Géiser

Una sección transversal de un geyser en acción

Un géiser (,) es un manantial caracterizado por una descarga intermitente de agua expulsada turbulentamente y acompañada de vapor. Como fenómeno bastante raro, la formación de géiseres se debe a condiciones hidrogeológicas particulares que existen solo en unos pocos lugares de la Tierra. Generalmente, todos los sitios de campos de géiseres están ubicados cerca de áreas volcánicas activas, y el efecto de géiser se debe a la proximidad del magma. En general, el agua superficial se abre camino hasta una profundidad promedio de alrededor de 2000 metros (6600 pies) donde entra en contacto con rocas calientes. La ebullición resultante del agua presurizada da como resultado el efecto géiser de agua caliente y vapor que sale de la ventilación de la superficie del géiser (una explosión hidrotermal).

La actividad eruptiva de un géiser puede cambiar o cesar debido a la deposición de minerales en curso dentro de las tuberías del géiser, el intercambio de funciones con aguas termales cercanas, la influencia de terremotos y la intervención humana. Como muchos otros fenómenos naturales, los géiseres no son exclusivos de la Tierra. Se han observado erupciones similares a chorros, a menudo denominadas criogenizadores, en varias de las lunas del sistema solar exterior. Debido a las bajas presiones ambientales, estas erupciones consisten en vapor sin líquido; se hacen más visibles por las partículas de polvo y hielo transportadas por el gas. Se han observado chorros de vapor de agua cerca del polo sur de la luna Encelado de Saturno, mientras que se han observado erupciones de nitrógeno en la luna Tritón de Neptuno. También hay señales de erupciones de dióxido de carbono del casquete polar sur de Marte. En el caso de Enceladus, se cree que los penachos son impulsados por energía interna. En los casos de ventilación en Marte y Tritón, la actividad puede ser el resultado del calentamiento solar a través de un efecto invernadero de estado sólido. En los tres casos, no hay evidencia del sistema hidrológico subterráneo que diferencie a los géiseres terrestres de otros tipos de ventilación, como las fumarolas.

Etimología

El término 'géiser' en inglés se remonta a finales del siglo XVIII y proviene de Geysir, que es un géiser en Islandia. Su nombre significa "el que brota".

Forma y función

Steamboat Geyser en el Parque Nacional Yellowstone

Los géiseres son características geológicas no permanentes. Los géiseres generalmente se asocian con áreas volcánicas. A medida que el agua hierve, la presión resultante fuerza una columna sobrecalentada de vapor y agua a la superficie a través de las tuberías internas del géiser. La formación de géiseres requiere específicamente la combinación de tres condiciones geológicas que generalmente se encuentran en terreno volcánico: calor intenso, agua y un sistema de plomería.

El calor necesario para la formación de géiseres proviene del magma que debe estar cerca de la superficie de la tierra. Para que el agua calentada forme un géiser, se requiere un sistema de plomería (hecho de fracturas, fisuras, espacios porosos y, a veces, cavidades). Esto incluye un depósito para contener el agua mientras se calienta. Los géiseres generalmente están alineados a lo largo de fallas.

Erupciones

La actividad de los géiseres, como toda la actividad de las aguas termales, es causada por el agua superficial que se filtra gradualmente a través del suelo hasta que se encuentra con la roca calentada por el magma. En las fuentes termales no eruptivas, el agua calentada geotérmicamente vuelve a subir hacia la superficie por convección a través de rocas porosas y fracturadas, mientras que en los géiseres, el agua es empujada hacia arriba de forma explosiva por la alta presión creada cuando el agua hierve debajo. Los géiseres también difieren de las aguas termales no eruptivas en su estructura subterránea; muchos consisten en un pequeño respiradero en la superficie conectado a uno o más tubos angostos que conducen a depósitos subterráneos de agua y roca estanca a la presión.

A medida que el géiser se llena, el agua en la parte superior de la columna se enfría, pero debido a la estrechez del canal, el enfriamiento por convección del agua en el depósito es imposible. El agua más fría de arriba presiona el agua más caliente de abajo, de forma similar a la tapa de una olla a presión, lo que permite que el agua del depósito se sobrecaliente, es decir, que permanezca líquida a temperaturas muy por encima del punto de ebullición a presión estándar.

En última instancia, las temperaturas cerca del fondo del géiser aumentan hasta un punto en el que comienza la ebullición, lo que obliga a las burbujas de vapor a subir a la parte superior de la columna. A medida que estallan a través del orificio de ventilación del géiser, parte del agua se desborda o salpica, lo que reduce el peso de la columna y, por lo tanto, la presión sobre el agua que se encuentra debajo. Con esta liberación de presión, el agua sobrecalentada se convierte en vapor, hirviendo violentamente en toda la columna. La espuma resultante de la expansión del vapor y el agua caliente luego se rocía por el conducto de ventilación del géiser.

Un requisito clave que permite la erupción de un géiser es un material llamado geyserita que se encuentra en las rocas cercanas al géiser. Geyserita, principalmente dióxido de silicio (SiO₂), se disuelve de las rocas y se deposita en las paredes del sistema de tuberías del géiser y en la superficie. Los depósitos hacen que los canales que llevan el agua a la superficie sean estancos a la presión. Esto permite que la presión se lleve hasta la parte superior y no se filtre hacia la grava suelta o el suelo que normalmente se encuentran debajo de los campos de géiseres.

Finalmente, el agua que queda en el géiser se enfría por debajo del punto de ebullición y la erupción termina; el agua subterránea calentada comienza a filtrarse hacia el depósito y todo el ciclo comienza de nuevo. La duración de las erupciones y el tiempo entre erupciones sucesivas varían mucho de un géiser a otro; Strokkur en Islandia entra en erupción durante unos segundos cada pocos minutos, mientras que Grand Geyser en los Estados Unidos entra en erupción hasta 10 minutos cada 8-12 horas.

Categorización general

Hay dos tipos de géiseres: géiseres de fuente que brotan de charcos de agua, normalmente en una serie de ráfagas intensas, incluso violentas; y géiseres cónicos que brotan de conos o montículos de sínter silíceo (incluida la geyserita), generalmente en chorros constantes que duran desde unos pocos segundos hasta varios minutos. Old Faithful, quizás el géiser más conocido del Parque Nacional de Yellowstone, es un ejemplo de géiser cónico. Grand Geyser, el géiser predecible más alto de la tierra (aunque Geysir en Islandia es más alto, no es predecible), también en el Parque Nacional de Yellowstone, es un ejemplo de un géiser de fuente.

Fountain Geyser que brota de la piscina (izquierda) y Old Faithful geyser (cone geyser que tiene montículo de sílice) en el Parque Nacional Yellowstone erupta aproximadamente cada 91 minutos (derecha).

Hay muchas áreas volcánicas en el mundo que tienen aguas termales, ollas de barro y fumarolas, pero muy pocas tienen géiseres en erupción. La razón principal de su rareza es que deben ocurrir múltiples fuerzas transitorias intensas simultáneamente para que exista un géiser. Por ejemplo, incluso cuando existen otras condiciones necesarias, si la estructura rocosa está suelta, las erupciones erosionarán los canales y destruirán rápidamente cualquier géiser naciente.

Como resultado, la mayoría de los géiseres se forman en lugares donde hay roca de riolita volcánica que se disuelve en agua caliente y forma depósitos minerales llamados sínter silíceo o geyserita, a lo largo del interior de los sistemas de tuberías que son muy delgados. Con el tiempo, estos depósitos fortalecen las paredes del canal al cementar la roca firmemente, lo que permite que el géiser persista.

Los géiseres son fenómenos frágiles y, si las condiciones cambian, pueden quedar inactivos o extinguirse. Muchos han sido destruidos simplemente por personas que les arrojaron escombros, mientras que otros dejaron de hacer erupción debido a la deshidratación de las plantas de energía geotérmica. Sin embargo, el Geysir en Islandia ha tenido periodos de actividad e inactividad. Durante sus largos períodos de inactividad, las erupciones a veces se inducían artificialmente, a menudo en ocasiones especiales, mediante la adición de jabones tensioactivos al agua.

Biología

Hyperthermophiles producen algunos de los colores brillantes de la Gran Primavera Prismática, Parque Nacional Yellowstone

Los colores específicos de los géiseres se derivan del hecho de que, a pesar de las condiciones aparentemente duras, a menudo se encuentra vida en ellos (y también en otros hábitats cálidos) en forma de procariotas termófilos. Ningún eucariota conocido puede sobrevivir a más de 60 °C (140 °F).

En la década de 1960, cuando aparecieron por primera vez las investigaciones sobre la biología de los géiseres, los científicos estaban generalmente convencidos de que ningún ser vivo puede sobrevivir por encima de los 73 °C como máximo (163 °F), el límite superior para la supervivencia de las cianobacterias, ya que Se destruiría la estructura de las proteínas celulares clave y el ácido desoxirribonucleico (ADN). La temperatura óptima para las bacterias termófilas se colocó aún más baja, alrededor de 55 °C en promedio (131 °F).

