Table of Contents

Геофизический двигатель: как внутренняя часть Земли приводит к вулканическим извержениям

Под нашими ногами находится динамичный и сложный двигатель тепла и давления, питающий вулканическую активность по всему миру.Вулканические извержения представляют собой одни из самых драматических проявлений внутренних геофизических процессов Земли.Далеко не случайные катастрофы, эти извержения являются результатом конкретных, хорошо понятных геологических механизмов, включающих генерацию, восхождение и выброс расплавленной породы или магмы с мантии на поверхность.Глубокое понимание этих процессов имеет решающее значение не только для продвижения научных знаний, но и для смягчения опасности, прогнозирования климата и защиты популяций, живущих вблизи активных вулканов.

Фундаментальным драйвером вулканической активности является теория тектоники плит, которая описывает внешнюю оболочку Земли как мозаику жестких литосферных плит, движущихся на вершине полужидкой астеносферы.Вулканы преимущественно формируются вдоль этих границ плит, где плиты либо расходятся, сходятся, либо скользят мимо друг друга.Каждый тип границы способствует различному вулканическому поведению и стилям извержения, тесно связанному с лежащими в основе геофизическими механизмами.

На расходящихся границах, таких как Срединно-Атлантический хребет, тектонические плиты раздвигаются, позволяя мантийному материалу частично расплавиться и генерировать магму, которая поднимается, чтобы заполнить разрыв. Этот процесс обычно производит эффузивные извержения, характеризующиеся относительно мягкими лавовыми потоками базальтовой магмы низкой вязкости. И наоборот, конвергентные границы, где океаническая плита субдукция под другой пластиной, являются местами более взрывоопасного вулканизма. Субдукция вводит богатые водой отложения и гидратированные минералы в мантийный клин над нисходящей плитой. Эта вода снижает температуру плавления мантийных пород, создавая богатые летучими веществами магмы, которые являются более вязкими и газонасыщенными. Эти условия благоприятствуют взрывным извержениям, которые могут генерировать возвышающиеся пепловые плюмы и пирокластические потоки.

Границы трансформации, где плиты скользят горизонтально мимо друг друга, редко производят вулканы, но могут влиять на региональные поля напряжения, которые воздействуют на близлежащие вулканические системы.Кроме того, вулканическая активность может происходить внутри плит, вдали от границ, в горячих точках, таких как Гавайи, вызванных мантийными шлейфами, которые доставляют тепло и магму из глубины Земли.

Анатомия извержения: от генерации магмы до выхода на поверхность

Образование и состав магмы

Магма происходит глубоко внутри Земли через частичное плавление мантийных пород. На процесс плавления влияют такие факторы, как давление, температура и наличие летучих веществ, как вода и углекислый газ. Состав полученной магмы сильно варьируется в зависимости от исходного материала и степени частичного плавления, что в свою очередь регулирует физические свойства магмы и стиль извержения.

Базальные магмы обычно имеют низкий уровень кремнезема (около 45-52%) и богаты железом и магнием. Их низкая вязкость позволяет газам относительно легко уходить, что приводит к эффузивным извержениям с потоками жидкой лавы, например, те, которые наблюдаются на щитовых вулканах, таких как Мауна-Лоа на Гавайях. ] Андеситовые магмы имеют промежуточное содержание кремнезема (53-63%) и более высокую вязкость, что приводит к большей взрывной активности. Риолитические магмы (более 65%) являются высоковязкими и ловушками газов, что делает их склонными к сильным, взрывным извержениям, которые могут фрагментировать магму в пепел и пемзу.

Минерология и температура магмы также влияют на динамику извержения. Базальтийские магмы обычно извергаются при температурах около 1100-1250°C, тогда как риолитические магмы извергаются при более низких температурах около 700-850°C. Эти перепады температур влияют на кристаллизацию магмы, вязкость и растворимость газа.

Динамика давления и магматическая камера

После образования магма поднимается через кору и накапливается в подземных резервуарах, известных как магматические камеры. Эти камеры представляют собой сложные зоны, где магма, кристаллы и летучие вещества сосуществуют в динамическом равновесии. Понимание динамики давления в магматических камерах имеет решающее значение для прогнозирования извержений.

