Rating@Mail.ru

Извержения вулканов: как планета выпускает пар

Извержения вулканов: как планета выпускает пар

На поверхности Земли и в океанах на протяжении всей истории существования планеты извергаются вулканы — геологические образования, через которые земная магма выходит на поверхность, образуя лаву и вулканические газы. На сегодняшний день выделяется свыше 1500 активных вулканов, из которых несколько десятков извергаются ежегодно. 

Образование и происхождение вулканов 

Для того чтобы разобраться, почему и где возникают вулканы, надо вспомнить, как устроена Земля. Если говорить просто, то нашу планету можно считать твердой. В результате землетрясений сейсмические волны распространяются во всех направлениях, как в твердом теле. Определенные типы волн распространяются и в жидкости, но жидкости на Земле не так много — это вода в океанах и внешнее жидкое ядро. Вся остальная часть планеты твердая. Конечно, вы можете спросить: «Как же тогда двигаются континенты?» Но они двигаются с очень маленькими скоростями — сантиметры в год. В масштабах человеческой жизни или одного вулканического извержения Землю можно считать твердой. Существенные изменения происходят лишь на геологических временах — это сотни тысяч и миллионы лет. 

image
Субдукция — погружение одного блока земной коры под другой // docplayer.fr

Соответственно, условием возникновения вулкана является расплавление твердых земных пород, должна выйти магма. Больше всего магмы образуется в срединно-океанических хребтах. Там зарождается новая океаническая кора из базальтовой магмы. Можно сказать, что Земля — это большая тепловая машина. В ней происходит конвекция — очень медленное движение вещества со скоростями миллиметры, может быть, сантиметры в год. Есть области, где горячее вещество поднимается к поверхности, и есть области, где холодное вещество, наоборот, опускается вглубь Земли. Под срединно-океаническими хребтами вещество мантии медленно поднимается к поверхности Земли, при этом его температура выше, чем у самой поверхности. С уменьшением давления в таком веществе оно начинает плавиться. В результате образовавшаяся базальтовая магма наращивает кору, из-за чего океаническая кора расползается в две стороны. В среднем такие вулканы производят 16 кубических километров магмы в год. Это очень много. 

Океаническая кора тяжелее континентальной, поэтому начинает опускаться вглубь и заходит под континентальную. При этом в ней достаточно много минералов, которые содержат воду. При больших давлениях и температурах они разлагаются, и вода поступает в горячие породы, что способствует их плавлению. Образуется магма, которая под действием сил плавучести начинает подниматься к поверхности и скапливаться в очагах в земной коре, ожидая извержения. На окраинах континентов образуются либо окраинные вулканы, либо островные дуги, как, например, Курильская или Алеутская дуга, где океаническая плита заходит под континентальную. 

Бывают такие ситуации, когда струя горячей мантии поднимается с очень большой глубины, с границы внешнего ядра и мантии. Такой столб горячей жидкости называют мантийным плюмом, а место его подхода к земной коре — горячей точкой (hotspot). Плюм подогревает и плавит породы, образуя над собой вулкан. Самые известные сформировавшиеся в результате такого явления вулканы — это Гавайи в Тихом океане. Струя горячего материала стоит на месте, а океаническая плита движется, и образуется цепочка островов один за другим. 

Самые крупные извержения формируют так называемые кальдеры — большие провалы в земле. Они образуются из-за того, что перед извержением в земной коре скапливается большое количество магмы, которая во время мощного извержения выходит на поверхность и разносится по большой территории. Очаг, в котором она находилась, опустошается. Его кровля трескается, прогибается и опускается. В кальдерах могут начать расти новые вулканы. Например, так появилась кальдера Crater Lake в Калифорнии, показанная на фотографии. Кальдера заполнилась водой, образовав озеро диаметром около 9 километров, в центре которого растут новые вулканы. Сам вулкан сейчас неактивен.

image
Crater Lake, Калифорния // commons.wikimedia.org

Периодичность извержения вулканов 

Очевидно, что, чтобы вулкан извергался, к нему должна все время подходить свежая магма. Известны вулканы, которые извергаются всю человеческую историю. Например, Стромболи в Средиземном море: там все время есть приток свежей магмы, однако такое извержение совсем неинтенсивное — большие пузыри газа лопаются с очень красивыми взрывами. На вершину Стромболи каждую ночь поднимаются туристы и любуются этим совершенно фантастическим явлением. Существует вулкан Ясур (Вануату), который извергается уже по крайней мере 300 лет, а может быть, даже больше. В 1774 году извержение вулкана наблюдал английский капитан Джеймс Кук. Есть вулканы, которые извергались всего один раз. Например, тот же Парикутин в Мексике. А, скажем, Ключевская сопка на Камчатке, высотой почти 5 километров, извергается практически постоянно. Она растет уже 30 тысяч лет и, скорее всего, продолжит расти еще достаточно долго.

