Вулканология и сейсмология, 2023, № 2, стр. 69-82

ВВЕДЕНИЕ

Действующий стратовулкан Эбеко (50°41′20″ с.ш., 156°00′54″ в.д.) расположен в северной части хребта Вернадского о-ва Парамушир, в 7.4 км к западу от г. Северо-Курильск (рис. 1). По частоте извержений является одним из активнейших вулканов Курильской островной дуги и представляет серьезную опасность для города.

Первые геоморфологические и геологические описания вулкана были опубликованы в работах [Tanakadate, 1936; Gorshkov, 1958]. Постройка вулкана Эбеко имеет максимальную высоту 1156 м над уровнем моря, но не имеет выдающегося и хорошо развитого вулканического конуса. Его низкопрофильное сооружение состоит из нескольких слитых малообъемных андезитовых лавовых куполов. Широкая и довольно плоская вершинная область вулкана занята несколькими перекрывающимися мелкими маарообразными кратерами диаметром 200–300 м (рис. 2).

В работе [Belousov et al., 2021] показано, что извержения вулкана Эбеко охватывает целый ряд механизмов – от чисто магматических до фреатических/гидротермальных и фреатомагматических. Длительность извержений, как правило, составляет 2–4 года, а периоды межэруптивной деятельности – 20–30 лет. 19 октября 2016 г. начался новый цикл активности вулкана Эбеко [Walter et al., 2020; Котенко и др., 2018; Гирина и др., 2017; Дегтярев, Чибисова, 2020; Котенко и др., 2019; Рыбин и др., 2017], который продолжается и в настоящее время. Извержения происходят в виде эпизодических эксплозий вулканского типа со значительными вариациями мощности и периодичности [Фирстов и др., 2020].

Во время извержений вулкана формируются эруптивные облака, которые представлены пеплом, аэрозолем и газом. Максимальная высота подъема эруптивной колонны эксплозий достигала 4–5 км н.у.м. (см. рис. 2б). Условия стратификации атмосферы определяют перенос масс пепла и газов на различные расстояния. Довольно часто в г. Северо-Курильске, который расположен в 7 км от кратера вулкана, выпадает пепел.

В результате ряда физических процессов, таких как трибоэлектризация, фрактоэмиссия, взаимодействие продуктов извержения с метеорологическими облаками, продукты извержения электризуются. В эруптивном облаке формируются объемные электростатические заряды [Руленко, 1994; Behnke et al., 2013]. Долговременные непрерывные наблюдения градиента потенциала электрического поля атмосферы (V  ′ ЭПА) являются экспериментальной основой для исследований электризации эруптивных облаков.

АППАРАТУРА, МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЙ

В 2018 г. в г. Северо-Курильск на базе сейсмической станции SKR Сахалинского филиала Федерального исследовательского центра “Единая геофизическая служба” (СФ ФИЦ ЕГС) РАН (см. рис. 1) был установлен аппаратно-программный комплекс на базе аналогового датчика “ЭФ-4” [Ефимов и др., 2013; Акбашев, Фирстов, 2021] для мониторинга V ′ ЭПА [Akbashev et al., 2018, Akbashev, Firstov, 2019] с целью исследования электростатической структуры эруптивных облаков.

За активностью вулкана Эбеко в КФ ФИЦ ЕГС РАН ведется непрерывное видеонаблюдение¹¹ (http://www.emsd.ru/video/Ebeko/img_1.jpg), видеокамера установлена в SKR (см. рис. 1). Эти данные являются достаточными для селекции откликов в вариациях V ' ЭПА, связанных с распространением эруптивных облаков вулкана Эбеко (см. рис. 2б). В некоторых случаях дополнительно используются данные акустического и спутникового мониторинга, а также данные баллонного зондирования, которое проводится два раза в сутки на метеорологической станции Сахалинского УГМС в г. Северо-Курильск. Данные баллонного зондирования находятся в открытом доступе (http://www.esrl.noaa.gov/raobs/intl/intl2000.wmo). Оценка максимальной высоты эруптивной колоны выполнена на основании данных видеонаблюдений.

Вариации электрического поля атмосферы отражают множество физических процессов, и в первую очередь эти вариации обусловлены метеорологической обстановкой. Поэтому селекция откликов V ' ЭПА, связанных с эруптивными облаками извержений вулкана Эбеко, проводилась в том числе по амплитудной характеристике сигнала по следующему правилу:

где $({{A}_{{an}}} - {{A}_{f}})$ – абсолютное значение амплитуды отклика V ' ЭПА, ${{A}_{{an}}}$ – максимальное значение амплитуды зарегистрированного отклика V ' ЭПА, ${{A}_{f}}$ ‒ фоновое значение вариаций V ' ЭПА до отклика.

Принятое правило позволило исключить из анализа менее представительные данные откликов V ' ЭПА от эруптивных облаков. Такие отклики регистрировались в результате относительно слабых (высота подъема эруптивной колонны 1500–2000 м н.у.м.) эксплозий вулкана Эбеко.

Естественно, эксплозии происходили при различных метеорологических условиях. Регистрация отклики V ′ ЭПА происходила как в условиях хорошей погоды, так и в сложных метеорологических условиях, когда эруптивное облако распространялось и взаимодействовало с метеорологическими облаками. Такое взаимодействие могло повлиять на уменьшение заряда эруптивного облака [Климин и др., 1990]. Кроме того, метеорологические облака характеризуются собственными электростатическими зарядами, и в результате регистрируется суммарное наведенное поле от метеорологических облаков и эруптивного облака. Поэтому отклики V ' ЭПА, связанные с распространением эруптивных облаков в сложных метеорологических условиях, были исключены из анализа данных.

Для дальнейшего анализа электростатической структуры эруптивных облаков эксплозий вулкана Эбеко необходимо вести параметр форм-фактора эруптивного облака, который будет отражать характеристику эруптивного облака на момент регистрации в SKR (см. рис. 1). Очевидно, что этот параметр определяется, во-первых, мощностью отдельных эксплозий вулкана Эбеко, которая может быть различная, и поэтому максимальная высота подъема эруптивного облака от уровня кратера вулкана может быть от первых сотен метров до первых километров. Во-вторых, форм-фактор определяется ветровой стратификацией на высотах, где распространяется эруптивное облако. На основании данных видеонаблюдения определены следующие характерные типы форм-факторов эруптивных облаков эксплозий вулкана Эбеко.

Тип A. Формируется при средних (2000–2500 м н.у.м.) и сильных (более 2500 м н.у.м.) эксплозиях (градация в рамках параметров извержений вулкана Эбеко). В результате формируется эруптивная колонна с хорошо выраженными верхней и нижней областями (рис. 3а). При этом условия ветровой стратификации атмосферы такие, что возникает боковой снос эруптивного облака и, соответственно, на момент регистрации отклика V ' ЭПА, взаимное расположение нижней и верхней областей эруптивного облака остается близким к вертикальному, угол ɑ не более 35°.

Тип B. Данный тип по своему генезису аналогичен форм-фактору типа A. Но при этом условия ветровой стратификации атмосферы такие, что на момент регистрации отклика V ′ ЭПА, взаимное расположение нижней и верхней областей эруптивного облака значительно меняются, увеличивается расстояние между этими областями как по вертикали, так и по горизонтали, угол ɑ более 35° (см. рис. 3б).

Тип C. Характерен для слабых (до 1500 м н.у.м.) эксплозий. В результате формируется “распыленное” эруптивное облако, т.е. без выраженных нижней и верхней областей (см. рис. 3в).

Тип D. Характерен для слабых длительных извержений (продувка), в результате которых формируется протяженный шлейф (см. рис. 3г).

РЕЗУЛЬТАТЫ ДОЛГОВРЕМЕННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ГРАДИЕНТА ПОТЕНЦИАЛА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ АТМОСФЕРЫ В SKR

За период с 1 октября 2018 по 1 декабря 2020 гг. в SKR зарегистрировано 179 случаев (рис. 4а), когда распространение эруптивного облака происходило в безоблачных или малооблачных условиях и сопровождалось откликом в вариациях V ' ЭПА. В результате анализа выделено четыре характерных типов откликов V ′ ЭПА на распространение эруптивного облака. На рис. 4б представлены идеализированные формы характерных откликов V ′ ЭПА. Подавляющее число откликов характеризуется отрицательным возмущением – 120 случаев (67%); в 36 (17%) случаях зарегистрированы положительные отклики; 15 (7%) случаев откликов имеют конфигурацию типа “N/P/N” (отрицательный/положительный/отрицательный); в 9 (5%) случаях зарегистрированы дипольные вариации V ' ЭПА, при этом в 5 случаях с конфигурацией диполя типа “P/N” и в 4 случаях с конфигурацией диполя “N/P”; в 6 (4%) случаях, когда эруптивное облако распространялось в безоблачных условиях и над SKR возмущение в вариациях V ' ЭПА не зарегистрировано.

Для более подробного анализа данных необходимо рассмотреть выборку данных по дополнительному критерию – выбрать те случаи, когда эруптивное облако распространялось над SKR (см. рис. 4в). Это позволяет определить, во-первых, кажущуюся скорость распространения эруптивного облака, во-вторых, проследить взаимосвязь форм-фактора эруптивного облака и наблюдаемого отклика V ' ЭПА. Кажущаяся скорость распространения эруптивного облака для представленной выборки рассчитана на основании данных видеонаблюдения с SKR, по которым определялось время начала эксплозии с погрешностью ±60 с и на основании времени вступления максимума амплитуды отклика V ' ЭПА на SKR.

Рассмотрим III тип отклика. На рис. 5 и 6 показаны примеры откликов III типа и соответствующие им этапы распространения эруптивного облака. Из представленных данных (см. рис. 4) видно, что регистрация данного типа отклика возможна только при условии, если:

1. эруптивное облако распространяется строго над SKR или незначительно в стороне от пункта регистрации;

2. эруптивное облако на момент регистрации отклика соответствует форм-фактору типу A;

3. эруптивное облако распространяется со скоростью не менее ~12‒25 м/c, при этом нижняя и верхняя области эруптивного облака распространяются примерно с одинаковой скоростью.

Такие условия формирования и распространения эруптивного облака способствовали сохранению близко к вертикальной структуре взаимного расположения верхней и нижней областей на момент регистрации отклика.

Далее рассмотрим IV тип отклика. Количество таких случаев для двух выборок различное (см. рис. 4). Это связано с тем, что в случаях, когда эруптивное облако распространялось над SKR, его форм-фактор относился только к типу B (см. рис. 4в), в то время как для общей выборки форм-фактор эруптивного облака соответствует как типу A, так типу B (см. рис. 4а). IV тип отклика при форм-факторе эруптивного облака типа A регистрировался в тех случаях, когда эруптивное облако распространялось таким образом, что его нижняя область не проходила над SKR. На рис. 7 и 8 показаны примеры откликов IV типа и кадры распространения соответствующих эруптивных облаков. Конфигурация откликов IV типа может быть “P/N” или “N/P”. Последовательность отклика продиктована условиями ветровой стратификации атмосферы и, соответственно, условиями распространения эруптивного облака. Если нижняя область эруптивного облака распространяется быстрее, чем верхняя, то регистрируется конфигурация “P/N”. Когда верхняя область распространяется быстрее, чем нижняя, то регистрируется обратная конфигурация отклика.

Комплексный анализ зарегистрированных данных свидетельствует о преобладающем отрицательном объемном заряде в верхней области эруптивного облака, при локализации положительного заряда – в нижней области эруптивного облака. При этом определяющее значение для форм-фактора эруптивного облака на момент регистрации отклика является ветровая стратификация атмосферы, в результате которой контролируется взаимное положение верхней и нижней областей эруптивного облака, которое определяется расстоянием между центрами верхней и нижней областей эруптивного облака и выражается в значении угла a.

Регистрация только положительного или только отрицательного отклика для случаев, когда эруптивное облако имело форм фактор типа A и B, является следствием взаимного расположения объемных зарядов в эруптивном облаке. Их суперпозиция на момент регистрации по всей видимости такая, что регистрируется суммарное наведенное поле, характеризующееся одной полярностью.

Прямая взаимосвязь регистрации откликов I и II типа с типами форм-факторов эруптивного облака C и D не установлена. При таких случаях регистрировались как отрицательные, так и положительные отклики.

Обобщая результаты анализа данных для III и IV типов откликов, можно сделать вывод, что нижняя область эруптивного облака имеет, как правило, положительный заряд, а верхняя – отрицательный (см. рис. 3б). Такое распределение объемных униполярных зарядов в эруптивном облаке можно объяснить известной фенологической особенностью трибоэлектризации, в результате которой частицы заряжаются разными знаками в зависимости от их размера, при этом отрицательный заряд характерен для мелких частиц, а положительный – для более крупных [Mendez et al., 2021; Lacks, Levandovsky, 2007]. Такая модель формирования объемных зарядов в эруптивном облаке находит подтверждение по результатам многих натурных наблюдений на различных вулканах мира [Руленко, 1994; Lane, Gilbert, 1992; Miura et al., 2002], подтверждается и результатам экспериментальных работ [Mendez et al., 2021] и в теоретических работах [Lacks, Levandovsky, 2007]. Тем не менее, формирования объемного положительного заряда в нижней области может быть связано и с другим физическим процессом.

Условия ветровой стратификации атмосферы определяют взаимное пространственное расположение наэлектризованных нижней и верхней областей эруптивного облака, что в свою очередь определяет тип регистрируемого сигнала V ′ ЭПА. Для подтверждения такой закономерности проведем численное моделирование откликов в вариациях V ′ ЭПА на распространения эруптивного облака с различными вариантами взаимного расположения в нем верхней и нижней областей.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФЛУКТУАЦИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ АТМОСФЕРЫ, СВЯЗАННЫХ С РАСПРОСТРАНЕНИЕМ ЭРУПТИВНЫХ ОБЛАКОВ

Сосредоточенные на частицах пеплов, аэрозолях и газах, электрические заряды представляют собой объемный электростатический заряд с довольно сложным распределением плотности положительных и отрицательных зарядов в пространстве. При распространении эруптивного облака его электростатическая структура непрерывно эволюционирует. В результате эоловой и гравитационной седиментации продуктов извержения, а также их взаимодействия с воздухом, в эруптивном облаке формируются объемные униполярные заряды. Имея записи V ′ ЭПА и зная параметры распространения эруптивного облака, можно судить о локализации характерных объемных электростатических структур в нем и об изменении распределения электрических зарядов в эруптивном облаке.

Далее важно “условиться” о связи вертикальной компоненты напряженности электрического поля атмосферы (E_z) и V ' ЭПА. В работах по атмосферному электричеству встречаются различные подходы к данному вопросу, согласно правилу, эти величины отличаются по знаку. В настоящей работе принят следующий подход, характерный для задач электростатики: вектор напряженности ЭПА направлен от положительного знака к отрицательному, а оси координат соответствуют этому направлению. Согласно этому положению $\overrightarrow {{{E}_{z}}} $ будет иметь направление сверху вниз (от положительно заряженной ионосферы к отрицательно заряженной Земле) и, таким образом, будет соответствовать V ' ЭПА по знаку.

Наиболее простая модель расположения объемных электростатических зарядов в эруптивном облаке на этапе его максимального подъема и распространения следующая: объемная электростатическая структура в эруптивном облаке заменяется двумя эффективными точечными зарядами q₁ и q₂, расположенными на оси z и на высотах h₁ и h₂ соответственно. На рис. 9 представлена схема расположения точечных зарядов и система координат. Величина эффективных зарядов и их расположение зависят от условий ветровой стратификации. Полагая, что земля – идеальный проводник, учтем поле индуцируемых в ней зарядов, которое эквивалентно полю электрических изображений зарядов q₁ и q₂ (см. рис. 9). Тогда на поверхности земли (z = 0) отличная от нуля будет только вертикальная компонента напряженности электрического поля, которая соответствует выражению [Чернева, Фирстов, 2018; Адушкин и др., 2018]:

${\text{где\;}}{{\varepsilon }_{0}}$ – электрическая постоянная, R₁, R₂ – расстояние от SKR до заряда q₁, q₂.

Основными параметрами, влияющими на тип отклика, который регистрируется на момент распространения эруптивного облака в SKR, будут углы a₁, a₂ и эффективное расстояние d между центрами объемных электростатических зарядов. Параметры углов a и расстояния d в конфигурации объемных зарядов эруптивного облака, конт-ролируются условиями ветровой стратификации атмосферы и, следовательно, определяются вектором скорости ${{{\vec {v}}}_{1}}$, ${{{\vec {v}}}_{2}}$ на высотах распространения h₁ и h₂ эффективных электростатических зарядов q₁ и q₂ (см. рис. 9). При условии, что SKR расположен на расстоянии S на оси OX согласно схеме на рис. 9, выражение (1) примет вид:

Математическое моделирование сложных природных процессов всегда имеет некоторые допущения. В рассматриваемом случае предполагается, что эффективные точечные заряды, сформированные в нижней и верхней областях эруптивного облака, не меняются со временем. Это не отражает реальной картины эволюции аэроэлект-рической структуры облака, так как заряжение продуктов извержений, рекомбинация и релаксация зарядов определяется рядом физических процессов, протекающих непрерывно с момента начала эксплозивного процесса. Однако такой подход позволяет качественно показать, как распределены объемные электростатические заряды в эруптивном облаке и дать оценку заряда на момент распространения эруптивного облака в зоне регистрации пункта наблюдения.

В качестве примера математического моделирования рассмотрим эксплозивное извержение, произошедшее 10.10.2019 г. в 19:14 UTC на вулкане Эбеко. Эруптивное облако от этого извержения поднялось на высоту 2000 (±200) м н.у.м. Расчетные параметры движения зарядов облака для данного случая представлены в табл. 1. На рис. 10 показаны данные регистрации V  ′ ЭПА и расчетная кривая. Корреляция расчетной модели и наблюденных данных составляет 0.89. При этом наблюдаются и значительные расхождения форм кривых. Особенно в диапазоне от 800 с, это связано с тем, что в ближней зоне от кратера вулкана при распространении эруптивного облака, как правило, хорошо выделяется передняя область, которая имеет сформированный фронт и область шлейфа, который может растянуться на несколько километров. В связи с этим наблюдается постепенное восстановление напряженности элект-рического поля атмосферы в SKR.

Далее рассчитаем идеализированные формы откликов согласно схеме распределения зарядов на рис. 9 и на основании выражения (2). Рассмотрим, как будет влиять скорость распространения верхней и нижней областей эруптивного облака на тип регистрируемого сигнала. Входные параметры показаны в табл. 2. На рис. 11 показаны результаты математического моделирования движения заряженного диполя с заданными параметрами. Исходя из результатов численного моделирования видно, что скорость распространения нижней и верхней областей эруптивного облака определяет тип зарегистрированного сигнала. Так при равномерном движении эруптивного облака, когда ${{{v}}_{1}} = {{{v}}_{2}}$, будут регистрироваться сигналы III типа (модельная кривая № 1, см. табл. 2). Когда скорости нижней и верхней областей эруптивного облака различны, наблюдается смещение положительного импульса в отрицательной области сигнала (модельные кривые № 2, 3, см. рис. 11). С увеличением разности скоростей верхней и нижней области эруптивного облака, наблюдается смещение формы регистрируемого сигнала к IV типу (модельные кривые № 4, 5, см. рис. 11), при этом, при ${{{v}}_{1}} > {{{v}}_{2}}$ конфигурация диполя будет соответствовать “N/P” и, соответственно, при ${{{v}}_{2}} > {{{v}}_{1}}$ конфигурация диполя будет соответствовать “P/N”.

Рассмотрим, каким образом меняется тип сигнала в зависимости от углов ${{\alpha }_{1}}~\,{\text{и}}\,{{\alpha }_{2}}$ (см. рис. 9). Введение данного параметра позволяет учитывать направление распространения областей эруптивного облака относительно оси OX согласно схеме на рис. 9. Для расчетов рассмотрим модельную кривую № 1 (см. табл. 2, рис. 11) и введем различные конфигурации углов ${{\alpha }_{1}}~\,\,{\text{и}}\,\,~{{\alpha }_{2}}.$ В табл. 3 представлены входные параметры математической модели с различными параметрами угла ${{\alpha }_{1}}$. Угол ${{\alpha }_{1}}~$контролирует смещение заряда ${{q}_{1}}$ по оси OY и определяется из выражения ${{{v}}_{1}}t\sin {{\alpha }_{1}}$ согласно схеме на рис. 10. На рис. 12 показаны расчетные кривые для различных значений угла ${{\alpha }_{1}}$. Таким образом, при увеличении смещения заряда ${{q}_{1}}$ по оси OY его влияние на сигнал в SKR ослабевает, в результате на пункт наблюдения наводится суммарный положительный импульс, связанный c движением заряда ${{q}_{2}}$ над пунктом наблюдения.

В табл. 4 представлены входные параметры математической модели с различными параметрами угла ${{\alpha }_{2}}$. Этот угол контролирует смещение заряда ${{q}_{2}}$ по оси OY и определяется из выражения ${{{v}}_{2}}t\sin {{\alpha }_{2}}$ согласно схеме на рис. 9. На рис. 13 показаны расчетные кривые для различных значений угла ${{\alpha }_{2}}$. Таким образом, при увеличении смещения заряда ${{q}_{2}}$ по оси OY его влияние на сигнал в SKR ослабевает, в результате уменьшается положительный импульс, связанный c движением заряда ${{q}_{2}}$. Необходимо заметить, что уменьшение влияния заряда ${{q}_{2}}$ при изменении угла ${{\alpha }_{2}}$ происходит значительно быстрее, чем уменьшение влияния заряда ${{q}_{1}}$ при изменении угла ${{\alpha }_{1}}$. Этот результат согласуется с натурными наблюдениями, по результатам которых показано, что регистрация III типа отклика V ′ ЭПА возможна только в тех случаях, когда нижняя область эруптивного облака распространяется над пунктом регистрации вблизи подстилающей поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Комплексный анализ зарегистрированных данных V ′ ЭПА за долговременный период наблюдений в SKR (с 1 октября 2018 по 1 декабря 2020 гг.) позволил определить связь выделенных типов сигналов (III и IV) с типом форм-фактором эруптивного облака на момент, когда облако находится в зоне регистрации SKR. При этом конфигурация объемных электростатических зарядов в эруптивном облаке для форм факторов типа A и B следующая: в верхней области сформирован преобладающий объемный отрицательный заряд, в нижней области локализован объемный положительный заряд. Условия ветровой стратификации атмосферы определяют взаимное пространственное расположение нижней и верхней областей эруптивного облака на момент регистрации, что в свою очередь определяет тип зарегистрированного сигнала V ′ ЭПА. Такие выводы подтверждаются результатами математического моделирования.

На основании результатов долговременных наблюдений V ′ ЭПА в SKR, был зарегистрирован III тип отклика V ′ ЭПА, который возможен только тогда, когда эруптивное облако распространяется над пунктом регистрации у поверхности земли, что также подтверждено и при регистрации V ′ ЭПА в ближней зоне от кратера вулкана Эбеко [Акбашев, Фирстов, 2021]. По результатам математического моделирования показано, что регистрация III типа отклика V ′ ЭПА действительно возможна только при условии распространения эруптивного облака над пунктом регистрации.