Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 506, № 2, стр. 259-264

ВВЕДЕНИЕ

15 января 2022 г. произошло сильнейшее извержение вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай, расположенного на архипелаге Тонга (рис. 1). Энергия этого извержения оценивается от 4–18 до 150–200 мегатонн, что эквивалентно 1.7–7.6 × × 10¹⁶ Дж [1, 2]. Консультативный центр по вулканическому пеплу [3] выпустил уведомление для авиакомпаний. Пепел от извержения был особенно заметен на острове Тонгатапу, за ним скрылось Солнце. Громкие взрывы были слышны в 65 км от Нукуалофы, с неба сыпались мелкие камни и пепел. Они были слышны на Самоа, примерно в 840 км от вулкана и по всей Новой Зеландии и даже в Юконе (Канада). Зафиксированы звуковые волны, распространяющиеся по всему земному шару [1]. Колебания уровня моря, связанные с извержением вулкана, регистрировались повсеместно [4–6].

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЛН ЦУНАМИ ОТ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ОЧАГА

Атмосферные возмущения, связанные со взрывным извержением вулкана, регистрировались во многих городах России. Наряду с колебаниями атмосферного давления имеются записи колебаний водной поверхности на российском побережье Тихого океана. Эти мареограммы приведены на сайте [7]. Первые волны с высотой не более 10 см наблюдаются через 9.5 ч после начала сильного извержения. Хотя было понятно сразу, что эти волны не могут прийти так быстро в Японское море непосредственно от архипелага Тонго, но мы решили подтвердить это прямым расчетом распространения волн в рамках уравнений мелкой воды. Вообще говоря, мы должны воспользоваться дисперсионными уравнениями, так как характерный размер очага цунами достаточно мал и сравним с глубиной океана. Для вулканов обычно используется эквивалентный гидродинамический очаг [8], который неоднократно использовался при расчетах цунами, в частности, для интерпретации цунами вулканического происхождения в Карымском озере на Камчатке [9]. Высота смещения уровня воды в очаге в рамках такой модели для энергии извержения вулкана в 100 мегатонн составляет сотню метров, так что волны необходимо считать в рамках сильно нелинейной и дисперсионной модели. Однако, если мы хотим получить оценку времени прихода волны, то достаточно использовать уравнения мелкой воды и достаточно малый источник по интенсивности. В сущности, для этого достаточно использовать лучевой метод, но нам оказалось проще провести моделирование программным комплексом НАМИ-ДАНС (NAMI-DANCE) [10]. В наших расчетах был выбран гидродинамический очаг, который представляет собой полусферу высотой 5.5 м и диаметром около 100 км (повторим, что для оценки времени прихода первой волны параметры очага не важны). Результаты моделирования, представленные на рис. 1, показывают, что первые волны к японским островам подходят через 10 ч, а проникновение волн в Японское море практически не происходит. Таким образом, это относительно простое моделирование подтвердило, что волны цунами не могут подойти к российскому побережью Японского моря непосредственно от архипелага Тонга за наблюдаемое время.

РЕГИСТРАЦИЯ АТМОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ И КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ МОРЯ В ШЕЛЬФОВОЙ ЗОНЕ ЯПОНСКОГО МОРЯ

Наряду с колебаниями водной поверхности в акватории Японского моря так же были зарегистрированы изменения давления. Выделим здесь регистрацию сигнала на морской экспериментальной базе ТОИ ДВО РАН “м. Шульца” в Приморском крае (рис. 2). На рис. 3 показано изменение давления, зарегистрированное лазерным нанобарографом [11]. Данный прибор создан на основе равноплечего интерферометра Майкельсона и позволяет регистрировать вариации атмосферного давления в частотном диапазоне до 1000 Гц с точностью 50 мкПа. Заметное изменение давления началось в 12:06, причем пик сигнала приходится на 12:26. Таким образом, возмущения давления пришли примерно через 446 мин (7 ч 26 мин) после начала извержения. Если считать, что расстояние от точки измерения до вулкана около 9000 км, а скорость звука в атмосфере примерно 320 м/с, то время распространения получается около 437 мин (7 ч 17 мин), что свидетельствует в пользу атмосферных возмущений. Сразу скажем, что генерация атмосферных возмущений (так называемых волн Лэмба) была отмечена сразу многими исследователями; и важно подчеркнуть, что такие явления происходили и ранее, в частности при извержении вулкана Кракатау в 1883 г. [12].

Учитывая, что колебания уровня воды вдали от Кракатау в 1883 г. были обусловлены звуковыми волнами, мы сосредоточились на исследовании волн на воде, вызванных атмосферными возмущениями. Простейшая оценка вариации уровня воды под действием атмосферных возмущений следует из закона “обратного барометра” (для статических возмущений)

где ρ – плотность воды, p_atm – атмосферное давление, h – глубина, c – скорость распространения волны. При глубине 1000 м, вариации атмосферного давления в 225 Па приведут к смещению водной поверхности на высоту чуть более 1 см. Если же учитывать движение атмосферного фронта со скоростью V, то возникает резонанс Праудмена, и высота волны определяется по формуле (см., например, нашу работу [13]):

Скорость морских волн в Японском море около 135 м/с (при глубине в 1800 м), что в 2.5 раза меньше скорости звука (320 м/c), так что высота волны все равно остается малой. Учитывая, что в реальности на высоту волны влияют неоднородности рельефа дна, приводящие к фокусированию волновой энергии, мы выполнили расчеты генерации волн на воде атмосферными возмущениями в рамках двумерных уравнений нелинейно-дисперсионной теории с помощью программного комплекса НАМИ-ДАНС (NAMI-DANCE-P) [13]. Начальные условия предполагались нулевыми.

В качестве источника задавались возмущения атмосферного давления в области диаметром почти 400 км и вариаций давления 1400 Па, которые разбегались из центра со скоростью 320 м/с (цилиндрическая волна). В этом случае давление убывает с расстоянием пропорционально $\sqrt {R{\text{/}}r} $, где R – радиус очага, а r – расстояние до Приморья. Через 9000 км максимальное значение атмосферного давления падает приблизительно в 4.74 раза и совпадает с наблюдаемыми вариациями давления, зарегистрированными на м. Шульца.

Рассчитанное время прихода первой волны цунами (рис. 4) показывает, что первые волны к японским островам подходят менее чем за 7 ч. Более детально рассчитанные мареограммы в заливе Посьета и Владивостоке показаны на рис. 5 и 6. Здесь же дано сопоставление с наблюдаемыми мареограммами. Как видим, совпадение весьма хорошее, как по времени прихода, так и по амплитудам волн. Это доказывает, что данные возмущения уровня моря обусловлены приходом взрывной волны в атмосфере, образованной при извержении вулкана.

ВЫВОДЫ

Мы демонстрируем, что возмущения атмосферного давления и колебания водной поверхности, связанные с извержением вулканов, оказались зарегистрированными на российском шельфе Японского моря на расстоянии около 9000 км от архипелага Тонга. Рассчитанные колебания уровня моря, вызванные прохождением звуковой волны от взрыва, оказываются в согласии с данными наблюдений на станциях залива Посьета и Владивосток.