Фізичні ефекти у системі Земля-атмосфера-іоносфера-магнітосфера, викликані потужним вибухом вулкану Тонга 15 січня 2022 року

Анотація

Ефектам вибуху вулкану Тонга вже присвячено багато робіт. У них досліджуються ефекти цунамі, повітряна вибухова хвиля, рухомі іоносферні збурення, збурення екваторіальної іонізаційної аномалії, перебудова іоносферних струмів та атмосферної системи вітрів, збурення геомагнітного поля тощо. Надійно встановлено, що вибух вулкану Тонга викликав низку процесів у глобальних масштабах. Моделювання цих процесів у літературі, проте, відсутнє.Вулкан здатен викликати цілий комплекс фізичних процесів у системі Земля (літосфера, тектоносфера, океан) – атмосфера – іоносфера – магнітосфера (ЗАІМ), у всіх геофізичних полях. Аналіз усієї сукупності процесів у системі, викликаних унікальним вибухом і виверженням вулкану, є актуальною науковою задачею.           Мета цієї роботи – комплексний аналіз і моделювання головних фізичних процесів у системі ЗАІМ, що супроводжували потужний вибух вулкану Тонга 15 січня 2022 р. У статті зроблено першу спробу промоделювати або оцінити величину головних ефектів, викликаних вибухом і виверженням вулкану Тонга.  Проведено комплексний аналіз і моделювання основних фізичних процесів у системі ЗАІМ, що супроводжували потужний вибух і виверження вулкану Тонга 15 січня 2022 р. Оцінено енергетику вулкану та вибухової хвилі. Теплова енергія вулкану сягала ~ 3.9·10¹⁸ Дж, а середня теплова потужність ¾ 9.1·10¹³ Вт. Енергія вибухової хвилі була близька до 16…18 Мт ТНТ.Встановлено, що вулканічний струмінь з початковим тиском у десятки атмосфер сягав висоти в одиниці кілометрів. Вулканічний плюм поширився до висоти 50…58 км та перемістився на захід приблизно на 15 Мм. Оцінено основні параметри плюму. Його середня потужність складала близько 7.5 ТВт, а потік тепла ¾ 15 МВт/м². За такого потоку слід було очікувати на розвиток вогняного смерчу з кутовою швидкістю обертання близько 0.17 с^–1 та періодом обертання 37 с. Отримано аналітичне співвідношення для оцінки максимальної висоти підйому плюму. Головний внесок у величину цієї висоти дає обʼємна швидкість викидів (продуктивність) вулкану.          Вибух вулкану супроводжувався генерацією сейсмічної та вибухової хвиль, цунамі, хвилі Лемба, гравітаційних, інфразвукових і звукових хвиль, які поширювалися в глобальних масштабах. Важливо, що потужна вибухова хвиля була здатна викликати вторинну сейсмічну хвилю та вторинне цунамі. Це було одним із проявів взаємодії підсистем у системі ЗАІМ. Поширення потужних хвиль супроводжувалися нелінійними спотвореннями профілю хвиль і нелінійним загасанням як результат самовпливу хвиль. Електричні процеси у тропосфері повʼязані з розпиленням продуктів викидів, електризацією частинок плюму, розділенням зарядів, підсиленням атмосферного електричного поля, електропровідності, електричного струму та збуренням глобального електричного кола. Електричні ефекти в іоносфері повʼязані зі збільшенням на один ¾ два порядки напруженості іоносферного електричного поля, що призвело до вторинних процесів у магнітосфері та радіаційному поясі Землі. Встановлено, що магнітний ефект підводного вибуху та виверження вулкану був значним (~ 100…1000 нТл), але локальним. Магнітний ефект вулканічного плюму сягав ~ 1…10 нТл. Магнітний ефект у іоносфері був обумовлений збуренням системи струмів під впливом іоносферної «діри» (∆B ~ 0.1…1 нТл) та генерацією стороннього струму у полі атмосферних хвиль (∆B ~ 1…10 нТл). Запилення атмосфери продуктами викидів вулкану призвело до розсіяння сонячного випромінювання аерозолями, порушення радіаційного балансу у системі Земна поверхня ¾ океан ¾ атмосфера, охолодження приземної атмосфери та тригерного ефекту.         Вибух вулкану викликав генерацію аперіодичних (іоносферна «діра») та квазіперіодичних (хвильових) збурень. Хвильові збурення мали дві характерні швидкості: ~ 300 м/с (що є близькою до швидкості хвилі Лемба) та 700…1000 м/с (що властиво атмосферним гравітаційним хвилям у іоносфері). Магнітосферні ефекти, перш за все, викликані потужним електромагнітним випромінюванням з частотою ~ 10…100 кГц десятків – сотень тисяч блискавок, що мали місце у вулканічному плюмі. Їхня енергія та потужність сягали відповідно 40…400 ГДж та 40…400 ГВт. У результаті дії цього випромінювання на високоенергійні частинки радіаційного поясу виникали стимульовані висипання частинок у іоносферу та додаткова іонізація на висотах ~ 70…120 км. Важливо, що ефект висипання був тригерним. Певний вплив на магнітосферу завдавався альвенівськими хвилями, що поширювалися від джерела вздовж магнітної силової трубки. Встановлено та обґрунтовано головні прямі та зворотні, позитивні та негативні звʼязки між підсистемами у системі ЗАІМ.