Как показывают последние исследования, сила извержения вулкана зависит от количества газовых пузырей, образующихся в магме, и от момента их появления. До недавнего времени считалось, что пузыри формируются главным образом при падении давления в поднимающейся магме. Высокое давление на глубине удерживает газы в растворенном состоянии, но как только давление падает, газы выделяются и образуют пузыри. Чем больше пузырей, тем менее плотной становится магма и тем быстрее она поднимается вверх, что может привести к взрывному извержению.
Простая аналогия – бутылка шампанского. Пока бутылка закрыта и находится под давлением, углекислый газ остается растворенным в жидкости. Открытие бутылки снижает давление, позволяя газу образовывать пузыри. Эти пузыри поднимают жидкость к горлышку и могут привести к сильному выбросу.
Однако эта картина неполная. Некоторые вулканы, такие как Сент-Хеленс в США и Кисапу в Чили, иногда извергали лаву спокойно, даже когда магма содержала большое количество газа, способного вызвать мощный взрыв. Международная исследовательская группа, в которую вошел ученый из ETH Zurich, предложила новое объяснение этой давней загадки.
Сдвиг как новый фактор
В статье, опубликованной в журнале «Science», ученые сообщают, что пузыри могут образовываться в поднимающейся магме не только при падении давления, но и под воздействием сил сдвига. Если эти пузыри растут в глубинных частях вулканического канала, они могут сливаться и создавать пути для выхода газа. Если газ высвобождается рано по этим каналам, магма может достичь поверхности гораздо более спокойным потоком.
Силы сдвига в магме можно представить как размешивание меда в банке: мед движется быстрее там, где его размешивают ложкой. У края банки, где трение выше, он движется медленнее. Похожий процесс происходит и в вулканических каналах: магма движется медленнее у края канала, где трение наибольшее, чем в его центре. Это, по сути, «разминает» расплавленную породу, образуя пузыри газа.
«Наши эксперименты показали, что движения в магме, вызванные силами сдвига, достаточно для образования газовых пузырей – даже без падения давления», – объясняет Оливье Бахманн, профессор вулканологии и магматической петрологии в ETH Zurich и один из соавторов исследования.
Эксперименты показывают, что пузыри образуются в основном вблизи краев канала, где силы сдвига наиболее сильны.
Существующие пузыри еще больше усиливают этот эффект: «Чем больше газа содержит магма, тем меньше сдвига требуется для образования и роста пузырей», – говорит Бахманн.
Почему взрывные вулканы иногда не взрываются
Согласно новым данным, магма с низким содержанием газа, которая кажется не взрывоопасной, все же может привести к мощному взрыву, если из-за сильного сдвига образуется большое количество пузырей, и магма быстро выстрелит вверх.
И наоборот, силы сдвига могут также вызывать образование и объединение пузырей на ранней стадии в богатой газом и потенциально взрывоопасной магме, что приводит к образованию каналов дегазации в магме, которые снижают давление газа.
«Таким образом, мы можем объяснить, почему некоторые вязкие магмы вытекают спокойно, а не взрываются, несмотря на высокое содержание газа – загадка, которая долгое время нас озадачивала», – говорит Бахманн.
Примером может служить извержение горы Сент-Хеленс в 1980 году. Хотя магма была богата газом и, следовательно, потенциально взрывоопасна, извержение началось с размещения очень медленного потока лавы внутри вулканического конуса. Сильные силы сдвига, действующие на магму, образовали дополнительные газовые пузыри, которые первоначально позволили высвободить газ. И только когда оползень еще больше открыл вулканическое жерло и произошло быстрое падение давления, вулкан взорвался. Результаты исследования показывают, что многие вулканы с вязкой магмой позволяют газам улетучиваться более эффективно, чем считалось ранее.
Специальный лабораторный эксперимент
Чтобы визуализировать процессы внутри вулкана, исследователи разработали специальный эксперимент: они взяли вязкую жидкость, напоминающую расплавленную породу, и насытили ее газом диоксидом углерода.
Затем они наблюдали, что произойдет, если лавообразную жидкость привести в движение силами сдвига. Как только силы сдвига превысили определенный порог, в жидкости внезапно образовались газовые пузыри. Чем выше было начальное перенасыщение газом, тем меньше сдвига требовалось для образования дальнейших газовых пузырей. Исследователи также обнаружили, что наличие существующих пузырей благоприятствует образованию новых пузырей в их непосредственном окружении.
Затем эти наблюдения были сопоставлены с компьютерными моделями вулканических извержений. Таким образом, ученые показали, что этот эффект особенно вероятен в тех областях, где вязкая магма течет вдоль стенок канала и, следовательно, испытывает сильные силы сдвига.
Благодаря своей работе исследователи представили новый важный элемент головоломки, позволяющий лучше понять процессы, происходящие внутри активных вулканов, и точнее оценить, как они будут извергаться.
«Чтобы лучше прогнозировать опасность, исходящую от вулканов, нам необходимо обновить наши вулканические модели и учитывать силы сдвига в каналах», – говорит соавтор исследования Бахманн.
