Элементы: Извержение вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай может привести к «вулканическому лету»
Рис. 1. Во время извержения 15 января 2022 года вулкан Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай выбросил в атмосферу огромное количество водяного пара. Кадр из видео Геологической службы Королевства Тонга
Считается, что извержение любого крупного вулкана влечет за собой похолодание вследствие загрязнения атмосферы пеплом и возникновения антипарникового эффекта. А активизация супервулканов, выбрасывающих огромное количество материала, вызывает длительное понижение температуры на планете, последствия которого могут стать губительными для всего живого. До сих пор гипотеза «вулканической зимы» не подвергалась сомнению. Однако извержение вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай в январе 2022 года, ставшее одним из самых мощных извержений на Земле за последние десятилетия, по мнению ученых, скорее всего приведет не к похолоданию, а к потеплению. Причина — в большом количестве водяного пара, выброшенного вулканом в атмосферу.
Сила извержения вулканов оценивается по шкале вулканической активности (VEI — Volcanic Explosivity Index) — от нуля до восьми баллов, в зависимости от объема выброшенного обломочного материала (тефры) и высоты столба пепла. Ноль баллов — невзрывное извержение с объемом выбросов менее 10 тысяч куб. м; восемь баллов — мегаколоссальное, при котором в атмосферу выбрасывается более 1000 куб. км тефры, а столб пепла поднимается на высоту более 25 км (рис. 2).
Рис. 2. Шкала вулканической активности VEI и сравнительный объем выброшенного материала для некоторых извержений. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org
Извержения с индексом VEI 8 баллов характерны для супервулканов, которых на Земле сейчас около двадцати (подробнее о супервулканах см. новость Термомеханическое моделирование помогло объяснить формирование магматической системы Йеллоустонского супервулкана, «Элементы», 04.05.2018). Мегаколоссальные извержения происходят в среднем раз в 100 тысяч лет. Одним из крупнейших в истории было извержение Йеллоустонского супервулкана, которое случилось 2,1 млн лет назад и имело объем 2450 куб. км; самым мощным за последние 70 тысяч лет — извержение вулкана Таупо в Новой Зеландии (примерно 26 500 лет назад); а за последние 100 лет — извержение вулкана Пинатубо на филиппинском острове Лусон в 1991 году.
Колоссальные извержения с показателем VEI 6 баллов и более, по оценкам ученых, могут вызывать эффект вулканической зимы — заметного похолодания в планетарном масштабе. Отличие их от рядовых извержений заключается в том, что основная масса выбрасываемых продуктов представлена не текучими лавами, а тучами горячих газов (H2S, SO2, HCl, CO2, CO и др.) и пепла, состоящего из мелких частичек пирокластического материала. Попавшая в стратосферу смесь газов и пыли создает на годы (и даже десятилетия) слабопроницаемый для солнечного света экран, что приводит к охлаждению поверхности Земли.
Так, после извержения вулкана Кракатау в Индонезии в 1883 году, имевшего мощность 6 баллов VEI, значительное количество вулканического пепла оставалось в атмосфере на высотах до 80 км в течение нескольких лет. При извержении Пинатубо в атмосфере на протяжении месяцев наблюдался глобальный слой тумана из паров серной кислоты, было зарегистрировано падение температуры на 0,5°C и заметное сокращение озонового слоя, в частности, образование особо крупной озоновой дыры над Антарктидой.
Еще более тяжелые последствия повлекло за собой извержение вулкана Тамбора в Индонезии в 1815 году, достигшее 7 баллов VEI. На протяжении года глобальная средняя температура была ниже на 0,4–0,7°C, а в некоторых областях — на 3–5°C. В Европе 1816 год назвали годом без лета, так как заморозки наблюдали даже в середине июля. Вплоть до 1819 года непривычное похолодание стало причиной неурожаев и голода и способствовало активной миграции населения из Европы в Америку.
Извержение вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай в январе 2022 года стало одним из самых мощных за последние годы — его сила оценивается в 5 баллов VEI. Несмотря на это, может так получиться, что оно приведет не к похолоданию, а к глобальному потеплению. На это указывают результаты сразу нескольких исследований.
