Почему при извержении вулкана появляются молнии и где они были замечены?

Что такое «грязная гроза» и как это явления объясняется?

Ученые называют грозу, которая возникает во время извержения вулкана с большим выбросом пепла и появлением электрических разрядов в виде молнии, «грязным временным». Концепция, конечно, не научная, но очень точно описывает шоу.

Che cos'è un

Как вы знаете из урока физики в средней школе, электрические разряды возникают из-за трения между поверхностями с противоположными зарядами. Согласно этому принципу, молния образует обычную грозовую тучу. Присутствующие более крупные частицы падают на нижний уровень облака, а более мелкие поднимаются до его верхнего предела. Их обвинения будут отвергнуты. Чем больше разность потенциалов, тем мощнее вспышка.

Точно так же трение вызывает удары молнии при извержении вулканов. Частицы золы при трении создают мощное электрическое поле. Но одного пепла мало, нужна вода и вулканические газы. Пока магма находится в земле, влага не испаряется, процесс начинается, когда содержимое теплых недр выходит на поверхность. Частицы золы при трении накапливают отрицательный заряд, насыщенные водяным паром вулканические газы — положительный. Чем меньше размер частиц, тем сильнее они будут светиться. Вулканические молнии возникают чаще, если облако над кратером успевает достичь высоты 7 км.

Ученые выяснили, что электрические заряды могут возникать не только при трении частиц пепла, но и, например, в процессе движений земной коры, которые всегда сопровождают извержения. После наблюдения извержения вулкана на Аляске в 2006 году было зарегистрировано двухфазное возникновение молнии. Первая фаза произошла за счет заряда, накопленного под воздействием внутренних геофизических процессов, а через несколько минут последовала серия ударов молнии, образовавшаяся в результате накопления заряда уже за счет атмосферных процессов.

Николай Шапиро «Коммерсантъ Наука» №24 (3), сентябрь 2020

Vulcano Tolbachik (

Вулкан Толбачик. Фото: Minden Pictures / Alamy / DIOMEDIA

Мы часто читаем короткие заметки в прессе или в Интернете, которые начинаются словами: «в районе . произошло землетрясение магнитудой…» или «на Камчатке проснулся вулкан…». В то же время землетрясения или извержения вулканов остаются для большинства российских читателей «экзотическими» событиями, происходящими где-то далеко. Сколько землетрясений и извержений на самом деле происходит в мире и в России? Какие из них могут быть опасными? Как мы узнаем, где и когда они происходят, и, что более важно, как эта информация используется в фундаментальных научных исследованиях и практических приложениях? Ответы на эти и другие вопросы, основанные на его опыте работы за рубежом и в России, дает Николай Шапиро, один из ведущих исследователей Института физики Земли РАН и Института физики Земли Гренобля во Франции руководитель мегагранта «Геофизические исследования, мониторинг и прогноз активных геодинамических процессов в зонах субдукции».

Сейсмология как современная научная дисциплина зародилась на рубеже XIX и XX веков, когда были спроектированы и установлены первые сейсмографы. Одним из важнейших открытий на начальном этапе развития сейсмологии было изобретение электромагнитного сейсмографа русским ученым князем Борисом Борисовичем Голицыным в 1906 году. Данные, собранные этими сейсмографами, накапливались десятилетиями, и их анализ привел к фундаментальным научным открытиям таких как понимание внутренней структуры Земли и физического механизма, который приводит к землетрясениям, а также был важным вкладом в формирование концепции тектоники плит — современной геодинамической теории, которая объясняет движение и деформацию оболочки превосходства Земля и происхождение сейсмичности и вулканизма.

Внедрение современных цифровых и коммуникационных технологий, начавшееся в 1990-х годах, полностью изменило сейсмологию. Быстрая передача данных и эффективные компьютерные алгоритмы делают возможным сейсмический мониторинг в реальном времени. Кроме того, значительно улучшилось качество сейсмических записей и увеличилось их количество. Сегодня в мире установлены тысячи высококачественных сейсмографов, которые непрерывно записывают данные и передают их в реальном времени в центры обработки и хранения данных, основные из которых расположены в США, Европе и Японии. Приборы мировой сейсмологической сети фиксируют более 200 тысяч землетрясений в год. К счастью, подавляющее большинство этих сейсмических событий не ощущаются на поверхности Земли и могут быть зарегистрированы только очень чувствительными сейсмографами.

