horký pramen -Hot spring

Horký pramen , hydrotermální pramen nebo geotermální pramen je pramen vytvořený vynořením geotermálně ohřáté podzemní vody na povrch Země. Podzemní voda je ohřívána buď mělkými tělesy magmatu (roztavené horniny) nebo cirkulací přes zlomy až do žhavých hornin hluboko v zemské kůře . V obou případech je konečným zdrojem tepla radioaktivní rozpad přirozeně se vyskytujících radioaktivních prvků v zemském plášti , vrstvě pod kůrou.

Vřídelní voda často obsahuje velké množství rozpuštěných minerálů. Chemie horkých pramenů sahá od kyselých síranových pramenů s pH již od 0,8 přes alkalické chloridové prameny nasycené oxidem křemičitým až po hydrogenuhličitanové prameny nasycené oxidem uhličitým a uhličitanovými minerály . Některé prameny obsahují i ​​hojně rozpuštěné železo. Minerály vynášené na povrch v horkých pramenech často vyživují společenstva extrémofilů , mikroorganismů přizpůsobených extrémním podmínkám a je možné, že život na Zemi má svůj původ v horkých pramenech.

Lidé využívají horké prameny ke koupání, relaxaci nebo léčebné terapii po tisíce let. Některé jsou však natolik horké, že ponoření může být škodlivé a může vést k opaření a případně i smrti.

Definice

Neexistuje žádná všeobecně přijímaná definice horkého pramene. Například lze najít frázi horký pramen definovaný jako

  • jakýkoli pramen vyhřívaný geotermální činností
  • pramen s teplotou vody nad okolím
  • přírodní pramen s teplotou vody vyšší než je teplota lidského těla (normálně asi 37 °C (99 °F))
Horké prameny v Rio Quente, Brazílie.
  • přírodní pramen vody, jehož teplota je vyšší než 21 °C (70 °F)
  • druh termálního pramene, jehož teplota vody je obvykle o 6 až 8 °C (11 až 14 °F) nebo více nad průměrnou teplotou vzduchu.
  • pramen s teplotou vody nad 50 °C (122 °F)

Související termín „ teplý pramen “ je z mnoha zdrojů definován jako pramen s teplotou vody nižší než horký pramen, ačkoli Pentecost et al. (2003) naznačují, že výraz „teplé jaro“ není užitečný a je třeba se mu vyhnout. US NOAA Geophysical Data Center definuje „teplý pramen“ jako pramen s vodou o teplotě mezi 20 a 50 °C (68 a 122 °F).

Zdroje tepla

Voda vytékající z horkého pramene je ohřívána geotermálně , tedy teplem produkovaným zemským pláštěm . To se děje dvěma způsoby. V oblastech s vysokou vulkanickou aktivitou může být magma (roztavená hornina) přítomno v mělkých hloubkách zemské kůry . Podzemní voda je ohřívána těmito mělkými magmatickými tělesy a stoupá na povrch, aby se objevila u horkého pramene. Avšak i v oblastech, kde nedochází k sopečné činnosti, se teplota hornin v zemi zvyšuje s hloubkou. Rychlost nárůstu teploty s hloubkou je známá jako geotermální gradient . Pokud voda pronikne dostatečně hluboko do kůry, bude se při kontaktu s horkým kamenem zahřívat. To se obvykle odehrává podél zlomů , kde rozbitá skalní dna poskytují snadné cesty pro cirkulaci vody do větších hloubek.

Velká část tepla vzniká rozpadem přirozeně radioaktivních prvků. Odhaduje se, že 45 až 90 procent tepla unikajícího ze Země pochází z radioaktivního rozpadu prvků umístěných hlavně v plášti. Hlavní izotopy produkující teplo na Zemi jsou draslík-40 , uran-238 , uran-235 a thorium-232 . V oblastech bez sopečné aktivity toto teplo proudí skrz kůru pomalým procesem tepelného vedení , ale v sopečných oblastech je teplo přenášeno na povrch rychleji tělesy magmatu.

Radiogenní teplo z rozpadu 238 U a 232 Th jsou nyní hlavními přispěvateli do zemského vnitřního tepelného rozpočtu .

