Вулканы. В чем опасность вулканов?

Вулкан — это скопление взрывоопасных или извергающихся материалов, происходящих из одного или нескольких отверстий или трещин на поверхности Земли или других планет.
Извержение вулкана является удивительным проявлением силы Земли. Тем не менее, хотя извержения впечатляют, они могут привести к человеческим жертвам и катастрофическим разрушениям, особенно в густонаселенных регионах мира.

Введение

Иногда, начиная с накопления газов в магме (расплавленной подземной породы) вблизи поверхности Земли, извержениям могут предшествовать выбросы пара и газа из небольших отверстий в земле.

Серии небольших землетрясений, вызванные поднимающимся слоем застывшей в воронке вулкана магмы, подпираемой снизу более вязкой магмой, также могут сигнализировать о приближающемся извержении вулкана, особенно взрывоопасного. В некоторых случаях магма поднимается по жерлам на поверхность в виде тонкой и жидкой лавы, вытекающей либо непрерывно, либо вырывающимися вверх светящимися фонтанами. В некоторых случаях вулканические газы разрывают магму в клочья и выбрасывают вязкие сгустки лавы в воздух. При более сильных извержениях магматический канал разрушается от взрыва, и твердые фрагменты выбрасываются вверх в виде огромного облака насыщенного пеплом газа, которое поднимается на десятки тысяч метров в воздух.

Вулканы являются геологическими архитекторами Земли. Они создали более 80 % поверхности нашей планеты, заложив основу, которая позволила процветать на ней жизни. Их взрывная сила создает как горы, так и кратеры. Лавовые реки разливаются по тоскливым ландшафтам. С течением времени стихии разрушают эти вулканические породы, высвобождая из них питательные вещества и создавая удивительно плодородные почвы, которые позволили развиваться человеческим цивилизациям.

Вулканы есть на всех континентах, даже в Антарктиде. Около 1500 вулканов по-прежнему считаются потенциально активными во всем мире.

Каждый вулкан индивидуален. Некоторые оживают в результате взрывных извержений, таких как извержение горы Пинатубо в 1991 году, а другие изрыгают реки лавы в так называемом эффузивном извержении, таких как извержение вулкана Килауэа на Гавайях в 2018 году. Все эти различия обусловлены химическим составом расплавленных пород.

Одним из страшных явлений, сопровождающих некоторые взрывные извержения, является nuée ardente, или пирокластический поток, полужидкая смесь горячего газа и раскаленных частиц, которая стекает по склонам вулкана, сжигая все на своем пути. Большие разрушения также могут возникнуть, когда пепел скапливается на высоко лежащем леднике, растапливая большое количество льда, и тогда массы воды, перемешанные с породой, устремляются вниз по склонам вулкана в виде неудержимого селевого потока.

Строго говоря, термин «вулкан» означает жерло, из которого магма и другие вещества извергаются на поверхность, но он также может относиться и к форме рельефа. Например, можно сказать, что большие потоки лавы извергаются из вулкана Мауна-Лоа на Гавайях, подразумевая здесь жерл, но можно также сказать, что Мауна-Лоа является пологим вулканом большого размера, имея в виду в данном случае форму рельефа.

Вулканические формы рельефа развивались с течением времени в результате повторяющейся вулканической активности. Мауна-Лоа является щитовым вулканом, с пологим рельефом, построенный многочисленными извержениями жидкой лавы. Гора Фудзи в Японии — это совершенно другое образование. Эта гора, с ее поразительными крутыми склонами, построенными из слоев пепла и лавы, является классическим стратовулканом. Исландия предоставляет наглядные примеры вулканических плато, а морское дно вокруг Исландии дает образец подводных вулканических структур.

