Вулканическая молния

Разряд молнии во время извержения японского вулкана Сакурадзима. Фото © Martin Rietze c сайта mrietze.com, февраль 2013 года.

На фото запечатлен один из разрядов молнии, которые в большом количестве возникали во время извержения японского вулкана Сакурадзима в феврале 2013 года. Такие молнии, вызванные не грозой, а извержением вулкана, носят название вулканических молний, или грязных гроз.

Самое раннее наблюдение вулканических молний известно из письма древнеримского государственного деятеля и писателя Плиния Младшего историку Корнелию Тациту: «В огромной и черной грозовой туче вспыхивали и перебегали огненные зигзаги, и она раскололась длинными полосами пламени, похожими на молнии, но только небывалой величины». Так Плиний Младший описывал то самое извержение Везувия в 79 году, которое привело к гибели Помпей и Геркуланума. Его дядя Плиний Старший погиб тогда же, наблюдая за извержением и, возможно, пытаясь помочь друзьям. В его честь тип извержения вулкана с мощными взрывными выбросами лавы и пепла был назван плинианским.

Вулканические молнии сопровождают взрывные (эксплозивные) извержения самой разной мощности. Сила извержения вулкана выражается с помощью индекса вулканической активности (VEI, Volcanic Explosivity Index), основанного на оценке объема извергнутых продуктов (тефры) и высоте столба пепла. Значение VEI-0 характеризует извержения с объемом 104 м3 и высотой столба пепла около 100 метров, большая часть извержений гавайского вулкана Килауэа были именно такими. Знаменитое извержение исландского вулкана с труднопроизносимым названием Эйяфьядлайёкюдль, приведшее в 2010 году нарушению авиасообщения в Европе, имело показатель VEI-4 (0,1 км3 тефры и высотой столба пепла более 10 км). Сила извержения Везувия в 79 году оценивается в VEI-5, когда было выброшено более 1 км3 тефры на высоту более 10 км. Еще мощнее было извержение Кракатау в 1883 году (VEI-6, 10 км3, более 20 км в высоту). А извержение вулкана Тамбора в 1815 году индексом VEI-7 (100 км3, более 20 км) считается крупнейшим задокументированным извержением в истории человечества. Взрыв был слышен на расстоянии 2000 км, число погибших от прямого воздействия оценивается в 11–12 тысяч. Извержение уничтожило культуру жителей Сумбава и вызвало глобальные климатические аномалии, 1816 год стал известен как «год без лета». Извержений с максимальным индексом VEI-8 (1012 м³, более 20 км) в голоцене не происходило.

Примеры вулканических молний на разных вулканах мира. Вверху слева направо: извержение подводного вулкана в Исландии в 1963 году, в результате которого образовался остров Сюртсей (фото © Sigurgeir Jónasson); Эйяфьядлайёкюдль в марте 2010 года (фото © Marco Fulle); Тааль, Филиппины, январь 2020 года (фото © Domcar C. Lagto). Внизу слева направо: Сакурадзима, Япония, Март 2015 года (фото © Martin Rietze); Кумбре-Вьеха, остров Пальма, Канарские острова, октябрь 2021 года (фото INVOLCAN); Этна, Италия, ноябрь 2013 года (фото © Simona Scollo). Изображение из статьи C. Cimarelli, K. Genareau, 2022. A review of volcanic electrification of the atmosphere and volcanic lightning

Вулканические молнии образуются подобно обычным молниям во время грозы, с той лишь разницей, что основную роль в генерации электричества играют не кристаллы льда, а частицы породы. Основными механизмами, за счет которых образуется электрический заряд, служат дробление породы (фрактоэмиссия), а также трение частиц между собой в поднимающемся столбе газа, пепла и другого вулканического вещества — эруптивной колонне. Помимо этого, во время извержения из магмы высвобождаются значительные объемы воды, которая из газообразного состояния конденсируется в эруптивной колонне в жидкое, а при замерзании образует частицы льда. Это в свою очередь приводит к увеличению числа частиц, взаимодействующих между собой, в результате чего число молний возрастает.

