Химический состав газов, выбрасываемых вулканами, которые используются для наблюдения за изменениями в вулканической активности, может меняться в зависимости от размера газовых пузырей, поднимающихся на поверхность, и зависит от того, как они извергаются. Результаты, опубликованные в журнале Nature Geoscience, могут быть использованы для улучшения прогнозирования угроз, исходящих от некоторых вулканов.
Группа ученых, включая вулканолога и математика из Кембриджского университета, открыла это явление посредством подробных наблюдений за выбросами газа из вулкана Килауэа на Гавайях.
На многих вулканах по всему миру регулярно контролируются выбросы газа, что помогает прогнозировать извержения. Изменения в выбросах или пропорциях различных газов, таких как двуокись углерода и двуокись серы, могут предвещать сдвиги в активности вулкана. Вулканологи считают, что эти химические изменения отражают подъем и падение магмы в земной коре, но новые исследования показывают, что состав вулканических газов зависит также от размера газовых пузырьков, поднимающихся на поверхность.
Пока последнее впечатляющее извержение не открыло трещины на склоне вулкана, Килауэа держал огромное лавовое озеро в кратере на вершине. Поведение этого лавового озера чередовалось между фазами огненного «разбрызгивания», вызванного большими пузырьками газа, прорывающимися сквозь магму, и более плавным выделением газа, сопровождаемым медленным и равномерным движением лавы.
В прошлом образцы вулканических газов брались непосредственно из дымящихся жерл и отверстий, называемых фумаролами. Но это невозможно для выбросов лавового озера диаметром 200 метров на дне крутого кратера. Вместо этого команда использовала инфракрасный спектрометр, который используется для обычного наблюдения за вулканами соавторами исследования Джеффом Саттоном и Тамар Элиас из Гавайской вулканической обсерватории (Геологическая служба США).
Прибор располагался на краю кратера, наводился на лавовое озеро и каждые несколько секунд регистрировал газовые составы в атмосфере. Выбросы углерод- и серосодержащих газов измерялись как во время интенсивной, так и при умеренной фазах активности.
Каждое отдельное измерение использовалось для расчета температуры вулканического газа. Что сразу же поразило ученых, так это то, что температура газа колебалась от 1150 градусов по Цельсию (температура лавы) до примерно 900 градусов по Цельсию. «При такой температуре лава замерзнет», - сказал ведущий автор доктор Клайв Оппенгеймер из Кембриджского географического факультета.«Сначала мы не могли понять, как газы могут выходить намного холоднее, чем расплавленная лава, плещущаяся в озере».
Ключ к разгадке этой загадки пришел из-за различий в расчетных температурах газа - они были высокими, когда лавовое озеро было спокойным, и низкими, когда оно яростно кипело. «Мы поняли, что это может быть из-за размера пузырьков газа», - сказал соавтор профессор Энди Вудс, директор Кембриджского института BP. «Большие пузырьки быстрее поднимаются в магме и быстро расширяются по мере снижения давления, точно так же, как пузырьки, поднимающиеся в стакане газированного напитка; газ охлаждается из-за расширения». Большие пузыри образуются, когда меньшие пузыри сталкиваются друг с другом и сливаются.
Вудс и Оппенгеймер разработали математическую модель для объяснения процесса, которая показала очень хорошее соответствие наблюдениям.
Но было еще одно удивительное открытие из газовых наблюдений на Гавайях. Выбросы больших газовых пузырей были не только холоднее, но и более окисленными, чем ожидалось, - в них было более высокое соотношение углекислого газа к монооксиду углерода.
Химический баланс вулканических газов, таких как двуокись углерода и окись углерода (или двуокись серы и сероводород), обычно считается контролируемым химическим составом окружающей жидкой магмы, но новые результаты показали, что когда пузырьки становятся достаточно большими, большая часть газа внутри следует своим собственным химическим путем по мере охлаждения газа.
Отношение двуокиси углерода к угарному газу, когда лавовое озеро находилось в наиболее энергетическом состоянии, было в шесть раз выше, чем в наиболее стабильную фазу. Ученые предполагают, что этот эффект следует принимать во внимание, когда измерения газов используются для прогнозирования основных изменений в вулканической активности.
«Измерения газа имеют решающее значение для нашего мониторинга и оценки опасности; уточнение нашего понимания того, как ведет себя магма под вулканом, позволяет нам лучше интерпретировать наши наблюдения», - сказала соавтор Тамар Элиас из Гавайской вулканической обсерватории.
И есть еще одно значение этого открытия - не для сегодняшних извержений, а для эволюции земной атмосферы миллиарды лет назад.«Вулканические выбросы в далеком прошлом Земли могли сделать атмосферу более окислительной, чем мы думали», - сказал соавтор исследования Бруно Скайе. «Более богатая кислородом атмосфера способствовала бы возникновению и жизнеспособности жизни на суше за счет образования озонового слоя, защищающего от вредных ультрафиолетовых лучей солнца».