УДК 551.21+551.51
ОЦЕНКА СУММАРНОЙ МАССЫ ВЫБРОСОВ ВУЛКАНИЧЕСКОГО ПЕПЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕЛЕЙ АТМОСФЕРНОГО ПЕРЕНОСА
© 2015 г. К. Б. Моисеенко1, Н. А. Малик2
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 3, e-mail: konst.dvina@mail.ru 2Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН 683006 Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9 Поступила в редакцию 25.09.2012 г.
Предложен метод расчета суммарной массы и гранулометрического состава пепла, поступающего в атмосферу при эксплозивных извержениях вулканов, на основе прямого численного моделирования процессов переноса и выпадения пепловых частиц и измерений отложенной массы в зоне пеплопада. Исходя из минимальной априорной информации о структуре поля ветра и высотах выброса, решение сводится к переопределенной задаче относительно одного параметра — мощности выброса, оцениваемого методом наименьших квадратов. В качестве примера рассмотрено эксплозивное событие на вулкане Кизимен 13 января 2011 г., сопровождавшееся выбросом пирокластических продуктов на высоты 6—9 км над у. м. с последующим распространением подветренного шлейфа на расстояние порядка первых сотен километров. Итоговая оценка величины выброса — 0.68—1.67 млн т — в целом согласуется с расчетами по методу изопахит и с использованием номограммы С.А. Федотова, основываясь на данных о высоте эруптивного шлейфа и скорости ветра. Показано, что мезомасштабные (2—200 км) атмосферные возмущения над горами оказывают определяющее влияние на условия переноса/осаждения пепловых частиц, которое необходимо учитывать для корректных оценок массы выброса и роли эоловой гравитационной дифференциации пеплового материала в процессе формирования вулканогенных отложений.
DOI: 10.7868/S0203030615010058
ВВЕДЕНИЕ
Мощные вулканические извержения эксплозивного типа сопровождаются выбросом в атмосферу большого количества тефры (термин, предложенный в [Thorarinsson, 1954]) — фрагментов вулканических пород, достаточно легких, чтобы переноситься воздушными потоками. Отложение таких частиц на подстилающей поверхности в подветренной от вулкана зоне зависит от условий атмосферного переноса и параметров извержения: высоты первоначального выброса пирокла-стического материала, его распределения в эруптивной колонне, а также гранулометрического и компонентного состава [Bursik, 1998; Гущенко, 1965; Кирьянов, Рожков, 1989; Гирина, 1990]. Последний из перечисленных факторов проявляется через зависимость скорости осаждения от формы и плотности частиц [Гущенко, 1965; Дубик, Ме-няйлов, 1969; Wilson, Huang, 1979]. Наиболее легкие частицы тефры (<2 мм, вулканический пепел) ввиду малой скорости гравитационного осаждения находятся в атмосфере достаточно долго (от десятков минут до 2—3 мес.) и могут вовлекаться в атмосферные циркуляционные течения практи-
чески во всем спектре масштабов — от локального до глобального [Robock, 2000; Self, 2006].
В вулканологии определение суммарной массы и гранулометрического состава тефры имеет большое практическое значение как часть оценки суммарного геологического эффекта извержения, который складывается из массы всех изверженных пород. Существующие в настоящее время методики подсчета массы основаны на: 1) оценке тепловой мощности извержения по наблюдениям высот эруптивных колонн и пепловых шлейфов в атмосфере [Федотов, 1982; Sparks et al., 1997]; 2) расчетах суммарной энергии извержения по регистрируемым сейсмическим [Makhmudov et al., 2010] и акустическим [Фирстов, 1988; Фирстов, Тристанов, 2010] сигналам; 3) построении изолиний толщины (массы) отложений, основываясь на данных отбора площадных проб в отдельных пунктах на территории, охваченной пеплопадом [Широков, 1985; Fierstein, Nathenson, 1992; Rose, 1993; Legros, 2000].
Любой из указанных методов характеризуется высокой степенью неопределенности итоговых оценок и значительной погрешностью ввиду
большого разнообразия не учитываемых сопутствующих факторов. Использование первого и второго методов, основанных на энергетическом подходе, сопряжено с большими неточностями ввиду сильно нелинейного характера зависимости высоты эруптивной колонны (амплитуды сейсмического и акустического сигналов) от тепловой мощности источника, параметров турбулентности в зоне конвективных течений, условий в выводящем канале и характера извержения в целом, а также особенностей распространения сигнала в пространственно неоднородной среде.
Следует отметить ряд публикаций, посвященных проблеме оценки суммарной массы выброса по спутниковым наблюдениям эруптивных облаков и шлейфов [Rose et al., 2003; Rybin et al., 2011; Pouget et al., 2013]. Возникающие при этом трудности методического характера обусловлены спецификой дистанционных наблюдений, в том числе, сильной зависимостью параметров принимаемого сигнала от свойств частиц и атмосферных условий [Wen, Rose, 1994; Webley et al., 2009а,б], вследствие чего получаемые оценки характеризуются пока значительной степенью неопределенности.
