Смертельные пульсации внутри пирокластических волн

Пирокластические волны представляют собой смертельно опасное явление при извержениях вулканов, обладающее огромной разрушительной силой благодаря высоким динамическим давлениям (100–10² кПа) внутри потоков, способных уничтожать укрепленные здания. Эти горячие, быстрые и турбулентные облака газа и пепла наносят гораздо больший ущерб жизни и инфраструктуре, чем можно объяснить с помощью существующих научных моделей. Статья в Nature Communications, подготовленная международной группой ученых из Новой Зеландии, Италии, США и Швейцарии, дает новые представления об этом опасном процессе. Исследователи на основе крупномасштабных экспериментов и первых прямых измерений внутри пирокластических волн смертоносного извержения Уакаари (Белый остров, Новая Зеландия) в декабре 2019 года показывают, что именно турбулентность контролирует и усиливает разрушительность этих потоков.

Традиционные оценки опасности основываются на расчетах средней скорости и плотности потока, которые дают средние значения динамического давления. Однако неизвестно, как именно скорость, плотность и, следовательно, разрушительная сила меняются внутри пирокластической волны. Ученые смоделировали их в крупномасштабных экспериментах с использованием симулятора PELE в Новой Зеландии. Нагретый вулканический материал сбрасывали с высоты 7 метров в оборудованный датчиками канал, создавая пирокластическую волну высотой 2–8 метров, которая двигалась со скоростью более 30 км/ч.

К удивлению исследователей, измерения динамического давления внутри синтетических пирокластических волн оказались не хаотичными. Вместо этого наблюдались два четких набора регулярных колебаний давления с повторяющимися пиками примерно каждые 570 и 800 миллисекунд. Эти регулярные пики разрушительного динамического давления многократно превышают средние значения, используемые в оценках опасности, что ведет к значительному недооценке реальных последствий. Более того, эффект повторяющихся мощных импульсов давления аналогичен сильным повторным толчкам при землетрясении, последовательно ослабляющим конструкции зданий. Также тревожно, что колебания давления совпадали с аналогичными колебаниями концентрации пепла и температуры, которые сами по себе вызывают удушье и ожоги.

Параллельно с экспериментальными данными, пирокластические волны, сгенерированные во время извержения Уакаари, убили 22 посетителя острова и серьезно ранили еще 25. Анализ данных с датчиков давления, которые обычно регистрируют взрывные сигналы вулкана, показал, что характеристики сигналов внутри естественных волн были такими же, как и в экспериментальных потоках, с частотой 12 импульсов в минуту против 75 в эксперименте.

Исследователи показали, что опасная пульсация внутри пирокластических волн возникает из-за того, что энергия потока фокусируется и переносится внутри крупнейших турбулентных вихревых структур. Они разработали новую модель потока, позволяющую прогнозировать эти импульсы при будущих извержениях. Это открытие, применимое также к снежным лавинам, требует переоценки моделей вулканической опасности, используемых для прогнозирования и смягчения последствий извержений.