Horký pramen, který periodicky tryská vodu a páru, se nazývá gejzír . V aktivních vulkanických zónách, jako je Yellowstonský národní park , může být magma přítomno v mělkých hloubkách. Pokud je horký pramen napojen na velkou přírodní cisternu blízko takového magmatického tělesa, může magma přehřát vodu v cisterně a zvýšit její teplotu nad normální bod varu. Voda nebude okamžitě vřít, protože váha vodního sloupce nad nádržkou natlakuje nádržku a potlačí var. Jak se však přehřátá voda rozpíná, část vody vystoupí na povrch a sníží tlak v nádrži. To umožňuje, aby se část vody v cisterně proměnila v páru, která vytlačí více vody z horkého pramene. To vede k útěku, ve kterém je značné množství vody a páry násilně vypuzováno z horkého pramene, když se cisterna vyprazdňuje. Nádržka se poté naplní chladnější vodou a cyklus se opakuje.

Gejzíry vyžadují jak přirozenou cisternu, tak vydatný zdroj chladnější vody k doplnění cisterny po každé erupci gejzíru. Pokud je přísun vody méně vydatný, takže se voda vaří tak rychle, jak se jen nahromadí a na povrch se dostane jen ve formě páry , vznikne fumarol . Pokud se voda smíchá s bahnem a hlínou , výsledkem je nádoba na bahno .

Příkladem nevulkanického teplého pramene je Warm Springs ve státě Georgia (vyhledávané pro své terapeutické účinky paraplegickým americkým prezidentem Franklinem D. Rooseveltem , který tam postavil Malý Bílý dům ). Zde podzemní voda vzniká jako déšť a sníh ( meteorická voda ) padající na nedaleké hory, které pronikají konkrétním útvarem ( Holis Quartzite ) do hloubky 3000 stop (910 m) a jsou ohřívány normálním geotermálním gradientem.

Chemie

Hammam Maskhoutine v Alžírsku , příklad bikarbonátového horkého pramene

Protože ohřátá voda pojme více rozpuštěných pevných látek než studená voda, voda, která vytéká z horkých pramenů, má často velmi vysoký obsah minerálů , obsahující vše od vápníku po lithium a dokonce i radium . Celková chemie horkých pramenů se liší od alkalického chloridu přes kyselý síran až po hydrogenuhličitan až po bohaté na železo , z nichž každý definuje koncový člen řady možných chemických látek horkých pramenů.

Alkalické chloridové horké prameny jsou napájeny hydrotermálními tekutinami, které vznikají, když podzemní voda obsahující rozpuštěné chloridové soli reaguje při vysoké teplotě se silikátovými horninami. Tyto prameny mají téměř neutrální pH , ale jsou nasyceny oxidem křemičitým ( SiO 2 ). Rozpustnost oxidu křemičitého silně závisí na teplotě, takže po ochlazení se oxid křemičitý ukládá jako gejserit , forma opálu ( opál -A: Si02 · nH20 ) . Tento proces je dostatečně pomalý na to, aby se gejserit neukládal hned kolem otvoru, ale má tendenci vytvářet nízkou, širokou platformu v určité vzdálenosti kolem otvoru pružiny.

Kyselé síranové horké prameny jsou napájeny hydrotermálními tekutinami bohatými na sirovodík ( H 2 S ), který je oxidován za vzniku kyseliny sírové , H 2 SO 4 . pH kapalin se tím sníží na hodnoty tak nízké, jako je 0,8. Kyselina reaguje s horninou a mění ji na jílové minerály , oxidové minerály a zbytky oxidu křemičitého.

Bikarbonátové horké prameny jsou napájeny hydrotermálními tekutinami, které se tvoří, když oxid uhličitý ( CO 2 ) a podzemní voda reagují s uhličitanovými horninami . Když tekutiny dosáhnou povrchu, CO 2 se rychle ztrácí a uhličitanové minerály se vysrážejí jako travertin , takže bikarbonátové horké prameny mají tendenci vytvářet kolem svých otvorů vysoce reliéfní struktury.

Prameny bohaté na železo se vyznačují přítomností mikrobiálních společenstev, která produkují shluky oxidovaného železa ze železa v hydrotermálních tekutinách napájejících pramen.

Některé horké prameny produkují tekutiny, které jsou v chemii mezi těmito extrémy. Například smíšené kyselé, síranové a chloridové horké prameny jsou meziprodukty mezi kyselými síranovými a alkalickými chloridovými prameny a mohou vznikat smícháním kyselých síranových a alkalických chloridových kapalin. Ukládají gejserit, ale v menším množství než alkalické chloridové prameny.

Průtoky

Deildartunguhver , Island : horký pramen s nejvyšším průtokem v Evropě

Horké prameny se pohybují v průtoku od těch nejmenších „prosaků“ až po skutečné řeky horké vody. Někdy je takový tlak, že voda vystřeluje vzhůru v gejzíru nebo fontáně .