Наука поздно признала важную роль вулканизма в эволюции Земли. Еще в 1768 году первое издание Британской энциклопедии опубликовало распространенное заблуждение, определив вулканы как «горящие горы, которые, вероятно, состоят из серы и некоторых других веществ, подходящих для взаимодействия с ней в получении огня». Сегодня геологи сходятся во мнении, что вулканизм является глубоким процессом, возникающим в результате тепловой эволюции планетарных тел. Тепло нелегко выделяется из больших космических тел, таких как Земля, в результате процессов проводимости или излучения. Вместо этого тепло передается из недр Земли в основном за счет конвекции, то есть частичного плавления земной коры и подъема магмы на поверхность. Вулканы являются поверхностным признаком этого теплового процесса. Их корни уходят глубоко внутрь Земли, а плоды их деятельности выбрасываются высоко в атмосферу.

Читать также: Тектоника литосферных плит Земли

Как образуются вулканы?

Большинство вулканов в мире формируются вдоль границ тектонических плит Земли — массивных участков литосферы нашей планеты, которые постоянно перемещаются, натыкаясь друг на друга. Когда тектонические плиты сталкиваются, одна часто погружается глубоко под другую в так называемую зону субдукции.

По мере того, как нисходящий участок суши погружается вглубь Земли, температура и давление повышаются, высвобождая воду из горных пород. Вода немного снижает температуру плавления вышележащей породы, образуется магма, которая может пробиться на поверхность – своеобразная искра жизни, пробуждающая дремлющий вулкан.

Однако не все вулканы связаны с субдукцией. Еще один способ образования вулканов — это так называемый вулканизм горячих точек. В этой ситуации зона магматической активности — или горячая точка — в середине тектонической плиты может пробиться сквозь кору и сформировать вулкан. Хотя сама горячая точка считается в основном стационарной, тектонические плиты продолжают свое медленное движение, выстраивая линию вулканов или островов на поверхности. Считается, что этот механизм лежит в основе Гавайской вулканической цепи.

Изучением вулканов занимается вулканология, но это явление природы не является областью какой-либо одной научной дисциплины. Скорее, её изучают ученые нескольких специальностей: геофизики и геохимики, которые исследуют глубокие корни вулканов и следят за признаками будущих извержений; геологи, которые расшифровывают доисторическую вулканическую активность и делают выводы о вероятной природе будущих извержений; биологи, которые узнают, как растения и животные колонизируют недавно извергшиеся вулканические породы; и метеорологи, которые определяют влияние вулканической пыли и газов на атмосферу, погоду и климат.

Где расположены все эти вулканы?

Около 75 % действующих вулканов в мире расположены в районе огненного кольца — зоны в форме подковы протяженностью свыше 40000 км, которая простирается от южной оконечности Южной Америки через западное побережье Северной Америки через Берингово море до Японии, и дальше до Новой Зеландии.

В этом регионе края Тихоокеанской плиты и плиты Наска соприкасаются с множеством других тектонических плит. Однако важно отметить, что вулканы кольца не связаны геологически. Другими словами, извержение вулкана в Индонезии не связано с извержением вулкана на Аляске, и оно не может затронуть печально известный супервулкан Йеллоустоун.

В чем опасность вулканов?

Список опасностей, связанных с извержениями вулканов, длинный и разнообразный: потоки лавы, взрывные извержения, облака токсичных газов, вулканический пепел, пирокластические потоки, лавины, цунами и селевые потоки. В дополнение к этим непосредственным опасностям, вулканическая активность имеет вторичные последствия, такие как повреждение имущества, потеря урожая и, возможно, изменения погоды и климата.

Лавовые потоки

Корневая зона вулканов находится примерно в 70-200 км под поверхностью Земли. Там, в верхней мантии Земли, температура достаточно высока, чтобы расплавить породу и образовать магму. На этих глубинах магма, как правило, менее плотна, чем твердые породы, окружающие ее, и поэтому она выталкивается к поверхности. В некоторых случаях, как, например, в подводных зонах, где тектонические плиты земной коры расходятся, магма может подниматься непосредственно на поверхность через трещины, которые достигают глубины залегания мантии. В других случаях она накапливается в больших подземных резервуарах, известных как магматические камеры, прежде чем вырваться на поверхность. Расплавленная порода, которая достигает поверхности, называется лавой.

