Начиная от гремящих пирокластических потоков и заканчивая обжигающими реками лавы, вулканы славятся своим яростным фейерверком. Они также могут внушать благоговение во время более тихих моментов, например, когда кипящий пик отправляет в небо дымовое кольцо. Такие эфемерные явления были неоднократно замечены, когда люди пролетали над несколькими вулканами. Подобная картина отмечается по всему миру, но пока что было неясно, как образуются дымовые кольца. Они могут быть сотни метров в диаметре, но эти круги недолговечны и непредсказуемы, что затрудняет их изучение. Вот почему ученые во главе с Фабио Пульвиренти, старшим научным сотрудником из лаборатории реактивного движения НАСА, решили смоделировать их на компьютере.
Изображение дымных колец
В анимации, сделанной из инфракрасных изображений, центр вулкана Ясур выпускает кольца дыма. Виртуальный вулкан команды, представленный на собрании Общества геологических наук Азии и Океании в Сингапуре в начале этого месяца, показывает, что то, что происходит во рту курильщика, более или менее точно осуществляется и внутри вулканов. Именно к этому выводу пришел соавтор исследования Кармело Ферлито, вулканолог из Университета Катани в Италии.
Дым и зеркала
Несмотря на название, эти кольца вовсе не состоят из дыма. Именно так считает Борис Бенке, вулканолог из Национального института геофизики и вулканологии Италии, который принимал участие в исследовании. Как он рассказывает, вместо этого, завораживающие круги в основном состоят из конденсированных газов, преимущественно водяного пара, выходящих из магмы и выталкиваемых из вентиляционного канала кипящей горы.
Сильные ветра могут препятствовать образованию или сохранению колец в течение долгого времени. Как правило, выкованные из приличного запаса вулканического пара, который теплее и менее плотный, чем окружающий воздух, они дрейфуют к небу и начинают расширяться. В конце концов, когда они теряют большую часть своего пара, они попросту исчезают из виду.
Кольца образуют только некоторые вулканы
Но только некоторые вулканы способны образовывать кольца дыма и лишь в определенные моменты. Когда в 2013 году ученый Пульвиренти впервые узнал о них, он обнаружил, что научная литература не дает существенных ответов. Поэтому, когда его любопытство стало слишком сильным, он собрал нескольких коллег и решил разгадать тайну.
Его команда просмотрела множество научных наблюдений за кольцами вулканического дыма. Они изучили, как высоко круги поднимались, как быстро они двигались, как скоро они охлаждались, насколько различались их составы и как часто они содержали пепел. Ученые также узнали о том, как магматические газы мигрируют через вулканические каналы и выходят из них, а также изучили сложную физику образования вихрей в жидкостях, зафиксированную в рамках лабораторных экспериментов.
Компьютерная модель
Позже ученые включили все свои выводы в компьютерную модель. Играя с ростом давления в канале, а также с геометрией вентиляционного отверстия виртуального вулкана, в итоге команда разработала ресурсы, которые были необходимы для создания дымовых колец.
Когда магма поднимается по трубопроводу, окружающее давление падает, позволяя растворенным газам выходить в виде пузырьков. Если магма не слишком вязкая, пузырьки могут сливаться в единичные соединения под давлением. Когда они подходят к вентиляционному каналу, эти газовые карманы могут сильно разгерметизироваться и взорваться, выталкивая горячий пар вверх, иногда с почти сверхзвуковой скоростью.
В данном случае вулканы можно сравнить с простыми игрушками с дымовыми пушками, которые выбрасывают туман через узкое круглое отверстие. В обеих ситуациях необходимо собрать значительное количество пара, а затем быстро удалить его, чтобы образовалось приличное кольцо.
В смоделированном вулкане пар, выбрасываемый из вентиляционного отверстия, взаимодействовал со скалистыми сторонами, в результате чего шарик газа катился по краям. По словам доктора Пульвиренти, замедленные видеоролики показывают, что то же самое происходит с игрушками из дымовых пушек. Затем, когда свернутое паровое кольцо встречается с холодной атмосферой, оно охлаждается, замедляется, конденсируется и становится видимым, немного похожим на следы самолетов.
Как образуются деформированные кольца?
Важно отметить, что для получения колец вулканическое отверстие должно быть достаточно круглым, а боковые стороны должны иметь одинаковую высоту. Если вентиляционное отверстие имеет слишком неправильную форму или повреждено, кольцо может быть сильно деформировано, нестабильно или вообще не сформируется.
Товарищество колец
Будучи докторантом по вулканологии в Университете Окленда, Бенджамин Симонс видел кольца дыма у нескольких постоянно действующих вулканов, включая гору Ясур в Вануату. Большинство кругов, которые он видел, исходило из световых люков, расположенных над уровнем вулканических отверстий, которые являются открытыми и способствуют красивому ночному свечению магмы внизу.
Когда через эти узкие отверстия пропускаются небольшие порции вулканического газа, появляются кольца дыма. Ученые говорят, что они тяжело поднимаются и редко имеют возможность покинуть кратер на вершине, прежде чем исчезнуть. Результаты новых компьютерных моделей совпадают с собственными наблюдениями Саймонса. Как он утверждает, чем более круглое отверстие у вулкана, тем больше вероятность образования там кольца дыма. Его работа еще не рецензирована, но она уже объясняет, почему кольца дыма не видны на каждом вулкане все время. Это связано с тем, что они требуют особых условий для формирования.
Они возникают не всегда
Однако даже при соблюдении этих условий дымовые кольца появляются не всегда, что говорит о том, что в вулканическом газе есть нечто большее, чем мы знаем в настоящее время. К счастью, команда ученых все еще работает над этим, надеясь найти больше ответов. Их исследование - это не просто удовлетворение научных потребностей. Вулканические дымовые кольца образуются по тем же скалистым путям, которые перемещают магму на поверхность во время извержений, поэтому возможно, что их изучение поможет геологам лучше понять, что происходит внутри парящих колец вулканов.
И хотя эта работа, возможно, не решает самые насущные проблемы в вулканологии, как говорит доктор Ферлито, тем не менее все равно приятно пытаться разгадать загадку, которая одновременно и интересна, и прекрасна.
Дымные кольца над вулканами - невероятно красивое зрелище
Пока ученые пытаются понять и разгадать все вулканические секреты, геолог Джозеф Ликшиарди из Университета в Нью-Гемпшире делает удивительные снимки дымных кругов. Он долго не мог поверить своим глазам, когда над кратером Эйяфьятлайокудля впервые в своей жизни увидел два огромных паровых кольца. В тот момент он успел достать свой фотоаппарат и запечатлеть, как высоко в небо вулкан выдувал исполинские дымовые кругляшки.
Как он рассказывает, последний раз подобное чудо люди могли наблюдать еще девятнадцать лет назад, в 2000 году, близ горы Этна. Обычно такие кольца плавают в небесах около пяти минут, и каждый, кому удалось увидеть эту потрясающую картину, может быть уверен, что ему невероятно повезло. Теперь многие туристы мечтают тоже увидеть нечто подобное и успеть сфотографировать необычное вулканическое явление.
Таким образом, долго мучившая ученых загадка дымных колец над вулканами наконец-то разгадана, и теперь мы знаем, как они формируются.