Во время взрывных извержений частицы тефры выбрасываются в атмосферу и ведут себя по-разному: более крупные частицы оседают вблизи вулкана, а более мелкие остаются во взвешенном состоянии, образуя вулканические облака. В любом случае тефра представляет значительную опасность для деятельности человека как вблизи вулкана, так и за сотни километров от него.
Как образуется и распространяется тефра?
Тефра образуется в результате процесса, называемого фрагментацией в вулканических каналах, и затем выбрасывается в атмосферу вулканическими шлейфами. Фрагменты классифицируются по размеру: блоки и бомбы (более 16 мм в диаметре), лапилли (от 2 мм до 16 мм) и пепел (менее 2 мм в диаметре). В воздухе более крупные частицы тефры обычно оседают вблизи жерла вулкана, в то время как более мелкие частицы (пепел) могут переноситься ветром на огромные расстояния, образуя так называемые вулканические облака.
Какие опасности представляет тефра в воздухе и на земле?
Вулканические облака представляют серьёзную угрозу безопасности авиации. При столкновении самолётов с этими облаками частицы тефры могут попасть в реактивные двигатели, что приведёт к ухудшению их работы и, в тяжёлых случаях, к катастрофическому отказу двигателя. Кроме того, тефра в воздухе представляет серьёзную опасность для здоровья населения. Исследования среди населения, подвергшегося воздействию вулканического пепла, зафиксировали рост как острых, так и хронических респираторных заболеваний. Наиболее опасны частицы размером менее 4 микрометров в диаметре, поскольку они могут проникать в глубокие слои лёгких, потенциально вызывая токсические реакции.
Выпадение тефры может нанести значительный ущерб критически важной инфраструктуре, что приведёт к существенным экономическим потерям в различных секторах.
На земле выпадение тефры может привести к значительному ущербу для критически важной инфраструктуры, что приведёт к существенным экономическим потерям в различных секторах. К ним относятся энергетические системы, системы водоснабжения и водоотведения, транспортные сети (авиация, наземный и морской транспорт), пищевая промышленность и сельское хозяйство, производство и связь. Сельские общины, особенно зависящие от сельского хозяйства и животноводства, особенно уязвимы. Выпадение тефры может нарушить условия жизни не только сразу после извержения, но и в долгосрочной перспективе. Это связано с тем, что отложения тефры могут быть перемещены ветром, что приведёт к возникновению пепловых бурь, напоминающих последствия первоначального извержения. Эти повторяющиеся события могут продолжаться годами, препятствуя восстановлению экономики и продлевая трудности для пострадавших сообществ.
Какие факторы влияют на распространение тефры?
Тефра может рассеиваться на огромные расстояния, а в некоторых случаях даже перемещаться по всему земному шару. На степень распространения тефры влияют несколько факторов, включая силу извержения, размер частиц тефры (при этом более мелкие фрагменты дольше остаются во взвешенном состоянии в атмосфере), географическое положение вулкана и атмосферные условия (особенно силу и направление ветра). Например, извержение горы Пинатубо на Филиппинах в 1991 году, одно из крупнейших извержений XX века, выбросило огромное количество вулканического пепла в стратосферу, который был унесён высотными ветрами и обогнул земной шар всего за 22 дня.
Даже относительно небольшие извержения могут иметь серьёзные последствия, когда атмосферные и географические условия неблагоприятны.
Как учёные отслеживают шлейфы и облака тефры?
Учёные отслеживают шлейфы тефры и вулканический пепел с помощью наземных инструментов и спутниковых наблюдений. Эти данные необходимы для характеристики ключевых аспектов вулканической активности, включая протяжённость шлейфа, высоту эруптивной колонны, распространение зонтик-облаков, высоту и толщину пепловых облаков, свойства частиц тефры (такие как размер, форма и скорость оседания), интенсивность извержения, скорость осаждения и продолжительность извержения.
Наземные инструменты включают в себя видимые и тепловые камеры, лидары, радары, инфразвуковые микрофоны и антенны для обнаружения молний, каждый из которых оптимизирован для определённых типов наблюдений и размещается на разном расстоянии от жерла вулкана.
Спутниковые датчики поддерживают глобальные усилия по мониторингу с помощью активного и пассивного дистанционного зондирования в широком диапазоне длин волн, от ультрафиолетового до микроволнового. Современное обнаружение пепловых облаков в значительной степени зависит от геостационарных спутников, которые обеспечивают снимки с высоким временным разрешением (каждые 1–10 минут), идеально подходящие для непрерывных наблюдений в реальном времени. Однако у этих систем есть свои недостатки, такие как грубое пространственное разрешение (примерно 4 км² в надире) и ограниченный охват на высоких широтах из-за их экваториального расположения на орбите.
Каковы последние достижения в моделировании распространения тефры?
Движение вулканических облаков и отложение тефры на земле можно смоделировать с помощью специализированных численных инструментов, известных как модели переноса и рассеивания тефры (TTDMs). Эти модели впервые появились в 1980-х годах и с тех пор претерпели значительные усовершенствования в области физики моделей, численных решателей и вычислительной эффективности.
TTDMs требуют двух основных типов входных данных: метеорологической информации (такой как скорость ветра, температура и давление) и параметров вулканического источника, которые определяют, что выбрасывается, сколько выбрасывается, как частицы попадают в атмосферу (включая их высоту и распределение) и продолжительность выброса (время начала и окончания). Эти модели выдают результаты, описывающие как распределение тефры, взвешенной в атмосфере, так и закономерности отложения тефры на земле. Современные TTDMs способны моделировать сложные атмосферные процессы, влияющие на перенос тефры, такие как агрегация частиц и влажное осаждение (удаление частиц пепла осадками).
Недавней разработкой в этой области является появление подходов к моделированию в реальном времени, которые напрямую связывают TTDMs с численными моделями прогнозирования погоды (NWP). В этой интегрированной настройке атмосферная эволюция и перенос тефры вычисляются одновременно, что устраняет необходимость интерполяции метеорологических данных между отдельными моделями. Этот подход повышает точность моделирования распространения тефры, особенно в условиях быстро меняющейся погоды. Однако он требует повышенных вычислительных затрат и в настоящее время используется в основном в исследовательских целях, а не для оперативного прогнозирования.
Как модели способствовали улучшению прогнозирования и снижению рисков?
TTDMs играют решающую роль в снижении вулканических рисков, предоставляя прогнозы движения вулканических облаков и отложения тефры во время извержений. Эти модели особенно ценны для систем раннего предупреждения, позволяя своевременно принимать решения для защиты здоровья населения, безопасности авиации и критически важной инфраструктуры.
Одним из ключевых оперативных пользователей TTDMs являются Консультативные центры по вулканическому пеплу (VAACs), которые представляют собой сеть из девяти специализированных агентств, распределённых по всему миру под эгидой Международной организации гражданской авиации (ICAO). VAACs отвечают за мониторинг вулканических пепловых облаков и выдачу рекомендаций авиационным властям. Для этого они регулярно запускают TTDMs для прогнозирования пространственного и временного распространения пепловых облаков, помогая предотвратить столкновения самолётов с опасными вулканическими шлейфами. Кроме того, TTDMs используются национальными метеорологическими агентствами и агентствами гражданской защиты для прогнозирования и управления последствиями выпадения тефры на землю. Например, Японское метеорологическое агентство (JMA) выпускает прогнозы о распространении и выпадении тефры в режиме реального времени после извержений для обеспечения мер по обеспечению общественной безопасности. Подобные практики внедрены и в других вулканически активных странах, таких как Исландия и Италия.
Какие вопросы остаются нерешёнными, где необходимы дополнительные усилия по моделированию, сбору данных или исследованиям?
В последние десятилетия произошёл значительный прогресс в нашем концептуальном понимании процессов, управляющих шлейфами тефры, и поведения вулканических облаков. Однако внутренняя изменчивость взрывных извержений (различающихся по стилю, местоположению и уникальным характеристикам) продолжает создавать серьёзные проблемы как для всестороннего понимания, так и для эффективного мониторинга.
Улучшение наблюдательных возможностей представляет собой важнейший рубеж в вулканологии.
Одной из постоянных трудностей является соединение модельных прогнозов с реальными наблюдениями. Крупные шлейфы извержений редки, а даже более мелкие события трудно охарактеризовать из-за ограничений существующих спутниковых систем, наземных инструментов и визуальных данных. В результате улучшение наблюдательных возможностей представляет собой важнейший рубеж в вулканологии. Интеграция этих улучшенных наблюдений в моделирующие системы имеет важное значение, а также для лучшего понимания недостаточно изученных процессов, таких как агрегация частиц и фазовые изменения воды в шлейфе.
Потенциал искусственного интеллекта в обнаружении и прогнозировании тефры всё чаще признаётся, хотя его текущее применение остаётся ограниченным, в основном несколькими алгоритмами извлечения пепла. Напротив, использование больших синтетических наборов данных, сгенерированных TTDMs, для обучения моделей, основанных на данных, остаётся в значительной степени неизученным, несмотря на обнадёживающие результаты, достигнутые в других контекстах атмосферной дисперсии, где модели машинного обучения продемонстрировали сильные обобщающие способности даже в ранее не встречавшихся условиях, не представленных в обучающих данных.
— Федерика Пардини (federica.pardini@ingv.it; 0000-0001-6049-5920), Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), Sezione di Pisa, Пиза, Италия.
Примечание редактора: политика AGU Publications заключается в том, чтобы приглашать авторов статей, опубликованных в Reviews of Geophysics, написать резюме для Eos Editors’ Vox.
Цитата: Pardini, F. (2025), Inside volcanic clouds: where tephra goes and why it matters, Eos, 106, https://doi.org/10.1029/2025EO255020. Опубликовано 16 июня 2025 года.
Эта статья не представляет мнения AGU, Eos или каких-либо их аффилированных лиц. Это исключительно мнение автора (авторов).
Текст © 2025. Авторы. CC BY-NC-ND 3.0.
За исключением случаев, когда указано иное, изображения защищены авторским правом. Любое повторное использование без явного разрешения от правообладателя запрещено.