Большая часть магмы, образовавшейся в результате частичного плавления мантии, имеет базальтовый состав, но по мере подъема она насыщается кремнеземом, натрием и калием из окружающих пород. Вулканические породы там, где магма извергается на поверхность, подразделяются на четыре основных типа, или химические серии — базальт, андезит, дацит и риолит. Эти породы различаются, как видно из нижеприведенной таблицы, главным образом по содержанию кремнезема, которое колеблется примерно от 50 % для базальта до примерно 75 % для риолита. По мере увеличения содержания кремнезема горные породы, как правило, становятся более вязкими.

Потоки лавы являются наиболее распространенными продуктами извержений вулканов Земли. Существует два основных типа лавовых потоков, называемых во всем мире их гавайскими названиями: пахоехоэ (волнистая лава), поток с гладкой поверхностью; и аа (глыбовая лава), более вязкий поток, поверхность которого покрыта толстыми, беспорядочными грудами рыхлых, острых обломков. Оба типа имеют одинаковый химический состав; разница, по-видимому, заключается в температуре извержения и скорости движения потока. Целых 99 % территории острова Гавайи состоит из потоков аа и пахоехоэ. Действительно, вулкан Килауэа непрерывно извергается с 1983 года, его потоки лавы покрывают более 100 км² суши и с тех пор добавили более 2 км² к острову, там где лава выливается в океан. В Средиземноморском регионе гора Этна изливалась лавой более 150 раз с момента ее первой зарегистрированной активности в 1500 году до нашей эры.

Взрывные извержения

Мощные вулканические взрывы вызваны быстрым расширением газов, что, в свою очередь, может быть вызвано внезапной разгерметизацией неглубокой гидротермальной системы или быстрым смешиванием магмы с грунтовыми водами. Пепел, вулканический шлак, горячие осколки и бомбы, выброшенные в результате этих взрывов, являются основными продуктами, наблюдаемыми при извержениях вулканов по всему миру. Эти твердые частицы классифицируются по размеру. Вулканическая пыль — самая мелкая, обычно по консистенции похожа на муку. Вулканический пепел также мелкий, но более зернистый, с частицами размером с рисовые зерна. Далее по размеру идут шлаки, иногда называемые scoriae. Размеры этих частиц могут варьироваться от 2 мм до примерно 64 мм.

Осколки размером более 64 мм называются либо блоками, либо бомбами. Вулканические блоки обычно представляют собой более старую породу, разрушенную взрывом нового жерла. Большие блоки, образовавшиеся в результате таких взрывов, часто бывают вышвырнуты на расстояние до 20 км от жерла. Вулканические же бомбы обычно раскалены и мягкие во время своего полета. Некоторые бомбы принимают странные, закрученные формы во время вращения в воздухе. У других есть треснувшая и отделившаяся корочка, которая остывает и затвердевает в полете; их называют “бомбами с хлебной крошкой”.

Направленный взрыв, при котором разрушается одна сторона вулканического конуса, как это произошло на горе Сент-Хеленс в Соединенных Штатах в 1980 году, может привести к разрушению склона вулкана площадью более нескольких сотен квадратных километров. Это в основном бывает тогда, когда облако взрыва насыщенно осколками и становится плотным по своей консистенции. Затем оно приобретает характеристики, аналогичные пирокластическому потоку.

Пирокластические потоки

Особую опасность представляют пирокластические потоки — лавины раскаленных камней, пепла и токсичного газа, которые несутся по склонам со скоростью до 700 км в час. Такое событие привело к уничтожению жителей древнеримских городов Помпеи и Геркуланума после извержения Везувия в 79 году нашей эры.

