Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 504, № 2, стр. 156-162

Изучение вулканической деятельности, в первую очередь крупных вулканов, представляет значительный интерес как с точки зрения ожидания возможных погодных аномалий, так и прогнозирования климатических изменений в перспективе. Особый интерес вызывают мощные вулканические извержения в акваториях, что объясняется в этом случае возможностью возникновения цунами. Последствия вулканических извержений эксплозивного типа проявляются в виде воздушных волн, электрических и магнитных эффектов [1–7]. Инструментальные наблюдения за геофизическими полями в период сильных вулканических извержений позволяют расширить сложившиеся представления не только о механизмах этих природных явлений, но также возможных экологических последствий.

В настоящей работе рассматриваются геофизические эффекты мощного эксплозивного извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай (20°32′36′ ю.ш.; 175°23′33′ з.д.), произошедшего 15.01.2022 г. В качестве исходных данных авторами использованы результаты регистрации атмосферного давления, микробарических вариаций и вертикальной компоненты электрического поля в обсерватории Михнево (MHV) и в Центре геофизического мониторинга Москвы (ЦГМ) Института динамики геосфер РАН, а также данные магнитных измерений, выполненных в обсерваториях сети INTERMAGNET¹¹ (рассматриваемые сутки характеризовались отсутствием сильных атмосферных явлений в виде ураганов, шквалов и гроз в пунктах регистрации, а также глобальных возмущений электромагнитной природы).

Вулкан Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай расположен в районе островов Полинезии на островной дуге Тонга-Кермадек. Регион отличается повышенной тектонической активностью. Вулкан до настоящего времени не проявлял особо высокой активности. Произошедшие в период с 1912 до 2021 г. извержения (последнее датируется 2014 г.) характеризовались максимальным уровнем 2 по шкале вулканической активности VEI. Извержение вулкана 15.01.2022 г., судя по приведенным в Интернете записям со спутников [8], характеризуется по нашему мнению уровнем не менее 5 по шкале VEI, что свидетельствует о том, что это одно из самых сильных извержений Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай.

Эксплозия вулкана началась 15.01.2022 г. в ~04:10 UTC с формирования быстро разрастающегося облака из водно-пепло-газовой смеси и пирокластического материала (рис. 1). Вся эксплозивная стадия, включая начальный этап формирования эруптивного облака²², заняла примерно 8 мин. Извержение вызвало мощные движения воздушных масс, что привело к заметным вариациям атмосферного давления на значительных расстояниях³³. В качестве примера на рис. 2 представлена запись атмосферного давления Р₀ в обсерватории Михнево ИДГ РАН, расположенной на расстоянии ~15 295 км от вулкана. Из рис. 2 следует, что на достаточно гладком суточном ходе Р₀ отчетливо проявляются 6 сигналов, пришедшие в MHV соответственно в ~18:30 UTC 15.01.2022 г., ~2:25 UTC 16.01.2022 г., ~06:40 UTC 17.01.2022 г., ~14:13 UTC 17.01.2022 г., ~17:55 UTC 18.01.2022 г. и ~02:20 UTC 19.01.2022 г.⁴⁴ Максимальные амплитуды первых 4 сигналов Р₁–Р₄ составили соответственно ~260, ~230, ~60 и ~50 Па.

Рис. 1.

Этапы развития эксплозивной стадии извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай; время, UTC: (а) – 04:15; (б) – 05:00; (в) – 06:00; (г) – 07:00 (снимки с геостационарного спутника GOES-17 (www.NASA.gov)).

Рис. 2.

Запись атмосферного давления в обсерватории MHV в период с 15.01.2022 г. по 19.01.2022 г.

С учетом скоростей распространения (~306–312 м/с), слабым затуханием с расстоянием (по нашим данным ~0.4 дБ на 1000 км) и значением преимущественной частоты эти сигналы представляют собой волны Лэмба, распространяющиеся в стратосферном волноводе [10–12]. Очевидно, что первый сигнал Р₁ – это пришедший в MHV первичный сигнал с азимута на эпицентр вулкана, вызванный мощными движениями воздушных масс в эпицентре эксплозии. Второй сигнал Р₂ – сигнал от виртуального источника, сформировавшегося в результате схождения первичного сигнала, огибающего земную сферу, в точке антипода. Этот сигнал зарегистрирован с азимута, противоположного азимуту первичного сигнала. Третий и четвертый сигналы Р₃ и Р₄ – это соответственно прямой и антиподальный сигналы, сформировавшиеся при повторном огибании земного шара основным (первичным) сигналом. Сигналы Р₅ и Р₆ с большой вероятностью являются соответственно третичным первичным и третичным антиподальным сигналами (см. ниже).

