanamento do gêiser, troca de funções com fontes termais próximas, influências de terremotos e intervenção humana. Como muitos outros fenômenos naturais, os gêiseres não são exclusivos da Terra. Erupções semelhantes a jatos, muitas vezes chamadas de criogêiseres, foram observadas em várias luas do sistema solar externo. Devido às baixas pressões ambientais, essas erupções consistem em vapor sem líquido; eles se tornam mais facilmente visíveis por partículas de poeira e gelo carregadas pelo gás. Jatos de vapor d'água foram observados perto do pólo sul da lua de Saturno, Encélado, enquanto erupções de nitrogênio foram observadas na lua de Netuno, Tritão. Também há sinais de erupções de dióxido de carbono da calota polar do sul de Marte. No caso de Encélado, acredita-se que as plumas sejam impulsionadas pela energia interna. Nos casos da ventilação em Marte e Tritão, a atividade pode ser resultado do aquecimento solar por meio de um efeito estufa em estado sólido. Em todos os três casos, não há evidência do sistema hidrológico subterrâneo que diferencie gêiseres terrestres de outros tipos de ventilação, como fumarolas.

Etimologia

O termo 'geyser' em inglês remonta ao final do século 18 e vem de Geysir, que é um gêiser na Islândia. Seu nome significa "aquele que jorra".

Forma e função

Steamboat Geyser no Parque Nacional Yellowstone

Gêiseres são características geológicas não permanentes. Os gêiseres são geralmente associados a áreas vulcânicas. À medida que a água ferve, a pressão resultante força uma coluna superaquecida de vapor e água para a superfície através do encanamento interno do gêiser. A formação de gêiseres requer especificamente a combinação de três condições geológicas que geralmente são encontradas em terrenos vulcânicos: calor intenso, água e um sistema de encanamento.

O calor necessário para a formação do gêiser vem do magma que precisa estar próximo à superfície da Terra. Para que a água aquecida forme um gêiser, é necessário um sistema de encanamento (feito de fraturas, fissuras, espaços porosos e às vezes cavidades). Isso inclui um reservatório para reter a água enquanto ela está sendo aquecida. Os gêiseres geralmente estão alinhados ao longo de falhas.

Erupções

A atividade dos gêiseres, como todas as atividades de fontes termais, é causada pela água da superfície que gradualmente se infiltra no solo até encontrar a rocha aquecida pelo magma. Nas fontes termais não eruptivas, a água aquecida geotermicamente sobe de volta à superfície por convecção através de rochas porosas e fraturadas, enquanto nos gêiseres, a água é explosivamente forçada para cima pela alta pressão criada quando a água ferve abaixo. Os gêiseres também diferem das fontes termais não eruptivas em sua estrutura subterrânea; muitos consistem em uma pequena abertura na superfície conectada a um ou mais tubos estreitos que levam a reservatórios subterrâneos de água e rocha resistente à pressão.

À medida que o gêiser enche, a água no topo da coluna esfria, mas devido à estreiteza do canal, o resfriamento convectivo da água no reservatório é impossível. A água mais fria acima pressiona a água mais quente abaixo, não muito diferente da tampa de uma panela de pressão, permitindo que a água no reservatório fique superaquecida, ou seja, permaneça líquida em temperaturas bem acima do ponto de ebulição de pressão padrão.

Em última análise, as temperaturas perto do fundo do gêiser sobem até um ponto onde a ebulição começa, o que força as bolhas de vapor a subirem para o topo da coluna. À medida que eles atravessam a abertura do gêiser, um pouco de água transborda ou espirra, reduzindo o peso da coluna e, portanto, a pressão na água abaixo. Com essa liberação de pressão, a água superaquecida transforma-se em vapor, fervendo violentamente em toda a coluna. A espuma resultante da expansão do vapor e da água quente sai da abertura do gêiser.

Um requisito fundamental que permite que um gêiser entre em erupção é um material chamado geyserita encontrado em rochas próximas ao gêiser. A geyserita - principalmente dióxido de silício (SiO₂), é dissolvida das rochas e depositada nas paredes do sistema de encanamento do gêiser e na superfície. Os depósitos tornam os canais que conduzem a água até a superfície estanques. Isso permite que a pressão seja transportada até o topo e não vaze para o cascalho solto ou solo que normalmente estão sob os campos de gêiseres.

