8 Minutės
Mokslininkai atrado netikėtą priežastį ugnikalnių kanaluose: slydimo (shear) jėgas, kurios tarsi „minksto“ magmą ir sukelia dujų burbuliukų susidarymą gerokai anksčiau nei sumažėja slėgis. Šis mechanizmas padeda paaiškinti, kodėl kai kurios dujomis turtingos išsiveržimo fazės lieka ramios, o kitos pereina į sprogstamą režimą. Toliau apžvelgiame, ką ši atradimas reiškia mūsų supratimui apie vulkaninius pavojus, ir kaip tyrėjai atkūrė procesą laboratorijoje bei kompiuterinėse modeliuotėse.
Nauji tyrimai atskleidžia, kad vulkaninė magma gali generuoti dujų burbuliukus ne tik dėl slėgio kritimo kylant į paviršių, bet ir dėl vidinių slydimo įtampų, kurios tarsi „minksto“ lydalą. Tokios slydimo sąlygomis susiformavę burbuliukai gali arba inicijuoti staigų pagreitį ir sprogimą, arba suformuoti išeitines dujų zonas, kurios prislopina kitaip smurtinį išsiveržimą.
Pervertinimas: burbuliukų formavimasis – ne tik slėgio istorija
Keliasdešimt metų pagrindinis burbuliukų formavimosi paaiškinimas magmoje buvo susijęs su dekompresija. Kylant magmai link paviršiaus, aplinkinis slėgis mažėja ir ištirpusios dujos išsiskiria – panašiai kaip anglies dioksidas, išsiskiriantis atidarius šampano butelį. Kai susidaro daug burbuliukų, magma tampa plūduringa, pagreitėja į viršų ir gali suskaldyti, sukeldama sprogstamą išsiveržimą.
Vis dėlto lauko stebėjimai daugelį metų atskleidė išimtis. Kai kurie ugnikalniai su dujomis praturtinta, didelio klampumo magma – sąlygos, kurios dažniausiai siejamos su smurtingais išsiveržimais – kartais išspaudžia lėtus, tirštus lavos srautus. Pavyzdžiui, Mount St. Helens (JAV) ir Čilės Quizapu rodo, kad vien dujų kiekis negali paaiškinti visų elgsenos skirtumų ir nėra vienintelis prognozavimo raktas.
Minėtas naujas tyrimas į receptą įtraukia svarbų komponentą: slydimą. Kai magma teka per kanalas, srautas centre juda greičiau, o prie sienelių – lėčiau, susidaro greičių gradientai. Šie gradientai sukelia slydimo įtampas (shear stresses) lydalei uolienai ir, kaip dabar rodo tyrimai, gali tiesiogiai paskatinti burbuliukų branduolių (nukleacijos) susidarymą ir jų augimą.
Laboratoriniai bandymai ir skaitmeniniai modeliai: burbuliukų formavimasis esant slydimui
Norėdami vizualizuoti ir kiekybiškai įvertinti šį poveikį, tyrėjų grupė sukūrė kontroliuojamą laboratorinį analogą. Jie naudojo klampų skystį, imituojantį silikatų lydalą, prisotintą anglies dioksidu. Tada jie sukūrė slydimą, judindami skystį santykyje su sienelėmis, imituodami magmos slenkantį srautą palei kanalo sienas. Tokie eksperimentai leido stebėti, kur ir kaip burbuliukai ima formuotis mechaniniu poveikiu, nepriklausomai nuo slėgio pokyčių.
Kai slydimas viršijo tam tikrą slenkstį, burbuliukai atsirado staiga – be jokio akivaizdaus slėgio pokyčio. Burbuliukai dažniausiai branduoliavosi prie sienelių, kur slydimo greičiai buvo didžiausi. Be to, jau esantys burbuliukai katalizavo papildomą branduoliavimą šalia: vietinė srauto ir slėgio lauko perturbacija aplink burbuliuką lengvina tolimesnį naujų burbuliukų susidarymą. Šis efektas sukuria pozityvų grįžtamąjį ryšį, kuris gali spartinti dujų išsiskyrimą tam tikruose kanalo regionuose.
