Вулканичното изригване на Тонга е предизвикало мистериозни концентрични вълни в атмосферата. Учените никога досега не са виждали нещо подобно. Вълнови колебания са регистрирани както на повърхността, така и високо над Земята в йоносферата. Уникалното явление било обяснено с гравитационни вълни, но всичко се оказало по-сложно.
Вулканът и атмосферните гравитационни вълни
Вулканът Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай край бреговете на островното кралство Тонга се събуди през декември 2021 г., а месец по-късно произведе мощно изригване. То генерира земетресения и цунами, които достигнаха до бреговете на Перу от другата страна на Тихия океан. Огромен облак пепел се издигна на двадесет километра в стратосферата. Звукът от експлозията бе чут на хиляди километри, на територията на Юкон в Канада, а инфразвукови вълни - под прага на човешкия слух - бяха записани от инструменти по целия свят.
Освен това изригването предизвика масивни колебания в атмосферата - така наречените атмосферни гравитационни вълни. Те бяха открити от сателита на НАСА Aqua няколко часа по-късно. Неговите изображения показват десетки концентрични кръгове, всеки от които представлява бързо движеща се вълна.
Акустично-гравитационните вълни (AGW) са добре познати на атмосферните физици, но никога преди не са били толкова ясно фиксирани при вулканични изригвания. Обикновено силните AGW са свързани със земетресения, цунами и някои изкуствени събития, като изстрелване на ракети или взривове. По-малките вълни възникват поради различни явления - движения на атмосферните фронтове, гръмотевични бури, геомагнитни бури, слънчеви изригвания, дори дневни колебания в атмосферата.
„Няма нищо необичайно в тези вълни - казва Сергей Пулинец, главен изследовател в Института за космически изследвания на Руската академия на науките, цитиран от РИА Новости. - Всъщност това са звукови вълни, само че с много ниски вибрации, така че не ги чуваме. Като всеки звук, те се появяват по време на свиване-разширяване на въздуха, когато привеждат в движение атмосферните маси.“
Вълните от изригването на вулкана обиколили земното кълбо няколко пъти, а барометрите в различни части на света регистрирали няколко малки пика - около 1,5 милибара - на повишаване на налягането. В Сиатъл, на западното крайбрежие на САЩ, скокът бил толкова силен, че разсеял традиционната местна мъгла, както съобщил местният офис на Националната метеорологична служба. Във Великобритания, на разстояние от около 16 500 километра от островите Тонга, първата вълна била уловена 14 часа след изригването, което позволило да се определи нейната скорост - около 330 метра в секунда. Това приблизително съответства на скоростта на звука. Следващите вълни били записвани от особено чувствителни барометри още едно денонощие.
Nedjeljka Žagar created a simulation of the atmospheric response triggered by the eruption over the first 24 hours. The colors of the wave represent a perturbation of the height of the stratosphere (positive is red, negative is blue). pic.twitter.com/Z1BdIZyfDe
— AGU's Eos (@AGU_Eos) January 21, 2022
Началната вълна била усетена по целия свят. Тя е регистрирана от всички 53 разположени на разстояние от 1800 до 18 000 километра от вулкана станции на системата за инфразвуков мониторинг на Организацията на Договора за всеобхватна забрана на ядрените опити. За сравнение: атмосферните вълни от метеорита в Челябинск, който разтърси Земята през 2013 г., били уловени само от половината от точките на мрежата.
Не просто вълна
Теоретично бързият възходящ поток от горещ въздух и пепел от изригващ вулкан в горната атмосфера може да причини акустично-гравитационни вълни от по-голям мащаб. Но това, което учените наблюдавали след изригването Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай, не се вписвало в схемата както по отношение на мащаба, така и по отношение на модела. На снимките колебанията изглеждали като смесица от вълни от различен тип и размер.
"Особеността е, че това е подводно изригване - отбелязва Сергей Пулинец. - Насложиха се звуковата вълна от самото изригване и атмосферната вълна от мощното изхвърляне на пепел. Още една предизвика цунами. Различният мащаб създаде богата картина на колебания с различни честоти. А тъй като това е изолиран остров в средата на океана, е тръгнала кръгова вълна, а не отразена, както при изригване на брега.“
Взривната скорост на изригването също била необичайна. Обикновено вулканите изливат лава и я изхвърлят в продължение на няколко дни, а понякога и седмици. Тук всичко се случило за броени минути – в резултат на един силен импулс.