Eventualmente, a água restante no gêiser esfria abaixo do ponto de ebulição e a erupção termina; a água subterrânea aquecida começa a voltar para o reservatório e todo o ciclo recomeça. A duração das erupções e o tempo entre erupções sucessivas variam muito de gêiser para gêiser; Strokkur na Islândia entra em erupção por alguns segundos a cada poucos minutos, enquanto o Grand Geyser nos Estados Unidos entra em erupção por até 10 minutos a cada 8–12 horas.

Categoria geral

Existem dois tipos de gêiseres: gêiseres de fonte que irrompem de poças d'água, geralmente em uma série de explosões intensas e até violentas; e gêiseres cônicos que irrompem de cones ou montes de sínter silicioso (incluindo geyserita), geralmente em jatos constantes que duram de alguns segundos a vários minutos. Old Faithful, talvez o gêiser mais conhecido do Parque Nacional de Yellowstone, é um exemplo de gêiser cônico. Grand Geyser, o gêiser previsível mais alto da Terra (embora Geysir na Islândia seja mais alto, não é previsível), também no Parque Nacional de Yellowstone, é um exemplo de gêiser de fonte.

Fonte Geyser erupção da piscina (esquerda) e Old Faithful geyser (cone geyser tendo monte de siliceous sinter) em Yellowstone National Park erupts aproximadamente a cada 91 minutos (direita).

Existem muitas áreas vulcânicas no mundo que possuem fontes termais, poças de lama e fumarolas, mas muito poucas possuem gêiseres em erupção. A principal razão para sua raridade é porque várias forças transitórias intensas devem ocorrer simultaneamente para que um gêiser exista. Por exemplo, mesmo quando existem outras condições necessárias, se a estrutura rochosa estiver solta, as erupções erodirão os canais e destruirão rapidamente quaisquer gêiseres nascentes.

Como resultado, a maioria dos gêiseres se forma em locais onde há rocha vulcânica riolítica que se dissolve em água quente e forma depósitos minerais chamados sílica sílica, ou geyserita, ao longo do interior dos sistemas de encanamento que são muito finos. Com o tempo, esses depósitos fortalecem as paredes do canal cimentando a rocha firmemente, permitindo assim que o gêiser persista.

Gêiseres são fenômenos frágeis e se as condições mudarem, eles podem ficar inativos ou extintos. Muitos foram destruídos simplesmente por pessoas jogando detritos neles, enquanto outros pararam de entrar em erupção devido à desidratação por usinas geotérmicas. No entanto, o Geysir na Islândia teve períodos de atividade e dormência. Durante seus longos períodos de dormência, as erupções às vezes eram induzidas artificialmente - muitas vezes em ocasiões especiais - pela adição de sabonetes surfactantes à água.

Biologia

Hipertermófilos produzem algumas das cores brilhantes da Primavera Prismática Grande, Parque Nacional Yellowstone

As cores específicas dos gêiseres derivam do fato de que, apesar das condições aparentemente duras, a vida é frequentemente encontrada neles (e também em outros habitats quentes) na forma de procariotos termofílicos. Nenhum eucarioto conhecido pode sobreviver acima de 60 °C (140 °F).

Na década de 1960, quando a pesquisa da biologia dos gêiseres apareceu pela primeira vez, os cientistas geralmente estavam convencidos de que nenhuma vida pode sobreviver acima de 73 °C no máximo (163 °F) - o limite superior para a sobrevivência das cianobactérias, como o a estrutura das principais proteínas celulares e do ácido desoxirribonucléico (DNA) seria destruída. A temperatura ideal para bactérias termofílicas foi colocada ainda mais baixa, em torno de 55 °C em média (131 °F).

No entanto, as observações provaram que é realmente possível existir vida a altas temperaturas e que algumas bactérias até preferem temperaturas superiores ao ponto de ebulição da água. Dezenas dessas bactérias são conhecidas. Os termófilos preferem temperaturas de 50 a 70 °C (122 a 158 °F), enquanto os hipertermófilos crescem melhor em temperaturas de até 80 a 110 °C (176 a 230 °F). Por possuírem enzimas termoestáveis que retêm sua atividade mesmo em altas temperaturas, têm sido utilizadas como fonte de ferramentas termoestáveis, importantes em medicina e biotecnologia, por exemplo na fabricação de antibióticos, plásticos, detergentes (pelo uso de calor - enzimas estáveis lipases, pululanases e proteases) e produtos de fermentação (por exemplo, o etanol é produzido). Dentre estes, o primeiro descoberto e o mais importante para a biotecnologia é o Thermus aquaticus.

