Извержение вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай в декабре 2021 года привело к колебаниям давления в атмосфере, амплитуды электрических токов в верхних слоях почвы, и частоты отраженных от ионосферы радиоволн на расстояниях до 12 тысяч километров от вулкана, выяснили ученые Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) совместно с казахстанскими коллегами. Никогда ранее столь глобальный отклик на единичное извержение не фиксировался. Данные, полученные благодаря этому уникальному естественному эксперименту, помогут улучшить модели, описывающие погоду и климат. Статья опубликована в журнале Atmosphere.
«Мы наблюдали эффекты возмущений, вызванных плотной воздушной волной, которая образовалась в момент взрыва вулкана и распространялась в земной атмосфере. На уровне земли и до высоты в несколько километров это возмущение воспринималось как кратковременный скачок атмосферного давления, которое можно было измерить обычными методами, например цифровым барографом. На высоте ионосферы 70-100 км от поверхности энергия воздушной волны, распространявшейся в атмосфере, передавалась ионизированным слоям воздуха, что приводило к изменениям плотности распределения электрического заряда на этой высоте», — рассказывает Назыф Салихов, старший научный сотрудник Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН и заведующий Лабораторией спутниковых и геодинамических исследований Института ионосферы (Казахстан).
15 января 2022 года на архипелаге Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай произошел взрыв вулкана. В результате возникли глобальные геомагнитные возмущения и атмосферные волны, которые несколько раз обошли земной шар. Звук взрыва был слышен даже на Аляске, в 9 тысячах километров от вулкана.
Взрыв вулкана такой силы — уникальный природный эксперимент, который позволяет лучше понять свойства всех оболочек Земли: атмосферы, гидросферы и литосферы. Ранее за все время современных наблюдений столь мощных вулканических извержений в мире не случалось.
Ученым давно известно, что крупные извержения вулканов вызывают различного рода возмущения в ионосфере, которые предположительно возникают из-за утечки в верхние слои атмосферы энергии волн Лэмба — упругих волн, вызванных ударной волной в месте взрыва и распространяющихся параллельно поверхности Земли.
Энергия взрыва может передаваться в ионосферу через резонанс акустико-гравитационных колебаний в атмосфере. Под гравитационными колебаниями в данном случае подразумевается тип гидродинамических колебаний, возникающих под действием силы тяжести.
После извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай в различных точках земного шара были зафиксированы аномальные кратковременные колебания атмосферного давления, инфразвуковые, акустико-гравитационные волны и волны Лэмба.
Узнав об этом, ученые ФИАН начали поиск связанных с этим событием эффектов среди данных, собранных Тянь-Шанской высокогорной станцией ФИАН и на радиополигоне «Орбита» казахстанского Института ионосферы (Алматы).
В записях атмосферного давления была обнаружена кратковременная аномалия, длившаяся несколько минут. Форма и длительность наблюдаемого возрастания давления совпадали с теми, что происходили на других метеостанциях. А момент ее наблюдения оказался запаздывающим на 12 часов относительно момента извержения, что соответствует времени прихода на Тянь-Шаньскую станцию атмосферной волны, движущейся со скоростью звука от точки расположения вулкана.
Ученые выяснили, что в 16:00:55 UTC там произошел всплеск атмосферного давления с пиковой амплитудой 1,3 гектопаскаль и скоростью распространения 0,3 км/с. Они оценили выброс энергии в атмосферу при взрыве вулкана Хунга-Тонга приблизительно в 2 тысячи тонн в тротиловом эквиваленте.
Анализ доплеровского сдвига частоты отраженного от ионосферы радиосигнала, который регистрировался при распространении радиоволн по двум трассам протяженностью 3212 км и 2969 км,
позволил обнаружить возмущения, которые были реакцией на прохождение через точку отражения радиоволн в ионосфере атмосферных волн плотности: волны Лэмба (0,31 км/с) и акустико-гравитационной волны (0,26 км/с).
«Наблюдались эффекты трех типов: скачок атмосферного давления, аномально большие вариации частоты отраженного радиосигнала (допплеровской частоты) и изменения теллурического тока, измеряемого между погруженными в грунт электродами. Аномалии в частоте отраженного радиосигнала, которые сами по себе являются уникальным эффектом, также наблюдались именно в моменты, соответствующие приходу атмосферных волн. В данном случае аномально большой, более чем на 1 Гц, сдвиг частоты отраженного радиосигнала представляет собой достаточно уникальное явление, поскольку он в несколько раз превышает обычную дисперсию фоновых колебаний. В обычных (невозмущенных) условиях такие отклонения не наблюдаются. То же относится и к зарегистрированному после взрыва вулкана кратковременному возрастанию атмосферного давления. Совокупность всех временных корреляций позволяет утверждать, что наблюдаемые аномальные эффекты имеют одну и ту же физическую причину: распространение атмосферной ударной волны, источником которой служил взрыв вулкана», — говорит Назыф Салихов.
Возмущения ионосферы, вызванные взрывным извержением вулкана Хунга–Тонга, ученые изучили с помощью сети приемников Глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS), которая обычно используется для измерения общей концентрации электронов в ионосфере. Заметные ионосферные эффекты также наблюдались спутниками миссий ICE и GOLD, расположенными на низкой околоземной и геостационарной орбитах. Приёмники GNSS идентифицировали два типа перемещающихся ионосферных возмущений (TID), которые распространялись от эпицентра взрыва: два крупномасштабных и несколько среднемасштабных TID. Наиболее доминирующий среднемасштабный TID двигался со скоростью около 200-400 м/с и совпал с возмущением приповерхностного атмосферного давления. Таким образом, ученые убедились, что ионосфера является чувствительным детектором атмосферных волн и геофизических возмущений.
Изменения электронной плотности в какой-то области ионосферы могут влиять и на земную поверхность. Они наводят так называемые теллурические токи - слабые по величине естественные электрические токи в поверхностных слоях Земли. Эти токи могут быть обнаружены и измерены чувствительными датчиками, расположенными в приповерхностных слоях грунта.
Два таких возмущения были обнаружены в записях теллурического тока в моменты прихода волны Лэмба и акустико-гравитационной волны к пункту регистрации токов на Тянь-Шаньской высокогорной станции. Результаты исследования могут быть полезны для прогнозирования климатических последствий геологических катаклизмов и изменения климата.
«Главная цель экспериментов по постоянному мониторингу различных геофизических параметров на Тянь-Шаньской станции заключается в поиске предвестников приближающихся землетрясений. Полученные данные позволяют утверждать, что перспективным методом сейсмологического прогнозирования может стать регулярная регистрация сдвига частоты отраженного сигнала при ионосферном зондировании и выделение в этих записях характерных аномалий, которые возникают при активизации сейсмических процессов в окружающем регионе», — заключил Назыф Салихов.