Hydrotermisk eksplosjon – herlig men farlig…

Stille før stormen... Monsteret samler krefter, dypt under bakken.

Stille før stormen… Monsteret samler krefter, dypt under bakken.

Ikke la det vakre, fredelige landskapet lure deg. Dypt under bakken venter et monster, et som ganske straks vil styrte ut av hulen sin, slenge hodet tredve meter opp i luften og brøle til deg. Et gigantisk troll-i-eske, laget kun av naturens mest overraskende stoff: Vann.

Vi snakker om en hydrotermisk eksplosjon i berggrunnen – eller mer vanlig: En geysir. 

Alle vet om dem, mange har nok besøkt en – men vet du hvordan en geysir faktisk virker?  Det viser seg at faseoverganger ikke er til å spøke med. Les videre – og se hvordan det så ut på Strokkur på Island, der dette bildet ble tatt, bare to sekunder senere…

Vår venn vann!

Fasediagrammet til vann. (Bilde: serc.carleton.edu)

Stoffet H2O, blant venner kalt dihydrogenmonoksid, kommer til vanlig i en av tre former: Is, vann og damp. (Eventuelt vann-is, flytende vann og vanndamp hvis du vil være nøyaktig.) Heretter vil jeg med «vann» mene H2O i en eller annen form.

Både fysikere og kjemikere elsker stoffet, for det har så mange spennende og nyttige egenskaper. Bildet til venstre viser fasediagrammet til vann – en oversikt over hvilken tilstand det er i ved en viss temperatur (x-aksen) og trykk (y-aksen). Se først på den horisontale linjen som går fra P=1, altså vanlig atmosfærisk trykk som vi har rundt oss hele tiden. Da er vann i is-form når det er under null grader Celsius, flytende form mellom null og hundre, og i gassform deretter. Ikke så rart – det er tross alt sånn Celsius-skalaen opprinnelig var definert… (For dagens definisjon, se her.)

…men hva skjer ved litt høyere trykk? Merk at linjene som skiller fasene ikke er rette. Ved    et par atmosfærers trykk vil vann fryse først ved temperaturer litt under null Celsius, og koke først ved temperaturer litt over hundre grader.

Å koke: Når vann blåser ballonger

Det som skjer når vann «koker» er at det går over i gassform, via de velkjente boblene. Men hvordan oppstår en boble? Den må blåses opp, og det betyr å overvinne overflatespenningen i vann – akkurat som du må overvinne gummiens styrke for å blåse opp en ballong.

Ved normalt trykk er «hundre grader» det som skal til for at vannmolekylene har nok energi til å gjøre dette – mange av dem klarer å rive seg løs fra bindingene mellom hverandre til at de sammen kan dunke vekk veggene av vann og lage en boble.

Hva så ved høyere trykk? Da presses naturlig nok vannmolekylene tettere inn på hverandre, og det trengs rett og slett mer energi for å få blåst opp boblen. Mer energi betyr her det samme som høyere temperatur.

Geysiren kommer!

Geysiren på Strokkur – i fullt firsprang!

OK – nå kan vi dra tilbake til Strokkur på Island, der vann ikke ligger rolig og venter på å koke bort men snarere kommer brølende opp av bakken i tredve meter høye – glovarme – søyler. Bildet til venstre viser hvordan det så ut kort etter at det første bildet ble tatt. Ganske imponerende – og for en fysiker er det umulig å ikke bli stående og prøve å forstå hva som foregår…

Det spesielle med Island er at øya ligger rett over den midtatlantiske ryggen – stedet der de nordamerikanske og eurasiske kontinentalplatene glir fra hverandre. Dette er grunnen til alle vulkanene på øya, grunnen til at de kan forsyne mye av befolkningen med kraft fra grunnvarme, og forsåvidt grunnen til at øya Island finnes i det hele tatt…

Under bakken ved Strokkur er det kort vei ned til veldig varme bergarter. I tillegg er det dype sprekker der, slik at vann kan bli liggende og bli varmet opp – akkurat som i en gryte på ovnen, eller et glass i mikrobølgeovnen. Og akkurat som i disse to tilfellene kan også vannet i grunnen ved Strokkur støtkoke – men forskjellen er at siden det er så mye vann der nede befinner vi oss på et annet sted i fasediagrammet. Da kan vi i steden få alle støtkokingers onde svigermor: en hydrotermisk eksplosjon.

En geysir i fem enkle steg

En geysir – fra A til E. (Bilde: Swisseduc.ch)

Fasediagrammet for vann lar oss forstå hva som skjer i en geysir. Ta en titt på bildet til venstre, som er hentet herfra (opprinnelig på tysk). For hvert steg i utviklingen av geysiren har de til venstre tegnet hvordan det ser ut nede i berggrunnen, og så vist hvor vi er i fasediagrammet (den grå figuren). Punktet de viser er for vannet nederst i søylen.

(NB: Hvis du ikke synes fasediagrammet her ligner på det over, så se på den hvite boksen satt inn i det store fasediagrammet. Det er sånn det ser ut hvis man ikke trikser med aksene for å få frem alle egenskapene på en figur…)

Her er det som skjer – vi begynner en liten stund før geysiren er klar for et utbrudd:

