Загадку атмосферных волн от вулканов объяснили с помощью новой гидродинамической модели
Исследователи кафедры физики моря и вод суши физического факультета МГУ предложили новую гидродинамическую модель, которая объясняет 40-летнюю загадку атмосферных волн, порождаемых мощными вулканическими извержениями. Модель описывает вулкан не как точечный взрыв, а как лопнувший «воздушный шарик», что в точности согласуется с реальными данными. Работа позволяет дистанционно оценивать состав выделившихся при извержении вулкана парниковых газов и прогнозировать их влияние на климат. Результаты исследования опубликованы в журнале Q2 Pure and Applied Geophysics.
Извержения вулканов вызывают мощные атмосферные взрывы. Они порождают в атмосфере глобальные волны, похожие на цунами. Эти волны, распространяющиеся на десятки тысяч километров, можно зафиксировать по колебаниям давления.
В 1980 году метеоролог Джек Рид, изучая волны от извержения вулкана Сент-Хеленс, обнаружил несоответствие: их амплитуда была схожа со взрывом 10-мегатонной бомбы, а длина волны оказалась аномально большой. Стандартная модель точечного взрыва, разработанная Седовым, Тейлором и фон Нейманом, не могла этого объяснить, что ставило под сомнение либо экспериментальные данные, либо существующее понимание физики вулканов.
Авторы исследования предложили принципиально новую постановку задачи.
«Ключевая идея заключается в том, чтобы представить вулкан как лопнувший воздушный шарик. В этом случае энергия уже заключена в сдерживаемом объеме газа, а взрыв происходит при прорыве стенок. Это фундаментально меняет начальные условия для расчета ударной волны по сравнению с моделью точечного взрыва», — пояснил автор работы, студент кафедры физики моря и вод суши физического факультета МГУ Олег Пономарев.
Для аналитического расчета волн ученый применил комбинацию методов теории размерности Баренблатта и газодинамики. Это позволило вывести универсальные формулы, описывающие распространение волн.
Расчеты по новой модели предсказали разницу в длинах волн по сравнению со старой моделью в 1,6 раза, что в точности совпало с аномалией, зафиксированной Ридом в 1980 году. Модель была успешно проверена на данных самого мощного за последние 150 лет извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай 2022 года, зарегистрированного 50 барографами по всему миру. Новая модель показала полное соответствие данным в пределах статистической погрешности, в то время как расхождение старой модели составило более 14 стандартных отклонений.
Практическая ценность работы заключается в создании инструмента для дистанционного зондирования вулканов. Анализируя параметры атмосферных волн, можно определить средний показатель адиабаты газовой смеси, выброшенной вулканом, и оценить соотношение в ней водяного пара и углекислого газа. Это важно для климатических прогнозов. Выбросы углекислого газа могут влиять на глобальную температуру в течение нескольких лет. Новая модель позволяет оценить «парниковый потенциал» извержения.
В планах дальнейшего исследования — применение модели для анализа других исторических извержений и уточнение расчетов для более сложных, несимметричных взрывов.
Информация предоставлена пресс-службой МГУ
Источник фото: Gylfi Gylfason / Pixabay
Разместила: Ирина Усик