עמוד התפרצות

עמוד התפרצות הוא ענן פטרייה המורכב מאפר געשי חם, הנפלט מהר געש במהלך התפרצות געשית ומתנשא מעליו. את התיאור הראשון של עמוד התפרצות סיפק פליניוס הצעיר במכתבים ששלח להיסטוריון הרומי טקיטוס, לאחר התפרצות וזוב בשנת 79. פליניוס שהה אותה עת עם אמו במיסנום – עיר נמל במחוז קמפניה, בקצה המערבי של מפרץ נאפולי, בבית דודו, פליניוס הזקן. מנקודה זו הייתה לו תצפית טובה על וזוב ועל האירועים שליוו את ההתפרצות ב-24 באוגוסט: ...בערך באחת אחר הצהריים, אמי ביקשה ממנו להתבונן בענן בגודל ובצורה לא רגילים... מיד התרומם וטיפס למקום גבוה שיספק לו תצפית טובה על תופעה לא רגילה זו. ענן, שממרחק זה לא היה ברור מאיזה הר הוא מתנשא (רק לאחר מעשה נודע כי היה זה וזוב) התרומם, ואת צורתו הכללית לא אוכל לתאר לך בדיוק רב לבד מלדמות אותו לעץ אורן, מאחר שהוא התנשא לגובה רב בצורת גזע גבוה מאוד שהתפצל בראשו למעין ענפים, שנגרם, אני משער, או על ידי משב רוח פתאומי שהניע אותו בכוח שהלך ופחת כשהתקדם למעלה, או שהענן עצמו נדחף בחזרה על ידי משקלו-הוא והתפשט באופן שהזכרתי; הוא נראה לעיתים בהיר, לעיתים כהה ומוכתם, בהתאם לכמות הקרקע והאפר שהייתה ספוגה בו. (ספר VI, מכתב 16) עמוד התפרצות נוצר במהלך התפרצות מתפוצצת, כאשר ריכוז גבוה של חומרים נדיפים המומסים בתוך המאגמה העולה גורמים להתפרקותה לאפר געשי ולחלקיקי טפרה גסים יותר. הטפרה נפלטת מן הלוע במהירות של כמה מאות קילומטרים לשעה ומתרוממת לגובה רב מעל הר הגעש. העמוד נוצר באותו תהליך היוצר ענני פטרייה: בתנאים של התפרצות מתונה מתרוממת טפרה לוהטת, שצפיפותה נמוכה בתנאי טמפרטורה גבוהה, ומתערבבת עם כמות גדולה של אוויר. האוויר מתחמם, מתרומם, מתערבל עם הטפרה ותורם להתרוממות מהירה של עמוד ההתפרצות. כאשר נפח ההתפרצות עולה ומגיע לערכים קריטיים, מפסיק עמוד ההתפרצות להתרומם ומתחיל להתמוטט. התמוטטות עמוד ההתפרצות עם העלייה בנפח נראית כפרדוקס, אולם ההסבר נעוץ ביעילות הערבול של האוויר והטפרה, הפוחתת כאשר מתעצמת ההתפרצות: חומרי הטפרה – המצויים בעומק עמוד ההתפרצות – מבודדים מהאוויר הסובב ומתקשים להתערבב עמו. כתוצאה מכך נעצרת התרוממותו של העמוד, הוא הופך צפוף יותר ומתמוטט. תהליך ההתמוטטות יוצר פאזה געשית הרסנית ביותר בדמות זרמים ונחשולים פירוקלסטיים. התנהגותו של עמוד ההתפרצות (צמיחתו וקריסתו) נובעים משני גורמים עיקריים: מאפייני המאגמה והגאומטריה של מערכת ההובלה. התפרצות געשית מתחילה במקרים רבים בפתיחה או בהיווצרות של מוליך (סדק או צינור הזנה) אל פני השטח – אם כתוצאה ממתיחה טקטונית או בעקבות הצטברות של לחץ רב בתא המאגמה עם שחרורם של חומרים נדיפים מתוך הנתך. בשני המקרים עשויה להשתנות הגאומטריה של המוליך מסדק לצינור הזנה. במקרה הראשון – הסדק או הצינור נותרים פתוחים באמצעות מתיחה. הלחץ במאגמה העולה בעדם צריך להיות קרוב ללחץ הליתוסטטי על מנת למנוע התפוצצות שלהם. במקרה השני – לחץ עודף במאגמה אחראי לתחילת ההתפרצות. זו תימשך רק אם קיים במאגמה לחץ גבוה מהלחץ הליתוסטטי, ותשכך כאשר לחץ עודף זה ישתחרר. בשלב זה עשויה ההתפרצות להסתיים עם סגירת המוליך, או אם לא מתקיימת דחיסה טקטונית