Horké prameny s vysokým průtokem

V literatuře existuje mnoho tvrzení o průtoku horkých pramenů. Existuje mnohem více vysokoprůtokových netermálních pramenů než geotermálních pramenů. Pružiny s vysokým průtokem zahrnují:

  • Komplex Dalhousie Springs v Austrálii měl v roce 1915 maximální celkový průtok více než 23 000 litrů za sekundu, což dalo průměrnému prameni v komplexu výkon více než 325 litrů za sekundu. Ten byl nyní snížen na maximální celkový průtok 17 370 litrů za sekundu, takže průměrná pružina má špičkový výkon asi 250 litrů za sekundu.
  • Horký pramen "Blood Pond" v Beppu , Japonsko
    2 850 horkých pramenů Beppu v Japonsku jsou komplexem horkých pramenů s nejvyšším průtokem v Japonsku. Dohromady horké prameny Beppu produkují asi 1 592 litrů za sekundu, což odpovídá průměrnému průtoku horkých pramenů 0,56 litrů za sekundu.
  • 303 horkých pramenů Kokonoe v Japonsku produkuje 1028 litrů za sekundu, což dává průměrnému horkému prameni průtok 3,39 litrů za sekundu.
  • Prefektura Óita má 4 762 horkých pramenů s celkovým průtokem 4 437 litrů za sekundu, takže průměrný průtok horkých pramenů je 0,93 litrů za sekundu.
  • Horký pramen s nejvyšším průtokem v Japonsku je horký pramen Tamagawa v prefektuře Akita , který má průtok 150 litrů za sekundu. Horký pramen Tamagawa napájí 3 m (9,8 stop) široký proud s teplotou 98 °C (208 °F).
  • Nejznámější horké prameny brazilského Caldas Novas ( „ Nové horké prameny“ v portugalštině ) čerpá 86 vrtů, ze kterých se čerpá 333 litrů za sekundu po dobu 14 hodin denně. To odpovídá maximální průměrné průtokové rychlosti 3,89 litrů/s na jamku.
  • Na Floridě je 33 uznávaných „ pramenů velikosti jedna “ (s průtokem přesahujícím 2 800 l/s (99 cu ft/s)). Silver Springs na Floridě má průtok více než 21 000 l/s (740 cu ft/s).
  • Kráter Excelsior Geyser v Yellowstonském národním parku vydává asi 4 000 amerických gal/min (0,25 m 3 /s).
  • Evans Ponořte se do Hot Springs, Jižní Dakota má průtok 5 000 amerických gal/min (0,32 m 3 /s) pramenité vody 87 °F (31 °C). Plunge, postavený v roce 1890, je největší přírodní krytý bazén s teplou vodou na světě.
  • Horký pramen Saturnia , Itálie s asi 500 litry za sekundu
  • Lava Hot Springs v Idahu má průtok 130 litrů/s.
  • Glenwood Springs v Coloradu má průtok 143 litrů/s.
  • Elizabeth Springs v západním Queenslandu v Austrálii mohla mít na konci 19. století průtok 158 litrů za sekundu, ale nyní má průtok asi 5 litrů za sekundu.
  • Deildartunguhver na Islandu má průtok 180 litrů/s.
  • V oblasti Nage 8 km (5 mil) jihozápadně od Bajawy v Indonésii jsou nejméně tři horké prameny , které společně produkují více než 453,6 litrů za sekundu.
  • Existují další tři velké horké prameny (Mengeruda, Wae Bana a Piga) 18 km (11 mil) severovýchodně od Bajawy v Indonésii , které dohromady produkují více než 450 litrů za sekundu horké vody.
  • V boreálním lese Yukonu, 25 minut severozápadně od Whitehorse v severní Kanadě, horké prameny Takhini vytékají z nitra Země rychlostí 385 l/min (85 imp gal/min; 102 US gal/min) a 47 °C (118 ° F) celoročně.

Ekosystémy horkých pramenů

Rohože z řas rostoucí v horkém bazénu Map of Africa , Orakei Korako , Nový Zéland

Horké prameny často hostí společenství mikroorganismů přizpůsobených životu v horké vodě plné minerálů. Patří mezi ně termofily , což je druh extremofilů , kterým se daří při vysokých teplotách, mezi 45 a 80 °C (113 a 176 °F). Dále od průduchu, kde se voda stihla ochladit a vysrážet část své minerální zátěže, podmínky upřednostňují organismy adaptované na méně extrémní podmínky. To vytváří posloupnost mikrobiálních komunit, když se člověk vzdaluje od průduchy, což v některých ohledech připomíná po sobě jdoucí fáze evoluce raného života.

