УДК 551.596;550.348.436
ИНФРАЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ ОТ ИЗВЕРЖЕНИЙ ВУЛКАНОВ КАМЧАТКИ
© 2013 г. Е. И. Гордеев*, **, П. П. Фирстов*, **, С. Н. Куличков***, Е. Р. Махмудов**
*Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН 683006Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9 E-mail: gordeev@kscnet.ru **Камчатский филиал Геофизической службы РАН 683006Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9 E-mail: firstov@emsd.ru ***Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: snk@faran.ru Поступила в редакцию 09.02.2012 г., после доработки 01.10.2912 г.
На полуострове Камчатка в пункте Начики (НЧК) работает акустическая станция IS44, входящая в международную систему инфразвукового мониторинга (IMS) режима соблюдения Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ), а в поселке Паратунка работает станция Камчатского филиала Геофизической службы РАН. Эти станции позволяют вести мониторинг сильных эксплозивных извержений андезитовых1 вулканов. Рассмотрены кинематические и динамические параметры акустических сигналов, сопровождавших извержения вулканов Безымянного, который расположен на расстоянии 361 км от пункта НЧК в 2009—2010 гг. и вулкана Кизимен, расположенного на расстоянии 275 км во время извержения 31 декабря 2011 г. Обнаружена низкочастотная фаза разряжения длительностью более 60 c в начальной части записи акустических сигналов, сопровождающих сильные извержения. Показано, что фаза разряжения возникает в результате резкой конденсации перегретого ювенильного2 пара, поступающего в атмосферу во время таких эксплозий3. На основании акустических сигналов, зарегистрированных во время рассмотренных выше извержений, сделана оценка количества пепла, выброшенного в атмосферу, которая заключена в пределах (3.2—7.3) х 106 м3.
Ключевые слова: вулкан, эксплозивные извержения, инфразвуковой сигнал, количество пепла.
DOI: 10.7868/S0002351513030085
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы исследованию процессов генерации и распространения инфразвуковых волн от извержений вулканов уделяется большое внимание [2—6]. Инфразвук от вулканов может распространяться на расстояния в несколько тысяч километров. Например, в [3, 4] приведены примеры регистрации инфразвука на станциях, входящих в международную систему IMS на расстояниях до 6400 км от извержения вулкана пик Са-рычев на Средних Курильских островах.
Общеизвестно, что распространение пепло-вых облаков на сотни и тысячи километров на высотах 8—15 км во время вулканических изверже-
1 Андезит — горная порода [1].
2 Ювенильный — первичный эндогенного происхождения [1].
3 Эксплозия — явление вулканического взрыва, обычно сопровождающееся выбросами большого количества пиро-кластического материала и газов [1].
ний представляет особую опасность для авиации. Показательно извержение исландского вулкана Эйяфьятлайокуль в июне 2010 г., когда в течение нескольких дней было парализовано воздушное сообщение во многих странах Европы. Инфра-звуковые сигналы вблизи этого вулкана приведены в [2]. Вблизи восточного побережья полуострова Камчатка и непосредственно над ним также проходит большое количество авиатрасс, связывающих Североамериканский континент с Японией и странами Юго-Восточной Азии. При сильных извержениях Камчатских вулканов их пепловые шлейфы не раз пересекали международные авиатрассы, создавая опасность для авиалайнеров. Оперативное оповещение авиационных служб Тихоокеанского региона о готовящихся или начавшихся эксплозивных извержениях вулканов Камчатки группой KVERT (Kamchatkan Volcanic Eruption Response Team) позволяет снизить пеп-
ловую опасность для авиатрасс этого района [7]. Поэтому мониторинг извержений действующих вулканов дистанционными методами имеет большое значение и для обеспечения безопасности полетов авиации.
Одним из дистанционных методов мониторинга пепловой опасности может стать инфразву-ковой метод, поскольку сильные извержения сопровождаются волновыми возмущениями в атмосфере, которые регистрируются на больших расстояниях [2—6, 8—12]. Инфразвуковая система мониторинга ДВЗЯИ (IMS) состоит из 60 инфразвуковых станций, распределенных по поверхности земного шара. Три такие станции находятся на территории Российской Федерации, одна из которых IS44 расположена на Камчатке в поселке Начики. Эта станция позволяет вести мониторинг извержений вулканов Камчатки и Курильских островов, что убедительно продемонстрировано в работах [3, 4]. В дополнение к этой станции Камчатским филиалом Геофизической службы РАН организован пункт регистрации волновых возмущений от вулканических извержений в поселке Паратунка (ПРТ).
Кроме того, инфразвуковой метод, по аналогии с сейсмическим методом исследования твердой Земли, может быть использован для дистанционного зондирования атмосферы в области высот 0— 150 км. Для этих целей наряду с искусственными источниками (техногенные взрывы) могут быть использованы и естественные высокоэнергетические процессы — сильные извержения.
Подробно состояние проблемы исследования инфразвуковых волн в атмосфере, в том числе и от извержений вулканов, обсуждено в монографии международного коллектива авторов [13].