באזור – להימשך בעקביות. המשך ההתפרצות מונע בעומק רב מניגודי הצפיפות בין המאגמה וסלעי הסביבה הצפופים ממנה. בכל מקרה תתרחש שקיעה אזורית המחליפה את המאגמה שנפלטה. במהלך התאמת הלחצים עשויים להתרחש מצבים של הגבלת הולכה כתוצאה מהיווצרות סדקים ושחיקה של קירות המוליך. מצבים כאלה עשויים להוביל לתקופות של הפחתה בקצב ההתפרצות – שאחרת היה מתגבר עם הזמן תוך סחיפת קירות המוליך. התגברות כזו יוצרת עלייה מקבילה בגובהו של עמוד ההתפרצות והתמעטות נפילת טפרה. שחיקה מתמשכת של המוליך – הגורמת להגדלת הרדיוס שלו – תוביל בסופו של דבר להתמוטטות עמוד ההתפרצות. ערך מורחב – ברק געשי בהתפרצויות רבות נצפו בעמוד ההתפרצות ברקים געשיים, הנוצרים על ידי חלקיקי אפר טעונים. הברקים מוגבלים לעמוד ההתפרצות, ואינם יוצרים מגע עם האטמוספירה או עם הקרקע. אף שמדובר בתופעה שכיחה, קיימת אי-בהירות בקרב וולקנולוגים באשר לאופן היווצרותם. ידוע כי חלקיקי האפר יוצרים ביניהם מגע, ובכך מעבירים מטען חשמלי. עם זאת, יצירת מטענים חיוביים ושליליים בחלקיקים אינה מספיקה. על מנת שייווצרו ברקים יש צורך בהתרחקות החלקיקים זה מזה כדי לאפשר הולכה חשמלית – והמנגנון הגורם להתרחקות זו אינו ידוע עדיין. מבנה עמוד ההתפרצות נובע מהמתרחש בתא המאגמה ובצינור ההזנה, ומורכב משני חלקים עיקריים: עמוד המאגמה – חלק זה מורכב מתא המאגמה ומחלקו התחתון של צינור ההובלה. בעמוד המאגמה שני אזורים: שטח שחרור – בשטח זה – המצוי בחלקו העליון של תא המאגמה – משתחררים החומרים הנדיפים הכלואים בתוך המאגמה. היווצרות בועות – באזור זה – המצוי בין שטח השחרור לחלקו העליון של צינור ההובלה – נוצרות בועות מן האדים והמים שהשתחררו מתוך המאגמה. עמוד ההתפרצות – חלקו התחתון מצוי במעלה צינור ההזנה, סמוך ללוע, והוא נחלק לכמה אזורים: התפרקות מאגמה – מעל אזור היווצרות הבועות מתרחשת התפרקות של המאגמה, הנובעת מהלחץ הנוצר משחרור מהיר של האדים והגזים שהיו כלואים בה. התפשטות גז – באזור זה מתפשטים הגזים שהשתחררו מן המאגמה כתוצאה מהפחתת לחץ. התפשטות זו דוחקת את חלקי המאגמה אל מחוץ לצינור ההזנה. אזור ערבול – אזור זה – המהווה חלקו העיקרי של עמוד ההתפרצות – מצוי מעל הר הגעש, מחוץ לצינור ההזנה, ובו מתרחשים ערבול של הטפרה הלוהטת והאוויר הסובב ודחיקה של הטפרה כלפי מעלה. מטרייה – חלקו העליון של עמוד ההתפרצות הוא הרחב ביותר שלו. בתחתיתו מתקיים שוויון צפיפות בין הטפרה לאוויר הסובב. חלק זה עשוי להיות לא סימטרי בשל השפעת הרוח, ולהינשא למרחק רב. גובה עמוד ההתפרצות נשלט על ידי מדד ההתפרצות הגעשית – המכתיבה את כמות האפר הנפלטת מהר הגעש ואת מהירות הפליטה, ומושפעת מלחץ המאגמה בתא המאגמה ומקוטר צינור ההזנה. במהלך התפרצות מתפוצצת עולה מדד ההתפרצות הגעשית, ועמו גם גובה עמוד ההתפרצות – העשוי להגיע ליותר מ-40 ק"מ. אף שמתאם זה קשור בחלקו לגדילת גובהו של סילון המאגמה והחומרים הפירוקלסטיים הנפלטים מצינור ההזנה, הוא מושפע יותר מהאנרגיה התרמית הזמינה הנובעת מההתפרצות, המשמשת להסעת החום בעמוד ההתפרצות. למעשה, מרבית עמוד ההתפרצות מעל הר הגעש הוא תמרה תרמית, בה מוסע חום מהחומר הפירוקלסטי הלוהט לאוויר הקר המקיף אותו – המתערבל במהירות, מתערבב עם הטפרה ונושא את התמרה לגובה רב. עוצמתה של התפרצות מתפוצצת וקצב הפליטה של החומר מצינור ההזנה הם הגורמים העיקריים הקובעים את גובהו של עמוד ההתפרצות. גובה עמוד ההתפרצות מחושב באופן יחסי לשורש הרביעי של עוצמת ההתפרצות: H ∝ {\displaystyle \propto \!