Мощность вулканического извержения напрямую зависит от количества газовых пузырьков, образующихся в поднимающейся магме, а также от момента их возникновения. Долгое время считалось, что большая часть таких пузырьков формируется исключительно при подъеме магмы и связанном с этим падении окружающего давления. На больших глубинах высокое давление удерживает газы растворенными в расплавленной породе, но при его снижении газы высвобождаются, образуя пузырьки. По мере накопления пузырьков магма становится более легкой, ее подъем ускоряется, что порой приводит к ее разрыву и взрывному извержению.
Это явление часто сравнивают с открытием бутылки шампанского. Когда бутылка запечатана, углекислый газ остается смешанным с жидкостью из–за высокого давления. Удаление пробки снижает это давление, позволяя газу отделяться в пузырьки. Эти пузырьки быстро поднимаются, увлекая жидкость вверх и создавая внезапный поток.
Однако это классическое объяснение не всегда способно объяснить некоторые особенности вулканической активности. Некоторые вулканы, такие как Сент–Хеленс в штате Вашингтон и Кисапу в Чили, иногда извергали медленные, спокойные потоки лавы, даже когда их магма была насыщена газом и считалась потенциально взрывоопасной. Международная группа исследователей, в которую вошел ученый из ETH Zurich, недавно выявила новый фактор, помогающий разгадать эту давнюю загадку.
В недавней статье в журнале Science исследователи сообщили, что газовые пузырьки могут появляться в поднимающейся магме не только из–за падения давления, но и под воздействием сдвиговых сил. Когда пузырьки формируются глубоко внутри вулканического канала и начинают расти, они могут сливаться в более крупные каналы, которые действуют как пути для выхода газа. Такое раннее высвобождение газов позволяет магме спокойно изливаться на поверхность.
Чтобы представить сдвиговые силы, можно вообразить, как вы перемешиваете густой мед. Мед, расположенный ближе к ложке, движется быстрее, тогда как мед, соприкасающийся со стенками банки, замедляется из–за трения. Нечто похожее происходит и в вулканическом канале: магма у стенок перемещается медленнее, чем магма в центре. Это неравномерное движение эффективно «замешивает» расплавленную породу и способствует образованию пузырьков.
«Наши эксперименты показали, что движение в магме, вызванное сдвиговыми силами, достаточно для образования газовых пузырьков – даже без падения давления», – объясняет Оливье Бахманн, профессор вулканологии и магматической петрологии из ETH Zurich, один из соавторов исследования. По словам команды, пузырьки легче всего образуются вблизи стенок канала, где сдвиговые усилия наиболее интенсивны. Как только появляются первые пузырьки, они облегчают формирование дополнительных. «Чем больше газа содержит магма, тем меньше сдвиговых усилий требуется для образования и роста пузырьков», – уточняет Бахманн.
Новые данные показывают, что даже магма с относительно небольшим количеством растворенного газа способна вызвать мощный взрыв, если сдвиговые силы провоцируют внезапный всплеск образования пузырьков, стремительно выталкивающих магму вверх.
С другой стороны, сдвиговые силы могут провоцировать раннее образование пузырьков в магме, которая уже содержит большое количество газа. Когда эти пузырьки сливаются в более широкие каналы, газ выходит до того, как давление успеет нарасти. «Таким образом, мы можем объяснить, почему некоторые вязкие магмы изливаются спокойно, а не взрываются, несмотря на высокое содержание газа – загадка, которая долгое время не давала нам покоя», – рассказывает Бахманн.
Извержение вулкана Сент–Хеленс в 1980 году служит яркой иллюстрацией этого процесса. Хотя его магма содержала большое количество газа и была способна к мощному взрыву, первоначально извержение породило медленно движущийся поток лавы внутри конуса. Сильные сдвиговые силы в поднимающейся магме вызвали образование дополнительных пузырьков, что позволило газам рано выйти. Только после оползня, открывшего жерло и спровоцировавшего резкое падение давления, вулкан вступил в свою знаменитую взрывную фазу. Эти результаты указывают на то, что многие вулканы, содержащие вязкую магму, могут выпускать газ гораздо эффективнее, чем считалось ранее.
Чтобы изучить, как развиваются эти внутренние процессы, исследовательская группа разработала лабораторную установку, используя густую жидкость, похожую на расплавленную породу, и насытила ее диоксидом углерода. Когда жидкость приводилась в движение сдвиговыми силами, пузырьки внезапно появлялись, как только эти силы превышали определенный порог. Жидкости с более высокой начальной насыщенностью газом требовали еще меньших сдвиговых усилий для образования большего количества пузырьков. Команда также заметила, что существующие пузырьки способствовали формированию дополнительных пузырьков поблизости.
Ученые объединили эти экспериментальные результаты с компьютерным моделированием вулканической активности. Их анализ показал, что этот эффект образования пузырьков особенно активно проявляется там, где вязкая магма трется о стенки канала, испытывая сильные сдвиговые напряжения.
В совокупности эти открытия предлагают важный новый взгляд на то, как ведут себя активные вулканы изнутри и как начинаются извержения. «Чтобы лучше прогнозировать потенциальную опасность вулканов, нам необходимо обновить наши модели вулканической активности и учитывать сдвиговые силы в каналах», – заявляет Бахманн. Включив механизм образования пузырьков под действием сдвига в прогностические модели, ученые смогут более точно оценивать риски извержений и понимать, почему одни вулканы извергаются бурно, а другие – гораздо спокойнее.
