Вулканический пепел, его роль в природе и жизни людей

Вулканический пепел, его роль в природе и жизни людей

Панин А. В.

«Моисей простер руку свою к небу, и была густая тьма по всей земле Египетской три дня; не видели друг друга, и никто не вставал с места своего три дня» 

(Исх.10:22-23)

У большинства из нас при слове «вулкан» встает в глазах Помпея, погибшая при извержении Везувия в 79 г н.э. и превращенная в зрительный образ художником Карлом Брюлловым. Вулканизм, это грозное явление природы, изучается специальной наукой вулканологией. Сжигающие все на своем пути лавовые потоки и палящие тучи, потопы-йокульлаупы (выбросы вод расплавленных вулканами ледников), мощные всеразрушающие землетрясения, опустошающие морские берега цунами многократно описаны и в научно-популярной литературе. Автор же хотел бы обратить внимание на один из феноменов вулканической деятельности, обычно остающийся в тени ее катастрофических проявлений и до последнего времени интересовавший больше специалистов, чем широкую публику.

Речь идет о выбросах в атмосферу мельчайших твердых частиц - вулканического пепла. В отличие от катастрофических последствий извержений, имеющих локальный, а в масштабах Земли буквально точечный охват (кроме цунами), вулканическое запыление атмосферы и пеплопады затрагивают крупные регионы и влияют даже на глобальный климат. Информационным поводом для этого разговора послужило недавнее извержение исландского вулкана Эйяфьятлайокудль. Мощные выбросы пепла в атмосферу парализовали воздушное сообщение над Европой. По всему миру отменено или перенесено более 100 тысяч авиарейсов, пострадали около десяти миллионов пассажиров, авиакомпании понесли ущерб в 2, 5 миллиарда евро.

Что такое вулканический пепел

Но начнем по порядку: что такое вулканический пепел и как он образуется. При вулканическом извержении из недр на земную поверхность и в атмосферу попадет три вида продуктов: лава (расплав горных пород), пирокласты, или тефра (твердые частицы разного размера: пепел – частица размером с пылинки (сотые доли миллиметра), лапилли – мелкие камушки, вулканические бомбы – крупные обломки) и различные газы. Подсчитано, что в целом вулканы извергают пирокластов в шесть раз больше, чем лав.

Когда магма (будущая лава) находится на глубине под огромным давлением, в ней растворено много газов. Здесь действует физический закон: растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна давлению. По мере приближения магмы к поверхности и падения давления происходит дегазация - излишки газов выделяются в виде пузырьков. По трещинам газы мигрируют к земной поверхности и попадают в воздух в виде дымков, называемых фумаролами и считающихся признаками активности вулкана. Самая опасная ситуация создается в том случае, если у выделяющихся в недрах газов нет возможности рассеяться и они скапливаются под землей. Нарастание давления может привести к мощному взрыву с разрушением верхушки вулкана, а то и всей вулканической постройки целиком. Другой тип вулканических катастроф – обрушение верхушки вулкана в подземные пустоты, образовавшиеся при извержении в результате ухода магмы. Так образуется кальдера – огромный (диметром от 1, 5 до 15-20 км) округлый провал глубиной многие сотни метров.

С поверхности лавового озера, кипящего в кратере вулкана, постоянно выделяются горячие газы – именно поэтому лава кипит и пузырится. Поднимаясь с большой скоростью вверх, газы увлекают с собой мелкие капельки лавы, которые быстро затвердевают и превращаются в частицы вулканического пепла. Так и возникает пепловая колонна, или пепловый плюм, поднимающийся над вулканом на большие высоты (иногда до стратосферы) и разносящийся затем воздушными потоками на сотни и тысячи километров от эпицентра извержения. Из воздуха пепел осаждается атмосферными осадками. Если концентрация пепла в воздухе была велика, на поверхности суши образуется целый слой пепла. Вблизи вулкана за одно извержение может осесть слой пепла и более крупных пирокластов толщиной в метры и даже первые десятки метров. С удалением от вулкана концентрация пепла в атмосфере убывает пропорционально квадрату расстояния, и толщина пепловых слоев быстро падает.