\,} I1/4.‏ גובה העמוד שולט בפיזור של הנפולת הגעשית, כך שניתן לחשוב לאחור את גובה העמוד ואת עוצמתן של התפרצויות פרה-היסטוריות מן המשקעים הגעשיים שהותירו. בהווה נמדד גובהם של עמודי התפרצות באמצעות צפייה ישירה ובאמצעות לוויינים. עמוד ההתפרצות הגבוה ביותר תועד במהלך התפרצותו של הר הגעש בזימיאני (ברוסית: Безымянный – "חסר שם") בקמצ'טקה בשנים 1955–1956, והוא נאמד ב-42 ק"מ. עמודי התפרצות מציבים מגוון של סכנות התלויות בהתנהגותם. שתי הסכנות העיקריות – ענני אפר וזרמים פירוקלסטיים – נובעות מהתנהגותם במצבים שונים. המעבר בין התנהגויות אלה וטבעה של כל אחת מהסכנות תלוי בדינמיקה הפנימית של עמוד ההתפרצות, הנובעת ממאפייני המאגמה וצינור ההזנה. במהלך הערכת הסיכונים מתקיימת הנחה כי הנוזל הנפלט מתא המאגמה מצוי במוליך בלחץ השווה ללחץ אטמוספירי, או משתווה לו במהירות תוך השפעה מזערית על הנתך. לחץ במוליך הגדול מהלחץ האטמוספירי מוביל להתרחבות מהירה של העמוד ולהתפתחות גלי הלם קבועים המשנים את התנהגותו של עמוד ההתפרצות כולו. מחקר שעסק בנושא נעזר בסימולציה של שני עמודי התפרצות שבשניהם התקיימה במוליך זרימת חום (J s-1) זהה ונוצר רדיוס עמוד זהה בשלב שחרור הגזים. בסימולציה הראשונה התקיים במוליך לחץ אטמוספירי, ובשנייה – לחץ הגדול ממנו פי 4. למרות התנאים הראשוניים הזהים, למעט הלחץ – שני העמודים הפגינו התנהגות שונה בתכלית: בעמוד שנוצר בתנאי לחץ גבוה נוצרו גלי הלם והוא התמוטט בהתמדה. ההשוואה בין הסימולציות מצביעה על כך שהדינמיקה בתנאי לחץ גבוה עשויה ליצור עמוד התפרצות הנע בין שלבי התרוממות הנובעת מציפה ושלבי התמוטטות. השוואה זו סיפקה את המנגנון היוצר את התמוטטות העמוד והיווצרות זרמים פירוקלסטיים והיווצרות משקעים געשיים דוגמת טוף ואיגנימבריט. עמודי התפרצות עשויים להיות עצומים בגודלם ולצמוח במהירות לגובה רב. חלקם העליון נישא באמצעות הרוח כעננים, העשויים לנוע מהר הגעש למרחקים של מאות קילומטרים ולהמטיר טפרה על אזור נרחב. התפרצותו של הר סנט הלנס במאי 1980 יצרה ענן שהמטיר טפרה על שטח של כ-59,000 קמ"ר במערב ארצות הברית. לעננים הנרחבים השפעה מזיקה על תנועה אווירית, מאחר שהאפר הגעשי – שהוא למעשה שברים חדים של סלע לוהט – שוחק מנועי מטוסים ועלול להשביתם לחלוטין ולגרום להתרסקותם על הקרקע. בשני אירועים שמקורם באיסלנד – התפרצות אייאפיאטלאייקוטל באפריל 2010 והתפרצות גרימסווטן במאי 2011 – נוצרו ענני אפר שחדרו למרחב האווירי במערב אירופה וגרמו לסגירתו. התמוטטותו של עמוד התפרצות גורם להיווצרותם של זרמים ונחשולים פירוקלסטיים – שחומם עשוי להגיע ל-1,500 מעלות צלזיוס ומהירותם למאות קילומטרים לשעה. ב-18 ביולי 1995 החלה התפרצות הר הגעש סופרייר הילס בדרום האי הקריבי מונטסראט, לאחר שלא היה פעיל מאז המאה ה-19. התמוטטות עמוד ההתפרצות גרמה להיווצרותם