Почему одни вулканы взрываются, а другие извергаются спокойно? Дело не только в «эффекте шампанского»

Долгое время вулканология опиралась на «эффект шампанского» для объяснения извержений. Новая работа швейцарских ученых доказывает, что этот подход устарел. Физика трения внутри жерла способна превратить потенциальную бомбу в спокойный поток лавы — или наоборот.

Вулканы традиционно считаются одними из самых непредсказуемых природных явлений. Однако в основе любого прогноза лежит физическая модель. Десятилетиями общепринятая механика была проста: чем больше газа растворено в магме, тем мощнее будет взрыв. Но природа регулярно опровергала это правило. Примером служит вулкан Сент-Хеленс (США) или Кисапу (Чили), где геологи фиксировали парадокс: магма, химически заряженная на сильное взрывное извержение, порой вытекала из жерла медленно и почти беззвучно.

Разрешение дало недавнее исследование международной группы ученых при участии ETH Zurich, опубликованное в журнале Science. Ключ к пониманию поведения вулкана кроется не только в химии газов, но и в механике движения жидкости — а именно в силах сдвига.

Крах «теории пробки»

Классическая модель извержения всегда строилась на декомпрессии. Представим закрытую бутылку шампанского: пока она под давлением, углекислый газ растворен в жидкости. Стоит вынуть пробку, давление падает, газ мгновенно переходит в газообразное состояние, образуя пузырьки. Эти пузырьки резко расширяются и выталкивают жидкость наружу.

Считалось, что с вулканами происходит то же самое: магма поднимается, внешнее давление падает, образуются пузырьки газа, магма становится легче, ускоряется и разрывается на части в полете. Ну, и в итоге случается взрывное извержение.

Но эта теория не учитывала важнейший фактор: магма — это не шампанское, а чрезвычайно вязкая субстанция, движущаяся по узкому вертикальному туннелю.

Скрытая работа трения

Исследователи под руководством профессора Оливье Бахманна доказали, что пузырьки газа могут формироваться даже без падения давления. Виновником этого процесса выступают сдвиговые силы.

Когда вязкая жидкость (магма в нашем случае) движется по каналу, ее скорость неоднородна. В центре потока она движется быстро, а у стенок жерла тормозится из-за трения о породу. Эта разница скоростей создает сильное напряжение. За счет этого магму буквально перемешивает.

Эксперименты показали:

1. Этого механического воздействия достаточно, чтобы запустить процесс образования газовых пузырьков глубоко внутри вулкана.
2. Чем выше вязкость и скорость потока у стенок, тем интенсивнее идет процесс.

Это открытие меняет представление о механике процесса извержения. Пузырьки возникают не просто по пути наверх, а генерируются механически в зонах максимального трения.

Парадокс дегазации: когда пузырьки спасают от взрыва

Самый контритуитивный вывод исследования заключается в том, что обильное образование пузырьков может не провоцировать взрыв, а предотвращать его.

Здесь работает принцип критической массы. Если сдвиговые силы настолько велики, что пузырьков становится слишком много, они начинают соприкасаться и сливаться друг с другом. В итоге, внутри магмы образуется единая сеть полостей — каналы дегазации.

Через эти каналы газ спокойно стравливается из недр вулкана в атмосферу еще до того, как магма достигнет поверхности. Происходит своего рода саморегуляция:

• Трение создает пузырьки.
• Пузырьки сливаются в каналы.
• Газ уходит, давление падает.
• Вместо взрыва выходит спокойный лавовый поток.

Именно это объясняет поведение вулкана Сент-Хеленс в начале извержения 1980 года. Несмотря на критически опасный состав магмы, сильные сдвиговые напряжения создали эффективную систему выхлопных труб, позволив лаве вытекать без детонации. Катастрофа произошла лишь позже, когда внешний фактор (оползень) разрушил эту хрупкую систему, вызвав мгновенную декомпрессию.

Обратная сторона медали

Новая физическая модель работает и в обратную сторону. Магма с низким содержанием газа, которую геологи привыкли считать безопасной, может стать смертельно опасной. Если сдвиговые силы в жерле окажутся достаточно мощными, они механически взобьют магму, насытив ее пузырьками, но не позволив им объединиться в каналы отвода. В таком варианте спящий поток может неожиданно перейти в фазу взрывного извержения.

Как моделировали вулкан в лаборатории

Чтобы прийти к этим выводам, ученым пришлось воссоздать условия вулканического жерла в лабораторных условиях. Использовать реальную магму невозможно, поэтому они применили вязкую жидкость, насыщенную CO2, поместив ее в установку, имитирующую сдвиговые нагрузки.

Результаты совпали с компьютерными симуляциями:

• Пузырьки зарождаются преимущественно у стенок канала (зона максимального сдвига).
• Существующие пузырьки провоцируют появление новых вокруг себя (цепная реакция).
• Чем больше газа изначально, тем меньше усилий нужно для запуска процесса.

Зачем это нужно?

Это исследование — не просто теоретическая коррекция. Современные системы мониторинга вулканов во многом полагаются на сейсмические данные и анализ газовых выбросов. Понимание того, что механика движения магмы играет роль не меньшую, чем химия и термодинамика, заставляет пересмотреть карты рисков.

Вулканологам предстоит обновить прогностические модели, включив в уравнения параметры трения и вязкости в привязке к геометрии жерла.

Источник: Science