Извержения вулканов традиционно принято считать явлением, наносящим ущерб как самой планете Земля, так и человеческой жизнедеятельности. Между тем, если бы не было извержений вулкана, на планете Земля также не было бы и атмосферы: почти все газы в составе воздуха, кроме кислорода, имеют вулканическое происхождение. Кроме наземных вулканов также существуют и подводные, и их извержения меняют химический состав воды. То есть, получается, что такое загадочное явление, как выход магмы и пепла из недр Земли – такой же важный и неотъемлемый элемент экосистемы нашей планеты, как и ледники.
Вулканы оказали огромнейшее влияние и на формирование ландшафта нашей планеты. Так, например, Исландия, находящаяся на стыке Евразийской и Североамериканской литосферных плит, представляет собой не что иное, как большое вулканическое плато. Остров не поднимается выше 2000 метров над уровнем моря и наполнен вулканами, геотермальными источниками и ледниками. По сути, вся центральная часть острова занята вулканами и непригодными для жизни пустынями. В Исландии насчитывается более сотни вулканов, причем 25 из них хотя бы единожды проявляли активность за последнее тысячелетие. Самые крупные из них – Лаки и Гекла – имеют почти сто кратеров.
Также вулканическая активность несет и большую угрозу, как для человеческой жизнедеятельности, так и для экосистемы планеты Земля в целом. При этом активность вулканов, вполне вероятно, в ближайшие годы будет расти, изменяя ландшафт нашей планеты. Глобальное потепление может привести к новых извержениям из-за таяния ледников. Именно это послужило причиной пробуждения вулкана Эйяфьядлайёкюдль в 2010 году, парализовавшей воздушное сообщение между рядом стран Европы. Согласно статистическим данным, Исландия теряет порядка 11 млрд. тонн льда ежегодно, а это означает, что следует ожидать новых извержений вулканов.
Чем опасны вулканы Исландии
Вопреки распространенному мнению, согласно которому исландские вулканы не столько опасны, как тихоокеанские, их извержения могут нести катастрофические последствия.
Ученые Открытого университета Исландии и Университета Ланкастера при проведении анализа лавы исландского вулкана Торвайекюдль, который последний раз извергался около 70 тысяч лет назад, доказали, что Исландские вулканы могут взрываться также мощно, как и тихоокеанские. Также ученые доказали, что вулканы Исландии способны производить настолько мощные взрывы, что их пепел переносится на большие расстояния и может вызвать проблемы всей Европе. Так, например, в ходе анализа различных проб было доказано, что по всей Великобритании находятся следы древнеисландских извержений.
Также ученые выяснили, что такие мощные взрывные извержения способны производить не только крупнейшие вулканы Исландии – Катла и Гекла, но и более мелкие вулканические конусы, например, Торвайёкюдль и Эрайвайёкюдль.
Эти открытия тем более тревожны потому, что сейчас Исландия входит в период повышенной вулканической активности, а значит подобные извержения могут повториться в ближайшие годы, неся угрозу и воздушным коридорам Европы и Северной Атлантики, и населению Исландии.
Что мы знаем о вулканах?
На Земле насчитывается более 500 «активных» вулканов, а также множество «спящих». Еще больше вулканов считаются вымершими. Традиционно состояние вулкана определяется датой его последнего извержения. Если вулкан проявлял активность за то время, что человек ведет запись истории, то он считается активным. Если же последнее извержение происходило в пределах 10 000 лет, то такой вулкан считает «спящим», потому что он имеет потенциал ожить снова. Те же вулканы, которые не извергались более 10000 лет, считаются вымершими, потому как вряд ли оживут снова.
Изучение вулканов – задача невероятно трудная. Дело в том, что магматические камеры, как правило, закрыты толстым слоем скальной породы. К тому же многие вулканы еще и скованы ледниковым щитом, как, например, сравнительно недавно извергавшийся исландский Эйяфьядлайекюдль, что делает задачу добраться до магматической камеры невероятно сложной.