Вулканы и погода

Давно замечено, что после сильнейших вулканических извержений обычно следует заметное снижение температуры в отдельных регионах и даже глобально. Такого рода эффект называют «вулканической зимой», по аналогии с «ядерной зимой». Он вызывается выброшенным в атмосферу пеплом и капельками серной кислоты, которые уменьшают проницаемость атмосферы для солнечной радиации и увеличивают так называемое альбедо Земли – долю радиации, которая отражается обратно в космос. Понятно, что количество радиации, достигшей земной поверхности и идущей на нагревание приземного воздуха, уменьшается. Однако из тропосферы (нижние 10-18 км атмосферы) загрязнение быстро, от нескольких дней до нескольких месяцев, вымывается дождями, в то время как после сильных извержений отмечались похолодания длительностью до трех-четырех лет. Их связывают с проникновением наиболее мелких аэрозольных компонентов пеплового материала в стратосферу (до высот 40-50 км), где атмосферных осадков практически не бывает, и очищение от загрязнений происходит гораздо медленнее. Вот некоторые наиболее известные исторические примеры «вулканической зимы».

Огромные тучи пепла были выброшены в атмосферу в результате взрыва островного вулкана Санторин в Эгейском море, считающегося самым сильным извержением за историческое время. На самом острове толщина слоя пепла местами превышает двадцать метров. Ранее считалось, что и находящийся в 110 км к югу о. Крит был засыпан трехметровым слоем пепла, что вызвало гибель растительности и голод среди местного населения. В результате население покинуло остров, что нанесло непоправимый урон Минойской цивилизации, известной нам из древнегреческой мифологии по царю Миносу и построенному по его приказу гениальным инженером Дедалом кносскому Лабиринту (Минотавр, Тесей, нить Ариадны). Однако последние исследования показали, что слой пепла, выпавший на Крите, не превышал пяти миллиметров. Ущерб, нанесенный минойской цивилизации, связывают теперь с предшествовавшим извержению мощным землетрясением и вызванной обрушением вулкана 150-метровой волной цунами, опустошившей северное побережье Крита.

Некоторые ученые связывают с извержением Санторина отраженную в «Ветхом Завете» «тьму египетскую», девятое из десяти наказаний, ниспосланных на Египет, чтобы заставить фараона отпустить народ иудейский. Согласно еврейской традиции, исход евреев из Египта датируется 1312 г до н.э. В то же время, по последним данным радиоуглеродного анализа, наиболее вероятное время взрыва Санторина - между 1600-1630 гг до н.э. Еще более точную дату дает дендрохронологический анализ (определение ширины годичных колец деревьев): в период 1628-1629 гг до н.э. отмечается резкое падение скоростей прироста дубов в Ирландии, Англии и Германии, а также остистой сосны в Калифорнии. Это связывается с охватившим все Северное полушарие похолоданием, вызванным запылением атмосферы. 

К последствиям вулканических извержений относят экстремальные погодные явления 535-536 гг н.э., в том числе наиболее суровые за все время новой эры эпизоды кратковременного похолодания (снег в августе 536 г в Китае). Главное свидетельство уменьшения прозрачности атмосферы дает византийский историк Прокопиус, отмечавший необычайно слабую яркость Солнца в 536 г. В изученных недавно колонках антарктического и гренландского льда в слоях, относящихся к этому времени, отмечен скачок концентрации сульфатов, которые могли попасть в лед только из атмосферы. Это указывает на высокую концентрацию в атмосфере кислотных аэрозолей, имеющих обычно вулканическое происхождение. Два возможных источника этих выбросов находятся в тропиках - вулкан Кракатау в Яванском проливе (в прежнем виде уже не существует) и вулкан Рабаул на острове Новая Гвинея.