Известно также несколько примеров вулканических молний, вызванных контактом лавы или магмы и морской воды во время мелководных подводных извержений. Так было в случае извержения Анак-Кракатау в 2018–2019 годах, когда из-за частичного обрушения одноименного острова произошел контакт морской воды с магмой в вулканическом канале, что вызвало взрывы. Извержение характеризовалось большим количеством пара и пепла, которые достигли верхних слоев тропосферы. Во время этого извержения было зарегистрировано рекордное количество электрических разрядов (более 150 000 за шесть дней). Это связано с превращением водяного пара в лед в мощном восходящем потоке.

Аэрофотоснимки извержения Анак-Кракатау 23 декабря 2018 года; a–d — разные ракурсы эруптивной колонны. Фото из статьи A. T. Prata et al., 2020. Anak Krakatau triggers volcanic freezer in the upper troposphere

Лабораторные эксперименты показали, что для генерации молний ключевыми параметрами являются размеры частиц, объем выбрасываемой массы и начальное давление смеси газов и частиц. Общая величина генерируемого электрического разряда пропорциональна всем трем параметрам, хотя каждый из них играет различную роль в процессе. Доля мелких частиц в исходной смеси определяет количество электрических разрядов, в то время как их мощность линейно коррелирует с избыточным давлением в жерле вулкана и общей массой мелких и крупных частиц.

Представить образование электрического заряда в эруптивной колонне можно, используя вертикально-слоистую модель. В верхней части колонны преобладают вулканические газы и аэрозоли, которые несут положительный заряд. В средней зоне расположены мелкие частицы пепла, которые в среднем заряжены отрицательно, а в нижней зоне преобладает гравитационное осаждение более крупных частиц пепла/породы, заряженных положительно. Другими словами, образуются области, заряженные положительно и отрицательно, между которыми происходит разряд молнии. Эта модель была дополнена лабораторными экспериментами, показавшими, что крупные частицы с положительным зарядом могут отделяться и преобладать в центральной части колонны, а отрицательные — во внешней. Но если размер частиц одинаковый, то в пепловом шлейфе образуются обособленные участки с преобладающим положительным или отрицательным зарядом. Что также приводит к образованию областей с отрицательным и положительным зарядом, между которыми происходит разряд молнии.

Принимая во внимание наблюдения и лабораторные эксперименты, делаем вывод, что процессы генерации вулканической молнии меняются во времени и зависят от параметров извержения, таких как давление, размер частиц. Так, например, во время извержения вулкана Редаут на Аляске в 2009 году в прижерловой области заряд был хаотично рассеян и генерировался в основном в результате фрактоэмиссии, но впоследствии на больших высотах стали преобладать гравитационные эффекты и он стал горизонтально расслоенным.

Схемы образования заряда в эруптивной колонне, полученные на основе лабораторных экспериментов: a — распределение электрического заряда согласно модели PNP (Positive-Negative-Positive); b, c — распределение разных (b) и одинаковых (с) по размеру частиц и их заряд (d и e соответственно). Изображение из статьи C. Cimarelli, K. Genareau, 2022. A review of volcanic electrification of the atmosphere and volcanic lightning

Молнии вносят значительный вклад в изменения атмосферы, и, соответственно, на биологическую активность. Химические анализы показывают, что после воздействия молнии часть оксидных соединений восстанавливается. Хорошо известно, что молния — основной абиотический фактор, влияющий на азотфиксацию. Молекула атмосферного азота (N2) очень стабильна, но у молнии достаточно энергии, чтобы разорвать эту связь, позволив атомам азота прореагировать с кислородом, образуя оксиды (NO и NO2). В год молнии могут приводить к образованию до 8,6 миллионов тонн оксидов азота.

Обильная вулканическая активность в течение архея и связанное с ней появление вулканических молний могли сыграть, наряду с грозовыми молниями, важную роль в фиксации азота. Напомним, что азотфиксация — это основной источник биодоступного азота, который необходим для биосинтеза всех азотсодержащих органических соединений: аминокислот, белков, нуклеиновых кислот. Кроме того, они могут образовывать восстановленный фосфор, основное питательное вещество для морских и наземных микроорганизмов. Его находка в природных фульгуритах свидетельствует о способности обычных и грязных гроз вносить существенный вклад в биологический круговорот фосфора.