Динамика вулканических извержений и её проявление в ударно-волновых и акустических эффектах в атмосфере

Вулканическое извержение является сложным процессом с большим диапазоном интенсивности, которая характеризуется количеством извергнутого материала в секунду, от одного до 109 кг/с. Длительность и объем извергнутого материала при извержениях различного типа также заключены в широких интервалах: от нескольких минут до нескольких лет и от 104 до 1012 м3 соответственно. Процесс отделения летучих из силикатного расплава определяет механизм вулканических извержений. Такие параметры двухфазного потока (силикатный расплав-газ) как газовый состав, газонасыщенность, вязкость и расход определяют тот или иной тип вулканических извержений и его динамику.

 Изучение динамики вулканических извержений основывается на инструментальных дистанционных методах, одним из которых является метод, условно названный автором «акустика вулканических извержений». Извержения с различными типами активности и большим диапазоном интенсивности сопровождаются большим разнообразием физических процессов, в результате которых в атмосфере возникают волновые возмущения широкого диапазона частот – от нескольких сотен герц до тысячных долей герца, что позволяет диагностировать характер вулканических извержений по параметрам ударно-волновых и акустических эффектов в атмосфере.  Все акустические волновые возмущения в атмосфере, возникающие во время фрагментации (разрушения) и излияния лавы на  дневную поверхность в результате её дегазации, а также за счет турбулентных процессов, обусловленных выносом раскаленного пирокластического материала в атмосферу, объединяются автором в «акустику вулканических извержений» (АВИ). 

В широком диапазоне частот в АВИ особое место занимают акустические сигналы (АС) с частотой  f = 1-10 Гц, которые возникают во время дегазации магмы при ее излиянии на поверхность Земли. Изучение АС этого диапазона частот представляет большой интерес как с точки зрения понимания физики эксплозивного процесса, так и для разработки методов мониторинга вулканических извержений. Полученные почти за тридцатилетний период наблюдений данные об акустических сигналах с частотой  f = 1-10 Гц были частично обобщены в монографии (Фирстов, 2003). В последнее пятилетие продолжались исследования этого класса АС с упором на математическое моделирование (Сторчеус, Фирстов, Озеров, 2006).

В ближней зоне часть АС этого класса представляют слабые воздушные ударные волны (ВУВ), которые в процессе распространения эволюционируют и в дальней зоне регистрируются как инфразвуковые волны. 

Звуковой диапазон колебаний, сопровождающий истечения пепло - газовой смеси из кратера вулкана, обусловлен аэродинамическим шумом. Несмотря на многочисленные теоретические работы по генерации звука свободной струей, многофазные струи плохо поддаются теоретическим расчетам и экспериментальные данные весьма полезны для понимания механизма генерации звука. Автор исследовал генерацию звука при вулканических извержениях, а в качестве приближенной модели рассматривался аэродинамический шум от выпусков пароводяной смеси из скважин Мутновского месторождения термальных вод (Фирстов, 2005). 

Инфразвуковые колебания, связанные с конвективными процессами в атмосфере, изучались соискателем во время схода и формирования пирокластических потоков вулкана Безымянного. При движении пирокластических потоков по склону основную роль играет гравитационная составляющая, которая является определяющей для любых гравитационных лавин, в том числе и для снежных. Поэтому в качестве модельного объекта изучалась генерация инфразвуковых и сейсмических колебаний сухими снежными лавинами (Фирстов, 1988; Фирстов и др., 1990; Фирстов, Тристанов 2009,  Алидибиров и др.  1998).

В особый класс выделены длинноволновые возмущения в атмосфере с периодом до десятков минут, которые  регистрируются во время сильных извержений типа «направленный взрыв»,(Фирстов, 1996, 2007). 

Исследования ударно-волновых и акустических эффектов вулканических извержений автором были начаты более тридцати лет назад, когда не было четких представлений о физической природе, особенностях генерации и распространения АС в широком диапазоне частот. Извержение вулкана – уникальное, редкое природное событие, поэтому информация о каждом извержении представляет большую научную ценность. За почти тридцатилетний период автором были изучены ударно-волновые и акустические эффекты на многих извержениях вулканов Камчатки, и обобщающая работа является весьма актуальной для дальнейшего развития направления «акустика вулканических извержений».