Waarom de geiser spuit

Actieve geisers blijken vaak in contact te staan met een ondergrondse holte waarin zich stoom ophoopt.

Hoe stoom vanuit een holte de geiser opwarmt en laat uitbarsten

Het geheim van actieve geisers zit in ondergrondse holtes: de zogeheten bubble traps. In die holtes raakt stoom gevangen die opstijgt vanuit de diepte. Zodra zo’n holte vol zit, bubbelt de stoom via een smalle verbinding de geiser in, en warmt het daar aanwezige water op totdat dat aan de kook raakt, overgaat in waterdamp en daarbij razendsnel uitzet. En dan, bam!

Dat concluderen Amerikaanse, Franse en Japanse geofysici op basis van metingen op de twee plekken met de meeste geisers op aarde: Yellowstone National Park in de VS en de Atacama-woestijn in Chili.

Een van de onderzoekers is hoogleraar Michael Manga, verbonden aan de Universiteit van Californië in Berkeley. „Het idee van de bubble traps is al bijna tweehonderd jaar oud”, zegt hij aan de telefoon. Maar de laatste jaren krijgt het meer gewicht door de vele en uitgebreide metingen. In zijn laboratorium heeft Manga een glazen proefmodel van een geiser gebouwd, inclusief bubble trap. Verder heeft hij met zijn groep onderzoek gedaan aan de beroemde geisers Old Faithful en Lone Star in Yellowstone Park, en aan geisers in het El Tatio veld (meer dan 80 actieve geisers) in de Atacama-woestijn.

„Voordeel van Chili”, zegt Manga, „is dat je daar meetapparatuur in de geisers mag plaatsen. In Yellowstone is dat tegenwoordig verboden.”

Zo heeft de groep van Manga, met collega’s uit Portland en Hiroshima, bijna 6 dagen uitgebreid gemeten aan een Chileense geiser die ze de naam El Jefe gaven. Hij barstte in die periode 3.531 keer uit. Om de 132 seconden, plus of min twee seconden. Ze publiceerden het onderzoek vorige maand (Journal of Volcanology and Geothermal Research, 1 februari).

El Jefe is een betrekkelijk kleine geiser. Hij spuit water en stoom maximaal twee meter de lucht in. Maar juist die ijzeren regelmaat van de uitbarstingen maakte hem interessant, zegt Manga. „El Jefe is niet gevoelig voor invloeden van buitenaf zoals wind, in ieder geval niet in de week dat wij hebben gemeten. Ook als we er koud water bij goten, bleef de cyclus gelijk. Dat vertelt ons dat het proces volledig wordt gecontroleerd door de aanvoer van warmte en stoom van onderuit.”

Uit het verloop van de druk- en temperatuurmetingen leidden ze af dat de stoom gepulst de geiser in komt. „Elke 1 à 2 seconden bubbelt er stoom in”, zegt Manga.

Het idee is dat de stoom in contact komt met het koudere water in de geiserpijp en dan condenseert. Daarbij komt erg veel warmte vrij. Het omringende water wordt zo opgewarmd. Dat gaat een tijd door, totdat het water vlak bij kookpunt is. Bij El Jefe ligt dat overigens op 86 graden Celsius, zegt Manga, omdat de geiser op een hoogte van 4.200 meter ligt en de luchtdruk daar lager is dan op zeeniveau. Op een geven moment raakt het bovenste geiserwater aan de kook, en gaat het over in waterdamp. Het gas zet daarbij razendsnel uit, en kan maar één kant op: naar buiten. Dat zet een kettingreactie in gang. Want doordat er water uit de geiser ontsnapt, verlaagt de druk op de rest van de kolom. Dat zorgt er weer voor dat water bovenaan de kolom makkelijker tot kook komt, in stoom overgaat, uitzet, en met grote snelheid de geiser uit spuit. „Het proces bestendigt zichzelf, totdat we, na een tijdje, druk en temperatuur zien afnemen”, zegt Manga. Dan begint het weer van voren af aan.

Old Faithful

Wereldwijd zijn er zo’n 1.000 geisers. Allemaal in vulkanisch actieve, of voormalig actieve gebieden. Het idee is dat ze vanuit de diepte worden gevoed met heet water, opgewarmd door magma. De helft van alle geisers ligt in Yellowstone National Park.

Daar onderzochten Franse geofysici onder meer de geiser Old Faithful. Die spuit makkelijk 50 meter hoog, veel hoger dus dan El Jefe. En de duur van een cyclus is veel langer; hij varieert tussen de dertig minuten en twee uur. Twee jaar geleden ontdekten ze een bubble trap een stukje ten zuidwesten van Old Faithful. De holte bleek op een diepte van 15 meter te zitten. Ze ontdekten dit na heranalyse van oude seismische gegevens uit 1992. Hun idee is dat in de holte dampbellen ontstaan die bij veranderende druk kapot knappen. Ze publiceerden hun artikel in Geophysical Research Letters (29 mei 2013), met als eerste auteur Jean Vandemeulebrouck van het Instituut voor Aardwetenschappen in Le Bourget-du-Lac.

Vandemeulebrouck werkt regelmatig samen met Michael Manga. Ze hebben bijvoorbeeld onderzoek gedaan aan de Lone Star geiser, waarvan de resultaten eind vorig jaar verschenen (Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 5 december 2014). Uit een analyse van 32 achtereenvolgende uitbarstingen concluderen ze dat de geiser een cyclus heeft van drie uur, plus of min 16 minuten. Ook in dit geval vonden ze op basis van druk- temperatuur- en seismische metingen een ondergrondse holte, ten noordoosten van de geiserpijp. „We zien veel variatie in geisercycli, hoe hoog het water eruit spuit. Maar bubble traps lijken steeds een rol te spelen”, zegt Manga.

Met zijn groep onderzoekt hij inmiddels twee geisers in het El Tatio veld die elkaar beïnvloeden. Zijn mensen hebben er passende namen voor verzonnen: El Cobreloa en El Cobresal, naar twee lokale voetbalclubs. Manga: „De geiser die we El Cobresal hebben genoemd heeft veel kleine, weinig indrukwekkende uitbarstingen, en af en toe een knaller. De club stelt ook niet veel voor. Maar af en toe spelen ze de sterren van de hemel.”