Как «работают» вулканы Камчатки
Главная достопримечательность Камчатки видна еще до приземления в аэропорту «Елизово» Петропавловска-Камчатского. Вулканы с заснеженными вершинами вздымаются поверх низкой облачности, вызывая восторг пассажиров нашего авиалайнера. В хорошую погоду вулканы видны отовсюду — и из аэропорта, и практически с любого места в Петропавловске-Камчатском.
Любоваться находящимися менее чем в 30 км Корякским и Авачинским вулканами ничто не мешает — здания здесь невысокие (в основном пятиэтажные, поскольку город находится в зоне потенциального 10-балльного землетрясения) и не заслоняют отличный вид. Собственно, весь город построен на отложениях древних извержений Авачинского вулкана. И не только «на», но и «из» — породы вулканического происхождения входят в состав местных стройматериалов.
Главная достопримечательность Камчатки видна еще до приземления в аэропорту «Елизово» Петропавловска-Камчатского. Вулканы с заснеженными вершинами вздымаются поверх низкой облачности, вызывая восторг пассажиров нашего авиалайнера. В хорошую погоду вулканы видны отовсюду — и из аэропорта, и практически с любого места в Петропавловске-Камчатском.
Видны оба вулкана и из окна Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения РАН (ИВиС ДВО РАН), где занимаются изучением грозной природной стихии. «Камчатка- один из самых активных вулканических регионов мира, — говорит замдиректора ИВиС по науке, завлабораторией геодинамики переходных зон Николай Селиверстов. — Здесь насчитывается 30 активных вулканов, еще шесть — на Северных Курилах, а это 10% всех действующих в мире вулканов».
Вокруг Тихого океана протянулось «Тихоокеанское огненное кольцо» — цепочка из более чем 300 самых активных вулканов нашей планеты: Камчатка, Курильские, Японские, Филиппинские острова, Новая Гвинея, Соломоновы острова, Новая Зеландия, северо-восточная Антарктида, Огненная Земля, Анды, Кордильеры и Алеутские острова. «В Тихом океане существуют зоны спрединга, где рождается океанская литосфера- срединно-океанские хребты, — объясняет Николай Селиверстов.- А на периферии океана расположены зоны субдукции — здесь литосфера, в составе пород которой содержится большое количество воды, погружается под материковую плиту. Вода резко понижает температуру плавления пород, и в результате при достижении глубины 150−200 км, где температура достаточно высока, породы плавятся — образуется магматический очаг, питающий вулканы островных дуг, — это так называемый островодужный тип магматизма. К этому типу относятся камчатские и курильские вулканы. Другие типы магматизма — это магматизм срединно-океанских хребтов, а также внутриплитовый, связанный с подъемом плюмов (струй) очень горячей магмы с больших глубин, из нижней мантии, которые ‘прожигают' литосферу. К последнему типу относятся гавайские вулканы, а исландские представляют собой сочетание срединно-океанского и внутриплитового магматизма».