Дело в том, что обычно среди вулканических газов преобладают соединения серы. В результате в стратосфере образуются облака сульфатных аэрозолей, удерживающих мелкие частицы пепла. Покров облаков задерживает поток солнечной радиации, что приводит к охлаждению земной поверхности. Существует прямая зависимость между выбросами диоксида серы (SO2) и последующим падением температуры поверхности. Однако в случае Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай основной объем газов составлял не диоксид серы, а водяной пар. Это было извержение фреатического типа, главное событие которого — паровой взрыв, происходящий при взаимодействии магмы с большим количеством воды или льда.
Предыдущее извержение 2014–2015 годов закончилось тем, что между двумя маленькими островами Хунга-Тонга и Хунга-Хаапай, являющимися фрагментами края кальдеры старого вулкана, появился новый конус. Два острова объединились в один, что дало современное название вулкану. В ходе извержения 15 января 2022 года центральная часть острова в результате обрушения кальдеры опустилась под воду, и в жерло вулкана попало большое количество морской воды (рис. 3).
Рис. 3. Изменение очертаний островов Хунга-Тонга и Хунга-Хаапай: до извержения 2015 года; после извержения 2015 года; 15 января 2022 года (основная фаза извержения); 18 января 2022 года (после окончания извержения). Рисунок из статьи J. Terry et al., 2022. Tonga volcanic eruption and tsunami, January 2022: globally the most significant opportunity to observe an explosive and tsunamigenic submarine eruption since AD 1883 Krakatau
Если магматический расплав поднимается сквозь морскую воду медленно, даже при температуре около 1200°C, между магмой и водой образуется тонкая пленка пара. Это обеспечивает слой изоляции, позволяющий внешней поверхности расплава остыть. Когда раскаленная магма вступает в непосредственный контакт с холодной водой, происходит гидротермальный взрыв — внезапное высвобождение большого объема перегретой, находящейся под давлением воды, и ее быстрое превращение в пар. Физическая природа гидротермальных взрывов аналогична образованию гейзеров, но высвобождаемая энергия больше — она разрушает перекрывающие слои пород и выносит на поверхность большое количество обломочного материала.
К крупным фреатическим извержениям, сопровождаемым гидротермальным взрывом, относятся извержения Кракатау 1883 года и вулкана Санторин в XVII веке до н. э. На территории Йеллоустонского национального парка в США гидротермальные взрывы с образованием кальдер происходят с периодичностью приблизительно раз в 700 тысяч лет.
Во время извержения Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай в 2014–2015 годах расплав медленно выходил через боковые каналы в краях кальдеры, а в этом году наблюдалось крупное взрывное извержение из основного жерла, расположенного в центре кальдеры (рис. 4).
Рис. 4. Кальдера вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай. Оттенки голубого — глубины, коричневого — высоты. Темно-коричневым показаны острова Хунга-Тонга и Хунга-Хаапай, светло-коричневым — конус, образовавшийся в результате извержения 2015 года. Рисунок с сайта theconversation.com
Извержение 15 января 2022 года сопровождалось землетрясением магнитудой 5,8 и цунами, которое достигло берегов Японии, Перу и Калифорнии. Ударные волны замечены из космоса и зарегистрированы в Новой Зеландии на расстоянии около 2000 км. Звук взрыва услышали за тысячи километров, на территории Юкон в Канаде, а инфразвуковые волны (ниже порога человеческого слуха) зафиксировали приборы по всему земному шару. Кроме того, извержение вызвало массивные колебания в атмосфере — так называемые атмосферные гравитационные волны.
Специалисты NASA оценили мощность взрыва Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай в десять мегатонн в тротиловом эквиваленте. Это в 500 раз сильнее, чем взрыв атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму. Огромное облако пепла буквально «выстрелило» в атмосферу на высоту более 50 километров и достигло мезосферы. Это был самый высокий из когда-либо зарегистрированных вулканических шлейфов, в два с лишним раза выше, чем при извержении Сент-Хеленс в 1980 году.
Извержение также сопровождалось ошеломляющим количеством молний. Ученые считают, что при гидротермальном взрыве лава раскрошилась на микроскопические частицы пепла, к которым присоединились крошечные кристаллы льда, когда пар замерз в верхних слоях атмосферы. Движение этих частиц в высокоградиентном температурном поле привело к возникновению мощных электрических разрядов (D. A. Yuen et al., 2022. Under the surface: Pressure-induced planetary-scale waves, volcanic lightning, and gaseous clouds caused by the submarine eruption of Hunga Tonga-Hunga Ha'apai volcano).
По оценкам китайских геологов, опубликовавших результаты своих исследований в журнале Atmosphere, объем высвободившегося водяного пара составил 139 миллионов тонн, что привело к увеличению количества глобального стратосферного водяного пара на 8,9%. Выбросы достигли высоты 47,6 км, а область максимальной гидратации находилась на уровне 22,2–27 км. Снижение концентрации стратосферного водяного пара началось только спустя три месяца (рис. 5).
Рис. 5. Содержание водяного пара в стратосфере (SWV), в тераграммах. По горизонтали — дни после извержения. Рисунок из обсуждаемой статьи в Atmosphere
За изменениями в атмосфере после извержения вулкана наблюдали и американские ученые. Их результаты опубликованы в журнале Geophysical Research Letters. Авторы использовали данные, полученные с помощью микроволнового эхолота Microwave Limb Sounder (MLS), установленного на борту американского научно-исследовательского спутника Aura. Прибор измеряет естественное микроволновое тепловое излучение от лимба (видимого края) атмосферы Земли для дистанционного определения вертикальных профилей атмосферных газов, температуры, давления и объемов облачного льда.
Исследователи пришли к выводу, что после извержения количество водяного пара в стратосфере увеличилось на 10% или на 146 млн тонн. По их оценкам, атмосферные параметры полностью вернутся в норму только через 5–10 лет. Для сравнения, сульфатные аэрозоли вулканического происхождения полностью рассеиваются или выпадают в составе осадков в течение 2–3 лет.
«Это первое наблюдаемое извержение вулкана, воздействующее на климат не через охлаждение поверхности, вызванное аэрозолями вулканических сульфатов, а через нагревание поверхности, вызванное избыточным радиационным воздействием водяного пара», — пишут авторы работы.
Расчеты, которые представили в только что вышедшей статье в Science ученые из США, Франции и Австралии, несколько отличаются. По их данным, во время январского извержения в атмосферу попало около 50 млн тонн водяного пара, а содержание его в стратосфере увеличилось примерно на 5%. Несмотря на то, что эти цифры несколько меньше, чем давали предыдущие исследования, авторы согласны с тем, что увеличение количества водяного пара, скорее всего, будет способствовать охлаждению стратосферы и потеплению поверхности в течение как минимум нескольких месяцев. Для анализа использованы данные финского радиозонда Vaisala RS41, предназначенного для погодных наблюдений.
Изучив химический состав отложений вулканического пепла на острове Тонгатапу, расположенном в 65 км от вулкана, и сопоставив с данными радиоуглеродного датирования, ученые пришли к выводу, что крупные извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай, приводящие к обрушению кальдеры, происходят примерно каждые 1000 лет. Последнее произошло в 1100 году нашей эры.
- Источники:
1) Jingyuan Xu, Dan Li, Zhixuan Bai, Mengchu Tao, Jianchun Bian. Large Amounts of Water Vapor Were Injected into the Stratosphere by the Hunga Tonga–Hunga Ha’apai Volcano Eruption // Atmosphere. 2022. DOI: 10.3390/atmos13060912.
2) L. Millán, M. L. Santee, A. Lambert, N. J. Livesey, F. Werner, M. J. Schwartz, H. C. Pumphrey, G. L. Manney, Y. Wang, H. Su, L. Wu, W. G. Read, L. Froidevaux. The Hunga Tonga-Hunga Ha'apai Hydration of the Stratosphere // Geophysical Research Letters. 2022. DOI: 10.1029/2022GL099381.
3) Holger Vömel, Stephanie Evan, Matt Tully. Water vapor injection into the stratosphere by Hunga Tonga-Hunga Ha’apai // Science. 2022. DOI: 10.1126/science.abq2299.