Například v hydrouhličitanovém horkém prameni komunitě organismů bezprostředně kolem průduchu dominují vláknité termofilní bakterie , jako je Aquifex a další Aquificales , které oxidují sulfid a vodík, aby získaly energii pro své životní procesy. Dále od větracího otvoru, kde teplota vody klesla pod 60 °C (140 °F), je povrch pokryt mikrobiálními rohožemi o tloušťce 1 centimetr (0,39 palce), kterým dominují sinice , jako jsou Spirulina , Oscillatoria a Synechococcus a zelené sirné bakterie , jako je Chloroflexus . Všechny tyto organismy jsou schopné fotosyntézy , ačkoli zelené sirné bakterie produkují během fotosyntézy spíše síru než kyslík . Ještě dále od průduchu, kde teploty klesají pod 45 °C (113 °F), jsou příznivé podmínky pro komplexní společenství mikroorganismů, které zahrnuje Spirulina , Calothrix , rozsivky a další jednobuněčná eukaryota a pasoucí se hmyz a prvoky. Když teploty klesnou blízko teplotám okolí, objeví se vyšší rostliny.

Alkalichloridové horké prameny vykazují podobnou posloupnost společenstev organismů s různými teplomilnými bakteriemi a archaeami v nejteplejších částech průduchu. Kyselé síranové horké prameny vykazují poněkud odlišnou posloupnost mikroorganismů, kterým dominují řasy odolné vůči kyselinám (jako jsou členové Cyanidiophyceae ), houby a rozsivky. Horké prameny bohaté na železo obsahují společenstva fotosyntetických organismů, které oxidují redukované ( železité ) železo na oxidované ( železité ).

Horké prameny jsou spolehlivým zdrojem vody, která poskytuje bohaté chemické prostředí. To zahrnuje redukované chemické druhy, které mohou mikroorganismy oxidovat jako zdroj energie.

Význam pro abiogenezi

Na rozdíl od „ černých kuřáků “ (hydrotermální průduchy na dně oceánu), horké prameny produkují tekutiny při méně extrémních teplotách, sulfidy kovů a minerály oxidu křemičitého v těchto prostředích působí jako fotokatalyzátory, mají vhodné pH pro rané buňky a zažívají cykly smáčení a sušení, které podporují tvorbu biopolymerů, které jsou poté po rehydrataci zapouzdřeny do vezikul. Iontové složení horkých pramenů bylo výzkumníky shledáno identickým s iontovým složením cytoplazmy moderních buněk a možná LUCA nebo protobuněk . Z těchto důvodů vznikla hypotéza, že horké prameny mohou být místem vzniku života na Zemi.

Nedávné experimentální studie u horkých pramenů tuto hypotézu podporují. Ukazují, že amfifilní sloučeniny, jako jsou mastné kyseliny, se shromažďují do membránových struktur a zapouzdřují syntetizované biomolekuly během vystavení UV světlu a několika cyklům mokro-sucho v mírně alkalických nebo kyselých horkých pramenech, což by se nestalo za podmínek slané vody, protože tam jsou vyšší koncentrace iontové soluty, inhibující tvorbu membránových struktur. David Deamer a Bruce Damer poznamenávají, že tato předpokládaná prebiotická prostředí se velmi podobají teplému jezírku Charlese Darwina .

Lidské použití

Makakové si užívají horký pramen pod širým nebem nebo „ onsen “ v Naganu
Zimní koupání v Tsuru-no-yu roten-buro v Nyūtō, Akita
Horké prameny Sai Ngam v provincii Mae Hong Son, Thajsko

Dějiny

Horké prameny si lidé užívají už tisíce let. Dokonce i makakové , kteří jsou nelidskými primáty, jsou známí tím, že rozšířili svůj severní areál do Japonska tím, že využívali horké prameny, aby se chránili před chladem. Vřídelní koupele ( onsen ) se v Japonsku používají již nejméně dva tisíce let, tradičně pro čistotu a relaxaci, ale stále více pro svou terapeutickou hodnotu. V homérském věku Řecka (asi 1000 př. n. l.) byly koupele primárně pro hygienu, ale v době Hippokrata (asi 460 př. n. l.) byly horké prameny připisovány léčivé síle. Obliba horkých pramenů od té doby v průběhu staletí kolísala, ale nyní jsou populární po celém světě.

