15 января 2022 года нам вновь напомнили об огромной силе, скрывающейся под планетой. В этот день произошло мощное извержение подводного вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хапай, расположенного в южной части Тихого океана примерно в 40 милях к северу от главного острова Тонга - Тонгатапу. После первых раскатов 20 декабря 2021 года, кульминация извержения в январе подняла в воздух огромный шлейф воды и пепла, который поднялся на 36 миль в мезосферу Земли (средний слой атмосферы). Это вызвало цунами, которое достигло Японии и Америки и даже разорвало подводные кабели, прервав связь Тонга с остальным миром на целый месяц.
Почти год спустя ученые физического факультета Оксфордского университета и компании RAL Space опубликовали результаты исследования спутниковых снимков, подтверждающие, что это извержение привело к образованию самого высокого в истории вулканического шлейфа. Он также впервые непосредственно наблюдался в мезосфере. Результаты исследования опубликованы сегодня в журнале Science.
"Вообще-то я занимаюсь погодой, а не вулканологией, и тот факт, что это извержение было так четко зафиксировано несколькими метеорологическими спутниками, побудил меня начать исследование", - говорит ведущий автор и научный сотрудник Саймон Прауд в интервью. "Основной мотивацией было проверить идеи о том, насколько полезны эти метеорологические спутники для изучения экстремальных событий".
Ученые обычно могут оценить высоту вулканического шлейфа, используя спутники, работающие в инфракрасном диапазоне, чтобы взять температуру, зарегистрированную в верхней части шлейфа, и сравнить ее с вертикальным температурным профилем. В первом и самом нижнем слое земной атмосферы, называемом тропосферой, температура уменьшается с высотой. Однако если извержение достаточно велико, чтобы шлейф переместился в следующий слой (стратосферу), этот метод работает не так хорошо, поскольку температура снова начинает расти с высотой. Это увеличение происходит из-за того, что озоновый слой поглощает солнечное ультрафиолетовое излучение от солнца.
Увеличенный вид извержения, сделанный японским спутником Himawari-8 в 04:50 UTC 15 января 2022 года, примерно через 50 минут после начала извержения. CREDIT: Саймон Прауд / Оксфордский университет, RALSpace NCEO / Японское метеорологическое агентство.Чтобы решить эту проблему, Прауд и его команда использовали метод, основанный на явлении, называемом эффектом параллакса, или кажущейся разницей в положении объекта при наблюдении с нескольких линий зрения. Проверить это можно следующим образом: закройте правый глаз и вытяните одну руку с поднятым большим пальцем. Если затем переключиться и закрыть левый глаз, а правый открыть, то покажется, что большой палец слегка сместился. Затем можно рассчитать расстояние до большого пальца, измерив это кажущееся изменение положения и совместив его с известным и легко измеряемым расстоянием между глазами.
"Эффект параллакса действительно полезен для этого, поскольку он не страдает от ограничений, присущих другим методам. Традиционно мы используем температуру шлейфа, чтобы определить, насколько высоко он поднялся, но это зависит от точного знания температуры атмосферы на разных высотах, что невозможно во время большого извержения!" - говорит Прауд. Параллакс" требует только пару спутниковых снимков из разных мест и никакой другой информации, поэтому он прост и точен".
Три геостационарных метеорологических спутника покрывают местоположение вулкана, поэтому команда использовала полученные аэрофотоснимки и применила к ним эффект параллакса. Спутники записывали изображения каждые 10 минут во время извержения. Эти важнейшие данные позволили зафиксировать быстрые изменения в траектории движения шлейфа.
Согласно результатам исследования, высота шлейфа достигала 35 миль. Этот шлейф выше, чем два предыдущих рекордсмена: извержение вулкана Пинатубо в 1991 году на Филиппинах (высота 24 мили) и извержение Эль-Чичон в 1982 году в Мексике (высота 19 миль).
"Высота, конечно, была удивительной", - говорит Прауд. "Кроме того, удивило то, как менялась высота - у нас был большой пик высоты, который затем спал через 10 минут, а после этого был еще один большой пик. Это было действительно удивительно - видеть, как высота меняется так сильно и так быстро".
Этот шлейф также является первым наблюдательным свидетельством того, что вулканическое извержение выбрасывает материал через стратосферу и непосредственно в мезосферу, которая находится на высоте примерно от 31 до 53 миль над Землей.
Прауд подчеркнул, что крайне важно продолжать изучение этих извержений, чтобы обеспечить лучшее предупреждение и прогнозирование потоков лавы или цунами для тех, кто находится в опасности. Также важно изучить, будет ли это конкретное извержение полезно для специалистов по моделированию климата. "Климатические последствия самого извержения довольно ограничены, но тот факт, что оно выбросило так много воды, пепла и других обломков так высоко в атмосферу, является отличным способом проверить, как климатические модели справляются с такими ситуациями, могут ли они предсказать последствия", - сказал он.
Следующий шаг команды - создание автоматизированной системы, которая сможет вычислять высоту вулканических шлейфов с помощью метода параллакса. Полная автоматизация ручных расчетов ускорит процесс измерения плюмов.
Для Прауда ясно одно: такого рода исследования не проводятся в вакууме, и для их успешного проведения необходимы знания в различных областях знаний.
"Я думаю, что главное, что показывает это извержение, это то, насколько взаимосвязаны сейчас различные аспекты науки. В школе нас часто учат, что есть физика, химия и информатика, как отдельные предметы", - добавляет он. "Но сейчас они все так тесно связаны. Наши исследования объединяют инженерное дело, физику, математику и множество вычислений".