Эксплозивность извержения вулкана зависит от того, сколько пузырьков газа образуется в магме и когда это происходит. До недавнего времени считалось, что пузырьки газа формируются в основном при снижении окружающего давления, когда магма поднимается.
Газы, растворённые в магме на нижних уровнях из-за более высокого давления, высвобождаются, когда давление падает, и образуют пузырьки. Чем больше пузырьков в магме, тем легче она становится и тем быстрее поднимается. Это может привести к разрыву магмы, вызывая взрывное извержение.
Этот процесс можно сравнить с бутылкой шампанского: пока бутылка закрыта и находится под давлением, углекислый газ остаётся в растворе. Когда пробку вынимают, давление падает, и углекислый газ образует пузырьки. Эти пузырьки увлекают жидкость вверх и вызывают её взрывное выплёскивание из бутылки.
Однако это объяснение неполно, потому что лава из некоторых вулканов, таких как гора Сент-Хеленс в штате Вашингтон, США, или чилийский вулкан Чизпачу, иногда вытекала спокойно, несмотря на наличие высокоэксплозивной магмы с высоким содержанием газа.
Международная группа учёных, включая учёного из ETH Zurich, предложила новое объяснение этой загадки, которая долгое время озадачивала вулканологов. В статье, опубликованной в журнале Science, исследователи показывают, что пузырьки газа могут образовываться в поднимающейся магме не только из-за снижения давления, но и из-за сил сдвига.
Если эти пузырьки газа образуются глубоко в вулканическом канале, они могут объединяться друг с другом и образовывать каналы дегазации. Газ может выходить на ранней стадии, и магма вытекает спокойно.
Профессор Оливер Бахманн из ETH Zurich и один из соавторов объясняет: «Наши эксперименты показали, что движения в магме из-за сил сдвига достаточно для образования пузырьков газа — даже без снижения давления».
Исследователи обнаружили, что пузырьки образуются в основном у краёв канала, где силы сдвига наиболее сильны. Существующие пузырьки усиливают этот эффект. «Чем больше газа содержит магма, тем меньше сдвига требуется для образования пузырьков и их роста», — говорит Бахманн.
Согласно новым данным, магма с низким содержанием газа, которая, казалось бы, не является взрывной, может тем не менее привести к мощному взрыву, если большое количество пузырьков образуется из-за выраженных сил сдвига, и магма поэтому быстро устремляется вверх.
С другой стороны, силы сдвига могут также привести к образованию пузырьков и их объединению на ранней стадии в богатой газом и потенциально взрывной магме, что приводит к формированию каналов дегазации в магме, снижающих газовое давление.
«Таким образом, мы можем объяснить, почему некоторые вязкие магмы вытекают спокойно, а не взрываются, несмотря на высокое содержание газа — загадка, которая долго озадачивала нас», — говорит Бахманн.
Примером является извержение горы Сент-Хеленс в 1980 году. Хотя магма была богата газом и потенциально взрывной, извержение началось с внедрения очень медленного потока лавы внутри вулканического конуса. Сильные силы сдвига, действующие на магму, привели к образованию дополнительных пузырьков газа, которые первоначально позволили выпустить газ.
Только когда оползень открыл вулканический канал дальше и произошло быстрое падение давления, вулкан взорвался. Результаты исследования показывают, что многие вулканы с вязкой магмой позволяют газам выходить более эффективно, чем считалось ранее.
Для визуализации процессов внутри вулкана исследователи разработали специальный эксперимент: они взяли вязкую жидкость, напоминающую расплавленную породу, и насытили её углекислым газом. Затем они наблюдали, что произойдёт, если лавоподобную жидкость привести в движение силами сдвига. Как только силы сдвига превысили определённый порог, в жидкости внезапно образовались пузырьки газа.
Чем выше было начальное перенасыщение газа, тем меньше сдвига требовалось для образования дополнительных пузырьков газа. Исследователи также обнаружили, что наличие существующих пузырьков способствовало образованию дополнительных пузырьков в их непосредственном окружении.
Исследователи объединили эти наблюдения с компьютерным моделированием вулканических извержений. Они показали, что эффект особенно вероятен в районах, где вязкая магма течёт вдоль стенок канала и поэтому испытывает сильные силы сдвига.
Своей работой исследователи предоставляют жизненно важный новый фрагмент головоломки, когда дело доходит до лучшего понимания процессов, происходящих внутри активных вулканов, и более точной оценки того, как вулканы будут извергаться.
«Чтобы лучше прогнозировать потенциальную опасность вулканов, нам необходимо обновить наши модели вулканов и учесть силы сдвига в каналах», — говорит соавтор исследования Бахманн.