По этой причине до конца не изучены процессы плавления пород в магме, где происходят постоянные физико-химические превращения под воздействием мощного давления и высокой температуры. Вихревые потоки в столбах вулканической пыли также являет собой весьма сложное аэродинамическое явление, которое все еще до конца не изучено.
Вокруг кратеров многих вулканов установлены инфракрасные камеры и датчики для измерения напряженности магнитного поля. За дрейфом пылевых облаков следят радары. Сейсмографы круглосуточно находятся настороже и фиксируют сейсмические волны, чтобы определить типы подземных толчков, которые могут стать предвестниками грядущего извержения.
Однако несмотря на такой тщательный подход к изучению вулканов и попыткам предсказать возможность извержения, все еще действие вулканов вызывает огромное количество вопросов.
Как выглядит вулкан?
Несмотря на сложности в изучении, к сегодняшнему дню большая часть деятельности вулканов исследована. Когда человек думает о вулкане, то первый образ, который создает его воображение, представляет собой высокую коническую гору с оранжевой лавой, которая извергается с вершины. Действительно, есть много вулканов такого типа. Однако на самом деле вулкан – это любое место на планете, где магма совершает свой выход на поверхность. Выход же магмы из верхней части горы – лишь один из многих способов выбрасывания магмы.
Вулканы весьма разнообразны по форме, но имеют одинаковую структуру. Все вулканы Земли состоят из нескольких неотъемлемых элементов. Это вершинный кратер – то есть, устье вулкана, где находится лава; магматический очаг или магматическая камера – место, под землей, где находится лава и центральный канал, который ведет от магматического очага к вершинному кратеру. Сам центральный канал окружен вулканическим строением, которое состоит из извергнутого вулканического материала.
По форме же выделяется несколько основных типов вулкана.
Стратовулканы – это наиболее полно изученный тип вулканов, который вошел в историю, как виновник самых разрушительных извержений в истории планеты. Стратовулкан представляет собой достаточно симметричную возвышенность с относительно небольшим вершинным кратером. Извергаются такие вулканы довольно редко – один раз в несколько сотен лет.
Шлаковый конус представляет собой относительно небольшой вулкан. Ему характерны крутые склоны, которые ведут к очень широкому вершинному кратеру. Шлаковый конус – наиболее распространенный тип вулкана на планете Земля. Такие вулканы редко извергаются – большинство из них лишь единожды за время своего существования.
Щитовые вулканы – это широкие низкие вулканы, которые образовались от потоков лавы с низкой вязкостью и с минимальной взрывоопасностью. В ходе извержений лава растекалась по широкой площади – вплоть до ста километров, создавая щитообразный купол. Рядом с жерлом щитового вулкана гора становится немного круче. Именно щитовые вулканы извергаются чаще всего.
Вулканическая активность может порождать не только эти три основные формы вулканов.
Довольно любопытные явление, образующееся вследствие вулканической активности, получило название «лавовый купол». Лавовые купола образуются, когда большинство газовых пузырьков вырываются из вулкана во время начала извержения, но из-за нехватки давления остальная вязкая лава выбрасывается не вверх, а медленно вытекает из вершинного кратера. В результате создается куполообразная пробка в верхней части вулкана, которая может расти на протяжении долго времени.
В Исландии извержения вулканов образовали большое количество кальдер, которые представляют собой большие кратерообразные бассейны. Кальдеры в длину могут достигать 20 километров. Они образовываются вследствие взрывных извержений вулканов. То есть, во время, когда магматический очаг, заполненный кремноземом и раскаленными газами, начинает двигать вверх из глубины. По мере поднятия к поверхности в резервуаре снижается давление, следовательно, газы расширяются и прорывают земную кору из-за мощного взрыва. Из образовавшейся полости вырывается магма и скальные обломки, на месте которых и возникает кальдера. Также кальдера может образоваться из-за обрушения поверхности горы в полость, освобожденную от магмы. В результате возникает огромный кратер, внутри которого могут вырасти новые вулканические конусы. Очень часто кальдеры заполняются водой, создавая озера.
