Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 507, № 1, стр. 61-66
Вулканогенное цунами 15.01.2022 по данным глубоководных станций DART
М. А. Носов 1, 2, К. А. Семенцов 1, *, С. В. Колесов 1, 2, В. В. Прядун 1
1 Московский государственный университет
имени М.В. Ломоносова
Москва, Россия
2 Институт морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения Российской академии наук
Южно-Сахалинск, Россия
* E-mail: sebbest@yandex.ru
Поступила в редакцию 10.06.2022
После доработки 24.07.2022
Принята к публикации 25.07.2022
- EDN: KGELEN
- DOI: 10.31857/S2686739722601004
Аннотация
По данным глубоководных станций уровня моря DART и наземных барографов IRIS исследованы проявления взрывного извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай 15.01.2022 в тихоокеанском регионе. Установлено, что атмосферная волна Лэмба, вызванная взрывом вулкана, была сформирована в 04:27 UTC ± 4 мин и распространялась над акваторией Тихого океана со скоростью 312 ± 4 м/с. Показано, что первый отчетливо различимый импульс, регистрируемый всеми глубоководными станциями уровня моря DART, представляет собой прямое проявление атмосферной волны Лэмба. Выполнены теоретические оценки амплитуды проявления волны Лэмба в вариациях придонного давления. Показано, что в глубоком океане амплитуда вариаций придонного давления в разы превосходит амплитуду колебаний давления в волне Лэмба. Выполнены теоретические оценки амплитуды поверхностных гравитационных волн, возбуждаемых в океане на скачке глубин бегущим атмосферным возмущением.
После 7-летней паузы 20.12.2021 началось очередное извержение вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай (Hunga Tonga-Hunga Haʻapai – HTHHV), которое перешло в активную взрывную фазу, характеризуемую как извержение плинианского типа, 15.01.2022 [1]. Взрывная фаза извержения сопровождалась формированием волн цунами, которые наблюдались по всему Тихому океану с высотами до 15 м в ближней зоне и свыше 3 м в дальней зоне [2]. В результате мощного взрыва в атмосфере возникла волна Лэмба, обогнувшая Землю 4 раза [3, 4]. Атмосферное возмущение было зарегистрировано многочисленными наземными барографами и отчетливо наблюдалось с геостационарного спутника GOES-17 [4–6].
Основная цель настоящей работы – анализ и интерпретация сигналов, зарегистрированных во время этого события глубоководными станциями уровня моря DART, расположенными в акватории Тихого океана. Из 33 станций, функционировавших 15.01.2022, только 9 станций зарегистрировали событие, включая его начальную фазу, с дискретностью не более 1 мин. Для остальных станций дискретность составляла 15 мин или имелись значительные пропуски в данных, что делало невозможным интерпретацию сигналов.
В качестве источника важной вспомогательной информации рассматривались данные 26 наземных барографов тихоокеанского региона сети IRIS (http://ds.iris.edu/ds/). Дискретность измерений атмосферного давления составляла 1 с. Взаимное расположение вулкана HTHHV, барографов и станций DART показано на рис. 1.
Вариации атмосферного давления, зарегистрированные барографами, представлены на рис. 2. Проявления волны Лэмба отчетливо видны на каждой из 26 записей. Волна биполярная: сначала следует положительная фаза, затем – отрицательная. Максимумы положительной фазы однозначно выделяются на записях – соответствующие моменты времени отмечены на рисунке серыми вертикальными линиями. Эти моменты времени мы далее будем ассоциировать с временами вступления волны Лэмба. Ближайший к вулкану барограф AFI (829 км) зарегистрировал размах вариаций давления 0.980 кПа, наиболее удаленный барограф OTAV (10 749 км) – 0.225 кПа. Период волны Лэмба составил примерно 1 ч.
На рис. 3 построена зависимость времени вступления волны Лэмба от расстояния между вулканом и барографами. Четко прослеживается ожидаемая линейная связь. Пунктиром показана регрессионная зависимость, полученная методом наименьших квадратов. Регрессионная зависимость позволила оценить скорость распространения волны Лэмба 312 ± 4 м/с и время в источнике 04: 27 UTC ± 4 мин. Интервальные оценки соответствуют 95% вероятности. Полученные нами оценки скорости волны Лэмба и времени взрыва вулкана хорошо согласуются с данными, представленными в [2, 4–6]. Отметим, что максимум положительной фазы, очевидно, наступает с заметной задержкой относительно истинного вступления волны Лэмба. В связи с этим оценка времени в источнике также оказывается смещена относительно времени взрыва вулкана, восстановленного по сейсмическим данным (4:15 UTC, http://www.isc.ac.uk/iscbulletin/search/bulletin/).