Более детальный анализ записей атмосферного давления, микробарических вариаций и времен прихода сигналов 18.01.2022 г. и 19.01.2022 г. свидетельствует о том, что действительно атмосферные возмущения Р₅ и Р₆ вызваны эксплозией вулкана и соответствуют третьему разу огибания земного шара. Это хорошо видно из рис. 3, на котором приведены более детально волновые формы сигналов Р₅ и Р₆, зарегистрированные микробарометром МБ-03 [12]. Из данных рис. 3 следует, что инструментально зарегистрированные аномальные микробарические вариации Р₀ в ~17:57 UTC 18.01.2022 г. и ~02:20 UTC 19.01.2022 г. с учетом скорости распространения атмосферного возмущения соответствуют приходу в MHV третичного прямого (из эпицентра эксплозии) и соответствующего ему третичного антиподального сигнала.

Рис. 3.

Ход атмосферного давления в обсерватории MHV в полосе частот 0.0008–10 Гц в период прихода третичного прямого (а) и антиподального (б) сигналов (соответственно 18.01.2022 г. и 19.01.2022 г.).

Здесь следует отметить, что времена “запаздывания” между прямыми сигналами и соответствующими им антиподальными сигналами близки между собой и составляют ~8 ч. Это подтверждает антиподальное расположение всех вторичных источников. Согласно оценкам, расстояние от MHV до антипода составляет примерно 4430 км.

Основные характеристики зарегистрированных сигналов Р₁–Р₄: амплитуда относительно тренда Р, значение первого периода колебаний Т и длительность τ (включая коду в виде инфразвуковой составляющей) приведены в табл. 1.

Анализ спектральных характеристик волновых возмущений свидетельствует о наличии ярко выраженной преимущественной частоты в районе 0.0007 Гц (рис. 4). Оценка энергии источника, выполненная по характерной частоте в спектре сигнала [13], дает значение ~10¹⁸ Дж, что в пересчете на взрывной источник соответствует ~200 Мт тротилового взрыва. Это согласуется с данными, полученными при регистрации двух прямых и одной антиподальной волны, вызванных ядерным взрывом в атмосфере эквивалентной мощностью 50 Мт 30.10.1961 г. [10, 14].

Рис. 4.

Зависимость спектральной плотности от частоты для первичного сигнала прямого распространения.

Представляет интерес рассмотрение реакции на эксплозию геофизических полей. Действительно, мощные движения, вызванные эксплозией, в частности, в вертикальном направлении, возбуждают глобальные токовые системы, которые проявляются на земной поверхности на значительных эпицентральных расстояниях R от вулкана в виде вызванных вариаций напряженности электрического поля и геомагнитных вариаций [2].

Результаты инструментальных наблюдений, выполненных в MHV и ЦГМ, свидетельствуют о том, что в период эксплозии регистрируются аномальные вариации вертикальной компоненты напряженности электрического поля Е. В качестве примера на рис. 5 приведены вариации Е в период эксплозии по данным ЦГМ. Из графика на рис. 5 хорошо видно, что с весьма небольшой задержкой после начала эксплозии вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай регистрируются характерные знакопеременные вариации Е с периодом ~2 мин и максимальной амплитудой ~10–12 В/м.

Рис. 5.

Вертикальная компонента электрического поля в период эксплозивного извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай 15.01.2022 г. по данным ЦГМ (вертикальной стрелкой обозначено время эксплозии).

Одновременно с этим в период эксплозии регистрируются геомагнитные вариации. В качестве иллюстрации на рис. 6 и 7 приведены результаты наблюдений за горизонтальной – наиболее чувствительной к внешним возмущениям компоненты магнитного поля В_Н, полученные в обсерваториях сети INTERMAGNET, расположенных на разных расстояниях от вулкана соответственно в субширотном и субмеридиональном направлениях (координаты обсерваторий и расстояния до вулкана приведены в табл. 2). Обращаясь к рис. 6 и 7, отмечаем: в период эксплозии отчетливо регистрируется изменение хода В_Н в виде практически знакопеременных вариаций, длительность которых достигает ~60 мин. При этом наблюдаемые аномальные вариации регистрируются практически одновременно на значительно отличающихся эпицентральных расстояниях от вулкана, что свидетельствует о глобальном характере вызванного возмущения.

Рис. 6.

Вариации горизонтальной компоненты магнитного поля Земли в период эксплозии вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай 15.01.2022 г. (регистрация в обсерваториях сети INTERMAGNET, расположенных в субширотном направлении от вулкана); эпицентральное расстояние приведено в поле рисунков (вертикальными стрелками обозначено время эксплозии).

Рис. 7.

Вариации горизонтальной компоненты магнитного поля Земли в период эксплозии вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай 15.01.2022 г.

Полученные данные характеризуют крупномасштабный и подтверждают эксплозивный характер извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай 15.01.2022 г. По мнению авторов, приведенные данные могут быть использованы при разработке теоретических и расчетных моделей сильных вулканических извержений эксплозивного типа.