Почему извергаются вулканы?
Извержение вулкана происходит в тот момент, когда в магматическом резервуаре начинает расти давление. Причинами же роста давления может быть целый ряд причин.
Многие вулканы расположены в зонах субдукции, то есть, в местах, где одна тектоническая плита опускается под другую. По мере своего погружения одна из плит прогревается и выделяет летучие вещества, которые попадают в верхний слой мантии земной коры и разогревают ее, создавая новые порции магмы, которые перетекают в магматический резервуар вулкана. Когда магматическая камера полностью заполняется и уже не в силах вместить поступающие расплавленные породы, лишняя магма выходит на поверхность через вулканический канал.
Процессы, протекающие внутри самой магматической камеры, также становятся причиной извержения. В камере может происходить снижение температуры, вследствие чего магма начинает кристаллизоваться и опускаться на дно. По мере своего погружения она вытесняет в верхнюю часть камеры более легкие расплавленные породы, которые оказывают давление на крышку камеры, и когда крышка камеры больше не в состоянии выдерживать давление происходит извержение.
Также внутри магматической камеры может происходить процесс смешивания магмы с окружающими породами, который также приводит к повышению давления на крышку резервуара или даже к обрушению стен камеры, следствием чего становится извержение.
Иногда извержение может происходить не из-за нагнетания, а наоборот, из-за потери давления. Когда над магматической камерой уменьшается плотность пород, которые охватывают магматический очаг, постепенно утрачивается возможность сдерживать давление магмы. К уменьшению плотности пород может привести целый ряд причин. Например, зачастую у вулканов появляются трещины на поверхности, через которые талые и дождевые воды попадают внутрь резервуара и вступают во взаимодействие с магмой.
Такой процесс невероятно опасен, так как если лава образуется не в кратере, а на склонах вулкана, то под силой тяжести может произойти обрушение купола, вызвав очень крупное извержение.
Глобальное потепление также может привести к извержению вулкана. Таяние ледников, которыми укутаны многие вулканы, снижают давление над магматической камерой, и магма выходит из равновесия, прорываясь через вулканические каналы.
Чем опасно извержения вулкана?
Процесс извержения вулкана всегда несет в себе эффект непредсказуемости, несмотря на то, что та или иная высота может находиться под наблюдением ученых. Причем извержения могут нести угрозу не только окружающей среде, но и жизни человека. Извержения вулканов могут сопровождаться выходом вулканических газов, пеплопадом, пиропластическими и лавовыми потоками, а также лахарами.
Вулканические газы – еще одна опасность, которую в себе таит извержение вулкана. Несмотря на то, что большая часть газов, которая выделяется при извержении вулканов, содержит в себе пары воды и считается относительно безвредной, также извержение сопровождается и выбросом больших количеств углекислого газа, диоксида серы, сероводорода, газообразного фтора, фтористого водорода и т.д. Эти элементы уже могут таить в себе смертельную опасность.
Так, например, сам по себе углекислый газ не ядовит, но он вытесняет кислородосодержащий воздух. Углекислый газ скапливается в углублениях в окрестностях горы и может привести к удушению людей и животных. Также он может собираться в донных отложениях озер и время от времени выплескиваться, убивая все живое вокруг озера.
Газообразный фтор, также как и углекислый газ, скапливается в низинах, но может таить в себе гораздо большую опасность. У человека после контакта с этим газом появляются сильные ожоги и наблюдается нарушение выработки кальция в костной системе. Даже после рассеивания газообразный фтор всасывается в растения и продолжает отравлять людей и животных. Так, в 1783 году после извержения вулкана Лаки в Исландии из-за выброса большого количества газообразного фтора погибло более половины поголовья скота.