Sin embargo, las observaciones demostraron que en realidad es posible que exista vida a altas temperaturas y que algunas bacterias incluso prefieren temperaturas más altas que el punto de ebullición del agua. Se conocen docenas de tales bacterias. Los termófilos prefieren temperaturas de 50 a 70 °C (122 a 158 °F), mientras que los hipertermófilos crecen mejor a temperaturas de hasta 80 a 110 °C (176 a 230 °F). Como tienen enzimas termoestables que conservan su actividad incluso a altas temperaturas, se han utilizado como fuente de herramientas termoestables, que son importantes en medicina y biotecnología, por ejemplo en la fabricación de antibióticos, plásticos, detergentes (mediante el uso de calor -enzimas estables, lipasas, pululanasas y proteasas), y productos de fermentación (por ejemplo, se produce etanol). Entre estos, el primero descubierto y el más importante para la biotecnología es Thermus aquaticus.

Principales campos de géiseres y su distribución

Distribución de los principales geysers en el mundo.

Los géiseres son bastante raros y requieren una combinación de agua, calor y tuberías fortuitas. La combinación existe en pocos lugares de la Tierra.

Parque Nacional de Yellowstone, EE. UU.

Yellowstone es el lugar de géiseres más grande y contiene miles de fuentes termales y aproximadamente de 300 a 500 géiseres. Es el hogar de la mitad del número total de géiseres del mundo en sus nueve cuencas de géiseres. Se encuentra principalmente en Wyoming, EE. UU., con pequeñas porciones en Montana e Idaho. Yellowstone incluye el géiser activo más alto del mundo (Steamboat Geyser en Norris Geyser Basin).

Valle de los Géiseres, Rusia

El Valle de los Géiseres (en ruso: Долина гейзеров), ubicado en la península de Kamchatka en Rusia, es la segunda concentración de géiseres más grande del mundo. El área fue descubierta y explorada por Tatyana Ustinova en 1941. Existen aproximadamente 200 géiseres en el área junto con muchos manantiales de agua caliente y chorros perpetuos. El área se formó debido a una vigorosa actividad volcánica. La forma peculiar de las erupciones es una característica importante de estos géiseres. La mayoría de los géiseres hacen erupción en ángulo, y solo unos pocos tienen los conos de géiseres que existen en muchos otros campos de géiseres del mundo. El 3 de junio de 2007, un flujo de lodo masivo influyó en dos tercios del valle. Luego se informó que se estaba formando un lago termal sobre el valle. Pocos días después, se observó que las aguas habían retrocedido algo, exponiendo algunas de las características sumergidas. Velikan Geyser, uno de los más grandes del campo, no quedó enterrado en el deslizamiento y recientemente se ha observado que está activo.

El Tatio, Chile

El nombre "El Tatio" proviene de la palabra quechua para horno. El Tatio está ubicado en los altos valles de los Andes, rodeado de muchos volcanes activos en Chile, América del Sur, a unos 4200 metros (13 800 pies) sobre el nivel medio del mar. El valle alberga aproximadamente 80 géiseres en la actualidad. Se convirtió en el campo de géiseres más grande del hemisferio sur después de la destrucción de muchos de los géiseres de Nueva Zelanda (ver más abajo), y es el tercer campo de géiseres más grande del mundo. La característica más destacada de estos géiseres es que la altura de sus erupciones es muy baja, la más alta tiene solo seis metros (20 pies) de altura, pero con columnas de vapor que pueden superar los 20 metros (66 pies) de altura. La altura promedio de la erupción del géiser en El Tatio es de unos 750 milímetros (30 pulgadas).

Zona volcánica de Taupo, Nueva Zelanda

La zona volcánica de Taupō se encuentra en la isla norte de Nueva Zelanda. Tiene 350 kilómetros (217 mi) de largo por 50 km de ancho (31 mi) y se encuentra sobre una zona de subducción en la corteza terrestre. El monte Ruapehu marca su extremo suroeste, mientras que el monte submarino submarino Whakatāne (85 km o 53 mi más allá de Whakaari/Isla Blanca) se considera su límite nororiental. Muchos géiseres en esta zona fueron destruidos debido a los desarrollos geotérmicos y un depósito hidroeléctrico, pero todavía existen varias docenas de géiseres. A principios del siglo XX, el géiser más grande jamás conocido, el géiser Waimangu, existía en esta zona. Comenzó a entrar en erupción en 1900 y entró en erupción periódicamente durante cuatro años hasta que un deslizamiento de tierra cambió el nivel freático local. Las erupciones de Waimangu normalmente alcanzarían los 160 metros (520 pies) y se sabe que algunas superráfagas alcanzaron los 500 metros (1600 pies). Trabajos científicos recientes indican que la corteza terrestre debajo de la zona puede tener tan solo cinco kilómetros (3,1 millas) de espesor. Debajo de esto se encuentra una película de magma de 50 kilómetros (30 millas) de ancho y 160 kilómetros (100 millas) de largo.