Principais campos de gêiseres e sua distribuição

Distribuição de grandes geysers no mundo.

Gêiseres são bastante raros, exigindo uma combinação de água, calor e encanamento fortuito. A combinação existe em poucos lugares da Terra.

Parque Nacional de Yellowstone, EUA

Yellowstone é o maior local de gêiseres, contendo milhares de fontes termais e aproximadamente 300 a 500 gêiseres. É o lar de metade do número total de gêiseres do mundo em suas nove bacias de gêiseres. Está localizado principalmente em Wyoming, EUA, com pequenas porções em Montana e Idaho. Yellowstone inclui o gêiser ativo mais alto do mundo (Steamboat Geyser em Norris Geyser Basin).

Vale dos Gêiseres, Rússia

O Vale dos Gêiseres (em russo: Долина гейзеров) localizado na Península de Kamchatka, na Rússia, é a segunda maior concentração de gêiseres do mundo. A área foi descoberta e explorada por Tatyana Ustinova em 1941. Aproximadamente 200 gêiseres existem na área, juntamente com muitas fontes de água quente e jorros perpétuos. A área foi formada devido a uma vigorosa atividade vulcânica. A forma peculiar de erupções é uma característica importante desses gêiseres. A maioria dos gêiseres entra em erupção em ângulos, e apenas alguns poucos têm os cones de gêiseres que existem em muitos outros campos de gêiseres do mundo. Em 3 de junho de 2007, um enorme fluxo de lama influenciou dois terços do vale. Foi então relatado que um lago termal estava se formando acima do vale. Poucos dias depois, observou-se que as águas baixaram um pouco, expondo algumas das características submersas. O Velikan Geyser, um dos maiores do campo, não foi enterrado no deslizamento e recentemente foi observado que está ativo.

El Tatio, Chile

O nome "El Tatio" vem da palavra Quechua para forno. El Tatio está localizado nos altos vales dos Andes, cercado por muitos vulcões ativos no Chile, América do Sul, a cerca de 4.200 metros (13.800 pés) acima do nível médio do mar. Atualmente, o vale abriga aproximadamente 80 gêiseres. Tornou-se o maior campo de gêiseres do Hemisfério Sul após a destruição de muitos dos gêiseres da Nova Zelândia (veja abaixo), e é o terceiro maior campo de gêiseres do mundo. A característica marcante desses gêiseres é que a altura de suas erupções é muito baixa, sendo a mais alta de apenas seis metros (20 pés) de altura, mas com colunas de vapor que podem ter mais de 20 metros (66 pés) de altura. A altura média da erupção do gêiser em El Tatio é de cerca de 750 milímetros (30 pol.).

Zona vulcânica de Taupō, Nova Zelândia

A Zona Vulcânica de Taupō está localizada na Ilha Norte da Nova Zelândia. Tem 350 quilômetros (217 mi) de comprimento por 50 km de largura (31 mi) e fica sobre uma zona de subducção na crosta terrestre. O Monte Ruapehu marca sua extremidade sudoeste, enquanto o submarino submarino Whakatāne (85 km ou 53 mi além de Whakaari / Ilha Branca) é considerado seu limite nordeste. Muitos gêiseres nesta zona foram destruídos devido a desenvolvimentos geotérmicos e um reservatório hidrelétrico, mas ainda existem várias dezenas de gêiseres. No início do século 20, o maior gêiser já conhecido, o Waimangu Geyser existiu nesta zona. Começou a entrar em erupção em 1900 e entrou em erupção periodicamente por quatro anos, até que um deslizamento de terra mudou o lençol freático local. As erupções de Waimangu normalmente atingiriam 160 metros (520 pés) e algumas superexplosões são conhecidas por atingirem 500 metros (1.600 pés). Trabalhos científicos recentes indicam que a crosta terrestre abaixo da zona pode ter apenas cinco quilômetros (3,1 mi) de espessura. Abaixo disso, encontra-se um filme de magma de 50 quilômetros (30 milhas) de largura e 160 quilômetros (100 milhas) de comprimento.

Islândia

Devido à alta taxa de atividade vulcânica na Islândia, é o lar de alguns dos gêiseres mais famosos do mundo. Existem cerca de 20 a 29 gêiseres ativos no país, bem como vários gêiseres anteriormente ativos. Os gêiseres islandeses estão distribuídos na zona que se estende de sudoeste a nordeste, ao longo da fronteira entre a placa eurasiana e a placa norte-americana. A maioria dos gêiseres islandeses tem vida comparativamente curta, também é característico que muitos gêiseres aqui sejam reativados ou recém-criados após terremotos, tornando-se inativos ou extintos após alguns anos ou algumas décadas.

Dois gêiseres mais proeminentes da Islândia estão localizados em Haukadalur. O Grande Geysir, que entrou em erupção pela primeira vez no século 14, deu origem à palavra geyser. Em 1896, Geysir estava quase adormecido antes de um terremoto naquele ano fazer com que as erupções começassem novamente, ocorrendo várias vezes ao dia, mas em 1916, as erupções praticamente cessaram. Durante grande parte do século 20, as erupções aconteceram de tempos em tempos, geralmente após terremotos. Algumas melhorias feitas pelo homem foram feitas na nascente e as erupções foram forçadas com sabão em ocasiões especiais. Terremotos em junho de 2000 posteriormente despertaram o gigante por um tempo, mas atualmente não está em erupção regularmente. O gêiser Strokkur próximo entra em erupção a cada 5–8 minutos a uma altura de cerca de 30 metros (98 pés).

Sabe-se que gêiseres existiram em pelo menos uma dúzia de outras áreas da ilha. Alguns antigos gêiseres desenvolveram fazendas históricas, que se beneficiaram do uso da água quente desde os tempos medievais.

Campos de gêiseres extintos e adormecidos

Havia dois grandes campos de gêiseres em Nevada—Beowawe e Steamboat Springs—mas eles foram destruídos pela instalação de usinas geotérmicas próximas. Nas usinas, a perfuração geotérmica reduziu o calor disponível e baixou o lençol freático local a ponto de a atividade dos gêiseres não poder mais ser sustentada.

Muitos dos gêiseres da Nova Zelândia foram destruídos por humanos no século passado. Vários gêiseres da Nova Zelândia também se tornaram inativos ou extintos por meios naturais. O principal campo restante é Whakarewarewa em Rotorua. Dois terços dos gêiseres em Orakei Korako foram inundados pela construção da represa hidrelétrica Ohakuri em 1961. O campo Wairakei foi perdido para uma usina geotérmica em 1958. O campo Taupō Spa foi perdido quando o nível do rio Waikato foi deliberadamente alterado no 1950. O campo Rotomahana foi destruído pela erupção de 1886 do Monte Tarawera.

Gêiseres com nomes incorretos

Existem vários outros tipos de gêiseres que são de natureza diferente em comparação com os gêiseres normais movidos a vapor. Esses gêiseres diferem não apenas em seu estilo de erupção, mas também na causa que os faz entrar em erupção.

Gêiseres artificiais

Em vários lugares onde há atividade geotérmica, poços foram perfurados e dotados de caixilhos impermeáveis que permitem que eles entrem em erupção como gêiseres. As aberturas de tais gêiseres são artificiais, mas são aproveitadas em sistemas hidrotermais naturais. Esses chamados gêiseres artificiais, tecnicamente conhecidos como poços geotérmicos em erupção, não são gêiseres verdadeiros. O Little Old Faithful Geyser, em Calistoga, Califórnia, é um exemplo. O gêiser irrompe do invólucro de um poço perfurado no final do século XIX. De acordo com o Dr. John Rinehart em seu livro A Guide to Geyser Gazing (1976 p. 49), um homem perfurou o gêiser em busca de água. Ele havia "simplesmente aberto um gêiser morto".

No caso do gêiser Big Mine Run em Ashland, Pensilvânia, o calor que alimenta o gêiser (que irrompe de uma abertura de mina abandonada) não vem da energia geotérmica, mas do fogo lento da mina Centralia.

Esguicho perpétuo

Esta é uma fonte termal natural que jorra água constantemente sem parar para recarregar. Alguns deles são chamados incorretamente de gêiseres, mas por não serem periódicos por natureza, não são considerados verdadeiros gêiseres.