На рис. 4 представлены записи вариаций придонного давления, зарегистрированные станциями DART. Из оригинальных сигналов предварительно была удалена низкочастотная приливная компонента (частота отсечки фильтра 10–4 Гц). На рисунке отмечены: полученное по нашим оценкам время в источнике (HTHHV), моменты вступления волны Лэмба (L) с учетом 95%-ного доверительного интервала и расчетное время вступления длинных гравитационных волн (G). Моменты вступления волны Лэмба рассчитаны по регрессионной зависимости, исходя из расстояния между вулканом и станциями DART. Время вступления гравитационных волн определено с использованием длинноволнового блока численной модели цунами CPTM [7].
Из рис. 4 видно, что датчики придонного давления регистрируют сигнал с амплитудой около 0.1 м задолго (от 1 до 4 ч) до расчетного времени вступления длинных гравитационных волн. Это свидетельствует о том, что наблюдаемые возмущения не могли быть сформированы вблизи вулкана за счет “традиционных” для вулканогенных цунами механизмов (выброс в воду большого объема вещества, коллапс кальдеры, оползни и т.д.) [8]. Возмущения, опережающие гравитационные волны, своим возникновением обязаны волне Лэмба, распространяющейся в атмосфере быстрее, чем длинные волны в океане. Заметим, возникновение аналогичных опережающих возмущений наблюдалось при извержении вулкана Кракатау в 1883 г. [9, 10].
Из рис. 4 хорошо видно, что первый отчетливо различимый всплеск сигнала на записях DART, имеющий амплитуду, близкую к амплитуде последующих гравитационных волн, в точности соответствует времени прохождения волны Лэмба, следовательно, этот всплеск есть не что иное, как непосредственное проявление колебаний атмосферного давления в вариациях придонного давления. После проявлений волны Лэмба на записях начинаются продолжительные колебания, которые представляют собой волны цунами, вызванные прохождением атмосферного возмущения. Позже к ним присоединяются волны, сформированные вблизи вулкана, которые, как правило, не имеют четко выраженных моментов вступления. Единственным исключением здесь является сигнал, зарегистрированный ближайшей к источнику станцией DART51425.
В рамках теории длинных волн амплитуда вариаций давления на дне океана, вызванных бегущим возмущением атмосферного давления, определяется формулой [8]:
(1)
${{{\text{p}}}_{{\text{b}}}} = \frac{{{{{\text{p}}}_{{\text{a}}}}{{U}^{2}}}}{{{{U}^{2}} - {\text{g}}H}},$На абиссальных глубинах (2500–5500 м), в соответствии с формулой (1), колебания атмосферного давления в волне Лэмба должны проявляться в вариациях придонного давления с усилением. Над глубоководными желобами скорость распространения волны Лэмба оказывается близкой к скорости длинных гравитационных волн, что соответствует резонансу Праудмена [8, 9].
Барограф POHA и станция DART51407 расположены в непосредственной близости друг от друга (см. рис. 1). Это обеспечило возможность прямой проверки справедливости соотношения (1). Амплитуда сигнала, зарегистрированного барографом, составила pa = 0.259 кПа, амплитуда вариаций придонного давления, зарегистрированная станцией DART, – pb = 0.053 м вод. ст. (0.545 кПа). Пересчет метров вод. ст. в кПа осуществлялся по формуле, представленной на официальном сайте системы DART (https://www.ndbc.noaa.gov/station_page.php?station=51407). С учетом глубины океана в точке постановки DART51407 (H = 4793 м) и скорости волны Лэмба (U = 312 м/с) получаем коэффициент усиления 1.93, т.е. оценка придонного давления по формуле (1) дает pb = 0.500 кПа, что весьма близко к значению, измеренному датчиком давления.
В заключение приведем оценки амплитуды длинных гравитационных волн, вызываемых в океане волной Лэмба. Известно, что бегущее возмущение атмосферного давления pa(x–Ut) вызывает вынужденное возмущение водной поверхности аналогичной формы [8]
(2)
${{\xi }} = \frac{{{{{\text{p}}}_{{\text{a}}}}H}}{{{{\rho }}\left( {{{U}^{2}} - {\text{g}}H} \right)}},$Рассмотрим одномерную задачу вдоль оси 0x. Пусть в точке x = 0 глубина скачком меняется с H1 на H2. Решения слева и справа “сшиваются” путем приравнивания смещений поверхности ξ1 = = ξ2 и потоков массы H1u1 = H2u2, где u1, u2 – соответствующие скорости течения. В итоге получаем оценку амплитуд свободных гравитационных волн, бегущих в положительном и отрицательном направлении оси:
(3)
${{{\text{A}}}^{ - }} = - \frac{{\left( {\sqrt {{\text{g}}{{{\text{H}}}_{1}}} - \sqrt {{\text{g}}{{{\text{H}}}_{2}}} } \right){{{\text{U}}}^{2}}{{{\text{p}}}_{{\text{a}}}}}}{{\left( {{\text{g}}{{{\text{H}}}_{1}} - {{{\text{U}}}^{2}}} \right)\left( {\sqrt {{\text{g}}{{{\text{H}}}_{2}}} + {\text{U}}} \right){{\rho g}}}},$(4)
${{{\text{A}}}^{ + }} = \frac{{\left( {\sqrt {{\text{g}}{{{\text{H}}}_{1}}} - \sqrt {{\text{g}}{{{\text{H}}}_{2}}} } \right){{{\text{U}}}^{2}}{{{\text{p}}}_{{\text{a}}}}}}{{\left( {{\text{g}}{{{\text{H}}}_{2}} - {{{\text{U}}}^{2}}} \right)\left( {\sqrt {{\text{g}}{{{\text{H}}}_{1}}} - {\text{U}}} \right){{\rho g}}}}.$Если вблизи точки x = 0 глубина меняется не скачком, а плавно, то формулы (3) и (4) можно рассматривать как оценку сверху для амплитуд свободных гравитационных волн. Похожие формулы мы ранее получали для амплитуд свободных гравитационных волн, возбуждаемых при прохождении поверхностными сейсмическими волнами скачка глубин [11–13]. Но случай сейсмических волн заведомо далек от резонанса Праудмена. Для атмосферной волны Лэмба, бегущей со скоростью 312 м/с, ситуация принципиально иная. Резонанс реализуется при реальной глубине океана H = 9939 м. Следовательно, на склонах глубоководных желобов волна Лэмба может эффективно возбуждать свободные гравитационные волны.
Простая оценка с использованием формул (3) и (4) показывает, что на скачке глубин от 1 до 9 км (e.g. западный склон желоба Тонга) волна Лэмба с амплитудой 0.5 кПа способна сформировать свободные гравитационные волны в океане с амплитудами ${{{\text{A}}}^{ - }} \approx 0.018$ м и ${{{\text{A}}}^{ + }} \approx 0.50$ м. А при скачке глубин от 9 до 5 км (e.g. восточный склон желоба Тонга) – с амплитудами ${{{\text{A}}}^{ - }} \approx 0.077$ м и ${{{\text{A}}}^{ + }} \approx 0.51$ м. Эти оценки не противоречат амплитудам волн, зарегистрированных станциями DART.
Список литературы
Zhao W., Sun C., Guo Z. Reawaking of Tonga volcano // The Innovation. 2022. V. 3. № 2. P. 100218.
National Geophysical Data Center // World Data Service: NCEI/WDS Global Historical Tsunami Database. NOAA National Centers for Environmental Information. Доступно по: https://www.ngdc.noaa.gov/hazel/view/hazards/tsunami/event-more-info/5824. Ссылка активна на 1 июня 2022.
Lamb H. On the vibrations of an elastic sphere // Proceedings of the London Mathematical Society. 1881. V. 1. № 1. P. 189–212.
Matoza R.S., Fee D., Assink J.D., et al. Atmospheric waves and global seismoacoustic observations of the January 2022 Hunga eruption, Tonga // Science. 2022. P. 1–11.
Kulichkov S.N., Chunchuzov I.P., Popov O.E., et al. Acoustic-Gravity Lamb Waves from the Eruption of the Hunga-Tonga-Hunga-Hapai Volcano, Its Energy Release and Impact on Aerosol Concentrations and Tsunami // Pure and Applied Geophysics. 2022. P. 1–16.
Amores A., Monserrat S., Marcos M., et al. Numerical Simulation of Atmospheric Lamb Waves Generated by the 2022 Hunga-Tonga Volcanic Eruption // Geophysical Research Letters. 2022. V. 49. № 6. P. e2022GL098240.
Носов М.А., Колесов С.В. Комбинированная численная модель цунами // Математическое моделирование. 2019. Т. 31. № 1. С. 44–62.
Levin B.W., Nosov M.A. Physics of Tsunamis. 2nd ed. Switzerland: Springer International Publishing AG; 2016.
Press F., Harkrider D. Air-sea waves from the explosion of Krakatoa // Science. 1966. V. 154. № 3754. P. 1325–1327.
Choi B.H., Pelinovsky E., Kim K.O., et al. Simulation of the trans-oceanic tsunami propagation due to the 1883 Krakatau volcanic eruption // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2003. V. 3. № 5. P. 321–332.
Носов М.А., Семенцов К.А., Колесов С.В., и др. Регистрация гравитационных волн, образованных в океане поверхностными сейсмическими волнами при землетрясении 11 марта 2011 г. у побережья Японии // ДАН. 2015. Т. 461. № 5. С. 593–598.
Sementsov K.A., Nosov M.A., Kolesov S.V., et al. Free gravity waves in the ocean excited by seismic surface waves: Observations and numerical simulations // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2019. V. 124. № 11. P. 8468–8484.
Семенцов К.А., Носов М.А., Колесов С.В., и др. Механизмы генерации свободных гравитационных волн в океане поверхностными сейсмическими волнами // Ученые записки физического факультета Московского Университета. 2018. № 5. С. 1850903–1–1850903–8.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Доклады Российской академии наук. Науки о Земле