Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 504, № 2, стр. 156-162
Геофизические эффекты извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай 15.01.2022 г.
Академик РАН В. В. Адушкин 1, Ю. С. Рыбнов 1, *, А. А. Спивак 1
1 Институт динамики геосфер имени
академика М.А. Садовского Российской академии наук
Москва, Россия
* E-mail: rybnov.y@mail.ru
Поступила в редакцию 08.02.2022
После доработки 16.02.2022
Принята к публикации 17.02.2022
- EDN: MXHQEV
- DOI: 10.31857/S2686739722060032
Аннотация
Приведен анализ результатов инструментальных наблюдений за метеопараметрами, микробарическими вариациями и вариациями электрического поля в обсерватории Михнево и Центре геофизического мониторинга Москвы ИДГ РАН, а также геомагнитными вариациями в обсерваториях сети INTERMAGNET в период эксплозивного извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай 15.01.2022 г. Показано, что эксплозия вулкана сопровождалась волновыми возмущениями атмосферы, а также вариациями магнитного и электрического поля на значительных эпицентральных расстояниях. Отмечается, что наряду с вызванными в эпицентре эксплозии волнами Лэмба зарегистрированы волны, вызванные виртуальным источником, расположенным в антиподе, а также вторичные и третичные прямые (из эпицентра эксплозии) и антиподные волны, что свидетельствует о том, что волновой атмосферный сигнал трижды обогнул земную сферу. Оценка энергии источника, выполненная по характерной частоте в спектре сигнала, дает значение ~1018 Дж, что в пересчете на взрывной источник соответствует ~200 Мт тротиловому взрыву. Показано, что эксплозия вулкана вызвала глобальные вариации электрического и магнитного полей.
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)).

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.
Таблица 1.
Характеристики атмосферных сигналов (по данным MHV)
Сигнал | Параметры | ||
---|---|---|---|
Р, Па | Т, мин | τ, мин | |
Р1 | ~260 | ~16 | ~70 |
Р2 | ~230 | ~20 | ~80 |
Р3 | ~60 | ~40 | ~60 |
Р4 | ~50 | ~30 | ~100 |
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 ВН, 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 ВН 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.

Таблица 2.
Характеристики обсерваторий сети INTERMAGNET
Код станции | Параметры | ||
---|---|---|---|
Широта (GEO) | Долгота (GEO) | R, км | |
Субширотное расположение станций | |||
EYR | –43.474 | 172.393 | 2790 |
CTA | –20.1 | 146.3 | 3030 |
KAK | 36.23 | 140.18 | 7850 |
MMB | 43.91 | 144.19 | 8265 |
MGD | 60.051 | 150.728 | 9470 |
YAK | 61.96 | 129.66 | 10 370 |
JCO | 70.356 | 148.799 | 10 490 |
IRT | 52.27 | 104.45 | 11 160 |
Субмеридиональное расположение станций | |||
CNB | –35.23 | 149.36 | 3802 |
GNG | –31.356 | 115.715 | 6885 |
PAF | –49.35 | 70.26 | 9915 |
TDC | –37.067 | –12.316 | 13 370 |
SHE | –15.961 | 354.253 | 15 800 |
ASC | –7.95 | 345.62 | 16 225 |
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.
Список литературы
Адушкин В.В., Гостинцев Ю.А., Фирстов П.П. О природе воздушных волн при сильных эксплозивных извержениях // Вулканология и сейсмология. 1984. № 5. С. 3–11.
Spivak A.A., Rybnov Yu.S., Riabova S.A., Soloviev S.P., Kharlamov V.A. Acoustic, Magnetic and Electric Effects of Stromboli Volcano Eruption, Italy, in July-August 2019 // Izvestiya, Physics of the Solid Earth. 2020. V. 56. № 5. P. 708–720.
Фирстов П.П., Акбашев Р.Р., Жаринов Н.А., Максимов А.П., Маневич Т.М., Мельников Д.В. Электризация эруптивных облаков вулкана Шевелуч в зависимости от характера эксплозии // Вулканология и сейсмология. 2019. № 3. С. 49–62.
Руленко О.П. Электризация вулканических облаков // Вулканология и сейсмология. 1985. № 2. С. 71–83.
James M.R., Lane S.J., Jennie S.G. Volcanic Plume Electrification: Experimental Investigation of a Fracture-charging Mechanism // J. Geophys. Res.: Solid Earth. 2000. V. 105. B7. P. 16641–16649.
Johnston M.J.S. Review of Electric and Magnetic Fields Accompanying Seismic and Volcanic Activity // Surveys in geophysics. 1997. V. 18. P. 441–475.
Mather T.A., Harison R.G. Electrification of Volcanic Plumes // Surveys in Geophysics. 2006. V. 27. № 4. P. 387–432.
https: //nplus1.ru/material/2022/01/21/tonga
https: //regnum.ru/news/accidents/3477676.html
Gossard E.A., Hook W.H. Waves in the Atmosphere. Amsterdam; Oxford. N.Y.: Elsivier Sci. Publ. Comp., 1975. 456 p.
Куличков С.Н. О распространении волн Лэмба в атмосфере вдоль земной поверхности // Изв. АН СССР. Физика земли и океана. Т. 23. № 12. С. 1251–1261.
Адушкин В.В., Рыбнов Ю.С., Спивак А.А. Инфразвук в атмосфере. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2020. 332 с.
Adushkin V.V., Rybnov Yu.S., Spivak A.A., Kharlamov V.A. Relationship between the Parameters of Infrasound Waves and the Energy of the Source // Izvestiya, Physics of the solid Earth. 2019. V. 55. № 6. P. 898–906.
Wexler H., Hass W.H. Global Atmospheric Pressure Effect of the October 30, 1961, Explosion // J. Geophys. Rews. 1962. V. 67. № 10. P. 3875.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Доклады Российской академии наук. Науки о Земле