Геологи разделяют вулканы на активные и неактивные следующим образом. Известно, что 12 тысяч лет назад закончилось последнее глобальное оледенение. После этого был большой всплеск вулканизма, потому что очень толстый, до 2 километров, ледовый щит растаял, давление на земной поверхности упало, и это способствовало усилению вулканизма. Если вулкан извергался в голоценовый (постледниковый) период, то геологи считают его активным. Поэтому, скажем, вулкан Эльбрус на Кавказе, который, по оценкам, извергался более 900 лет назад, тем не менее считается активным. Вообще, вулканы Северного Кавказа считаются активными, хотя на самом деле сейчас нет никаких данных наблюдений, которые свидетельствовали бы о скором извержении.

image
Карта вулканов // isradice.gov.it

Если же на вулкане не было извержений в течение многих тысяч лет и в окрестности не происходит никаких вулканических проявлений, этот вулкан можно считать потухшим. Чтобы вулкан снова стал активным, в его регионе должно что-то измениться. Обычно не бывает так, что в какой-нибудь области есть и всегда был только один вулкан. Если посмотреть на карту вулканов, то можно понять, что они расположены очень неоднородно. Где-то есть места со скоплениями вулканов, где-то вулканов нет и не может быть в принципе. Если же, скажем, в окрестности этого вулкана извергаются какие-то другие вулканы, то возможно возобновление вулканической активности.

К счастью, современная наука обладает достаточным набором средств для наблюдения за опасными для жизни человека вулканами — например, за Везувием или Campi Flegrei в Италии. Эта область очень густо заселена, в ней живут примерно 3 миллиона человек. И если бы сейчас произошло такое же по размерам извержение, как и в 79 году нашей эры, которое разрушило города Помпеи и Геркуланум, то большинство жителей в данной местности погибло бы в течение нескольких десятков минут.

Прогнозирование вулканической активности

Для контроля и прогноза извержений измеряют различные параметры вулканических систем. Например, с помощью спутников и GPS-станций измеряют деформации вулканических построек. Когда внедряется свежая магма, земная поверхность начинает подниматься, но всего на несколько десятков сантиметров. Человеческий глаз не заметит этого, но приборы покажут подобные изменения. Подъем магмы из глубины сопровождается землетрясениями. Их регистрируют с помощью сейсмостанций. Кроме того, в магме растворено большое количество различных газов, и когда она приближается к поверхности, то эти газы начинают выходить из магмы, и, например, в горячих источниках или фумаролах, которые есть на склонах вулкана, можно заметить изменение химического состава. По всем этим признакам можно понять, что, скорее всего, вулкан собирается извергаться. Причем должно совпасть несколько факторов, так как по отдельности они не дадут точного результата. Предположим, если мы сделаем прогноз, что Везувий начнет извергаться через месяц, то в течение этого срока придется эвакуировать весь Неаполь. Если прогноз сбудется, мы спасем 3 миллиона жителей, а если нет, то попросту растратим ресурсы, и к следующему прогнозу будет мало доверия, а соответственно, могут появиться жертвы. 

К сожалению, есть такие вулканы, доступа к которым у ученых нет. Как правило, они находятся на далеких островах или в государствах с нестабильной политической системой. Об их извержениях обычно судят только по спутниковой информации. Нужно понимать, что спутник не летает каждый день над вулканом, над ним часто могут быть облака. И поэтому, скажем, измерить деформации земной поверхности далеко не всегда так просто. Одни вулканы опасны для человека, другие — нет, их извержения достаточно слабые, или они расположены в безлюдной местности. Камчатские вулканы, к счастью, в основном неопасны для населения. Несмотря на это, их мониторинг ведется круглосуточно. 

Сети мониторинга регистрируют изменения определенных параметров за длительное время до крупного извержения. Дать точный прогноз относительно даты довольно сложно, но заметить какие-то перемены легко. Чем ближе извержение, тем больше информации мы получаем. Тогда прогноз можно конкретизировать. В Исландии, например, очень часто извергаются вулканы, поэтому там хорошая сеть мониторинга. Иногда прогнозы можно дать с точностью до часа, когда фиксируется продвижение магмы к поверхности. Однако когда по вулкану нет данных, потому что, например, он долго не извергался, то прогноз не будет таким точным.

Литография 1889 года, изображающая извержение вулкана Кракатау // commons.wikimedia.org

Самые крупные извержения в истории 

Одно из крупнейших извержений, о котором нам известно, случилось в Индонезии 74 тысячи лет назад — извержение вулкана Тоба. Было выброшено около 5000 кубических километров магмы. Оно привело к практически полному уничтожению жизни на Земле. После него в течение многих лет в атмосфере находилось огромное количество вулканического пепла, который уменьшил поступление солнечной радиации. Выбрасывалось большое количество вулканических газов — это и углекислый газ, и сернистый газ. Атмосфера оказалась загрязнена ими, что привело к вымиранию многих видов флоры и фауны. 