В средневековье, как минимум, два погодно-климатических экстремума относятся за счет вулканической деятельности. «Великий голод» 1315-1317 гг в Европе, печально известный экстремально высоким уровнем преступлений, болезней и массовых смертей и даже каннибализмом, – следствие глобального похолодания в результате продолжавшегося пять лет извержения вулкана Кахароа в Новой Зеландии. Экстремально холодные зимы в Северной и гибель урожая винограда в Южной Европе в 1601-1602 гг, сильный голод на Руси в 1601-1603 гг, давший начало «Смутному времени» - следствия извержения вулкана Уайнапути́на в Перу 19 февраля 1600 г, сильнейшего за историческое время извержения в Южной Америке.

В Новое время наиболее известен «Год без лета», или «год нищеты»: так называют 1816 год с необычайно холодным летом, погубившим урожай в Европе, Канаде и США, что вызвало, как считается, последний серьезный продовольственный кризис на Западе. Интересно, что в Восточной Европе лето 1816 г было даже теплее обычного. Это показывает, что механизм погодно-климатических изменений под воздействием запыленности атмосферы весьма сложен. Сокращение притока солнечного тепла вызывает перестройку атмосферного давления и атмосферной циркуляции, меняются пути перемещения воздушных масс. Где-то становится влажнее, а где-то суше, в большинстве мест холоднее, но где-то и теплее, при том что в целом происходит похолодание. В 1816 г глобальная среднегодовая температура упала на 0, 4-0, 7°С. Большинство исследователей считает причиной этого совпадение двух факторов: на низкую солнечную активность (так называемый минимум Делтона) наложились последствия извержения вулкана Тамбора в Индонезии 10-11 апреля 1815 г. Это извержение признается самым сильным после Санторина и рекордсменом по объему пирокластических выбросов - более 150 кубических километров, согласно оценке известного вулканолога В.А.Апродова.

«Год без лета» оставил своеобразный след в мировой культуре. Летом 1816 г лорда Байрона, отдыхавшего на берегу Женевского озера, посетили его друзья Мери и Перси Шелли. Как напишет Мери в предисловии к своему будущему знаменитому роману, вместо обычной для этих мест восхитительной погоды «было мрачное мокрое лето, и беспрестанный дождь часто заставлял нас сутками не показываться из дому». Чтобы скоротать время, компаньоны затеяли писательское состязание: на лучший рассказ, отражающий царившее в доме угрюмое настроение. Победила Мери. После некоторой доработки появился знаменитый «Франкенштейн, или современный Прометей», впервые изданный в Лондоне в 1818 г и неоднократно переиздававшийся, а затем и экранизировавшийся впоследствии. Байрон же в июле 1816 г написал поэму «Тьма», в которой нарисована такая картина «вулканической зимы»:

Я видел сон... Не все в нем было сном. 

Погасло солнце светлое, и звезды

Скиталися без цели, без лучей

В пространстве вечном; льдистая земля

Носилась слепо в воздухе безлунном.

Час утра наставал и проходил, 

Но дня не приводил он за собою...

И люди - в ужасе беды великой

Забыли страсти прежние...

(перевод И.С.Тургенева)

Наконец, нельзя не упомянуть про взрыв располагавшегося между островами Ява и Суматра вулкана Кракатау в конце августа 1883 г. От 800-метровой конической горы осталось три расположенных кольцом небольших островка. Колонна пепла поднялась в стратосферу на высоту 30 км, а газы достигли даже мезосферы (70 км). Общий объем выброшенного при взрыве материала оценивается в 18 кубических километров. Такое мощное событие не могло не повлиять на глобальный климат. Отрицательная температурная аномалия фиксировалась наблюдениями в течение не менее четырех лет после извержения, причем в первый год глобальная среднегодовая температура понизилась на 1, 2°С. Много это или мало? Судите сами: 20 тысяч лет назад на Земле было самое холодное время за последние 300 миллионов лет, и глобальная температура была всего лишь на 3°С ниже современной. Поэтому не случайно в течение долгого времени была популярна вулканическая теория возникновения ледниковых эпох, которая связывала длительные глубокие похолодания климата и образование мощных ледяных щитов в полярных и умеренных широтах с возрастанием вулканической активности. Однако сейчас уже ясно, что влияние каждого сильного вулканического извержения на глобальный климат ограничено временем пребывания аэрозольного загрязнения в стратосфере и не превышает четырех-пяти лет. Чтобы похолодание климата длилось несколько тысяч лет, необходимо, чтобы в течение всего этого времени (или, по крайней мере, в начале, до образования покровных ледников) каждый год взрывалось по нескольку Кракатау. Такого в геологической летописи не зафиксировано. Так что, самостоятельной причиной длительных похолоданий климата вулканы и вулканический пепел служить, скорее всего, не могут, но, как следует из приведенных примеров, на несколько лет погоду испортить вполне способны.