В данной работе представлены некоторые результаты акустического мониторинга и оценки объемов пепла, выброшенного в атмосферу при наиболее сильных эксплозивных извержениях вулканов Камчатки в период 2006—2010 гг.
ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН И ЭФФЕКТОВ В АТМОСФЕРЕ
ОТ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ИЗВЕРЖЕНИЙ
В работах [12, 14—16] проанализированы экспериментальные данные об ударно-волновых и акустических эффектах в атмосфере от вулканических извержений и дана их феноменологическая классификация. В основу классификации положены характерный диапазон частот и физический процесс, в результате которого происходит генерация акустического сигнала (АС) того или иного класса.
1. Аэродинамический шум (/ = 20—1000 Гц) при вулканических извержениях возникает в результате аэродинамического воздействия на окружающую среду потока дисперсионного материала. Он возникает в периоды истечения из кратера пепло-газовой струи, возникающей в результате отделения газовой фазы и фрагментации (разрушения) магмы в верхней части вулканического выводного канала.
2. Импульсные акустические сигналы с длительностью импульса 0.1—1 с, которые генерируются при нестационарных процессах в кратерной зоне во время дегазации и фрагментации поступающей на дневную поверхность магмы. АС этого класса возникают при разрушении отдельных газовых пузырей в кратере при стромболианском
4
типе извержения вулканов с базальтовым составом магм или при взрывных процессах, связанных с фрагментацией "пенных пакетов" при вул-
5
канском типе извержения вулканов с более вязкой магмой дацитого или андезидацитового состава. В редких случаях их образование возможно за счет воздушных взрывов при окислении воздухом взрывоспособных ювенильных газов [10]. В ближней зоне АС этого класса представляют слабые воздушные ударные волны [16].
3. Инфразвук (/ = 0.03—1 Гц) возникает в результате сильных конвективных процессов, происходящих во время возникновения и формирования эруптивных облаков в результате выноса продуктов извержений и их отложений на дневную поверхность, что приводит к формированию восходящей конвективной колонны, турбулентные пульсации в которой и служат источниками инфразвукового сигнала.
4. Длинноволновые возмущения (/ < 0.03Гц) связаны с формированием мощной эруптивной колонны во время сильных извержений плиниан-
6
ского типа дацитовых и андезитовых вулканов. Как правило, высота эруптивной колонны при этом достигает тропопаузы за счет выноса в атмосферу большого количества горячего мелкодисперсного вулканического материала и вулканических газов.
4 Активность стромболианская — извержение основной маловязкой магмы со средним газовым давлением и с открытым сообщением с атмосферой. Газы выбрасывают комья раскаленного материала [17].
5 Активность вулканская — взрывы очень вязкой лавы, не остающейся жидкой при контакте с атмосферой. Взрывы выбрасывают тучи, переполненные пеплом, бомбами, ла-пилли и глыбами древней лавы, похожие на кочан цветной капусты [17].
6 Активность плинианская — сильнейшие эксплозии, выбросы пеплов, туфового материала и пемзы. Во время па-роксизмального взрыва образуется колоссальная колонна газа [17].
Рис. 1. Основные типы вулканической активности и преобладающие для них классы волновых возмущений в атмосфере, указанные цифрами в кружках.
Первые два класса связаны с процессом отделения летучих фракций от поднимающегося по магматическому каналу силикатного расплава и его фрагментацией (разрушением) с образованием раскаленных обрывков лавы и вулканического пепла. Два следующих класса связаны с образованием в атмосфере эруптивного облака в виде конвективной колонны с хорошо развитой турбулентностью, являющейся источником инфразвуко-вых и длинноволновых возмущений в атмосфере. Классы волновых возмущений в атмосфере, характерные для разных типов вулканической активности, показаны на рис. 1.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕНЕРАЦИИ ИНФРАЗВУКА ПРИ КОНВЕКТИВНЫХ ПРОЦЕССАХ В ЭРУПТИВНОЙ КОЛОННЕ
Теоретические и экспериментальные результа-
7
ты изучения эруптивных облаков от вулканических извержений, полученные в конце прошлого века, обобщены в монографии [19]. Механизм возбуждения акустических возмущений в стратифицированной среде, обусловленный конвективным подъемом нагретых продуктов от площадных пожаров или мощных взрывов, был рассмотрен в 80-х годах прошлого столетия в работах школы известного российского ученого Ю.А. Гостинцева [20, 21]. Интенсивность возмущений атмосферы процессами горения или взрыва определяется динамикой энерго- и тепломассовыделения в источ-
7 Облако эруптивное — масса газов и твердых обломков, выброшенных взрывом из вулкана в виде облака [18].
нике, метеорологической обстановкой (стратификацией атмосферы, наличием ветра) и характером турбулентного обмена нагретых продуктов с холодным воздухом.
Конфигурация поднимающегося конвективного элемента зависит от соотношения между временем тепловыделения и характерным временем подъем
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.