При использовании методов, основанных на измерениях массы отложенного пепла, основная проблема связана с относительно небольшим количеством пунктов отбора проб и ограниченностью площади исследуемой территории. В случае сильных извержений, сопровождающихся выбросами на большие высоты, эта территория всегда значительно меньше площади, на которой происходит осаждение наиболее легких фракций (т. н. "тонких пеплов", по [Rose, Durant, 2009], с размерами частиц <32—63 мкм), переносимых в атмосфере на сотни и тысячи километров. При этом возникает проблема устойчивой экстраполяции устанавливаемых эмпирических зависимостей типа lg h—A1/2 (где А — площадь, охваченная слоем выпавшего пепла толщиной >h) [Fierstein, Nathenson, 1992; Pyle, 1989] в область малых значений h на больших расстояниях от источника, где выпадают наиболее тонкие частицы. Поскольку сильные эксплозии сопровождаются, как правило, значительной фрагментацией пирокла-стических продуктов, вклад наиболее мелких пепловых фракций в суммарную массу изверженных продуктов может быть существенным [Rose, Durant, 2009], и погрешности, возникающие при экстраполяциях в область малых h, сильно снижают надежность итоговых оценок. Вопрос о точности экстраполяций, основанных на измерениях толщины (массы) отложений, подробно исследован в [Bonadonna et al., 1998; Bonadonna,
Houghton, 2005] и в более ранней работе [Froggatt, 1982], в которой был предложен альтернативный метод, основанный на экстраполяции зависимости lg V—h, где V — объем отложений в пределах данной изопахиты. Такая методика позволила в ряде случаев получить более надежные результаты, поскольку явно допускает наличие конечного предела h ^ 0, тогда как функция lg h при малых h является расходящейся.
Альтернативный подход к определению суммарной массы выброса пепла и его гранулометрического состава основан на использовании атмосферных моделей переноса/осаждения изверженного материала, получивших широкое распространение, начиная с 1980-х гг. в связи с развитием численного моделирования и появлением необходимых вычислительных ресурсов. Большинство из широко используемых в настоящее время моделей, например, классы моделей TEPHRA [Macedonio et al., 2005; Bonasia et al., 2009; Costa et al., 2009] и PUFF [Scollo et al., 2008, 2011], основано на решении упрощенного адвек-тивно-диффузионного уравнения переноса частиц в рамках полуаналитического подхода, при котором используются предположения о горизонтально-однородном поле ветра и пространственно-однородном поле турбулентности (коэффициенты турбулентного перемешивания в таких моделях полагаются постоянными во всей области, в которой ищется решение).
Отметим кратко основные проблемы, связанные с использованием данного подхода.
В процессе переноса, сформировавшееся на первоначальном этапе эруптивное облако (или шлейф) уже на временах порядка первых десятков минут претерпевает сильную деформацию/диффузию в поле ветра, характеризующемся, как правило, значительной вертикальной и горизонтальной неоднородностью. Фактический перенос при этом сильно отличается от идеализированного варианта, представленного в простейших аналитических моделях. Дополнительная проблема связана с невозможностью корректного учета влияния орографии, поскольку используемое предположение о горизонтальной однородности поля ветра заведомо оказывается некорректным для горных районов, в которых и расположено большинство действующих вулканов. Таким образом, решение задачи переноса при реальных атмосферных параметрах требует использования численных моделей переноса, позволяющих исследовать эволюцию пеплового выброса в атмосфере в рамках наиболее общей постановки проблемы [Turner, Hurst, 2001; Byrne et al., 2007].
В данной работе реализован алгоритм восстановления суммарной массы выброса, основанный на прямом численном моделировании полей ветра и турбулентности в районе вулкана и процессов переноса/гравитационного осаждения пепловых частиц без использования упомянутых выше упрощений, свойственных полуаналитическим моделям. Тем самым появляется возможность наиболее полного учета условий переноса, обусловленных особенностями орографии и спецификой атмосферной ситуации, при которой происходит пепловый выброс. Как и в случае метода изопахит, здесь также используются данные о массе отложенного пепла в отдельных пунктах, однако при этом отпадает необходимость каких-либо пространственных интерполяций и экстра-поляций данных измерений, поскольку масса осажденного пепла для любой точки на подстилающей поверхности рассчитывается непосредственно из первых принципов гидродинамики. Преимущество такого подхода, наряду с объективной оценкой суммарной мощности выброса, состоит в возможности получения подробных и согласованных между собой данных о локальных и мезомасштабных особенностях полей ветра и турбулентности в районе извержения, пространственном распределении отложений мелкого пи-рокластического материала в зависимости от высот выброса, размеров, формы и типа частиц, что может оказаться полезным при обобщении результатов анализа гранулометрического и компонентного состава про
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.