Международная группа ученых выяснила, что интенсивность извержения вулкана зависит не только от падения давления, но и от сдвиговых сил в магме. Это объясняет, почему некоторые вулканы с насыщенной газом магмой извергаются спокойно, а некоторые наоборот мощно взрываются.
Процесс выброса магмы можно сравнить с открыванием бутылки шампанского. Пока бутылка закрыта и находится под давлением, углекислый газ остается растворенным в жидкости. При открывании давление падает, что позволяет газу образовать пузырьки. Эти пузырьки поднимают жидкость к горлышку и могут вызвать настоящий фонтан. Аналогичный процесс происходит в вулкане: при снижении давления газы выделяются из магмы, образуя пузыри, которые делают расплав менее плотным и заставляют его быстрее двигаться вверх, что приводит к мощному извержению. Но так бывает не всегда.
До недавнего времени ученые считали, что пузырьки газа в магме образуются главным образом при снижении давления во время подъема расплава к поверхности. На глубине высокое давление удерживает газы в растворенном состоянии, но при падении давления газы выделяются и формируют пузыри. Чем больше пузырьков, тем менее плотной становится магма и тем быстрее она движется вверх, что может привести к взрывному извержению.
Но эта модель не объясняла, почему некоторые вулканы, включая Сент-Хеленс в США и чилийский Кисапу, временами выбрасывали лаву спокойно, хотя магма содержала большое количество газа, способного вызвать мощный взрыв.
Новое исследование показало, что пузырьки могут появляться в поднимающейся магме под действием сдвиговых сил, а не только при падении давления. Эти силы возникают из-за разной скорости движения магмы: у стенок вулканического канала, где трение выше, она течет медленнее, чем в центре. Это создает эффект «вымешивания» расплава, провоцируя образование газовых пузырьков. Результаты опубликованы в журнале Science.
Сила вулкана и растворенный в лаве газ
«Наши эксперименты показали, что движение в магме из-за сдвиговых сил достаточно для формирования газовых пузырьков — даже без падения давления», — объясняет соавтор работы Оливье Бахманн.
Исследователи обнаружили, что пузырьки образуются преимущественно у краев канала, где сдвиговые силы наиболее сильны. Чем больше газа содержит магма, тем меньше требуется сдвига для появления и роста пузырьков. Когда пузыри формируются на ранней стадии в глубинных частях канала, они могут объединяться и создавать пути для выхода газа. Если газ выходит рано через эти каналы, магма достигает поверхности в виде спокойного потока.
Новые данные позволяют объяснить извержение Сент-Хеленс в 1980 году. Хотя магма была газонасыщенной и потенциально взрывоопасной, извержение началось с медленного потока лавы. Сдвиговые силы произвели дополнительные пузырьки газа, которые обеспечили выход газов. Взрыв произошел только после того, как оползень открыл вулканическое жерло шире и случилось резкое падение давления.
«Чтобы лучше прогнозировать опасность вулканов, нам нужно обновить наши модели и учитывать сдвиговые силы в каналах», — говорит Бахманн.