По-разному называемые, nuées ardentes («палящие облака»), светящиеся лавины или потоки пепла, они бывают разных размеров и типов, но их общей характеристикой является полужидкая эмульсия из вулканических частиц, газов и захваченного воздуха, что приводит к созданию потока достаточно низкой вязкости и высокой плотности. Пирокластический поток может переливаться через край извергающегося жерла, или может образоваться, когда столб пепла становится слишком плотным, для того, чтобы продолжать подниматься, и падает обратно на землю. При крупных обвалах кальдеры, связанных со взрывоопасными вулканами, огромные пирокластические потоки могут вытекать из кольцевых разломов по мере того, как блок кальдеры оседает.

Пирокластические потоки, имеющие температуру от 100 до 700 °C, сметают и сжигают почти все на своем пути. Более мелкие пирокластические потоки часто ограничены долинами. Большие пирокластические потоки могут покрыть в виде сплошного осадка многие сотни или даже тысячи квадратных километров вокруг крупного обрушения кальдеры.

Вулканические газы

Даже за пределами области взрывного разрушения горячие, наполненные пеплом газовые облака, рожденные извержением, могут выжигать растительность и убивать животных и людей. Газовые облака могут содержать удушающие или ядовитые газы, такие как углекислый газ, окись углерода, сероводород и диоксид серы. На озере Ньос, кратерном озере в Камеруне, Западная Африка, более 1700 человек были убиты внезапным выбросом углекислого газа в августе 1986 года. Ученые предполагают, что углекислый газ вулканического происхождения просачивался в озеро, возможно, на протяжении веков, и накапливался в его глубинных слоях. Считается, что выброс газа могло вызвать какое-то возмущение, например, такое как большой оползень в озеро.

Наиболее распространенными вулканическими газами являются водяной пар, углекислый газ, диоксид серы и сероводород. Также присутствуют небольшие количества других летучих элементов и соединений, таких как водород, гелий, азот, хлористый водород, фторид водорода и ртуть. Конкретные газообразные соединения, высвобождаемые из магмы, зависят от температуры, давления и общего состава присутствующих летучих элементов.

Некоторые вулканические газы менее растворимы в магме, чем другие, и поэтому выделяются при более высоких давлениях. Исследования в Килауэа на Гавайях показывают, что углекислый газ начинает выделяться из магмы на глубине около 40 км, тогда как большая часть сернистых газов и воды не выделяется до тех пор, пока магма почти не достигнет поверхности. Испарения кратера Халемаумау на вершине Килауэа богаты углекислым газом, который просачивается из магматической камеры, расположенной на глубине от 3 до 4 км под поверхностью. Испарения в рифтовых зонах Килауэа, в свою очередь, богаче водяным паром и серой, потому что большая часть углекислого газа выходит наружу до того, как магма проникает в рифтовые зоны.

Выпадение пепла

Пепел, выпадающий в результате продолжающегося взрывного выброса мелких вулканических частиц, как правило, не приводит к каким-либо прямым жертвам. Однако там, где пепел скапливается толщиной более чем несколько сантиметров, обрушение крыш и неурожай являются основными вторичными опасностями. Неурожай может произойти на больших территориях с подветренной стороны от крупных извержений пепла, что приводит к массовому голоду и болезням, особенно в слаборазвитых странах. Однако в долгосрочной перспективе разложение богатых питательными веществами вулканических осадков влияет на образование некоторых лучших почв в мире.

Лавины, цунами и селевые потоки

Лавины из камней и льда также являются одной из опасностей, которую несут в себе действующие вулканы. Они могут возникать как при извержении, так и без него. При отсутствии извержения, лавины часто вызываются землетрясениями, особенно после обильных осадков или снегопадов. При извержениях, лавины часто возникают на достаточно крутых склонах вулкана вследствие спуска кратерных озёр или интенсивного таяния снега и льда в результате разрушения его конуса взрывом, как это произошло на горе Сент-Хеленс.