Другое масштабное событие — извержение вулкана Тамбора в Индонезии в 1815 году. Было извергнуто порядка 50 кубических километров магмы, и все равно оно было почти в 100 раз слабее, чем извержение Тобы. В результате этого извержения погибло около 70 тысяч человек, причем не все жертвы связаны с собственно вулканической активностью. Извержение вызвало разрушительное цунами, которое затопило и соседние острова. После этого извержения средняя температура на Земле понизилась примерно на 2 °C — это на самом деле очень много. Лето было холодным, дождливым, были неурожаи, которые привели к гибели большого количества людей от голода в последующие годы.

Многим известно об извержении вулкана Кракатау в 1863 году, в ходе которого было выброшено порядка 10–15 кубических километров магмы. И оно тоже вызвало большое цунами, погибло порядка 36 тысяч человек. Другое извержение, заметно меньшее, произошло на острове Мартиника в Карибском море в 1902 году. Это был вулкан Монтань-Пеле, город Сен-Пьер. Извержение вулкана началось примерно за год до того, как произошла катастрофа. Когда стало понятно, что активность на вулкане нарастает, люди стали спонтанно покидать город. Однако местная администрация, опасаясь низкой явки на выборах, запретила покидать город. На вулкане произошел мощный направленный взрыв, вызвавший пирокластический поток — смесь горячего газа и вулканических частиц разного размера — от мелкого пепла до крупных камней. Поток двигался вдоль склона вулкана со скоростью больше 100 километров в час. Его температура составляла порядка 600 °C. В результате 28 тысяч человек погибло в течение нескольких минут. Выжили единицы — один человек находился в городской тюрьме, стены которой выдержали пирокластический поток. Само извержение было объемом менее одного кубического километра. 

Сейчас многие обсуждают вулкан Йеллоустон, извержение которого якобы может произойти через 40–50 лет. Очевидно, у нас нет пока возможности предсказать дату извержения с такой точностью, а опубликованные прогнозы не подкреплены никакими научными данными и служат скорее для привлечения читательской аудитории к творениям журналистов. Вероятно, извержение действительно произойдет, поскольку крупные извержения Йеллоустона случаются примерно раз в 600–700 тысяч лет. Последняя активность была примерно 700 тысяч лет назад, однако новое извержение может произойти и через тысячу или сто тысяч лет.

Вулканы на других планетах

На других планетах существовали вулканы, извергавшие силикатную магму — основным компонентом такой магмы является оксид кремния. На Марсе в настоящее время вулканической активности нет, но там остались впечатляющие вулканы во всей Солнечной системе. Вулкан Олимп, например, — это гора высотой в 21 тысячу метров. Никакой земной вулкан даже близко к нему не стоит по таким размерам. Известны вулканы на Венере, однако точных доказательств или опровержений современному вулканизму на этой планете нет: дело в том, что Венера скрыта очень плотной атмосферой, через которую поверхность этой планеты практически не видна. 

Есть вулканы, которые извергают не только силикатную магму, но и газы. Они встречаются, как правило, среди спутников планет-гигантов. Например, вулканы Ио, спутника Юпитера. За счет того, что он вращается по эллиптической орбите, там очень мощные приливы. Луна, вращаясь вокруг Земли, вызывает приливные волны, но амплитуда этих волн небольшая, в пределах десятков сантиметров. На Ио эти приливы высотой десятки метров, и они вызывают плавление пород, из которых состоит планета. Возникают как лавовые потоки базальтового состава, так и потоки расплавленной серы и облака сернистого газа. 

Перспективы исследования вулканов

С одной стороны, вулканология очень древняя наука. Первые описания извержений даны Плинием Младшим в 79 году нашей эры для Везувия. С другой стороны, вулканология — это сравнительно молодая дисциплина, поскольку представления о том, что такое вулкан, почему образуется лава и как эта система функционирует, появились значительно позже. Кроме того, в последние 50–70 лет стали появляться достаточно совершенные приборы, которые позволяют измерить, например, точный химический состав или возраст пород и другие параметры. Объяснить получаемые данные иногда довольно сложно, потому что внутрь извергающегося вулкана мы попасть не можем. Увидеть, как формируются очаги извержений, — тоже, потому что ни один прибор туда не попадет. Поэтому у нас есть большой массив косвенных данных. Чтобы их интерпретировать, надо строить модели вулканов. Эта деятельность началась сравнительно недавно. Я, в частности, занимаюсь математическим моделированием того, как магма поднимается к земной поверхности. Подобные расчеты ведутся только последние 30 лет. Так мы поняли, почему у одних вулканов происходят взрывные извержения, а у других — излияние лавы. Или, например, почему взрывное извержение заканчивается и после него начинает выдавливаться очень вязкая лава — растут лавовые купола. Они снова могут разрушиться и вызвать взрывные извержения.

Тем не менее есть нерешенные вопросы, когда мы говорим о конкретных вулканах. Мы не можем определить точно, как очаг извержения связан с земной поверхностью. Оценить размеры вулканических каналов современными методами мы не можем. Соответственно, не можем точно рассчитать, насколько опасен вулкан. Нам предстоит сделать еще очень много, чтобы для каждого конкретного вулкана построить модель, по которой можно будет точно прогнозировать его активность. 

Олег Мельник
Олег Мельник
доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией общей гидромеханики Института механики МГУ