Skaitmeniniai modeliai sujungė laboratorijos mastelį su natūraliais kanalais. Modeliuose buvo imituojami didelio klampumo magmos srautai per įvairaus skersmens ir formos kanalus, o rezultatai parodė, kad slydimo sukelta burbuliukų nukleacija yra efektyviausia ten, kur klampus srautas trenkiasi į kanalo sieneles. Tai lemia sluoksniuotą burbuliukų ir dujų takų struktūrą. Kai burbuliukai koaleskuoja, jie gali suformuoti tęstines dujų kanalų sistemas, leidžiančias dujoms pabėgti iš magmos prieš jai pasiekus paviršių.
ETH Ciuricho vulkanologijos ir magmatinės petrologijos profesorius Olivier Bachmann, bendraautorius leidinyje, glaustai apibendrina pokytį: slydimas gali generuoti burbuliukus net ir esant pastoviam slėgiui. Ši įžvalga pakeičia mokslininkų požiūrį į degujimo laiką ir išsiveržimo dinamiką, išplečiant klasikinius modelius apie tai, kada ir kur magmoje prasideda dujų izoliacija.
Kodėl slydimas gali padaryti išsiveržimą ramiu arba staiga smurtiniu
Naujasis mechanizmas paaiškina dvi iš pirmo žvilgsnio prieštaringas elgsenas ugnikalniuose, susijusias su dujų išsiskyrimu ir išsiveržimo stiliumi.
- Ankstyvas dujų išsiskyrimas ir švelnesni išsiveržimai: Dujomis praturtintoje magmoje slydimas gali inicijuoti burbuliukų augimą ir jų koalescenciją giliai kanale. Šie burbuliukai gali susijungti, suformuodami išeitinius takus – degassing channels – kurie palaipsniui ventiliuoja dujas. Pasekmė: slėgis atleidžiamas prieš greitą magmos kilimą, todėl ugnikalnis gali skleisti lavą lėtai, per tekėjimą, o ne sprogdinti ją į atmosferą. Tokia ankstyva degazacija gali sumažinti piroklastinių srautų tikimybę net esant dideliam pradinės magmos dujų kiekiui.
- Slydimo valdomas sprogstamas pagreitis: Priešingai, magma, kuri atrodo turinti mažai dujų, vis tiek gali sprogti, jei stiprus slydimas suformuoja staigų burbuliukų gausėjimą. Sparčiai išaugusi burbuliukų tūrio dalis sumažina magmos tankį ir gali pagreitinti jos kilimą, sukeldama fragmentaciją ir smurtinį sprogimą. Tokie procesai paaiškina, kodėl kai kurie išsiveržimai prasideda netikėtų intensyvumu, kai lauke stebimi riboti dujų signalai.
Istoriniai pavyzdžiai iliustruoja abu scenarijus. 1980 m. Mount St. Helens išsiveržimo pradžioje viduje kraterio lėtai susiformavęs klampus lavos kūnas leido sistemai vietiškai degazuoti. Tik tada, kai nuo kalno nuslinko didžiulis šlaitas ir staiga atvėrė angą – sukeldamas greitą dekompresiją, – įvyko perėjimas į katastrofišką sprogimą. Šis atvejis parodo, kaip slydimu paremti procesai ir staigūs strukturiniai pokyčiai gali kartu nulemti perėjimą tarp ramios efuzijos ir smurtinio eksplozyvo.
Pasekmės stebėjimui ir rizikos vertinimui
Slydimo skatinamos burbuliukų dinamikos įtraukimas į vulkanų modelius gali pagerinti išsiveržimo stiliaus ir laiko prognozes. Tradicinė stebėsena koncentruojasi į dujų srautus (gas flux), seismiką, žemės paviršiaus deformacijas ir kitus dekompresijos sukeltų degazacijos proxy rodiklius. Tačiau slydimas priklauso nuo kanalo geometrijos, magmos klampumo, ir srauto greičio – parametrų, kurie gali greitai kisti ir ne visada atsispindi įprastose stebėjimo priemonėse.