Подводный обвал кальдеры, обычно вызывает цунами. Чем крупнее и скоротечнее  обрушение, тем сильнее цунами. Цунами также может быть вызвано лавинами или большими пирокластическими потоками, быстро обрушающимися в море со склона вулкана. Селевые потоки, или лахары, являются распространенными опасностями, связанными со стратовулканами, и могут произойти даже без извержения. Они возникают всякий раз, когда по склонам крупных стратовулканов стекают потоки воды, смешанные с пеплом, рыхлой почвой или гидротермальной породой. Огромные селевые потоки, вызванные таянием воды ледяной шапки горы Руис, Колумбия, в 1985 году, являются классическими примерами селевых потоков, связанных с извержениями. Сильные осадки или вызванные землетрясением лавины также могут вызвать сели на крутых вулканах в периоды покоя между их извержениями.

Вторичный ущерб

Имущественный ущерб от извержений вулканов трудно оценить из-за различных систем ценностей и подходов к землепользованию. Согласно одному исследованию, материальный ущерб от извержений вулканов во всем мире оценивается в среднем в 1 миллиард долларов в год. Порой несколько извержений наносят ошеломляющий ущерб и многочисленные жертвы, в то время как большинство из них гораздо менее разрушительны. Извержение вулкана Сент-Хеленс в 1980 году нанесло ущерб на сумму более 1 миллиарда долларов, главным образом лесной промышленности. Экономические издержки извержения вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году оценивались в 7 миллиардов долларов, хотя вполне вероятно, что потери продолжали расти в течение многих лет после этого из-за затопления значительной части пахотных земель селевыми потоками.

Новая опасность, возникшая с увеличением числа авиаперевозок, заключается в серьезной угрозе, которую представляют для реактивных самолетов высокие облака вулканического пепла и аэрозолей. Эти облака не могут быть обнаружены метеорологическим радаром, и пилотам трудно отличить их от обычных облаков. В ряде задокументированных случаев реактивные двигатели перестали работать после того, как авиалайнеры пролетели сквозь вулканические облака. Катастрофы удалось избежать только в последнюю минуту, когда пилоты смогли перезапустить двигатели, при экстренном снижении ниже облаков. Двигатели впоследствии пришлось заменить, а также устранить серьезные абразивные повреждения самолетов.

В ответ на эти опасности была создана всемирная система оповещения пилотов по радио об облаках извержения вулканов и их вероятной протяженности. Эта система, состоящая из сети Консультативных Центров по вулканическому пеплу (Volcanic Ash Advisory Centres, VAACs), управляемых Международной организацией гражданской авиации, помогает авиационным диспетчерам перенаправлять воздушное движение в обход районов с опасными концентрациями пепла. Например, данные, собранные лондонским VAAC о шлейфе пепла после извержения исландского вулкана Эйяфьятлайёкюдль в марте 2010 года, были учтены при принятии национальными авиационными властями решения о дальнейших полетах в течение последующих дней по всей Северной и Центральной Европе.

Долгосрочные экологические последствия на окружающую среду

Не все вулканические явления разрушительны. Океаны, атмосфера и континенты обязаны своим происхождением и эволюцией в значительной степени вулканическим процессам на протяжении всего геологического времени. Поток лавы может поглотить и похоронить землю, но в конечном итоге образуется новая почва и растительность. В теплом, влажном климате восстановление происходит быстро; нескольких десятилетий будет достаточно, чтобы скрыть скалистую поверхность застывших потоков лавы. С другой стороны, в пустынном или арктическом климате восстановление идет медленнее; лавовые потоки, возраст которых превышает 1000 лет, все еще сохраняют свой первоначальный бесплодный вид.

Вулканический пепел медленно выветривается, образуя богатые суглинистые почвы. На вулканическом острове Ява террасные рисовые поля дают пищу многочисленному населению. За Яванским морем находится Борнео, остров с аналогичным климатом, но без вулканов. Джунгли Борнео обеспечивают лишь временное подсечно-огневое земледелие и поддерживают гораздо меньшее население.

Климат также подвержен воздействию вулканической активности. Высокие облака пепла, особенно если они богаты диоксидом серы, могут достигать стратосферы над тропосферными дождевыми облаками. Их высота значительно увеличивает время пребывания мелких частиц пыли и аэрозольных капель серной кислоты в атмосфере. Они медленно распространяются в виде тумана и могут покрыть полушарие или даже всю Землю.

На мировой климат, по-видимому, повлияли извержения вулкана Кракатау близ Явы в 1883 году, горы Агунг на Бали в 1963 году и Пинатубо в 1991 году. Высокие облака пепла, выброшенные этими вулканами, по-видимому, снизили среднюю мировую температуру примерно на 0,5 °C в течение одного-трех лет после их извержений.

В начале 1800-х годов, за извержением горы Тамбора на острове Сумбава в 1815 году последовало в 1816 году в Северной Америке и Европе то, что было названо “годом без лета”.

С другой стороны, другие крупные извержения, такие как Новарупта близ горы Катмай на Аляске в 1912 году, по-видимому, не оказали никакого влияния на погоду. Изменения значения среднегодовой мировой температуры за последние несколько десятилетий часто не превышают 0,1 — 0,3 °C, и не связанны с какими-либо известными извержениями вулканов, поэтому трудно с уверенностью установить, оказывают ли вулканы существенное влияние на климат.

Прямой отбор проб из стратосферы показал, что основным дымообразующим агентом от извержений вулканов является не мелкая пыль, а аэрозоль из крошечных капель серной кислоты. Это указывает на то, что состав высотных облаков вулканического пепла может быть столь же важен при изучении их влияния на климат, как и их объем. Ученых интересуют атмосферные возмущения, которые могут быть вызваны не только извержениями вулканов, но и техногенными аэрозолями хлорфторуглеродов, выхлопами реактивных самолетов и общим увеличением содержания углекислого газа и других парниковых газов в результате сжигания ископаемого топлива. Многие вопросы о том, как вулканическая и человеческая деятельность влияют на климат, остаются в значительной степени без ответа.

Можно ли предсказать извержения вулканов?

Наибольшую опасность на потенциально активных вулканах представляет самоуверенность человека. Возможные опасности могут быть оценены путем изучения прошлой вулканической активности, зафиксированной в истории или в доисторических отложениях вокруг вулкана.

Вулканические обсерватории отслеживают локальную сейсмическую активность и деформацию поверхности потенциально активного вулкана и делают полезные, правда, не совсем еще точные прогнозы возможных извержений. Например, мониторинг повышенной активности землетрясений под Мауна-Лоа в 1983 году позволило сделать вывод об увеличении вероятности извержения на 1984 и 1985 год. Извержение произошло в марте 1984 года. Крупное извержение горы Сент-Хеленс 18 мая 1980 года оказалось намного сильнее, чем ожидалось, но большое количество локальных землетрясений и видимая выпуклость, образовавшаяся на северном склоне горы, дали возможность организовать заблаговременную частичную эвакуацию местных жителей. Жертвы были, но их было бы гораздо, если бы доступ в этот район не был ограничен местными властями.

Основная проблема в снижении риска от извержений заключается в том, что большинство взрывоопасных вулканов имеют такие длительные периоды покоя, что люди, живущие поблизости, считают их потухшими, а не спящими.

Наука о прогнозировании извержений весьма молодая и все еще полна неопределенностями. Эвакуация большого количества людей является сложной и дорогостоящей задачей. Крупная эвакуация, за которой не последует какое-либо крупное извержение, была бы серьезной ошибкой, но неэвакуация людей из-за угрозы извержения, была бы гораздо худшей ошибкой. Это непростая проблема.

---