  1. Først renner vann fra overflaten rolig ned sprekken. I tilfellet Strokkur betyr dette ned til rundt 25 meter under bakken. Sprekken fylles sakte, og da øker trykket nederst på grunn av vekten av alt vannet over. Samtidig blir vannet varmet av den glovarme berggrunnen. Både temperatur (T) og trykk (P) øker, der vi går fra punkt 0 til 1 i diagrammet.
  2. Kanalsystemet blir etter hvert fullt. Da vil ikke trykket øke mer, men temperaturen fortsetter å øke. Mest nederst, men etter hvert også oppover i søylen. Punktet nederst går fra 1 til 2 i fasediagrammet. Merk at det alltid er varmest nederst, der trykket også er høyest.
  3. Vi når etter hvert kokepunktet nederst i vannsøylen. Da er vannet godt over hundre grader, siden høyt trykk betyr høyt kokepunkt. Men hva skjer samtidig? Det dannes bobler i vannet – det betyr at tettheten til vannet til går ned, og dermed også kokepunktet! På fasediagrammet har vi sneket oss fra punkt 2, i flytende fase, til ett rett på andre siden av linjen, ved en liten økning i temperatur og en liten senkning av trykket.
  4. Nå skjer det! Når vi først har begynt å danne bobler får vi en løpsk kjedereaksjon der flere og flere bobler dannes, trykket synker, mer og mer av vannet kommer over kokepunktet, enda flere bobler dannes, og så videre. Resultatet ser du på bildet over – en tredve meter høy søyle av glohet damp og sprutende vanndråper. I diagrammet går vi fra punkt 4 til 5 på et sekund eller to.
  5. Til slutt renner vannet som ikke ble sprutet utover tilbake ned i tunnellene. Det har blitt avkjølt av turen opp i luften, og temperaturen nederst går følgelig ned. Trykket øker igjen på grunn av vekten av vannet. Vi går fra punkt 5 tilbake til 0, og er klare til å begynne igjen. For noen geysirer kan dette ta årevis, det kan ta en helt tilfeldig tid, eller  – som for geysiren ved Strokkur – det kan skje jevnlig hvert 5-8 minutt.
Ett ord: Gøy!!! (NB: Er du fysiker og reiser til Strokkur bør du helst ha med deg en person til – som kan dra deg bort derfra før det blir alt for sent på kvelden…)

Skumlere eksempler på hydrotermiske eksplosjoner

Et hydrotermisk krater blir til – ikke fullt så gøy som en geysir…

Hydrotermiske eksplosjoner kommer ikke bare i form av underholdende vann-troll-i-esker. I Yellowstone i USA, som er det stedet i verden der du finner flest geysirer, er det en rekke store kratre som regnes som «hydrothermal explosion craters». Disse studeres i dag aktivt – se f.eks. en rapport fra det amerikanske Geological Society her – men det er klart at de ikke har med vulkaner å gjøre, men snarere er dannet ved store engangs-utbrudd etter samme mønster som geysiren over.

Bildet til venstre er hentet fra denne nettsiden, som diskuterer slike kratre og fysikken rundt dem i detalj – ta gjerne en titt hvis du vil vite mer.

Ingressen til rapporten over sier egentlig det meste:

Yellowstone National Park is widely known for its more than 10,000 thermal features. Among these features are at least 20 large (100 to greater than 2,500 meters in diameter) hydrothermal explosion craters, produced during the past 16,000 years. Although large hydrothermal explosions are rare on a human time scale, the potential for future explosions in Yellowstone is not insignificant, and events large enough to create even a 100-m-wide crater may be expected every 200 years.

«Hvert 200. år» er egentlig ikke så sjelden i vår målestokk. I tillegg til mer kjente farlige naturfenomen som jordskjelv, vulkaner og tsunamier bør vi altså passe oss for ett til: Den hydrotermiske eksplosjonen. 

…og, for å hente et uttrykk fra Ronja Røverdatter: Hvor ellers kan man passe seg for en hydrotermisk eksplosjon enn rett ved siden av en? Til Island, venner – geysiren ved Strokkur er fantastisk!

2 comments

  1. Matias Holte · mai 8, 2012

    Har vært på Island, og det var noen venner av meg som dro meg bort fra Geysiren til slutt… Men ekstra moro å få en litt mer detaljert forklaring av hva som skjer!

  2. Carbomontanus · mai 8, 2012

    Samset:
    Det farligste og fæleste jeg vet om av det slag er når man varmer på kjemisk ren og sterk svovelsyre i et reagensglass og titter ned i glasset for å se etter om det ikke koker snart….

    Det er noe av det værste som fins, så man har «kokesten» i reserve forat det ikke skal stå der og dundre og bange og plutselig gå i taket, «støtkoke». Teglsten er vanlig. Det hjelper adskillig og vanlig kiselsten er like bra.

    Så må du ha med trykket P i en dråpe eller boble, som er 2theta/r , (hvor theta er tension) som går mot uendelig når r går mot null, hvilket er umulig, så da kan man bare lure.

    Men det kan støtkoke iallefall. Og så har man dette med kondensasjonskjerner, som betyr at på den måten og ved kondensasjonskjerner så gjelder ikke formelen for meget små verdier av r. Hva som gjelder da det vet da fåglarne, for fysikerne er i villrede men noe er det som gjelder iallefall siden det er mulig.

    Og det er årsaken også til at en champagneflaske må stå i ro og hvile lenge først hvis det ikke skal futte for fælt. Det er ikke noe mystisk med vannet og vannet som har hukommelse i det hele tatt , men ganske enkelt støvet og kokekjernene boblekjernene som må sedimentere ellers futter hele flaska samtidig når man letter på trykket.

    Det er greit å ikke ha det så innmari kjemisk rent og filtrert når man skal koke, for da syder det før det koker.

    Vannet utvider seg 10% når det fryser, så når havståke ved streng kulde driver inn i bjørkeskogen så rimer det fenomenalt. P=2theta/r inni dråpene og Theta øker også vesentlig i kulda, så vannet orker ikke å overvinne det betraktelige trykket for å kunne fryse. Så det kan være tåke ned under 20 kuldegrader. Men kommer det bort på en bjørkekvist så gjelder altså ikke formelen lenger.

    S.K.

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s