Данные, собранные в мировых центрах, передаются в режиме реального времени службам мониторинга землетрясений. Конечно, их важнейшая задача — быстро определять параметры самых сильных землетрясений, представляющих потенциальную опасность для населения и экономики. Результаты этого мониторинга, полученные практически в реальном времени, используются в системах раннего предупреждения и предупреждения о цунами. В то же время другой очень важной задачей является наиболее полное изучение всех землетрясений, в том числе самых слабых. Это необходимо для детального изучения тектонической активности нашей планеты и разработки вероятностных моделей сейсмической опасности. На их основе построены карты сейсмического районирования и разработаны стандарты сейсмостойкого строительства.

Мировые сейсмологические центры данных и мониторинговые службы

На сегодняшний день крупнейший центр сейсмологических данных был основан Корпорацией исследовательских организаций по сейсмологии США (IRIS) и расположен в Сиэтле. Этот центр получает данные с более чем 8000 сейсмографов, почти половина из которых в режиме реального времени. Центр данных IRIS является основой глобальной сейсмологической сети, а также содержит данные из большинства стран мира. Кроме того, в центре собраны данные большого количества «временных» сейсмологических экспериментов. Общий объем собранных сегодня данных превышает 500 терабайт и со временем растет в геометрической прогрессии. Европейские сейсмологические данные сосредоточены в центре ORFEUS, куда поступают данные примерно с 3,5 тысяч станций.

Mappa delle stazioni sismiche mondiali, i cui dati vengono inviati al centro IRIS (

Карта мировых сейсмических станций, данные которых передаются в центр IRIS

К ведущим центрам глобального мониторинга относятся Международный сейсмологический центр (ISC), Национальный центр информации о землетрясениях (NEIC) под эгидой Геологической службы США и Европейско-средиземноморский сейсмологический центр (EMSC). Кроме того, мониторингом землетрясений занимаются многочисленные региональные центры в разных странах.

Mappa delle stazioni sismiche europee, i cui dati vengono inviati al centro ORFEUS (

Карта европейских сейсмических станций, с которых берутся данные для центра ORFEUS

Еще одно важное практическое применение сейсмологии — мониторинг вулканов. Ученые насчитывают более 1,5 тысячи потенциально активных вулканов на Земле. Ежегодно извергается не менее 50 из них. К счастью, как и в случае с землетрясениями, большинство извержений вулканов не представляют непосредственной опасности, поскольку они слишком слабые или происходят в необитаемых районах. Но, как и в случае землетрясений, наиболее полное изучение всех извержений, даже самых слабых, необходимо для детального изучения вулканической активности и разработки вероятностных моделей вулканической опасности и методов прогнозирования возможных катастрофических событий.

Возникновение большого количества слабых землетрясений под вулканами — один из основных признаков их активизации и предвестников будущих извержений. В то же время, если учесть, что очень часто из-за плохих погодных условий визуальное или спутниковое наблюдение вулканов недоступно (и никогда не подводных вулканов), становится ясно, что сейсмологические наблюдения — единственный способ контролировать состояние вулканов непрерывно.

Сейсмологические данные также имеют большое значение для фундаментальной науки. Сейсмические волны, распространяющиеся через глубокие слои Земли, содержат уникальную информацию о ее структуре. Таким образом, основные слои нашей планеты — твердая кора и мантия, жидкое внешнее ядро ​​и твердое внутреннее ядро ​​- были открыты в первой половине ХХ века на основе анализа каротажных диаграмм землетрясений. С 1970-х годов широко получила развитие сейсмическая томография: «сканирование» Земли на основе волн, генерируемых землетрясениями, для получения трехмерных изображений внутренней структуры Земли.

Сейсмология традиционно известна как наука о землетрясениях. Но за последние два десятилетия появилась совершенно новая парадигма. На основе анализа цифровых сейсмических данных с использованием современных компьютерных технологий было показано, что сейсмические записи содержат огромное количество информации помимо землетрясений.

Одним из наиболее важных открытий было наблюдение так называемых тектонических толчков, очень слабых сигналов, которые возникают, когда тектонические плиты медленно скользят между землетрясениями. Ожидается, что систематический анализ таких толчков позволит проследить процессы, происходящие в сейсмических разломах и вулканических системах в те временные интервалы, которые ранее считались полностью «спокойными», и, таким образом, приведет к развитию методов мониторинга.