На страже огня
Пепловые облака и шлейфы могут представлять серьезную опасность для гражданской авиации, эти опасные факторы необходимо вовремя отслеживать и сообщать соответствующим авиационным службам. Этим в ИВС ДВО РАН занимается специальная научная группа KVERT (Kamchatkan Volcanic Eruption Response Team, Группа реагирования на вулканические извержения). «В северной части Тихого океана находятся более ста вулканов Алеутской дуги, Камчатки и Курил, в год в этом регионе происходит 5−6 серьезных эксплозивных извержений. А ведь здесь достаточно оживленное авиасообщение — 150 рейсов, около 20 тыс. пассажиров ежедневно, — рассказывает «ПМ» ведущий научный сотрудник лаборатории активного вулканизма и динамики извержений ИВС ДВО РАН и руководитель группы KVERT Ольга Гирина. — Тридцать из этих вулканов находятся на Камчатке, и еще шесть — на Северных Курилах. Среди них такие активные как Ключевской, Безымянный, Шивелуч, Карымский, Корякский — за ними наша группа следит с особым вниманием. Выброшенные ими пепловые облака могут достигать высот 13−15 км и путешествовать на расстояния сотни и тысячи километров». Для того, чтобы отслеживать потенциально опасные для авиации пепловые облака, KVERT собирает множество различных данных. Наиболее активные вулканы мониторятся с помощью сейсмостанций и геодезического наблюдения (наклономеры и GPS), для таких как Ключевской, Шивелуч, Безымянный, Корякский и Авачинский, применяется также видеонаблюдение — установлены видеокамеры, передающие их изображения в реальном времени в Интернет. «По этим изображениям можно не просто увидеть извержение, но и определить высоту, на которую поднимается облако пепла, — поясняет Ольга Гирина. — Мы получаем также информацию от вулканологов, которые находятся на склонах вулканов и могут проводить непосредственные наблюдения, а также отбирать пробы пепла, газов и воды для последующего анализа в институте». Активно используются спутниковые данные — для обнаружения термальных аномалий (горячих пятен), а также для отслеживания пепловых облаков и шлейфов. Как объяснил «ПМ» Дмитрий Мельников, старший научный сотрудник Лаборатории геодезии и дистанционных методов исследований ИВС ДВО РАН, пепел и вода имеют различные характеристики излучения и рассеяния ИК-излучения в различных диапазонах (в том числе тепловом), что и дает возможность выявлять на снимках спутников TERRA, AQUA, MTSAT и NOAA, оснащенных спектрорадиометрами, траектории пепловых шлейфов, а также определять их высоту по температуре (поскольку в атмосфере зависимость температуры от высоты известна). В зависимости от активности конкретного вулкана KVERT присваивает ему один из четырех Авиационных цветовых кодов — зеленый, желтый, оранжевый или красный. Данные о местоположении и распространении пепловых шлейфов передаются местным авиационным службам, а также в сеть международных центров VAAC (Volcanic Ash Advisory Center), которые и включают эту информацию в свои рекомендации экипажам.
Классификацию магмы принято вести по содержанию диоксида кремния — базальты (48−52% SiO2), андезиты (53−64%), дациты (65−70%) и риолиты (71−76%). Состав влияет на физические свойства и во многом определяет тип вулканизма. Чем выше содержание диоксида кремния, тем бóльшую вязкость имеет поднимающаяся к поверхности магма и тем больше газов она несет в растворенном состоянии. Магма островных дуг — это андезиты и дациты, богатые кремнеземом. Магма срединно-океанских хребтов и внутриплитовых плюмов — базальты.
Истечь лавой
Собственно вулканы — это места поднятия на поверхность магматического вещества (это и магма, и газы). Извержение, при котором жидкая базальтовая лава спокойно истекает, называется эффузивным. Вулканические газы образуют фонтаны лавы в сотни метров высотой с застывающими в воздухе каплями (лапиллями), но без мелкодисперсного пепла. Такой тип извержений характерен для вулканов Гавайев и Исландии. Жидкая лава растекается далеко вокруг, образуя конус с очень пологими склонами. Потоки лавы в длину могут достигать сотен километров (например, у вулкана Катла в Исландии — около 300 км). Мощность (толщина) этих потоков невелика — не более десятка метров. Вулканы, сложенные такими слоями застывшей лавы, называют щитовыми. «На Камчатке в 1975—1976 годах наблюдалось извержение гавайского типа, — говорит старший научный сотрудник лаборатории активного вулканизма и динамики извержений Сергей Самойленко. — Это Большое трещинное Толбачинское извержение вулкана Плоский Толбачик. За длительную историю этого вулкана в окрестностях его постройки за счет подпора снизу образовалось множество трещин. Вдоль каждой из них возникли системы конусов, через которые изливалась лава. Каждый такой конус моногенный, то есть извергался только один раз».