Islandia

Debido a la alta tasa de actividad volcánica en Islandia, alberga algunos de los géiseres más famosos del mundo. Hay alrededor de 20 a 29 géiseres activos en el país, así como numerosos géiseres anteriormente activos. Los géiseres islandeses se distribuyen en la zona que se extiende de suroeste a noreste, a lo largo del límite entre la placa euroasiática y la placa norteamericana. La mayoría de los géiseres islandeses son relativamente efímeros, también es característico que muchos géiseres aquí se reactiven o se creen nuevamente después de los terremotos, quedando inactivos o extintos después de algunos años o décadas.

Los dos géiseres más destacados de Islandia se encuentran en Haukadalur. El Gran Geysir, que entró en erupción por primera vez en el siglo XIV, dio origen a la palabra géiser. Para 1896, Geysir estaba casi inactivo antes de que un terremoto ese año causara que las erupciones comenzaran nuevamente, ocurriendo varias veces al día, pero en 1916, las erupciones casi cesaron. A lo largo de gran parte del siglo XX, las erupciones ocurrieron de vez en cuando, generalmente después de los terremotos. Se hicieron algunas mejoras hechas por el hombre en el manantial y se forzaron las erupciones con jabón en ocasiones especiales. Los terremotos de junio de 2000 despertaron posteriormente al gigante durante un tiempo, pero actualmente no está en erupción con regularidad. El géiser Strokkur cercano entra en erupción cada 5 a 8 minutos a una altura de unos 30 metros (98 pies).

Se sabe que existieron géiseres en al menos una docena de otras áreas de la isla. Algunos antiguos géiseres han desarrollado granjas históricas, que se beneficiaron del uso del agua caliente desde la época medieval.

Campos de géiseres inactivos y extintos

Solía haber dos grandes campos de géiseres en Nevada, Beowawe y Steamboat Springs, pero fueron destruidos por la instalación de plantas de energía geotérmica cercanas. En las plantas, la perforación geotérmica redujo el calor disponible y bajó el nivel freático local hasta el punto de que la actividad de los géiseres ya no podía sostenerse.

Muchos de los géiseres de Nueva Zelanda han sido destruidos por humanos en el último siglo. Varios géiseres de Nueva Zelanda también se han vuelto inactivos o se han extinguido por medios naturales. El principal campo restante es Whakarewarewa en Rotorua. Dos tercios de los géiseres en Orakei Korako se inundaron por la construcción de la represa hidroeléctrica Ohakuri en 1961. El campo Wairakei se perdió debido a una planta de energía geotérmica en 1958. El campo Taupō Spa se perdió cuando el nivel del río Waikato se alteró deliberadamente en el 1950 El campo Rotomahana fue destruido por la erupción del monte Tarawera en 1886.

Géiseres mal llamados

Hay varios otros tipos de géiseres que son de naturaleza diferente en comparación con los géiseres de vapor normales. Estos géiseres difieren no solo en su estilo de erupción sino también en la causa que los hace entrar en erupción.

Géiseres artificiales

En varios lugares donde hay actividad geotérmica, se han perforado pozos y se les ha colocado marcos impermeables que les permiten hacer erupción como géiseres. Los respiraderos de tales géiseres son artificiales, pero están conectados a sistemas hidrotermales naturales. Estos llamados géiseres artificiales, técnicamente conocidos como pozos geotérmicos en erupción, no son verdaderos géiseres. Little Old Faithful Geyser, en Calistoga, California, es un ejemplo. El géiser brota del revestimiento de un pozo perforado a finales del siglo XIX. Según el Dr. John Rinehart en su libro A Guide to Geyser Gazing (1976 p. 49), un hombre había perforado el géiser en busca de agua. Simplemente había "abierto un géiser muerto".

En el caso del géiser Big Mine Run en Ashland, Pensilvania, el calor que alimenta el géiser (que brota de un conducto de ventilación de una mina abandonada) no proviene de la energía geotérmica, sino del fuego de la mina Centralia, que lleva mucho tiempo hirviendo a fuego lento.

