Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 509, № 2, стр. 237-242

Извержения вулканов сопровождаются многочисленными геофизическими эффектами, которые наиболее ярко проявляются на эксплозивной стадии вулканической активности. Наряду с сильными локальными возмущениями атмосферы в результате резкого выброса смеси газов и пирокластического материала, что приводит, в частности, к образованию атмосферных волн [1], наблюдаются также магнитные и атмосферно-электрические эффекты [2–6]. Атмосферные волны и электризация эруптивного облака определяют сложный характер воздействия вулканических извержений на среду. Изучение вариаций физических полей, вызванных вулканами, вызывает особый интерес как с точки зрения расширения представлений и понимания механизмов явлений и процессов, сопровождающих вулканические извержения, так и с точки зрения оценки и возможностей прогнозирования их экологических последствий.

В настоящем сообщении рассматриваются геофизические эффекты, вызванные активностью вулкана Стромболи 09.10.2022 г. Вулкан высотой ~900 м над уровнем моря расположен в Тирренском море (ГЕО: 38.79° с.ш.; 15.21° в.д.) примерно в 75 км к северу от о. Сицилия (рис. 1). Вулкан периодически активен. Последнее сильное извержение в виде чередования двух эксплозий и мощной продувки между ними произошло в июле-августе 2019 г. [2, 3].

Рис. 1.

Схема расположения обсерваторий европейской части сети ИНТЕРМАГНЕТ; А – вулкан Стромболи.

Максимум эксплозивной активности вулкана Стромболи 09.10.2022 г. наблюдался в ~ 06:15 UTC. В ~ 07:22 UTC сформировался пирокластический поток, достигший береговой линии и растекшийся по морю на несколько сотен метров. За пирокластическим потоком следовал мощный лавовый поток, активность которого спала к ~18:00 UTC.

В качестве исходных данных использовались результаты инструментальных наблюдений за микробарическими вариациями и геомагнитным полем в обсерватории “Михнево” ИДГ РАН (MHV; ГЕО: 54.94° с.ш.; 37.73° в.д.) [7], а также микробарическими вариациями и вариациями электрического поля в Центре геофизического мониторинга г. Москвы (ЦГМ; ГЕО: 55.71° с.ш.; 37.57° в.д.) [8].

Микробарические вариации в MHV измерялись с помощью микробарометра МБ-03, который обеспечивал устойчивую регистрацию акустических сигналов амплитудой от 0.01 до 200 Па в диапазоне частот 0.0003–10 Гц. Поиск акустических сигналов, вызванных извержением вулкана, выполнялся на основе анализа исходной записи в диапазоне частот 0.005–1 Гц с учетом расстояния до источника сигнала (~2460 км) и вероятной скорости его распространения в стратосферном волноводе (280–310 м/с) [9].

Компоненты индукции магнитного поля B_x, B_y и B_z¹¹ регистрировались феррозондовым цифровым магнитометром LEMI-018, который обеспечивал уверенную регистрацию в диапазоне ±68 000 нТл с разрешением 10 пТл (частота выборки 1 с^–1). При анализе магнитного эффекта, вызванного извержением вулкана, привлекались также данные магнитных измерений, выполненных в обсерваториях сети ИНТЕРМАГНЕТ (табл. 1), расположенных на разных расстояниях от вулкана R.

При описании электрического эффекта вулканического извержения использовались результаты регистрации вертикальной компоненты атмосферного электрического поля Е в ЦГМ. Измерения напряженности электрического поля осуществлялись с помощью электростатического флюксметра ИНЭП [10] в диапазоне частот 0–20 Гц с частотой выборки 1 с^‒1. Для анализа Е использовались ряды цифровых записей, сформированные с дискретностью 5 с.

Метеорологические параметры в MHV и ЦГМ контролировались с помощью автоматизированных цифровых метеостанций Davis Vantage Pro 2.

Следует отметить, что период выполнения инструментальных наблюдений характеризовался достаточно спокойной магнитной обстановкой (табл. 2) и отсутствием значимых локальных возмущений атмосферы и атмосферного электрического поля, что значительно упростило изучение геофизических эффектов, вызванных вулканическим извержением.

При оценках влияния вулканического извержения на ионосферу привлекались свободные к доступу данные по критической частоте F₂-слоя ионосферы f₀F₂, полученные на станции наземного вертикального зондирования ионосферы “Рим”, расположенной на расстоянии ~ 440 км от вулкана (ГЕО: 41.8° с.ш.; 12.5° в.д.) [11].

Результаты наблюдений показывают, что активная (эксплозивная) стадия вулканического извержения сопровождалась генерацией акустического сигнала, вид которого по данным обсерватории MHV, расположенной на расстоянии ~2460 км от вулкана, приведен на рис. 2. Сигнал зарегистрирован в MHV в ~08:45 UTC (скорость распространения ~290 м/с). Общая форма вызванного сигнала представляет собой хорошо выраженный цуг отдельных сигналов, что соответствует данным бюллетеня № 41/2022 от 11.10.2022 г. Национального института геофизики и вулканологии Италии (INGV), свидетельствующим о неоднократном проявлении вулканических эксплозий в течение небольшого промежутка времени (бюллетень [12]). Максимальная амплитуда акустического сигнала в MHV составила ~6 Па.

Рис. 2.

Акустический сигнал, вызванный извержением вулкана Стромболи 09.10.2022 г. по данным MHV.

Анализ данных магнитных измерений свидетельствует о том, что активная стадия вулканического извержения сопровождалась вариациями магнитного поля Земли, причем на значительных расстояниях от вулкана. В качестве примера на рис. 3 приведены вариации $В_{x}^{*}$ относительно тренда горизонтальной, наиболее чувствительной к внешним возмущениям, компоненты магнитного поля В_х по данным некоторых магнитных обсерваторий²². Из рис. 3 следует, что в период эксплозивной стадии извержения Стромболи 09.10.2022 г. примерно в 06:40 – 07:40 UTC наблюдались хорошо выраженные изменения в вариациях геомагнитного поля в виде отрицательной бухты, осложненной знакопеременными вариациями $В_{x}^{*}$. Характерно, что максимальная амплитуда вызванных вариаций В* находится в достаточно узком диапазоне 3.1–4.8 нТл вне зависимости от расстояния R (табл. 1).

Рис. 3.

Вариации горизонтальной компоненты геомагнитного поля по данным MHV и некоторых обсерваторий ИНТЕРМАГНЕТ в период максимальной активности извержения вулкана Стромболи 09.10.2022 г. (вертикальная штриховая линия – время максимальной эксплозивной активности вулкана).

Данные настоящей работы свидетельствуют о том, что аномальные геомагнитные вариации наблюдаются не только в период максимальной активности вулкана, но также в период прихода вызванного вулканом акустического сигнала в точку регистрации. В качестве примера на рис. 4 приведены геомагнитные вариации в период прихода акустического сигнала в MHV. Из рис. 4 следует, что акустический сигнал вызвал знакопеременные вариации вертикальной $В_{z}^{*}$ и горизонтальной $В_{x}^{*}$ компонент магнитного поля относительно тренда амплитудой соответственно ~2.5 и ~4.5 нТл.

Рис. 4.

Вариации горизонтальной и вертикальной компонент геомагнитного поля в MHV в период прихода акустического сигнала, вызванного извержением вулкана Стромболи 09.10.2022 г. (вертикальная штриховая линия – время прихода акустического сигнала в MHV).

Вулканическая активность 09.10.2022 г. вызвала изменения в ходе зависимости напряженности электрического поля от времени t. На рис. 5 приведены результаты измерений вертикальной компоненты электрического поля Е в MHV ‒ обсерватории, расположенной на значительном расстоянии от Стромболи (табл. 1). Данные рис. 5 свидетельствуют о том, что в период примерно с 06:43 до 07:15 UTС было зарегистрировано возникновение хорошо выраженных аномальных вариаций Е(t) в виде знакопеременной пульсации с периодом ~20 мин и максимальной амплитудой ~30 В/м.

Рис. 5.

Вариации вертикальной компоненты напряженности электрического поля в MHV в период максимальной активности вулкана Стромболи 09.10.2022 г.

Ионосферный эффект извержения в виде вариаций критической частоты f₀F₂, зарегистрированных на станции наземного зондирования “Рим” с помощью ионозонда DPS-4, представлен на рис. 6. Одновременно на том же рисунке приведена разность Δf₀F₂ между значениями f₀F₂ за 09.10.2022 г. и медианными значениями за октябрь 2022 г. Из рис. 6 следует, что активность вулкана вызвала ярко выраженные знакопеременные вариации критической частоты f₀F₂ в период с ~06:15 до ~09:00 UTC (период ~45 мин, максимальная амплитуда ~1 МГц). Также заметные увеличения критической частоты F₂-слоя ионосферы по сравнению с фоновыми наблюдались с 09:10 до ~17:00 UTС в виде положительной бухты.

Рис. 6.

Вариации критической частоты F₂-слоя ионосферы f₀F₂ за 09.10.2022 г. и разности Δ f₀F₂ между значениями f₀F₂ за 09.10.2022 г. и медианными значениями за октябрь 2022 г.

Полученные данные свидетельствуют о том, что активная стадия извержений вулкана Стромболи 09.10.2022 г. сопровождалась генерацией акустического сигнала, параметры которого позволили зарегистрировать его на значительном расстоянии от источника, а также выраженными геомагнитными вариациями и вариациями электрического поля. При этом следует особо отметить, что вызванные вариации магнитного поля зарегистрированы на всех магнитных обсерваториях примерно в один и тот же период времени, что может свидетельствовать о глобальном характере возмущений. Характерно, что максимальные амплитуды вызванных вариаций магнитного поля не сильно изменяются в достаточно широком диапазоне расстояний: от ~300 до ~6600 км.

Отдельный интерес представляет ионосферный эффект вулканического извержения. Этот вопрос требует проведения дополнительных, более детальных исследований, не только в части интерпретации обнаруженного эффекта, но также поиска наиболее вероятного механизма возмущающего влияния эксплозий и интенсивного лавового потока на физические характеристики ионосферы.

По мнению авторов, полученные данные окажутся полезными исследователям при разработке теоретических и расчетных моделей воздействия вулканов на геофизическую среду, выступая в качестве необходимой основы для их верификации.