Андезибазальты образуют более густую лаву, для них характерны глыбовые потоки толщиной в десятки метров — набор перекатывающихся камней с пластичным ядром. Газ выходит порциями, но, поскольку лава более густая, она образует характерные фонтаны, сопровождаемые дроблением материала на поверхности с образованием бомб (фрагментов размером более 10 см), шлаков (лапиллей) и пеплов (менее 2 мм). Такое эффузивное извержение относят к стромболианскому типу (от названия средиземноморского вулканического острова Стромболи). Типичный камчатский представитель этого класса — Ключевской, самый высокий вулкан Евразии. Характерная постройка таких вулканов — стратовулкан. Это конус, образованный слоями лавы и тефры (материал, перенесенный по воздуху, — бомбы, шлаки, пепел). Стратовулканы весьма высоки, поскольку они растут в высоту, а не в ширину.
Со взрывом
Иногда вулканы не просто истекают лавой, а взрываются — это эксплозивные извержения. В зависимости от мощности взрыва, объема выброшенного материала и продолжительности извержения их относят к вулканскому, плинианскому или пелейскому типу.
Вулканский тип (от названия средиземноморского острова Вулькано) — это периодические извержения андезибазальтовых стратовулканов, сопровождаемые лавовыми потоками и выбросами пепла, при которых дробление материала происходит еще в канале, а не на поверхности.
Рукотворный вулкан
«А вот мой вулкан, — говорит Алексей Озеров, ведущий научный сотрудник Лаборатории активного вулканизма и динамики извержений ИВС ДВО РАН, демонстрируя в подвале Института стальной бак, к которому через систему трубок, клапанов и вентилей подключены баллоны с углекислым газом (он хорошо растворяется в воде) и азотом (служит вытеснителем). От бака вверх через все три этажа института уходит множество пластиковых трубок различного диаметра — они имитируют питающий канал вулкана. Вдоль трубок ездит тележка с видеокамерой. «Соотношение длины и диаметра трубок — от нескольких сотен до тысячи, это близко к настоящему вулкану, — поясняет Алексей. — На этой модели, варьируя режимы расхода газа, насыщение и барботаж, я изучаю квазипериодические процессы, происходящие в базальтовых вулканах. Причем вполне успешно: уже удалось смоделировать, например, периодические взрывы и фонтанирование».
Андезитовые и дацитовые вулканы ведут себя по‑другому. По мере выдавливания очень вязкой лавы из кратера она успевает застыть, но снизу ее подпирают новые порции — образуется лавовый купол. Иногда, когда газы успевают уходить через трещины, лава застывает прямо в канале и на поверхность выдавливаются обелиски в виде каменных столбов. Лава насыщена газами под давлением, и когда давление достигает критического — происходит взрыв. Это плинианский тип извержения (по имени Плиния Старшего, римского ученого и писателя, погибшего при извержении Везувия в 79 году н.э.), взрыв с выбросом большого количества газов, пепла и мощных пирокластических потоков, сжигающих все на своем пути. К этому типу относятся извержения Кракатау в 1883 году и Пинатубо в 1991-м.
Еще более разрушителен пелейский тип. Он получил название от вулкана Мон-Пеле на острове Мартиника, который в 1902 году взорвался с образованием «палящих туч» — пирокластических потоков, уничтоживших город Сен-Пьер с 30-тысячным населением. К этому типу относят и извержение вулкана Безымянный на Камчатке в 1956 году. «Согласно реконструкции, там произошел направленный взрыв, разрушивший постройку, — поясняет Сергей Самойленко. — Что-то похожее 30 000 лет назад произошло с вулканом Авачинский, поскольку южная часть его постройки полностью разрушена. За считанные минуты образовались 140-метровые отложения, на которых и стоит сейчас значительная часть Петропавловска. Почти 20 000 лет вулкан молчал, затем постройка выросла вновь. В последнем столетии были и эффузивные, и эксплозивные извержения. В 1945 году за восемь часов вулкан выбросил огромное количество шлака, который до сих пор используется в строительстве».