Диоксид серы и сероводород при соединении с парами воды образуют серную кислоту, которая ядовита даже в небольших количествах. При больших объемах сероводород может преобразоваться в вулканический туман, распространяясь по округе. Также сероводород опасен для климата Земли. При значительном попадании сероводорода в верхние слои атмосферы существенный урон наносится озоновому слою.
Пеплопады также называются вулканическими осадками. Они происходят, когда тефра (частицы вукланического материала диаметром от нескольких миллиметров до десятков сантиметров) выбрасывается из кратера во время извержения. Пеплопады происходят на расстоянии от нескольких метров до нескольких километров от вулкана, а при сильных взрывах тефра может попасть в стратосферу и преодолеть сотни, а то и тысячи километров.
Для человека выпадение тефры не несет прямой угрозы – она слишком мелкая для того, чтобы причинить серьезные увечья. Тем не менее, некоторые пеплопады содержат в своем составе токсичные химические вещества, которые всасываются растениями, попадают в питьевые источники и могут быть опасными для людей. Другая угроза, связанная с пеплопадом, связана с тем, что большое количество тефры скапливается на крышах домов и после дождя могут привести к обрушению кровли, не выдержавшей большой вес.
Пеплопад может привести и к глобальным последствиям. Так, вулканические осадки при попадании в атмосферу могут заблокировать солнечный свет и спровоцировать вулканическую зиму.
Пирокластические потоки представляют собой смесь пыли, скальных обломков, пепла и раскаленных газов. Эта смесь может двигаться со скоростью до 1000 км\ч, с легкостью преодолевая все препятствия на своем пути. Температура пирокластических потоков может достигать 400 градусов по Цельсию. Такое соотношение скорости и температуры делает это явление невероятно опасным.
Потоки лавы. Лава – это расплавленная порода, которая вытекает из трещин вулканического жерла. В зависимости от состава и температуры, лава может быть жидкой, либо вязкой. Жидкая лава имеет более высокую температуру и течет быстрее, образовывая целые реки или распространяясь по окружающей местности отдельными ручьями. Вязкие же потоки более прохладные и передвигаются на более короткие расстояния.
Лавовые потоки могут привести к разрушительным последствиям, ведь их температура колеблется в пределах от +1000 до +2000 градусов по Цельсию. Такая раскаленная масса сжигает все на своем пути, уничтожая и здания и растительность. Но в виду медленного движения лавовых потоков, угрозы жизни для человека они не несут, так как есть достаточно времени для того, чтобы покинуть зону извержения вулкана.
Лахары – это поток, который состоит из воды и вулканических обломков. Такой вид потоков образовывается, когда камни устремляются вниз, по пути смешиваясь с подтаявшими из-за извержения ледниками и водой из вулканических озер. Скорость схода лахары может достигать 80 км\ч, а преодолеть лахара может до нескольких десятков километров расстояния. Температура лахары, смешиваясь с лавой, может достигать 60-70 градусов по Цельсию. Такого типа потоки не столь смертоносны, как пирокластические, однако тоже могут быть невероятно разрушительными.
Типы извержений вулканов
Наука различает несколько типов извержения: классические вулканические извержения, гавайские извержения, гидровулканические извержения, плинийские извержения, стромболианские извержения и трещинные извержения.
Вулканические извержения – это тип извержений, который характеризуется многочисленными короткими взрывами. Такие извержения обычно не связаны с лавовыми потоками. Они в основном состоят из пепельного и пирокластического материала, а инициируются высоковязкостной газосодержащей магмой.
Гавайские извержения так называются потому, что этот тип извержений наиболее распространен на Гавайях. В отличие от вулканических, гавайские извержения не поднимают пирокластические потоки. Отличительная черта таких извержений – выход вялого потока лавы, которой характерны низкие вязкость и газосодержание. Такого типа поток может принять несколько форм. Наибольшее впечатление производит огненный фонтан, который может образоваться в ходе извержения гавайского типа: ярко-оранжевый фонтан лавы может подняться на сотни метров в воздух на несколько минут, а иногда – и на несколько часов. Но чаще всего в ходе гавайского извержения образуется устойчивый поток лавы из центрального отверстия, который по мере своего схода может создавать лавовые озера, образующиеся в кратерах или низинах.