Skaitmeninių išsiveržimo simuliacijų atnaujinimas, įtraukiant slydimo sukeliamą nukleaciją, padės mokslininkams įvertinti, ar konkretus ugnikalnis labiau linkęs ramiai ventiliuoti dujas, ar pagreitėti link sprogstamos fazės. Tai turi praktinių pasekmių evakuacijos planavimui, skrydžių saugumui (pelenų pavojai), ir ilgalaikiam rizikos žemėlapių sudarymui. Išplėsti modeliai leis geriau integruoti geofizinius, geocheminius ir hidrodinaminius duomenis, kad prognozės taptų tikslesnės ir labiau grindžiamos procesiniu supratimu.
Technologijos ir ateities tyrimai
Ateities darbai derins laboratorinius reologijos eksperimentus su aukštesnės raiškos kanalo vaizdavimu ir patobulinta realaus laiko stebėsena. Tolesnės pažangos nuotoliniuose stebėjimo sprendimuose, infrasound analizėje ir pluoštinėse optinėse deformacijos matavimo sistemose (fiber-optic strain meters) gali padėti aptikti srautų režimus, kur slydimo valdomas degazavimas yra tikėtinas. Taip pat laboratoriniai eksperimentai, naudojantys natūralias lydalų kompozicijas ir įvairius lakiuosius komponentus (ne vien CO2, bet ir H2O, SO2 bei halogenus), leis tiksliau nustatyti slenkstinius parametus burbuliukų formavimuisi slydimo sąlygomis.
Be to, reikia tirti, kaip poringumas, kristalizacija, ir faziniai pokyčiai veikia slydimo sukeltą nukleaciją. Pavyzdžiui, didesnis kietųjų fazių (kristalų) kiekis gali pakeisti efektyvų klampumą ir vietines slydimo lauko sąlygas, o tai savo ruožtu gali skatinti arba slopinti burbuliukų branduoliavimą. Tokie sudėtingi, tarpusavyje susiję procesai reikalauja integruotų eksperimentų bei tarpdisciplininių modelių derinių, įtraukiant tiek skysčių mechaniką, tiek termodinamiką ir geochemiją.
Eksperto nuomonė
„Šis atradimas užpildo akląją dėmę, kai interpretuojame vulkaninį elgesį,“ sako dr. Maya Reynolds, vulkanologė, bendradarbiaujanti su stebėjimo agentūromis. „Slydimas keičia laiką ir vietą, kur burbuliukai auga kanale. Tai gali būti lemiamas skirtumas tarp lavai leidžiančio palikti žmones netoli ugnikalnio ir netikėto sprogstamo išsiveržimo, priverčiančio masines evakuacijas. Slydimo įtraukimą į prognozavimo modelius galima paversti ankstyvųjų perspėjimų patikimesne priemone.“
Be rizikos modelių tobulinimo, šis atradimas primena, kad Žemės vidiniai procesai dažnai atspindi cheminės fizikos ir srautų mechanikos sąveiką. Atrodo menkas poslinkis to, kaip lydalas teka, gali sukelti grandininę reakciją, kuri lemia esminius išsiveržimo elgsenos pokyčius. Tai pabrėžia tarpdisciplininio požiūrio reikšmę vulkanologijoje: geochemikai, geofizikai, reologai ir modeliuotojai turi dirbti kartu, kad suprastų ir prognozuotų sudėtingus gamtos procesus.
Plečiant laboratorinius eksperimentus, tobulinant modelius ir pritaikant rezultatus lauko matavimams, vulkanologijos bendruomenė įgis turtingesnį įrankių rinkinį kitų išsiveržimų numatymui. Kol kas aišku viena: slėgis nėra vienintelis burbuliukų gimimo teisėjas – magmos vidinis judesys ir slydimo įtampos turi tiek pat reikšmės. Integruojant šias žinias į stebėjimo ir perspėjimo sistemas galima ženkliai pagerinti visuomenės saugumą ir sprendimų priėmimą ugnikalnių zonose.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą