© REUTERS / CIRA/NOAAСпутниковый снимок извержения подводного вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай
© REUTERS / CIRA/NOAA
Спутниковый снимок извержения подводного вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай
Извержение вулкана у берегов Тонга вызвало загадочную концентрическую рябь в атмосфере. Ничего подобного ученые раньше не наблюдали. Волновые колебания зафиксировали как у поверхности, так и высоко над Землей в ионосфере. Уникальное явление объяснили гравитационными волнами, но все оказалось сложнее.
Вулкан и атмосферные гравитационные волны
Вулкан Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай у побережья островного королевства Тонга проснулся в декабре 2021-го, а спустя месяц произошел мощный взрыв. Он породил землетрясения и цунами, которые достигли побережья Перу по другую сторону Тихого океана. Огромное облако пепла поднялось на двадцать километров к стратосфере. 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. Их обнаружил спутник НАСА Aqua через несколько часов. На его изображениях видны десятки концентрических кругов, каждый из которых представляет собой быстро движущуюся волну.
© Lars Hoffmann, Jülich Supercomputing Centre. AIRS Level-1 data by NASA DES DISCИзображение, полученное с помощью инфракрасного зонда спутника НАСА Aqua. Десятки концентрических кругов, расходящихся от места извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай, представляют собой быстро движущиеся атмосферные волны
© Lars Hoffmann, Jülich Supercomputing Centre. AIRS Level-1 data by NASA DES DISC
Изображение, полученное с помощью инфракрасного зонда спутника НАСА Aqua. Десятки концентрических кругов, расходящихся от места извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай, представляют собой быстро движущиеся атмосферные волны
Акустико-гравитационные волны (АГВ) хорошо известны ученым, занимающимся физикой атмосферы, но никогда раньше так отчетливо их не фиксировали при извержениях вулканов. Обычно сильные АГВ связаны с землетрясениями, цунами и некоторыми искусственными событиями, такими как запуски ракет или взрывы. Более мелкие волны возникают из-за самых разных явлений — движений атмосферных фронтов, гроз, геомагнитных бурь, вспышек на Солнце, даже суточных колебаний атмосферы.
“Ничего необычного в этих волнах нет, — рассказывает главный научный сотрудник Института космических исследований РАН, доктор физико-математических наук Сергей Пулинец. — По сути, это звуковые волны, только с очень низкими колебаниями, поэтому мы их не слышим. Как и любой звук, они появляются при сжатии-расширении воздуха, когда приходят в движение атмосферные массы”.
Волны от взрыва вулкана несколько раз обошли земной шар, а барометры в разных частях света зафиксировали несколько небольших всплесков — около 1,5 миллибара — повышения давления. В Сиэтле, на Западном побережье США, скачок был такой сильный, что рассеял традиционный местный туман, сообщил местный офис Национальной метеорологической службы. В Великобритании, на расстоянии около 16 500 километров от островов Тонга, первую волну поймали через 14 часов после извержения, что позволило определить ее скорость — около 330 метров в секунду. Это примерно соответствует скорости звука. Последующие волны особо чувствительные барометры регистрировали еще сутки.
The signal is proportional to the perturbation of pressure seen at Earth’s surface.
I.e., the wiggles people saw in their local barometers.https://t.co/N7nM05f9d8
— AGU's Eos (@AGU_Eos) January 21, 2022
Начальная волна ощущалась по всему миру. Ее зафиксировали все 53 расположенные на расстоянии от 1800 до 18 тысяч километров от вулкана станции инфразвуковой системы мониторинга Организации Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний. Для сравнения: атмосферные волны от сотрясшего Землю в 2013-м Челябинского метеорита уловила только половина пунктов сети.
Не просто волна
Теоретически быстрый восходящий в верхние слои атмосферы поток горячего воздуха и пепла от извергающегося вулкана может вызвать акустико-гравитационные волны и большего масштаба. Однако то, что ученые наблюдали после извержения Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай, не укладывалось в схему и по масштабам, и по рисунку. На снимках колебания выглядели как смесь волн разного типа и размера.
“Особенность в том, что это подводное извержение, — отмечает Сергей Пулинец. — Наложились звуковая волна от самого взрыва и атмосферная — от мощного выброса пепла. Еще одну вызвало цунами. Разный масштаб создал богатую картину колебаний разной частоты. А так как это изолированный остров посреди океана, пошла круговая волна, а не отраженная, как при извержении на побережье”.
Необычной была и взрывная скорость извержения. Обычно вулканы изливают лаву и выбрасывают ее несколько дней, а иногда и недель. Здесь же все произошло в считанные минуты — в результате одного сильнейшего импульса.
17 января, 19:07Наука
Землю засыпает вулканическим пеплом. Чем грозит извержение у берегов Тонга
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. Колоссальная детонация, а также подводное обрушение и связанное с ним цунами породили целый спектр волн, распространяющихся как в нижних, так и верхних слоях атмосферы. Помимо акустико-гравитационных — инфразвуковые, волны Лэмба и электромагнитные колебания в ионосфере. Именно в этом, по мнению ученых, заключается уникальность атмосферных событий, к которым привело извержение.
На спутниковых снимках запечатлены волны, расходящиеся, как от камня, брошенного в пруд, от того места, где пепловый шлейф проколол нижние слои атмосферы. Статические разряды внутри него вызвали шквал вулканических молний. Спутники зафиксировали более 60 тысяч ударов за пятнадцать минут после первоначального взрыва вулкана, что соответствует почти 70 ударам молнии в секунду.
После этого во все стороны от шлейфа начала расходиться атмосферная ударная волна, спровоцировавшая скачок атмосферного давления. Обработав данные спутника НАСА GOES-West, доступные онлайн, профессор наук об окружающей среде, Земле и атмосфере Мэтью Барлоу из Массачусетского университета Лоуэлла построил составное изображение перемещения первоначальной волны в атмосфере Земли.
The initial atmospheric response to the eruption was captured by @MathewABarlow using NOAA’s GOES-West satellite infrared radiance data (band 13). This sequence is based on images taken 10 minutes apart, and colors show the difference in infrared radiance between each time step. pic.twitter.com/GAIgyQxjI3
— AGU's Eos (@AGU_Eos) January 21, 2022
Последовательность событий выглядит так: ударная волна порождает высокочастотную акустическую волну, которая через некоторое время переходит в низкочастотную, а затем и в инфразвуковую. В верхних слоях атмосферы, где газы ионизируются, расщепляются на заряженные частицы — ионы и электроны, — волны вызывают уже электромагнитные колебания.
Используя данные нескольких наземных и космических датчиков, британский физик Кэтрин Митчелл из Университета Бата создала видео. На нем показано, как ионосферные волны распространяются от вулкана в сторону Новой Зеландии в течение нескольких часов после извержения. Они видны как смена положительных и отрицательных отклонений общего содержания электронов. По оценке специалистов Американского геофизического союза, волнам потребовалось пять часов, чтобы достичь берегов США.
Космические угрозы
Ученые постоянно отслеживают с помощью спутниковых наблюдений электромагнитные волны, распространяющиеся в ионосфере — области атмосферы в диапазоне от 60 до 1000 километров от земной поверхности. В пределах этой зоны (на расстоянии около 400 километров от Земли) вращается пилотируемая орбитальная станция МКС. Для нее и других космических аппаратов ионосферные возмущения не представляют опасности. Но они способны повлиять на работу спутниковых систем навигации, таких как GPS или ГЛОНАСС. Сами спутники расположены намного дальше — от 20 до 26 тысяч километров от Земли, однако их сигнал может отклоняться, попадая в ионосферу.
“Волна от спутника доходит до Земли с определенной задержкой. Дополнительные неоднородности в ионосфере вносят в расчетную задержку сигнала ошибки, которые достигают десятков метров. Специальные службы отслеживают их и удаляют — ошибки в навигации могут привести к авариям”, — объясняет Пулинец.
Удивительно , что спустя семь дней после извержения акустико-гравитационные волны все еще распространялись, обогнув земной шар уже в десятый раз. Их зафиксировали в инфракрасном диапазоне геостационарные спутники GOES-16 и GOES-17.
It is amazing that after 7 days the #Tonga #eruption shock wave continues to circle the planet (10 times!) and can still be detected in the infrared by geostationary satellites such as #GOES16 and #GOES17. @matplotlib @xarray_dev @Satellite_GOES pic.twitter.com/1dSYZMdlGT
— diego aliaga (@diegoaliaga2) January 24, 2022