Пеплопады воздействовали на жизнь людей и в доисторические времена. очередное свидетельство этому было обнаружено не так давно в сорока километрах от Воронежа на правом берегу Дона на верхнепалеолитической стоянке Костёнки-14 («Мамонтова гора»). В 2000 году экспедицией под руководством А.А.Синицына, сотрудника петербургского Института истории материальной культуры РАН, был найден слой вулканического пепла толщиной несколько сантиметров. Возраст пепла оказался тридцать два- тридцать три, по другим данным – около сорок тысяч лет. По химическому составу пепла установлено, что принадлежит он хорошо изученному вулканическому району – Флегрейским полям близ современного Неаполя. Аналогичный по составу пепел обнаружен в отложениях Адриатического моря. Столь значительное выпадение пепла за две тысячи километров от его источника позволяет предполагать, что атмосфера в результате этого извержения была запылена исключительно сильно, и вполне мог проявиться эффект «вулканической зимы». Прямо под слоем пепла были найдены женские украшения из раковин и трубчатых костей песца с орнаментом, тип которого и техника выполнения характерны для археологических памятников, достоверно связанных с человеком современного физического типа. Именно в это время Homo sapiens sapiens мигрировал в Европу с Ближнего Востока, вытесняя неандертальцев, и костенковские находки – самые древние в Европе изделия предков современного человека. Выпадение вулканического пепла, по-видимому, стало для людей настоящей катастрофой, заставившей их бросить насиженное место, подобно тому, как неоднократно происходило в будущем в других местах.

Извержение вулкана в Исландии

Вернемся к Эйяфьятлайокудлю. Американские лингвисты из организации Global Language Monitor выяснили, это название могут правильно произнести лишь около 320 тысяч человек, или 0, 005% населения Земли, причем большинство из них – исландцы. Будет проще, если разложить его на три слова, означающие по-исландски «остров-гора-ледник». Действительно, над окружающим пространством, как остров, возвышается вулканическая постройка высотой 1666 м с вершиной, покрытой шестым по величине в Исландии ледником. Последний раз вулкан извергался в 1821-23 годах. Первое из извержений текущего года началось 20 марта, потом последовала короткая пауза, а 14 апреля началось второе извержение, на этот раз прямо под ледником. Таяние ледника вызвало наводнения (йокульлаупы) на стекающих с вулкана реках и необходимость эвакуации более восемьсот человек. Вулканический пепел, засыпавший окрестности, вывел из строя пастбища, и уже не дожидаясь конца извержения, многие фермеры-конезаводчики вывесили объявления о продаже своих участков. Однако проблемы исландских фермеров не идут ни в какое сравнение с охватившим Европу транспортным коллапсом. Холодная ледниковая вода быстро охлаждала лаву с образованием мельчайших частиц вулканического стекла, вовлекавшихся в вулканическое облако (плюм). В результате поднимавшиеся вверх вулканические газы оказались насыщенными силикатными частицами, очень опасными для авиации. В разные дни пепловая колонна над вулканом поднималась на высоту до тринадцати километров, т.е. достигала стратосферы. Выделения лавы и, в меньшей степени, пепла продолжались еще на момент написания этой статьи (2 мая).