Terapeutické využití

Kvůli jak folklóru , tak proklamované lékařské hodnotě přisuzované některým horkým pramenům, jsou často oblíbenými turistickými destinacemi a místy pro rehabilitační kliniky pro osoby se zdravotním postižením . Vědecký základ pro léčebné koupání v horkých pramenech je však nejistý. Léčba otravy olovem v horké koupeli byla běžná a údajně velmi úspěšná v 18. a 19. století a mohla být způsobena diurézou (zvýšenou tvorbou moči) ze sezení v horké vodě, která zvyšovala vylučování olova; lepší jídlo a izolace od zdrojů olova; a zvýšený příjem vápníku a železa. Významné zlepšení u pacientů s revmatoidní artritidou a ankylozující spondylitidou bylo hlášeno ve studiích lázeňské terapie, ale tyto studie mají metodologické problémy, jako je zjevná nepraktičnost placebem kontrolovaných studií (ve kterých pacient neví, zda léčbu dostává ). V důsledku toho zůstává terapeutická účinnost terapie horkými prameny nejistá.

Opatření

Horké prameny ve vulkanických oblastech jsou často na nebo blízko bodu varu . Lidé byli vážně opařeni a dokonce zabiti náhodným nebo úmyslným vstupem do těchto pramenů.

Některé mikrobioty horkých pramenů jsou infekční pro lidi:

Etiketa

Dodržované zvyky a praktiky se liší v závislosti na horkém prameni. Běžnou praxí je, že koupající se před vstupem do vody by se měli umýt, aby neznečistili vodu (s mýdlem/bez mýdla). V mnoha zemích, jako je Japonsko, je vyžadováno vstoupit do horkého pramene bez oblečení, včetně plavek. Často existují různá zařízení nebo časy pro muže a ženy, ale smíšené onsen existují. V některých zemích, pokud se jedná o veřejný horký pramen, jsou povinné plavky.

Příklady

Distribuce geotermálních pramenů v USA

Horké prameny jsou na mnoha místech a na všech kontinentech světa. Mezi země, které jsou známé svými horkými prameny, patří Čína , Kostarika , Island , Írán , Japonsko , Nový Zéland , Brazílie , Peru , Tchaj-wan , Turecko a Spojené státy americké , ale horké prameny jsou i na mnoha dalších místech:

  • Horké prameny Rio Hondo v severní Argentině , které jsou široce známé od doby, kdy je profesor chemie v roce 1918 klasifikoval jako jednu z nejvíce elektrolytických minerálních vod na světě, se staly nejnavštěvovanějšími na světě. Lázně Cacheuta jsou další slavné horké prameny v Argentině.
  • Prameny v Evropě s nejvyššími teplotami se nacházejí ve Francii, v malé vesničce Chaudes-Aigues . Třicet přírodních horkých pramenů Chaudes-Aigues, které se nachází v srdci francouzské vulkanické oblasti Auvergne , má teploty v rozmezí od 45 °C (113 °F) do více než 80 °C (176 °F). Nejžhavější z nich, „Source du Par“, má teplotu 82 °C (180 °F). Horká voda tekoucí pod vesnicí vytápěla domy a kostel již od 14. století. Chaudes-Aigues (Cantal, Francie) je lázeňské město známé již z dob římské říše léčbou revmatismu.
  • Uhličitanové zvodně v předpolí tektonickém prostředí mohou hostit důležité termální prameny, i když se nacházejí v oblastech, které se běžně nevyznačují regionálními vysokými hodnotami tepelného toku. V těchto případech, kdy se termální prameny nacházejí blízko nebo podél pobřeží, tvoří subvzdušné a/nebo podmořské termální prameny odtok mořské podzemní vody, protékající lokalizovanými puklinami a objemy krasových hornin. To je případ pramenů, které se vyskytují podél nejjižnější části regionu Apulie (jižní Itálie), kde v částečně ponořených jeskyních podél Jadranu vytéká málo sirných a teplých vod (22–33 °C (72–91 °F)). pobřeží, čímž zásobuje historické lázně Santa Cesarea Terme. Tyto prameny jsou známy již od starověku (Aristotelé ve 3. století před naším letopočtem) a fyzikálně-chemické vlastnosti jejich termálních vod byly částečně ovlivněny kolísáním hladiny moře.
  • Jedním z potenciálních rezervoárů geotermální energie v Indii jsou termální prameny Tattapani v Madhjapradéši.
  • Ložiska bohatá na oxid křemičitý nalezená v Nili Patera , vulkanické kaldeře v Syrtis Major na Marsu , jsou považována za pozůstatky vyhaslého systému horkých pramenů.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy