Стихия огня. Почему извергаются вулканы?

Римляне называли их трубами кузнечных печей Вулкана — бога огня. Считалось, что он создает оружие, доспехи для других богов и великих героев. Древние греки считали вулканы темницами или гробницами драконов, а огненное пламя, выливающее из гор — безуспешными попытками чудовищ выбраться из горного плена. Современные вулканологи предлагают научное объяснение — вулканы рассказывают нам о том, какой была планета Земля до появления первых живых существ. Предполагается, что именно вулканы внесли вклад в формирование земной атмосферы и гидросферы, выбросив значительное количество углекислого газа и водяного пара. Как специалисты прогнозируют извержения? Что скрыто в жерле вулкана? Когда проснется Йеллоустоун? На эти и другие вопросы отвечает заведующий лабораторией общей гидромеханики Института механики МГУ Олег Мельник.

— Напомните, пожалуйста, мне и нашим читателям, что такое вулкан?

— Вулкан — это место, из которого на поверхность изливается магматический расплав. Вулканы бывают разными, как по своему строению и расположению, так и по длительности существования.

Некоторые вулканы находятся под водой, об извержениях которых мы можем даже не знать. Если извержение взрывное, то на поверхность воды будет выноситься пемза. Но по большей части, подводные извержения мы даже не замечаем, хотя именно они ответственны за огромную часть магмы, которая поступает на поверхность Земли.

Другие вулканы предстают перед нами в виде высоких гор, например, Ключевской вулкан на Камчатке, высота которого —почти 5 км. Это самый высокий вулкан Евразии. Но есть и выше, например, в Чили: Вулкан Паринакота, высота которого больше 6 км.

Некоторые крупные извержения формируют так называемые кальдеры — большие провалы в земле. Перед извержением в земной коре скапливается большое количество магмы. Во время мощного извержения она выходит на поверхность и разносится на большие расстояния. При этом очаг, в котором она находилась, опустошается. Кровля вулкана трескается, прогибается и опускается. После этого в кальдерах могут начать расти новые вулканы. Например, так появилась кальдера Crater Lake в штате Орегон. Со временем кальдера заполнилась водой, образовав озеро диаметром около 9 километров, в центре которого выросли новые вулканы.

— Мы видим лишь верхушку вулкана, из которой выходит магма. Как бы вы описали внутренние процессы?

— Наша Земля достаточно твердая. Об этом свидетельствуют волны, распространяемые по породам планеты во время землетрясений. Вы спросите: «А как же дрейф континентов?». Согласно данным, скорость дрейфа континентов составляет несколько см/год. Расстояния, на которые континенты мигрируют нам известны, и поэтому мы легко определяем типичное время, за которое континенты существенно сдвигаются друг относительно друга. Это миллионы лет, а извержения происходят на значительно более коротких временных отрезках — дни-месяцы, годы. Они требуют расплавленной породы — магмы. Магма — это силикатный расплав, состоящий из оксидов кремния, железа, магния, натрия, кальция и других — целая таблица Менделеева!

В Земле непрерывно происходит конвекция: порции горячего мантийного вещества поднимаются наверх, а охладившись, стремятся вглубь планеты. В срединно-океанических хребтах происходит подъем мантийного вещества, которое за счет снижения давления плавится и приводит к подводным извержениям. Новая образовавшаяся кора в срединно-океанических хребтах раздвигается, а затем уходит под континенты. Специалисты называют это зоной субдукции.

Например, Курильская или Алеутская дуги образованы как раз на том самом месте, где океаническая плита заходит под континентальную. Здесь твердая остывшая порода уходит вглубь Земли — в мантию, принося с собой много воды, за счет чего при ее нагреве происходит плавление, образование магмы и извержение вулканов континентальных окраин или островных дуг. Такие вулканы образуют знаменитое Огненное кольцо вокруг Тихого океана. Если взглянуть на карту вулканической активности, то можно заметить, что там расположено множество вулканов, которые активно извергаются. В этих вулканах много газов — тех самых паров воды, которые опускаются с океаническими плитами. Подъем газонасыщенной магмы к поверхности вызывает взрывные извержения.

Есть вулканы внутри литосферных плит. Часто они  связаны с горячими точками (hotspot). Они встречаются как на континентах (например, знаменитый Йеллоустон) и в океанах. При извержении такие вулканы могут создавать целые вулканические острова (Гавайи, Исландия). Извержение происходит за счет всплывания нагретого мантийного вещества с границы ядро-мантия — так называемого мантийного плюма. Плюм расплавляет породы земной коры, что приводит к образованию и извержению магмы.

— Много ли в мире действующих вулканов?

— Вопрос сложный, поскольку непонятно, какой вулкан считать действующим? Последний всплеск вулканизма начался после окончания Ледникового периода. Мы с вами живем в эпоху Голоцена. Считается, что в Голоцене извергалось порядка полутора тысяч разных вулканов. Именно их мы считаем действующими.

Если говорить о том, сколько вулканов извергается одновременно, то их около нескольких десятков. Существует служба на базе Смитсоновского института, которая ведёт Каталог активных вулканов. Еженедельно специалисты присылают сводку извержений вулканов, обычно на земной поверхности. Сколько вулканов извергаются в океане мы, конечно, точно сказать не можем. 

Другой вопрос связан с тем, а что вообще можно считать извержением? Бывает, что вулкан извергается, затихает, а затем вновь извергается. Это разные извержения или одно? Поэтому сказать конкретные цифры практически невозможно. При этом чем крупнее извержения, тем реже они случаются, к счастью для нас.

— Как ученые это объясняют?

— Все зависит от особенностей самого вулкана, например, от его расположения. Скажем, мы видим гору. Под ней находится система каналов, по которым магма поступает к поверхности, скапливаясь в больших резервуарах — магматических очагах. И таких очагов может быть несколько. Если вулкан расположен на континентальной окраине, то в магму может попасть достаточно много растворенной воды, что повлияет на подъем магмы и интенсивность извержения.

Историю каждого вулкана нужно восстанавливать по крупицам, изучая, в том числе истории конкретных государств и городов. С одной стороны, между вулканами много общего, но каждый из них индивидуален.

— Насколько сложным может быть процесс восстановления истории вулканов?

— Этот процесс, безусловно, сложный, поскольку человеческая история насчитывает лишь тысячи лет. В Японии, например, где население постоянно сталкивается с вулканизмом, письменность существует давно. Благодаря древним рукописям мы можем проследить историю конкретного вулкана, вплоть до нескольких тысяч лет.

Существуют и другие методы, связанные с анализом изверженных пород. Если в их составе есть углерод или другие нестабильные элементы, то изотопный анализ подскажет возраст пород, и когда произошло последнее извержение.

А специалисты в области тефрохронологии могут реконструировать историю извержений вулканов благодаря тефре —продукту взрывных извержений вулканов. Тефра, как слоеный пирог, формируется на склонах вулкана. Определяя возраст каждого слоя, можно понять, насколько сильно и как часто извергался тот или иной вулкан.

— Чем занимаются современные вулканологи?

— В настоящее время вулканолог вулканологу рознь. Меня тоже можно с некоторой натяжкой назвать вулканологом, хотя кроме компьютера, интернета и данных мне больше ничего не требуется. Между тем, моя работа была оценена Международной ассоциацией вулканологии и химии недр Земли (IAVCЕI — International Association of Volcanology and Chemistry of the Earth's Interior). В 2004 году за работы по моделированию вулканов ассоциация вручила мне медаль имени профессора Лоуренса Вейджера (The Wager Medal). Я единственный обладатель этой награды в России, чем очень горжусь.

Но как я сказал, вулканологи бывают разные. Они и нужны — разные. Некоторые вулканологи работают непосредственно на извержениях и собирают первичный материал. Безусловно, сейчас они оснащены большим количеством приборов, фиксирующих сейсмические сигналы, газовыми анализаторами, приборами для дистанционного измерения температуры. Без этой первичной информации не обойтись.

Большая группа специалистов в лабораториях анализируют продукты вулканических извержений: минералы, газы и др. Поэтому для них важно собрать магму, желательно, извергшуюся только что.

В 2013 году мне удалось побывать на извержении вулкана Толбачик на Камчатке. Мы с коллегами ходили к активным кратерам, собирали горячие вулканические бомбы. А ниже растекался лавовый поток. Мы отбирали пробы, быстро их охлаждали, а затем анализировали в лабораториях, чтобы понять, как глубоко расположен вулканический очаг, какая магма скапливается в нем перед извержением.

Есть люди, которые занимаются моделированием вулканических извержений, в том числе компьютерным. Кстати в нашем Институте механики, мы сами сделали модель вулкана на сахарном сиропе. Такой сироп — хороший аналог магмы. Если вы готовили варенье, то замечали, что, чем выше температура, тем ниже вязкость. То же самое происходит с магмой. При определенных условиях вулкан извергается то активно, то менее активно. Благодаря эксперименту с сахарным сиропом мы показали причину этих периодических извержений.

В вулканологии также применяется анализ спутниковых данных. Спутниковые наблюдения могут многое рассказать о вулканах и извержениях. Например, как распространяется пепловый выброс, насколько опасны конкретные вулканы для авиации, готовится ли вулкан к извержению?

Вулканология начиналась с писем Плиния, который описывал извержение Везувия в 79 году н.э. (Кстати,  такой тип мощного взрывного извержения назвали плинианским). А современная вулканология объединяет уже несколько тысяч ученых со всего мира.

— Можно ли предсказать извержение вулкана?

— Сказать однозначно, что вулкан начнет извергаться, например, в следующий четверг очень сложно. Особенно важно правильно оценить время в случае необходимости эвакуации людей.

Между тем мы можем наблюдать за самим вулканом. Перед извержением начинают выделяться вулканические газы, происходит землетрясение и деформация поверхности вулкана.

Сложность в том, что все это может также быстро закончиться, так и не вызвав извержения. Вулкан может выдать несколько ложных тревог. И понять в какой момент действительно будет извержение крайне сложно. 

Если мы проигнорируем эти признаки, это может привести к человеческим жертвам. При этом эвакуация приносит большие экономические потери, особенно если извержения не было.

Часто в нашем распоряжении лишь исторические факты об извержениях и сигналы, описанные выше. При этом часто бывает так, что на памяти людей вулкан ни разу не извергался. Как, например, вулкан Суфриер Хиллс на острове Монтсеррат в Карибском море. Последнее извержение случилось порядка четырехсот лет назад, а европейцы появились на этой территории около трехсот лет назад. Все считали, что этот вулкан потухший.

Вулкан возобновил активность в 1995 году и продолжает с тех пор извергаться. Извержение этого вулкана сделало необитаемым половину острова, уничтожив столицу, город Плимут, и вызвав массовые эвакуации — остров покинуло 2/3 населения.

— Выполняют ли вулканы какую-то функцию для планеты? Приносят ли они пользу?

— Во время извержения никакой пользы от вулкана точно нет. Сплошной вред — выброс большого количества вулканических газов, лавовые потоки, разрушающие инфраструктуру, пепел, опасный и для прилегающих территорий, и для авиасообщений.

Тем не менее, известно, что вулканические почвы очень плодородные и показывают высокую урожайность. Помимо этого, вулкан — это место, где горячая магма находится близко к поверхности. Поэтому ее активно используют для получения геотермальной энергии. В нашей стране, например, работают две станции на Камчатке. А в Исландии 90% домов обогреваются за счет горячих вод, поступающих из геотермальных источников.

Кроме того, многие вулканы ассоциируются с крупными месторождениями медных, цинковых и никелевых руд. Металлы транспортируются магмой и магматическими газами, концентрируются в районе вулканизма, образовывая богатые месторождения.

— А влияют ли вулканы на климат?

— Безусловно. Вулканы — это настоящие охладители! Они выбрасывают огромное количество пепла и газов в атмосферу при сильных извержениях. Известно, что в 1816 году человечество столкнулось с годом без лета. Тогда в Индонезии произошло крупное извержение вулкана Тамбора. Он выбросил порядка пятидесяти кубических километров магмы. Многие жители Индонезии погибли. И, конечно, другие страны тоже пострадали из-за неурожая и последующего за ним голода. По историческим оценкам, среднегодовая температура в северном полушарии упала  на несколько градусов.

Вулканы были ответственны и за глобальные катастрофы. Так, по мнению ученых, около 75 тысяч лет назад извергался вулкан Тоба, расположенный также на территории современной Индонезии. Извержение сопровождалось мощным выбросом пепла, что привело к длительному похолоданию, а численность всего живого на планете сократилась катастрофически.

К счастью для нас, в наше время подобных сильных извержений не было. Я слышал несколько ненаучных высказываний: «Давайте в кратере Йеллоустоуна установим ядерную бомбу, чтобы всей Америке было плохо». Но дело в том, что плохо будет не только Америке, плохо будет всем нам. Поэтому так важно объяснять, что мы живем на одной планете. Крупные извержения могут стать катастрофой не только для территории, на которой он произошли, а для всей планеты.

— Кстати о Йеллоустойне. Стоит ли ожидать крупного извержения? Какие могут быть последствия?

— Крупные извержения этого вулкана происходили раз в 600-700 тысяч лет. Каждое такое извержение выносит порядка 1000 кубических километров магмы. Некоторые журналисты говорят о том, что уже в 2075 произойдет очередное извержение Йеллоустоуна. Но верить в это не нужно. Не существует моделей, которые бы предсказывали ближайшее извержение этого вулкана.

Между тем, за ним постоянно наблюдают специалисты. Пока Йеллоустоун не проявляет признаков, которые указывали бы на скорое извержение.

— Существуют ли методы для сдерживания вулкана?

— Однажды мне прислали статью для рецензии, в которой автор предлагал примерно 15 разных способов для сдерживания извержения вулкана Йеллоустоун. Как рецензент я отклонил эту статью, поскольку каждый описанный способ был бездоказательным.

Как мне кажется, пока не существует способов сдержать извержение вулкана. И на самом деле, Йеллоустоун находится не в той стадии, когда мы должны сильно о нем беспокоиться.

Дело в том, что многие наблюдаемые явления показывают, что над вулканом, над магмой находится большая геотермальная система, где циркулирует горячая вода. Мы видим гейзеры, активные участки выброса пара. Но это не значит, что вулкан готовится к извержению. Поэтому, я думаю, у нас еще есть время подумать.

— Стоит ли ждать в ближайшее время очередного крупного извержения вулкана? Если да, то, в каком регионе?

— В каком конкретно регионе, сказать трудно. Многие регионы всегда достаточно активны. Очень не повезло в этом смысле Индонезии, где много активных вулканов. (Так, в конце октября 2010 года в стадию активного извержения перешел один из вулканов Индонезии Мерапи. Вулкан входит в число наиболее опасных: в 1994 году облака из вулканических газов, пепла и обломков пород унесли жизни почти 70 человек, а самое мощное за современный период извержение в 1930 году погубило 1 400 человек. — Прим. НР.)

В России, например, известны камчатские вулканы. Но непосредственной опасности для населения они практически не представляют.

В таких странах как Индонезия, Япония, Италия и Филиппины, безусловно, нужно ждать крупных извержений. При этом не в каждой стране есть необходимые возможности для мониторинга и эвакуации населения.

— Есть ли вулканы, которые особенно активно изучаются учеными?

— У ученых есть так называемые любимые вулканы. Например, вулкан Стромболи в Италии извергается уже многие сотни лет с постоянной интенсивностью. Этот вулкан также популярен среди туристов. К сожалению, когда я там было, извержение затихло.

Помимо Стромболи хорошо изучен вулкан в Гватемале — Санта-Мария, который также извергается около сотни лет. Можно наблюдать за ним с соседней горы, проследить, как начинается вулканический выброс, ка распространяется гриб. Я сам был на вершине этого вулкана, и зрелище, конечно, незабываемое.

К сожалению, многие вулканы остаются недоступными для исследования, в связи с большой удаленностью или с политической ситуацией, как, например, в странах Африки.

— Какой ваш самый любимый вулкан?

— Карымский — активно действующий вулкан на Камчатке. Это абсолютно изолированное место, куда можно попасть только на вертолете. Около вулкана множество горячих источников, откуда можно наблюдать за извержением. И, конечно, сам вулкан невероятно красивый. 

Фото из личного архива спикера.