  • Буоякость: Поскольку магма менее плотна, чем окружающая твердая порода, она испытывает восходящую плавучую силу, которая приводит к ее восхождению.
  • Расширение волатильных материалов: Магма содержит растворенные газы, такие как водяной пар (H2O), углекислый газ (CO2) и диоксид серы (SO2). По мере того, как магма поднимается и давление уменьшается, эти газы растворяются (выходя из раствора), резко расширяясь и увеличивая внутреннее давление. Это расширение может фрагментировать магму, разжигая взрывные извержения.
  • Передавливание: Непрерывная инъекция свежей магмы в камеру повышает внутреннее давление.Когда это давление превышает прочность находящейся над поверхностью породы, оно вызывает разрыв и извержение.

Взаимодействие этих сил определяет, будет ли извержение эффузивным или взрывоопасным.Присутствие и поведение летучих веществ особенно важны, поскольку расширение газа обеспечивает энергию для продвижения магмы на поверхность с высокой скоростью.

Стили извержения: спектр власти

Вулканологи классифицируют извержения на несколько типов на основе состава магмы, содержания газа, интенсивности извержений и получаемых вулканических продуктов.Эти стили представляют точки вдоль континуума, а не строгие категории.

  • Эффузивные извержения (гавайский стиль): Характеризуются низковязкостью базальтовых лавовых потоков и огненных фонтанов.Эти извержения производят обширные лавовые поля и щитовые вулканы с пологими склонами, такие как Мауна-Лоа и Килауэа.
  • Взрывные извержения (плинианский стиль): Отмечены высоконапорной, богатой газом, вязкой магмой, извергающейся бурно, чтобы произвести возвышающиеся извержения колонн, достигающих стратосферы. Эти извержения генерируют широко распространенные пеплопады и пирокластические токи плотности. Известные примеры включают гору Везувий (79 н.э.) и гору Сент-Хеленс (1980).
  • Фреатомагматические извержения:] Возникают, когда магма взрывным образом взаимодействует с грунтовыми или поверхностными водами, вызывая быстрое расширение пара и фрагментацию магмы. Эти извержения могут вызывать скачки оснований, пеплопад и пирокластические потоки, нагруженные осадками.
  • Сурцейские извержения:] Происходят, когда вулканическая активность происходит под мелководьем, что приводит к сильно взрывоопасным извержениям паром, которые могут строить новые острова.Извержение Суртсей 1963-1967 годов у Исландии является классическим случаем.

Промежуточные стили, такие как вулканские и стромболианские извержения, проявляют характеристики между этими конечными членами, часто с дискретными взрывными всплесками и лавовыми фонтанами, соответственно.Стиль извержения сильно влияет на опасности, создаваемые вулканом, включая потоки лавы, пепел, пирокластические потоки и лахары.

Мониторинг пульса вулкана: геофизические показатели

Достижения в вулканологии позволили ученым непрерывно контролировать вулканы и прогнозировать извержения с большей точностью. Сочетание геофизических и геохимических методов обеспечивает понимание подземных движений магмы и изменений давления в режиме реального времени.

Сейсмическая активность и тремор

Поскольку магма пробивается через кору, она разрушает окружающие породы, создавая многочисленные небольшие землетрясения. Вулканическая сейсмичность часто начинается с роя низкомагнитных, мелких землетрясений, которые увеличиваются по частоте и интенсивности по мере приближения магмы к поверхности. Другим ключевым сигналом является вулканический тремор — непрерывный, гармоничный сейсмический сигнал, вызванный движением магмы и газа в каналах и трещинах.

Сети сейсмометров позволяют точно определять местоположение и характер этих событий, позволяя вулканологам картировать пути магмы и определять зоны давления.Изменения сейсмических моделей часто предшествуют извержениям от дней до недель, служа жизненно важными ранними предупреждениями.