של זרמים ונחשולים פירוקלסטיים, שחלקם הפכו במהרה ללהארים – זרמי מים מעורבים באפר געשי. אזור נרחב בדרום האי פונה מתושביו, כמו גם הבירה פלימות' שכוסתה בכמה מטרים של משקעים געשיים. פעילותו של הר הגעש נמשכה אל תוך העשור השני של המאה ה-21, וסמוך לו הוקם מצפה המופעל על ידי המכון הגאולוגי הבריטי (British Geological Survey). אירועים דומים נרשמו בהר הגעש מאיון בפיליפינים. ב-1984 פונו מבתיהם 73 אלף בני אדם בדרום-מזרח האי לוזון, וכתוצאה מכך לא נרשמו אבדות בנפש במהלך ההתפרצות. ב-1993 גרמו זרמים פירוקלסטיים למותם של 77 בני אדם. באוגוסט 2006 שוב פונו מבתיהם עשרות אלפי בני אדם במהלך התפרצות. ב-30 בנובמבר אותה שנה יצרה סופת הטייפון דוריאן להארים באפר הגעשי שהצטבר במורדות ההר בהתפרצות שהתרחשה אותה שנה בחודש אוגוסט ויותר מ-1,200 בני אדם מצאו בהם את מותם. גם עמוד ההתפרצות שהתנשא מעל וזוב בשנת 79 התמוטט במהלך הלילה שבין ה-24 וה-25 באוגוסט. כתוצאה מהתמוטטותו נוצרו זרמים פירוקלסטיים מהירים שחומם מאות מעלות, וקברו תחתם את הערים פומפיי, הרקולנאום, סטאבייה ואופלונטיס. בני אדם ובעלי חיים שלא נמלטו בשלבי ההתפרצות הראשונים מתו מיד תוך צריבת ריאותיהם וחנק. פליניוס הצעיר – שהיה עד גם לאירועים אלה – כתב עליהם במכתבו השני לטקטיוס: ענן שחור, מפחיד, שמתוכו פרצו להבות מפוצלות ורוטטות, והגיחו לשונות אש, כמו הבזקי ברק עצומים בגודלם... ואז הענן שקע על הקרקע וכיסה את הים... האפר החל ליפול עלינו, אם כי לא בכמות רבה. הבטתי לאחור; נראה שערפל דחוס וכהה עוקב אחרינו, משתרע על הארץ כמו ענן... אך זה התיישבנו כאשר ירד הלילה, לא כזה שיש כאשר השמים מעוננים, או כאשר אין ירח, אלא כזה שיש בחדר שחלונותיו הוגפו וכיבו את האור... (ספר VI, מכתב 20) גאולוגיה - מונחים מדד התפרצות געשית התפרצות-על אפר געשי טפרה עמנואל מזור, גיאולוגיה בפטיש ישראלי, האוניברסיטה הפתוחה, 1994, מסת"ב 965-06-0276-3 שלמה שובאל, צפונות כדור הארץ, האוניברסיטה הפתוחה, 2006, מסת"ב 965-06-0872-9 עקיבא פלכסר, גיאולוגיה, יסודות ותהליכים, אקדמון, 1992, מסת"ב 965-350-026-0 Encyclopedia of Volcanoes, ‏ ISBN 0-12-643140-X, Academic Press Encyclopedia of Geology, Elsevier Academic Press, First edition 2005, ISBN 0-12-636380-3 מדיה וקבצים בנושא עמודי התפרצות בוויקישיתוף התפרצות מונסרט באתר ערוץ נשיונל ג'יאוגרפיק מכתבי פליניוס הצעיר בתרגום לאנגלית הכוונה כנראה לאורן הסלע האיטלקי הנפוץ באותו אזור, Italian stone Pine או בשמו העממי Umbrella Pine (אורן מטרייה), שעמוד התפרצות דומה לו בצורתו הכללית. מכתב ראשון לטקיטוס The control of magma properties and conduit geometry on eruption column behaviour לחץ ליתוסטטי – לחץ הפועל על הסלעים באופן אחיד בכל הכיוונים ונובע ממשקל הסלעים מעל. הלחץ מתעצם ככל שמעמיקים. What causes lightning when volcanoes erupt? Eruption Model Encyclopedia of Volcanoes, עמ' 8 Encyclopedia of Volcanoes, עמ' 266 Encyclopedia of Volcanoes, עמ' 18 Effects on vent overpressure on buoyant eruption columns סיכונים געשיים באתר USGS מכתב שני לטקיטוס