Rozprzestrzenianie się dymu wulkanicznego

Trzy fazy kolumny

Sustaniwne eksplozowe wybuchy budują swoją kolumnę w trzech fazach. W obszarze naporowym gazów najbliżej osadu, mieszanka jest naciskana ku górze przez samą siłę rozszerzających się gazów, podobnie jak ekscytator wydzielni silnikowej. Podczas gdy się podnosi, wchłania i ogrzewa otaczający powietrze, stając się cięższa niż powietrze, wejdzie ona do convekcyjnej fazy, gdzie dalej podnosi się na to samo pole, że chmura burzowa — jest prosto mniej gęsta od powietrza otaczającego. Kolumna kontynuuje wzgórza aż do momentu, gdy osiągnie wysokość, w której gęstość jej zgodna jest z atmosferą, na czym punkt rozszerzona jest laterally w charakterystyczną chmurę owalną, często na lub powyżej tropopauzy, kilkaset kilometrów nad ziemią.

demo na żywo · powiązana symulacja● LIVE

Adwecja, difuzja i upadłość: trzy kwestie, które mają znaczenie

Po wyjściu cząstek popiołu z chmury podobnej do parasola, ich los jest opisany równaniem adwekcji-difuzji-upadku, takim samym matematycznym rodziny równań używanym dla dymu, emisji spalin i rozprzestrzeniania pąka, z jednym ważnym dodatkiem: prędkość upadkowa zależy silnie od wielkości cząsteczek, więc pojedyncza wybuch tworzy nie jedną chmurę, ale efektywnie wiele nadmiarowych chmur, każda opadająca z własną charakterystyczną prędkością.

dC/dt = -u * dC/dx - v * dC/dy - (w - v_settle) * dC/dz + K * laplacian(C)

  C            ash concentration
  u, v, w      wind velocity components (from a weather forecast model)
  v_settle     terminal fall velocity, strongly size-dependent
  K            turbulent (eddy) diffusivity, spreads and dilutes the plume

Dlaczego rozmiar cząsteczek sortuje chmurę ze względu na odległość

Przyspieszenie spadkowe terminalne rośnie gwałtownie z powiekami i gęstością cząsteczek, więc wilgotne lapilli i bloki cośniejsze spadają w ciągu minut blisko osadu, podczas gdy popiół o rozmiarze piaseczku pozostaje nad tobą przez godziny i może pokonać setki kilometrów. Najfinerniejszy popiół i aerolity wulkaniczne mogą pozostawać zawieszone przez dni lub tygodnie, a nawet miesiące, krążąc na wysokości derywnej w przypadkach ekstremalnych po całym globie. Ta naturalna segregacja oznacza, że zagrożenie zmienia charakter ze względu na odległość: gęsta opadająca popiół spowodowana upadaniem dachów blisko osadu ustępuje rozproszonej, finioliastej mgieci dalej w bór, która jest niewidoczna dla nago zorientowanego oka na powierzchni ziemi, ale nadal stanowi poważne zagrożenie dla lotnictwa przelatującego przez nią.

Zakłócenie niezauważalne na radarze

Cienka popiół wulkaniczny jest w większości przezroczysta dla konwencjonalnej radarowej klimatologii i może być nieodróżnialna od zwykłego chmury dla oka nago z kabiny, choć jest wystarczająco abrasywna do uszkodzenia szyby wiatrowej. Krytycznie, jego sialkaty cząsteczki roztacza się w ciepłym sekcji silnika samolotu (który obecnie przekracza 1000°C) i potem ponownie solidaryzuje się jako szkło na chłodniejszych powierzchniach dalej, zablokowując nozle paliwowe i pokrywając klatki turbin. Wiele samolotów doświadczyło pełnego zgasnięcia silników po nieświadomym przeletywaniu przez chmury popiołowej, co jest powodem dla czego centra ostrzegawcze popiółowego wulkanicznego teraz śledzą i prognozują każdą istotną plamę na całym świecie w prawie czasu rzeczywistym.

Z fizyki do map planowania lotów

Narzędzia operacyjne, takie jak model Ash3d USGS, przyjmują jako wejście szacowaną wysokość kolumny erupcji, jej trwanie i całkowitą masę wypalonego popiołu. Następnie rozprowadzają ten wynik na zakres rozmiarów cząsteczek, każda z własnością swobodnego spadku, a następnie przesuwają tę dystrybucję do przodu przy użyciu rzeczywistego prognozowanego pola wiatru na wielu wysokościach. Wynikiem jest siódemokrotnie ewolucyjna siatkę koncentracji popiołu 3D, którą władze lotnicze przekształcają bezpośrednio w zony zakazane do lądowania i korygowane ścieżki lotowe — te same trzy procesy fizyczne: podnoszenie przez ciężkość, spadek zależny od rozmiaru i adwecja wiatru, skaliowane z demo przeglądarki na prognozowanie kontynentalnego skalę.

Często zadawane pytania

Dlaczego popioł wulkaniczny jest tak zagrożeniem specyficznym dla silników samolotów?

Popiół składa się z małych cząsteczek kamienia i glinu o punkcie roztawienia niższym niż typowe operacyjne temperatury silników samolotowych, więc roztacza się on w cieplejszej części silnika, a następnie ponownie twardnieje na mniej ciepłych składnikach dalej streamingu, pokrywając klapki turbin i nozle paliwa. W najgorszych przypadkach dokumentowanych spowodował całkowitą przestojowość silnika.

Dlaczego największe cząsteczki spadają blisko wulkanu, a nie toczą się z dymem?

Prędkość upadku terminalna rośnie szybko z powiększeniem wielkości i gęstości cząsteczek, więc duże kawałki przewyższają transport poziomy wiatru w ciągu minut i spadają blisko wystrzału, podczas gdy popiół i aerosole finiernie upadają powoli, że wiatr przenosi je tysiące kilometrów przed ich dotarciem do ziemi.

Czy chmura popiołowa z mniej więcej wybuchu wulkanu może nadal zatrzymać loty daleko stamtąd?

Tak, jak pokazała eksplozja Eyjafjallajokull w Islandii w 2010 roku: choćby mniej intensywne wybuchy mogły wprowadzić wystarczająco małych cząsteczek popiołu do korzystnej strumienia lotniczego, aby przestojać przestrzeń europejską przez kilka dni, pokazując, że wysokość dymu i wzór wiatru, a nie tylko wielkość wybuchu, kontrolują skalę geograficzną zatrzymania.

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Volcanic Ash Plume Dispersal i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.

▶ Otwórz symulację Volcanic Ash Plume Dispersal

Rozprzestrzenianie się dymu wulkanicznego: od wybrukowania do ścieżek lotów