Деформация почвы: инфляция и дефляция

Накопление магмы в подземных камерах приводит к деформации поверхности вулкана. Эта деформация может принимать форму инфляции (набухания) или дефляции (субсайданса). Используя высокоточный GPS, наклонные счетчики и спутниковую радиолокационную интерферометрию (InSAR), ученые обнаруживают тонкие движения земли на порядок от миллиметров до сантиметров.

Инфляция указывает на вторжение магмы или давление в камере, сигнализируя о потенциальном извержении. Дефляция часто следует за тем, как магма вытесняется. Например, до извержения в Килауэа в 2018 году была зарегистрирована обширная инфляция кальдеры на вершине, за которой последовала быстрая дефляция по мере того, как извержение прогрессировало, и кальдера рухнула.

Геохимия газа: отпечаток магмы

Вулканические газы дают критические подсказки о движении магмы и вероятности извержения. Углекислый газ (CO2) высвобождается из глубоких источников магмы и обычно уходит рано. Увеличение выбросов CO2 может сигнализировать о росте магмы. Диоксид серы (SO2) высвобождается, когда магма приближается к поверхности и разлагается серосодержащие минералы.

Наземные спектрометры, такие как COSPEC и дифференциальная оптическая абсорбционная спектроскопия (DOAS), наряду со спутниковыми инструментами, такими как инструмент мониторинга озона НАСА (OMI), контролируют выбросы SO2 во всем мире в режиме реального времени. Изменения в соотношении газов, особенно CO2 / SO2, могут указывать на свежую инъекцию магмы или изменения в дегазации магмы, помогая прогнозировать извержения.

Глобальный климатический шок: как извержения вулканов изменяют атмосферу

Помимо непосредственной местной опасности, крупные извержения вулканов могут оказать глубокое влияние на глобальный климат.Вливание пепла и сернистых газов в стратосферу вызывает атмосферные процессы, которые влияют на температуру, химию озона и погодные условия во всем мире.

Роль стратосферных аэрозолей

Во время крупных взрывных извержений вулканические колонны могут проникать в тропопаузу — границу между тропосферой и стратосферой, расположенную на высоте от 10 до 15 километров.В то время как частицы пепла относительно тяжелые и оседают в течение нескольких недель, газ диоксида серы (SO2) превращается в сульфатные аэрозоли в сухой стратосфере.

Эти частицы сульфатного аэрозоля образуют стойкий глобальный слой дымки, который может оставаться подвешенным в течение 1-3 лет. Этот слой аэрозоля отражает поступающее солнечное излучение обратно в космос, производя отрицательный радиационный эффект, который охлаждает поверхность Земли. Извержение 1991 года горы Пинатубо, которое впрыснуло около 20 миллионов тонн SO2 в стратосферу, вызвало измеримое глобальное падение температуры около 0,5 ° C в течение следующих двух лет.

Истощение озона и стратосферное нагревание

Сульфатные аэрозоли также катализируют химические реакции, разрушающие стратосферный озон. Поскольку озон поглощает вредное ультрафиолетовое (УФ) излучение, его истощение создает риски для экосистем и здоровья человека. После извержения Пинатубо средний уровень озона в мире снизился на несколько процентов, при этом значительные озоновые дыры наблюдаются в средних широтах.

Кроме того, слой аэрозоля поглощает наземное инфракрасное излучение и некоторое количество солнечного света, нагревая стратосферу. Это нагревание нарушает схемы циркуляции стратосферы, влияя на поверхностную погоду, усиливая полярный вихрь и изменяя динамику струйного потока. Например, усиленные зимние вестерли и более теплые зимы над континентами Северного полушария, известные как эффект «зимнего потепления», были связаны с вулканическим аэрозольным стратосферным нагревом.

Долгосрочные климатические аномалии

Некоторые извержения вулканов вызвали климатические аномалии, длившиеся десятилетие и более.Извержение трещины Лаки в Исландии 1783—1784 годов выпустило огромное количество серы и фтора, создав густую дымку над Европой и Северной Америкой. Эта дымка способствовала исключительно холодной зиме, широко распространенным неурожаям и голоду.