Експертите на НАСА оценили силата на изригването на Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай на десет мегатона в тротилов еквивалент. Това е 500 пъти по-силно от експлозията на атомната бомба, хвърлена над Хирошима. Колосалната детонация, както и подводното срутване и свързаното с него цунами, са генерирали цял спектър от вълни, разпространяващи се както в долните, така и в горните слоеве на атмосферата. Освен акустично-гравитационни - инфразвукови, вълни на Ламб и електромагнитни колебания в йоносферата. Това според учените е уникалността на атмосферните събития, до които е довело изригването.
Зрелищното изригване на вулкана в Тонга бе видно и от Космоса (ВИДЕО)
Сателитните изображения са запечатали вълни, подобни на тези от камък, хвърлен в езеро, от мястото, където пепелният шлейф е пробил долните слоеве на атмосферата. Статичните разряди в него отприщили вълна от вулканични мълнии. Спътниците са регистрирали повече от 60 000 удара за петнадесет минути след първоначалното изригване на вулкана, което съответства на почти 70 удара на мълнии в секунда.
След това атмосферна ударна вълна започнала да се отклонява във всички посоки от шлейфа, което провокирало скок на атмосферното налягане. Използвайки данни от спътника GOES-West на НАСА, достъпни онлайн, Матю Барлоу, професор по екологични, земни и атмосферни науки в Масачузетския университет Лоуел, е построил съставно изображение на движението на първоначалната вълна през земната атмосфера.
The blast from the #TongaEruption was strong enough to jiggle the atmosphere from the surface to the ionosphere. #HungaTongaHungaHaapai
— AGU's Eos (@AGU_Eos) January 21, 2022
Here are preliminary findings from researchers over the last 6 days.https://t.co/AX0XdCH5Yp pic.twitter.com/0tYNwqLpGI
Последователността на събитията изглежда така: ударната вълна генерира високочестотна акустична вълна, която след известно време преминава в нискочестотна, а след това - в инфразвукова. В горните слоеве на атмосферата, където газовете се йонизират, разделяйки се на заредени частици - йони и електрони - вълните вече предизвикват електромагнитни колебания.
Използвайки данни от няколко наземни и космически сензора, британският физик Катрин Мичъл от Университета в Бат е направила видео. То показва как йоносферните вълни се разпространяват от вулкана към Нова Зеландия в рамките на няколко часа след изригването. Те се виждат като смяна на положителни и отрицателни отклонения на общото съдържание на електрони. По оценка на специалистите от Американския геофизичен съюз пет часа са били необходими на вълните, за да стигнат до бреговете на САЩ.
Космически заплахи
Учените постоянно следят с помощта на сателитни наблюдения електромагнитните вълни, разпространяващи се в йоносферата - област на атмосферата в диапазона от 60 до 1000 километра над земната повърхност. В тази зона (на около 400 километра над Земята) се върти пилотираната орбитална станция на МКС. За нея и други космически кораби йоносферните смущения не представляват опасност. Но те са способни да повлияят на работата на сателитни навигационни системи като GPS или GLONASS. Самите спътници са разположени много по-далеч - от 20 до 26 хиляди километра от над Земята, но техният сигнал може да се отклони, попадайки в йоносферата.
Цунамито от Тонга причини масови разливи на танкери с нефт (ВИДЕО)
"Вълната от спътника достига Земята с известно закъснение. Допълнителни нееднородности в йоносферата внасят грешки в очакваното закъснение на сигнала, които достигат десетки метри. Специалните служби ги проследяват и отстраняват - грешки в навигацията могат да доведат до аварии", обяснява Пулинец.
Изненадващо, седем дни след изригването акустично-гравитационните вълни все още се разпространявали, след като обиколили земното кълбо за десети път. Те са фиксирани в инфрачервения диапазон от геостационарните спътници GOES-16 и GOES-17.
It is amazing that after 7 days the #Tonga #eruption shock wave continues to circle the planet (10 times!) and can still be detected in the infrared by geostationary satellites such as #GOES16 and #GOES17. @matplotlib @xarray_dev @Satellite_GOES pic.twitter.com/1dSYZMdlGT
— diego aliaga (@diegoaliaga2) January 24, 2022