Образовавшееся 14 апреля пепловое облако было подхвачено господствующими над Северной Атлантикой западными ветрами и стало быстро перемещаться в сторону континентальной Европы. Первыми забили тревогу ближайшие соседи – британцы, у которых, к тому же, был негативный опыт подобной ситуации. 24 июня 1982 г «Боинг-747», следовавший по маршруту Лондон – Окленд (Н.Зеландия), случайно попал в пепловое облако вулкана Галунгунг в Индонезии. В результате отказали одновременно все четыре двигателя. Самолет стал планировать в сторону Джакарты (180 км) в надежде как-то выполнить посадку. Когда самолет вышел из зоны облака, все четыре двигателя запустились. Техническая экспертиза показала, что пепловые частицы, попав в горячий двигатель и расплавившись, образовали стекловидное покрытие на лопатках турбин и блокировали подачу воздуха в различные узлы двигателя. Когда двигатели заглохли и остыли, застывшая стеклянная корочка стала обламываться, подача воздуха возобновилась, и двигатели удалось запустить заново. Из каждой турбины извлекли потом по восемьдесят клограммов вулканического пепла.

Начиная с 15 апреля значительная часть регулярных рейсов над Западной и Центральной Европой была отменена. Режим ветров играл ключевую роль в распространении пеплового облака: в то время как половина европейских аэропортов в 1, 5-2, 5 тысячах километров от вулкана была закрыта, аэропорт Рейкьявика, располагающий всего в ста пятидесяти километрах к западу от него, благополучно функционировал. 21 апреля извержение перешло в новую фазу: интенсивность пепловой деятельности заметно снизилась, стали слышны взрывы и появились фонтаны лавы. Атмосфера над континентальной Европой достаточно прочистилась, и большинство регулярных авиарейсов было возобновлено. А 23 апреля в связи с изменением направления ветра пепловое облако впервые показалось вблизи Рейкьявика, что вынудило закрыть на время местный аэропорт.

Уникальность извержения Эйяфьятлайокудля состоит в том, что именно в эпоху авиации столь мощное пепловое загрязнение атмосферы, да еще и в столь густонаселенном районе мира, наблюдается впервые. Отсюда и такая беспрецедентная реакция авиационных властей, усиленная, к тому же, произошедшей буквально накануне под Смоленском катастрофой самолета польского президента (в прессе появилась даже теория «геологического оружия», согласно которой извержение Эйяфьятлайокудля было вызвано искусственно, чтобы отвлечь внимание от той ужасной трагедии). Однако это извержение имело, как ни странно, и положительную сторону, которая тоже могла проявиться только в современную эпоху: оно вывело из кризиса туристический бизнес Исландии. Со всего света в страну устремились туристы, стремящиеся своими глазами увидеть уникальное природное явление. Похожую картину можно было наблюдать осенью 2005 г в США: целые автобусы организованных туристов устремились в дельту Миссисипи посмотреть на затопленный в конце августа ураганом Катрина город Новый Орлеан. У части местных жителей желание «поглазеть» на их несчастье вызвало отторжение, у других, наоборот, надежду привлечь больше внимания и помощи со стороны властей.

Так или иначе, Эйяфьятлайокудль - это уже второй прецедент такого рода, что позволяет говорить о зарождении нового направления туризма – «туризма катастроф». Это тоже примета именно наших дней: не только во времена царя Миноса, но и всего лишь чуть более столетия назад при взрыве Кракатау обычные люди не имели ни познавательного интереса к таким событиям, ни возможности быстро попасть в нужное место. И еще одна черточка времени: 29 апреля, т.е. уже через две недели после начала извержения газета «Times” сообщила о поступлении в продажу наручных часов, частично изготовленных из пепла Эйяфьятлайокудля. Их произвела ограниченным тиражом швейцарская компания Romain Jerome. По словам представителя компании, эти часы станут "одним из самых ярких символов глобальных эмоций нашего времени".

Таким образом, роль вулканов и вулканического пепла в жизни людей меняется вместе с развитием человеческого общества, его технических возможностей, уровня науки, принципов морали и этики. Какова будет эта роль в будущем – сюжет скорее не для ученых, а для писателей-фантастов. Впрочем, их фантазии нередко становятся реальностью …