Еще один тип вулканических взрывов — фреатические. Они происходят, когда к магматическому очагу через трещины проникает вода и когда раскаленная лава при обычном извержении попадает на ледники, покрывающие вулканы. Эти взрывы сопровождаются огромным количеством пепла — именно поэтому извержения исландских вулканов, для которых характерны такие процессы, способны парализовать авиасообщение над Европой.
Предвестники катастроф
Для того чтобы предсказывать извержения, вулканологи отслеживают различные данные. В первую очередь это информация с сейсмостанций. «Когда вещество движется под поверхностью горы, она начинает дрожать, — говорит Сергей Самойленко. — Непрерывная вибрация свидетельствует о происходящих внутри вулкана процессах. Впрочем, это далеко не всегда дает возможность делать какие-либо прогнозы. Например, сейсмостанции вблизи вулкана Кизимен в течение последнего года показывают, что там что-то происходит. Но когда ждать извержения — мы не знаем». «У каждого вулкана свой характер, — добавляет Николай Селиверстов. — Например, Шивелуч или Ключевской предупреждают об извержении заранее небольшими вулканическими землетрясениями. Безымянный тоже, но за очень короткое время. А вот Авачинский в 1991 году начал извергаться без предупреждения. Некоторые общие модели есть, но работают они далеко не всегда».
Жизнь на вулкане
Широко распространено мнение, что наибольшую опасность при извержении вулкана представляет собой лава. Действительно, раскаленный до вишнево-красного цвета каменный поток выглядит страшновато, однако настоящие опасности выглядят гораздо более скромно. «Далеко не каждое извержение дает лавовые потоки. А если они все-таки образуются, то, как правило, скорость их не очень высока, и они редко доходят до населенных пунктов, — объясняет старший научный сотрудник лаборатории активного вулканизма и динамики извержений Сергей Самойленко. — С теми, что все же доходят, можно бороться, поливая водой — часть лавы застывает, образуя стенку, и поток отворачивает в сторону — такой способ опробован в Италии и Исландии. При крупных извержениях огромную опасность представляют т.н. «палящие тучи» — пирокластические потоки — облака раскаленного газа и горячих вулканических осколков, которые распространяются с большой скоростью, сжигая все на своем пути. Газы, активно выделяемые из осколков, превращают их в настоящие «реактивные снаряды». Но все же опасность номер один при практически любом извержении — это лахары, или сели (грязевые потоки), которые образуются из пепла и снега или ледников на склонах вулкана. Их мощность (толщина) может достигать десятков метров, они проходят большие расстояния, а после схода довольно быстро «цементируются», замуровывая все погребенное под ними. Другие опасности — это оползни, пепловые облака, пеплопады, выбросы вулканических газов и кислотные дожди».
О готовящемся извержении можно также догадаться по изменению химического состава газов (например, соотношению хлора и серы). Интересные результаты для некоторых вулканов дают и геодезические наблюдения.
Геоинженерия
Если извержение (хотя и не каждое) можно предсказать, нельзя ли его предотвратить? Вулканологи в ответ на этот вопрос улыбаются. «Увы, энергии, доступные человеку, включая ядерные взрывы, все равно на порядки не дотягивают до тех, которые под силу природе, — отвечает на мой вопрос Сергей Самойленко. — Можно ли использовать направленные взрывы, чтобы повернуть извержение в нужную сторону? Крайне сомнительно, что такой взрыв можно правильно рассчитать, ведь вулкан — это огромное и сложное многослойное сооружение, с множеством трещин, неоднородностей, с различной толщиной слоев. Поведение постройки при взрыве непредсказуемо, и возможен вариант, что взрыв только ухудшит положение».
«Есть только один надежный способ прекратить извержения, — смеется Николай Селиверстов. — Нужно всего лишь остановить движение литосферных плит. Но это вопрос инженерии планетарного масштаба».