Извержение вулкана Тамбора в Индонезии в 1815 году — крупнейшее извержение вулкана в истории — привело к «Году без лета» в 1816 году. Это событие показало несезонные снегопады в июне и широко распространенный сельскохозяйственный коллапс в Европе и Северной Америке, что привело к голоду и социальным волнениям.

Механизмы постоянного охлаждения

Вулканическое охлаждение усиливается и продлевается сложными механизмами обратной связи. Более холодные температуры поверхности моря уменьшают испарение, что приводит к уменьшению облачного покрова, что, в свою очередь, увеличивает альбедо Земли (отражательность). Увеличение площади морского льда еще больше усиливает отражательную способность, усиливая первоначальное охлаждение. Эти обратные связи могут поддерживать более низкие глобальные температуры в течение десятилетия после крупных тропических извержений.

Тематические исследования: Извержения, которые изменили науку о климате

Гора Пинатубо (1991) - климатическое событие

Извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах 15 июня 1991 года является наиболее всесторонне изученным вулканическим событием современной эпохи. Его извержение столбом поднялось на 40 километров, впрыснув в стратосферу примерно 20 миллионов тонн диоксида серы. В течение трех недель образовавшееся сульфатное аэрозольное облако окружило земной шар, создав измеримый охлаждающий эффект и обеспечивая реальный тест для климатических моделей.

Извержение Пинатубо также вызвало значительное истощение глобального озонового слоя на 5-8% в следующем году после события. Атмосферные и климатические воздействия извержения архивируются и контролируются такими агентствами, как Обсерватория Земли НАСА, которая продолжает предоставлять ценную информацию о вулканическом воздействии климата.

Гора Сент-Хеленс (1980): Понимание Плинийской динамики

Извержение вулкана Сент-Хеленс в штате Вашингтон 18 мая 1980 года остается самым разрушительным вулканическим событием в истории США. Спровоцированное массивным оползнем, извержение вызвало боковой взрыв, опустошивший более 600 квадратных километров. Его извержение колонны достигло 24 километров, осаждение пепла в 11 штатах. Это событие произвело революцию в вулканологии благодаря развитию индекса вулканической взрывоопасности (VEI) и улучшению понимания направленного взрыва, обрушения купола и пирокластических потоков.

Хотя климат менее эффективен, чем Пинатубо из-за более низких выбросов серы, гора Сент-Хеленс предоставила критические данные о предшественниках извержений и опасностях.Обсерватория Каскадных вулканов USGS продолжает предоставлять обширный мониторинг и исследования этого культового вулкана.

Эйяфьяллайокудль (2010): Современный срыв

Извержение Эйяфьяллайёкюдль в Исландии в 2010 году, хотя и умеренного размера (VEI 4), оказало огромное влияние на глобальные воздушные перевозки. Его пепловый шлейф, богатый мелкими частицами кремнезема, представлял значительную опасность для реактивных двигателей, что привело к беспрецедентному закрытию европейского воздушного пространства на шесть дней и вызвало экономические потери в миллиарды долларов.

Это событие подчеркнуло уязвимость современной инфраструктуры к вулканическому пеплу и подчеркнуло критическую важность точного моделирования рассеивания облаков пепла и связи между вулканологами и авиационными властями. Климатически извержение оказало минимальное воздействие, поскольку большая часть пепла и серы осталась в тропосфере и была быстро удалена осадками. BBC News обеспечила широкое освещение этого события и его сбоев.

Тамбора (1815): Глобальная катастрофа

Извержение вулкана Тамбора в апреле 1815 года было крупнейшим извержением вулкана в истории, уменьшив высоту горы с 4300 метров до 2850 метров. Это вызвало, по оценкам, 90 000 смертей прямо и косвенно из-за голода и болезней. Колонна извержения проникла в стратосферу и впрыснула огромное количество сернистых газов, вызвав глобальное падение температуры от 0,4 до 0,7 ° C.

Следующий год, 1816, стал известен как «Год без лета», с непомерно холодной погодой, снегом в июне на северо-востоке США и Европы и широко распространенными неурожаями, это событие глубоко повлияло на глобальные общества, сельское хозяйство и климатологию, подчеркнув далеко идущие последствия извержений вулканов.