Другим важным открытием стало переосмысление так называемого сейсмического шума — сигналов, регистрируемых сейсмографами в отсутствие тектонической и вулканической активности (на которые приходится более 90% доступных сейсмологических данных). Этот «шум» в основном вызван деятельностью Мирового океана. Относительно быстрые изменения давления водяного столба на дне океана приводят к генерации сейсмических волн. Таким образом создается волновое поле, создаваемое неоднородными источниками, распределенными на поверхности земли, и соответствующие сигналы, на первый взгляд, являются полностью случайными. Но с использованием очень чувствительных записей современных сейсмографов и соответствующих математических методов эти сигналы смогли «расшифровать» и извлечь из них информацию, с одной стороны, об их источниках, а с другой — о структуре Земли в зонах между этими источниками и записывающими устройствами. В результате одновременно возникли два принципиально новых направления в сейсмологии: (1) использование сейсмических записей для мониторинга активности океана и атмосферы (и других поверхностных процессов) и (2) «сейсмическая шумовая томография».

Шкала вулканической активности

Индекс вулканической эксплозивности (VEI) — количественное описание силы вулканического извержения, основанное на логарифме расчетного объема извергнутых продуктов и высоты столба пепла. Диапазон: от нуля для извержений с объемом изверженных пород менее 10 тыс. М3, до восьми («супервулканы») — для извержений объемом более 1000 км3. Самая полная база данных об извержениях на Земле собрана в Смитсоновском институте в США. Из-за сложности наблюдений в этой базе данных имеется относительно много пропусков и неточностей. Но в то же время на его основе можно представить общую статистику извержений, большинство из которых имеют VEI 2 и менее. В среднем ежегодно происходит от четырех до пяти извержений с VEI 3 и более. Действительно крупные извержения более 1 км3 (VEI 5 ​​и более) происходят примерно раз в десять лет. Супер извержения с VEI 8 или выше могут вызвать эффект вулканической зимы — заметное похолодание в планетарном масштабе, но, к счастью, они происходят очень редко. Последнее подобное событие произошло 26000 лет назад в Новой Зеландии, когда вулкан Таупо выбросил около 1170 км3 пепла. Также хорошо известны сверхизвержения вулкана Тоба на Суматре 74 тысячи лет назад (2800 км3) и в Йеллоустоне 640 тысяч лет назад (1000 км3).

На Камчатке произошли самые сильные в России извержения вулканов. Таким образом, самое крупное из известных извержений (ВЭИ 7; 150 км3) произошло здесь около 7,6 тыс. Лет назад и привело к образованию Курильского озера. В исторические времена были крупные извержения (ВЭИ 5) вулканов Ксудач в 1907 году и Безымянного в 1956 году.

Новую парадигму можно описать как «тотальную сейсмологию». Его основной принцип заключается в том, что каждый бит сейсмической записи содержит полезную информацию о внутренней структуре Земли и динамических процессах, происходящих в ее глубине или на поверхности. Задача сейсмологов — «расшифровать» имеющиеся данные, извлечь как можно больше информации и использовать ее для мониторинга и научных исследований. Таким образом, современная сейсмология — это высокотехнологичная и быстро развивающаяся область знаний во всем мире, вовлеченная наряду со многими передовыми научными направлениями в технологическую революцию в области больших данных.

Успешное развитие сейсмологии требует совместных усилий большого количества ученых и технического и инженерного персонала, необходимого для поддержания и развития систем сейсмологического наблюдения и сбора данных, а также для разработки новых методов их анализа с использованием самых современных технологий и компьютерных ресурсов. Помимо чисто количественного развития (увеличения количества станций и объема анализируемых данных) мировое сейсмологическое сообщество постоянно ищет новые технологии и концепции.

Schema concettuale di raccolta - archiviazione - analisi dei dati nella sismologia moderna (

Концептуальная схема сбора — хранения — анализа данных в современной сейсмологии

На повестке дня создание нового поколения «оптических» сейсмографов, использующих интерференцию лазерных лучей в оптических волокнах. Ожидается, что применение этого подхода значительно увеличит плотность охвата сейсмическими наблюдениями.

Еще одним важным направлением является разработка различных протоколов и средств передачи больших объемов данных с целью объединения отдельных центров обработки данных в единую глобальную информационную систему и обеспечения быстрого и эффективного доступа максимальному количеству пользователей: отдельным ученым и организациям. Мониторинг. Одну из основных ролей в этом направлении играет дата-центр IRIS, который регулярно предоставляет обновленные методы доступа к данным, адаптированные к новым методам анализа и оптимизированные в соответствии с новейшими информационными и сетевыми технологиями. В результате современные сейсмологи имеют возможность эффективно анализировать данные, записанные тысячами сейсмографов в разных частях Земли, не выходя из офиса, а профессора университетов могут использовать новейшие данные в образовательных программах и лабораторных работах по геофизике.