Comercialização

O geyser Strokkur na Islândia – um ponto turístico.

Gêiseres são usados para várias atividades, como geração de eletricidade, aquecimento e turismo. Muitas reservas geotérmicas são encontradas em todo o mundo. Os campos de gêiseres na Islândia são alguns dos locais de gêiseres mais comercialmente viáveis do mundo. Desde a década de 1920, a água quente direcionada dos gêiseres tem sido usada para aquecer estufas e cultivar alimentos que de outra forma não poderiam ser cultivados no clima inóspito da Islândia. O vapor e a água quente dos gêiseres também são usados para aquecer casas desde 1943 na Islândia. Em 1979, o Departamento de Energia dos EUA (DOE) promoveu ativamente o desenvolvimento da energia geotérmica na "Geysers-Calistoga Known Geothermal Resource Area" (KGRA) perto de Calistoga, Califórnia, por meio de uma variedade de programas de pesquisa e do Programa de Garantia de Empréstimos Geotérmicos. O Departamento é obrigado por lei a avaliar os potenciais impactos ambientais do desenvolvimento geotérmico.

Criogeiseres

Existem muitos corpos no Sistema Solar onde erupções semelhantes a jatos, geralmente chamadas de criogeiseres (crio significando "frio gelado"), foram observados ou acredita-se que ocorram. Apesar do nome e ao contrário dos gêiseres da Terra, eles representam erupções de voláteis, juntamente com poeira arrastada ou partículas de gelo, sem líquido. Não há evidências de que os processos físicos envolvidos sejam semelhantes aos gêiseres. Essas plumas podem se assemelhar mais a fumarolas.

• Inundações

Plumes de vapor de água, juntamente com partículas de gelo e quantidades menores de outros componentes (como dióxido de carbono, nitrogênio, amônia, hidrocarbonetos e silicatos), foram observados em erupção de aberturas associadas com as "peças de tigre" na região polar sul da lua de Saturno Enceladus pela lua de Saturno Cassini orbitador. O mecanismo pelo qual as ameixas são geradas permanece incerto, mas acredita-se que sejam alimentados pelo menos em parte por aquecimento de maré resultante da excentricidade orbital devido a uma ressonância orbital de 2,1 movimento médio com a lua Dione.

• Europa

Em dezembro de 2013, o Telescópio Espacial Hubble detectou ameixas de vapor de água acima da região polar sul da Europa, uma das luas Galileanas de Júpiter. Acredita-se que a linha da Europa possa estar lançando este vapor de água no espaço, causado por processos semelhantes também ocorrendo em Enceladus.

• Marte

Semelhantes jatos de aquecimento solar de dióxido de carbono gasoso são acreditados para erupção da tampa polar sul de Marte cada primavera. Embora essas erupções ainda não tenham sido observadas diretamente, elas deixam evidências na forma de manchas escuras e torcedores mais leves no topo do gelo seco, representando areia e poeira transportadas pelas erupções, e um padrão semelhante a aranha de sulcos criados abaixo do gelo pelo gás de fora da escovação.

• Tritão

Uma das grandes surpresas dos Voyager 2 flyby de Neptune em 1989 foi a descoberta de erupções em sua lua Triton. Os astrônomos notaram plumas escuras subindo para cerca de 8 km acima da superfície, e depositando material até 150 km downwind. Estas plumas representam jatos invisíveis de azoto gasoso, juntamente com pó. Todos os geysers observados estavam localizados perto do ponto subsolar de Triton, indicando que o aquecimento solar impulsiona as erupções. Acredita-se que a superfície de Triton provavelmente consiste em uma camada semitransparente de nitrogênio congelado sobrevoando um substrato mais escuro, que cria um tipo de "efeito de estufa sólido", aquecimento e vaporização de nitrogênio abaixo da superfície do gelo até que a pressão quebra a superfície no início de uma erupção. VoyagerAs imagens do hemisfério sul de Triton mostram muitas séries de material escuro estabelecido pela atividade de geyser.

Estrias escuras depositadas por geysers em Triton

Jets pensou ser gêiseres em erupção de Enceladus' subsuperfície

O Modelo Cold Geyser – uma explicação proposta para o criovolcanismo