Вулканическая молния

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.

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.

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.

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.