Такой эффективный доступ к большим объемам данных позволил сейсмологам в последние годы воспользоваться преимуществами концепций машинного обучения и искусственного интеллекта в дополнение к «традиционным» методам анализа данных. Большинство ведущих ученых ожидают, что сочетание таких подходов с идеями «тотальной сейсмологии», описанными выше, приведет к новым научным открытиям и прорывам в ближайшие десятилетия.

Научные группы из ведущих университетов и научных организаций США, Европы и Японии традиционно работают над развитием передовых методов и технологий в сейсмологии. В последние годы китайские и сингапурские ученые также взяли на себя инициативу. В ХХ веке Россия также играла ведущую роль в этой сфере, но в последние два десятилетия по разным причинам эти позиции постепенно утрачиваются.

Геофизический (в основном сейсмологический) мониторинг территории России осуществляется Единой геофизической службой Российской академии наук (ЕГС РАН). 12 региональных отделений этой организации ведут систему сейсмологических наблюдений, состоящую из более чем 330 современных цифровых станций и ежегодно регистрируют около 10 тысяч землетрясений. ЭГС РАН разработала и эксплуатирует операционные системы для мониторинга действующих вулканов на Камчатке и Курильских островах и цунамигенных землетрясений в Тихом океане. Результаты этого мониторинга передаются в системы авиационной безопасности и предупреждения о цунами. Кроме того, данные, собранные ЭГС РАН, используются для научных исследований, проводимых его внутренними подразделениями, а также учеными профильных институтов РАН и геофизических факультетов и отделений российских университетов.

Sistema di osservazioni sismologiche FRC EGS RAS (

Система сейсмологических наблюдений ФРЦ ИГС РАН. Карта распределения сильных землетрясений (кружки) и действующих вулканов (треугольники) в мире

К сожалению, в последние годы СЭО РАН финансируется на уровне, достаточном (а зачастую и недостаточном) для поддержания основных функций, и не имеет средств и возможностей для значимого развития. Такая ситуация, конечно, связана с общим недофинансированием российской науки, но помимо этого УСС РАН страдает недостаточной гибкостью в использовании наукометрических показателей для планирования финансирования. Поэтому бюджет ЕГС РАН определяется на основе тех же принципов, что и «обычные» институты РАН, и такой подход полностью игнорирует специфику геофизических наблюдений, а именно необходимость развития и поддержки соответствующей дорогостоящей инфраструктуры (сети станций, дата-центры и т д.) и нанимают большое количество квалифицированных инженеров и техников, вовлеченных в эту работу. Следует отметить, что многие профильные институты РАН и факультеты вузов сталкиваются с аналогичными структурными проблемами с финансированием.

Магнитуда и балльная шкала интенсивности землетрясения

Главный параметр землетрясения — его сила, которая пропорциональна логарифму выделенной энергии. Таким образом, самое сильное из известных землетрясений 1960 года в Чили имело магнитуду 9,5, что эквивалентно энергии 180 миллионов атомных бомб, взорванных на Хиросиме. Для сравнения: энергия крупнейшего ядерного взрыва, произведенного СССР на Новой Земле в 1961 году, была эквивалентна землетрясению магнитудой 8,2. Энергия землетрясения магнитудой 1 эквивалентна взрыву 2 кг в тротиловом эквиваленте.

Шкалу магнитуды часто путают со шкалой интенсивности, измеряемой в баллах от 1 до 12 в зависимости от внешних проявлений землетрясения (воздействие на людей, предметы, здания, природные объекты). Например, сильное землетрясение, происходящее вдали от мест обитания людей, не ощущается и не влияет на здания. Поэтому магнитуда такого землетрясения велика, а интенсивность минимальна. И наоборот, относительно «слабое» землетрясение, происходящее у поверхности земли и непосредственно под населенным пунктом, может вызвать умеренный ущерб зданиям. В этом случае сила землетрясения будет относительно небольшой, а интенсивность в пострадавшем населенном пункте будет относительно большой.

Самые слабые землетрясения начинаются с магнитудой 2 и только на расстояниях, не превышающих нескольких километров. Поверхностные землетрясения магнитудой 4,5 могут нанести незначительный ущерб. Землетрясения магнитудой от 6 баллов могут привести к значительным разрушениям и человеческим жертвам. Землетрясения с магнитудой 7 баллов, происходящие в окрестностях крупных городов, могут привести к катастрофическим последствиям (одним из последних примеров является землетрясение на Гаити в 2010 году). Крупнейшие, или «мегаземлетрясения» с магнитудой 9 или более, могут вызвать катастрофические цунами и разрушения на больших территориях. За период инструментальных наблюдений зафиксировано всего пять из этих событий. Одно из них произошло в Курило-Камчатской зоне субдукции в 1952 году. Самые свежие примеры — мегаземлетрясения на Суматре в 2004 году и в Японии в 2011 году.