Гидровукланические извержения связаны со взаимодействием воды и магмы, которое порождает уникальный вид вулканического столба. В ходе такого извержения магма нагревает воду так, что она превращает в пар. Такое быстрое изменение состояния вызывает взрывного типа расширение в воде, которая растворяет пирокластические бомбы, создавая тонкую золу. Характер гидровулканических извержений может быть разным: это могут быть и короткие извержения, и долговременные столбы. Такой тип извержений опасен еще и тем, что может растопить большое количество снега, вызвав оползни и наводнения.
Плинийские извержения инициируются магмой с очень высокой вязкостью и содержанием газа. Мощный выброс направленных вверх расширяющихся газов могут поднять пирокластические бомбы на высоту до 50 километров. Извержение плинийского типа может длиться несколько часов и даже дней, производя устойчивый столб извержения. Такого типа извержение сопровождается выбросом огромного количества тефры, которая оседает в прилегающих районах. Кроме этого плинийское извержение опасно тем, что высвобождает быстро движущиеся потоки лавы, которые уничтожают все на своем пути. Именно из-за извержения плинийского типа погибли легендарный Помпеи и Геркуланум.
Стромболианские извержения по праву считаются наиболее живописными. Они поднимают небольшое количество лавы на высоту от 15 до 90 метров в воздух очень короткими очередями. Такого типа извержения сопровождаются мощными грохочущими звуками. При этом в ходе стромболианских извержения образуется лишь небольшой поток лавы и количество выброса тефры также не слишком большое, поэтому такого типа извержения не считаются особо опасными.
Трещинные извержения происходят в тех случаях, когда магма течет вверх через трещины в земле и выходит на поверхность. Чаще всего они возникают там, где движение земной пластины вызвало большие разломы в земной коре или вокруг основания вулкана с центральным отверстием. Для трещинного извержения характерно явление, которое называется «занавесом огня», под которым подразумевается выход большого количества лавы на небольшой высоте над землей. Такие извержения могут производить большие потоки лавы, которая при этом, в подавляющем большинстве случаев, движется медленно.
***
Пристальное наблюдение и многолетнее исследование вулканов по-прежнему не позволяет взять человеку под контроль те процессы, которые инициируют извержения. Более того, далеко не всегда удается предугадать грядущую детонацию вулкана. При этом опасность, которую таит в себе вулкан, довольно сложно переоценить.
Так, разрушительное извержение вулкана Лаки в 1783-1784 гг. продолжалось порядка 8 месяцев. За это время лавовые потоки распростерлись на расстояние в 130 километров, уничтожив любую жизнь на своем пути. В результате извержения вулкана Лаки в воздух было выброшено столько ядовитых газов, что погибла половина поголовья скота в Исландии и почти четверть населения острова. Сам климат Исландии претерпел значительные изменения: началось таяние ледников, приведшее к целому ряду наводнений.
Оказал свое влияние вулкан Лаки не только на остров, но и на всю планету: его извержение спровоцировало эффект вулканической зимы. В результате этого в Японии и Индии случились сильные засухи, а Северная Америка пережила самую холодную зиму за всю свою историю. Пепел же от извержения вулкана находился в воздухе почти над половиной Евразии.
При этом по мнению ученых, Исландия из-за таяния ледников приближается к периоду, когда целый ряд вулканов может ожить. По их же исследованиям, такие разрушительные последствия, какие принес в XVIII столетии вулкан Лаки, может вызвать целый ряд исландских вулканов.
Несмотря на весь научно-технический прогресс, судьба человечества по-прежнему зависит от извержений вулканов.