Error perpetuo

Esta es una fuente termal natural que arroja agua constantemente sin parar para recargarse. Algunos de estos se denominan incorrectamente géiseres, pero debido a que no son de naturaleza periódica, no se consideran verdaderos géiseres.

Comercialización

El geyser Strokkur en Islandia – un lugar turístico.

Los géiseres se utilizan para diversas actividades, como la generación de electricidad, la calefacción y el turismo. Muchas reservas geotérmicas se encuentran en todo el mundo. Los campos de géiseres en Islandia son algunos de los lugares de géiseres más comercialmente viables del mundo. Desde la década de 1920, el agua caliente procedente de los géiseres se ha utilizado para calentar invernaderos y cultivar alimentos que, de otro modo, no podrían haberse cultivado en el clima inhóspito de Islandia. El vapor y el agua caliente de los géiseres también se han utilizado para calentar hogares desde 1943 en Islandia. En 1979, el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE, por sus siglas en inglés) promovió activamente el desarrollo de la energía geotérmica en el "Geysers-Calistoga Known Geothermal Resource Area" (KGRA) cerca de Calistoga, California a través de una variedad de programas de investigación y el Programa de garantía de préstamos geotérmicos. El Departamento está obligado por ley a evaluar los impactos ambientales potenciales del desarrollo geotérmico.

Criogénicos

Hay muchos cuerpos en el Sistema Solar donde se han producido erupciones similares a chorros, a menudo denominadas criogenizadores (crio que significa "frío helado"). observados o se cree que ocurren. A pesar del nombre y a diferencia de los géiseres de la Tierra, estos representan erupciones de volátiles, junto con partículas de hielo o polvo arrastrado, sin líquido. No hay evidencia de que los procesos físicos involucrados sean similares a los géiseres. Estas plumas podrían parecerse más a las fumarolas.

• Enceladus

Plumes de vapor de agua, junto con partículas de hielo y cantidades más pequeñas de otros componentes (como dióxido de carbono, nitrógeno, amoníaco, hidrocarburos y silicatos), se han observado erupción de los respiraderos asociados con las "naves más altas" en la región polar sur de la luna de Saturno Enceladus por la Cassini orbitador. El mecanismo por el que se generan las ciruelas sigue siendo incierto, pero se cree que se alimentan al menos en parte por la calefacción de marea resultante de la excentricidad orbital debido a una resonancia orbital de 2:1 media-moción con la Luna Dione.

• Europa

En diciembre de 2013, el Telescopio Espacial Hubble detectó ciruelas de vapor de agua por encima de la región polar sur de Europa, una de las lunas galileas de Júpiter. Se cree que la línea de Europa podría estar ventilando este vapor de agua en el espacio, causado por procesos similares que también ocurren en Enceladus.

• Marte

Se cree que chorros similares de dióxido de carbono impulsados por el calentamiento solar de dióxido de carbono gaseoso están eruptos de la capa polar sur de Marte cada primavera. Aunque estas erupciones aún no se han observado directamente, dejan evidencia en forma de manchas oscuras y ventiladores más ligeros sobre el hielo seco, representando la arena y el polvo transportados por las erupciones, y un patrón como araña de ranuras creadas debajo del hielo por el gas fuera de trituración.

• Triton

Una de las grandes sorpresas de Voyager 2 flyby de Neptune en 1989 fue el descubrimiento de erupciones en su luna Triton. Los astrónomos notaron que las ciruelas oscuras subían a unos 8 km sobre la superficie y depositaban material hasta 150 km de viento. Estas ciruelas representan chorros invisibles de nitrógeno gaseoso, junto con polvo. Todos los geysers observados estaban situados cerca del punto subsolar de Triton, indicando que la calefacción solar conduce las erupciones. Se piensa que la superficie de Triton probablemente consiste en una capa semitransparente de nitrógeno congelado sobrevolando un sustrato más oscuro, que crea una especie de "efecto invernadero sólido", calefacción y vaporización de nitrógeno por debajo de la superficie de hielo hasta que la presión rompe la superficie al comienzo de una erupción. Voyager's imágenes del hemisferio sur de Triton muestran muchas rayas de material oscuro colocadas por la actividad geyser.

Dark streaks deposited by geysers on Triton

Jets pensó que eran geysers erupting de Enceladus' subsuperficie

El modelo Cold Geyser – una explicación propuesta para el criovolcanismo