Следовательно, запаздывание российской системы сейсмологических наблюдений от основных стран мира носит структурный и многоуровневый характер. Во-первых, общее количество постоянных станций намного ниже нынешнего уровня в США, Евросоюзе, Японии и Китае — несколько сотен против нескольких тысяч (и это для страны с самой большой территорией в мире). Во-вторых, в последние годы в России было проведено очень мало масштабных временных сейсмологических экспериментов. В-третьих, поддержка информационных технологий сильно отстала. Таким образом, сегодня в России нет единого центра сейсмологических данных. Большинство собранных наблюдений хранятся в региональных офисах и остаются недоступными для потенциальных пользователей.

Структурные проблемы в системе наблюдений отрицательно сказываются на российской сейсмологической науке в целом. Из-за неэффективного доступа к данным сокращается количество ученых, заинтересованных в сейсмологических исследованиях в России, и, как следствие, количество публикаций по этой теме в ведущих международных журналах. Даже российским сейсмологам зачастую легче работать с данными (легко) полученными из-за границы, чем изучать территорию своей страны. В результате практически никому не приходит в голову применить идеи «тотальной сейсмологии» и современных методов анализа к российским данным. И снова все это происходит в самой большой стране мира, на территории которой находится множество уникальных природных и геологических объектов. Недостаточное развитие науки также ведет к слабому восстановлению кадров за счет подготовки и привлечения новых поколений молодых специалистов.

Обратить негативную тенденцию российской сейсмологии вспять — непростая задача. Мы ожидаем, что наш мегагрант «Геофизические исследования, мониторинг и прогнозирование активных геодинамических процессов в зонах субдукции» внесет определенный вклад. В рамках этого проекта, финансируемого Минобрнауки, была создана новая лаборатория на базе Института физики Земли (ИФЗ РАН, Москва), который работает в тесном сотрудничестве с Камчатским отделением ЕГН РАН и Институт вулканологии и сейсмологии (ИВиС, Петропавловск-Камчатский) ДВО РАН. Кроме того, к работе привлекаются преподаватели, студенты и студенты МГУ.

Камчатка с ее многочисленными очень активными землетрясениями и вулканами, а также с большим объемом уже собранных данных, является идеальным районом для тестирования новых методов и концепций в сейсмологии, и мы надеемся, что сочетание опыта и ресурсов различных академических и образовательных организаций создаст благоприятные условия для проведения научных исследований на высшем международном уровне и будет способствовать подготовке нового поколения российских геофизиков мирового уровня.

Проект стартовал в 2018 году, и всего за два года было проведено два полевых испытания на Камчатке (третье — осенью 2020 года), многочисленные семинары и школы для студентов и аспирантов. По результатам исследования участниками проекта опубликовано и подготовлено к публикации более 30 статей в рецензируемых российских и международных журналах. Одним из последних примеров этого является статья в престижном журнале Nature Communications, в которой представлена ​​новая теория землетрясений глубоко под вулканами. Также приятно, что в работе участвует много молодых ученых. В качестве практических приложений проводимых научных работ новые методы мониторинга вулканов внедряются в практику Камчатского отделения ЕГС РАН.

В то же время одного проекта, даже такого масштабного, как мегагрант, совершенно недостаточно, чтобы восполнить пробел в российской сейсмологии, накапливающийся десятилетиями. Следует понимать, что без систематических усилий на высшем уровне по совершенствованию российской системы геофизического мониторинга и образования наши и другие подобные проекты не окажут существенного влияния на ситуацию, поскольку их результаты просто некуда будет реализовать. Поэтому, выполняя свою работу, мы во многом надеемся, что в какой-то момент руководство российской науки вместе с научным сообществом примет меры, направленные на структурные изменения в финансировании геофизического мониторинга в России.

Извержение Кальбуко

Che cos'è un

Извержение Сакурадзимы

Che cos'è un

Источники

  • https://geekometr.ru/statji/pochemu-pri-izverzhenii-vulkana-poyavlyayutsya-molnii.html
  • https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/435524/Nauka_o_zemletryaseniyakh_vulkanakh_i_gorazdo_bolshem
  • https://SiteKid.ru/planeta_zemlya/sila_zemletryasenij.html
  • https://www.krugosvet.ru/enc/Earth_sciences/geologiya/SESMOLOGIYA_I_TEKTONIKA.html

Оцените статью
Блог про явления природы
Adblock
detector