Fizyka erupcji wulkanicznej: magma, ciśnienie i przepychające się porykotliwe strumienie

Spis treści zdecydowuje wszystko

Magma to roztwór ciepły skał z manteli lub rozpuszczony pokład, a jego zawartość siarki (SiO₂) jest jedynym najważniejszym czynnikiem kontrolującym sposób erupcji wulkanu. Magma o wysokiej zawartości siarki tworzy długie łańcuchy polimerów, co sprawia, że jest ekstremalnie gęsty — porównywalny z asfaltową masą — a jakiekolwiek gaz, który próbuje uciec, zostaje w niej zastrzeżony. Materiał basaltowy o niskiej zawartości siarki jest bliższy miele i pozwala gazu powietrza podnieść się i uciec łatwo.

Type      SiO2 %   Viscosity (Pa·s)   Character
Basalt     45-52    10-100              Low-viscosity, runny
Andesite   52-63    10³-10⁵             Intermediate
Rhyolite   68-77    10⁸-10¹²            Extremely viscous

Compare: water = 10⁻³ Pa·s, honey = 10-100 Pa·s, asphalt = 10⁸ Pa·s

Fizyka butelki z champagnem erupcji na podstawie wyduszania gazów

Pod głębokim ziemiem magma leży pod ogromnym ciśnieniem lithostatycznym — na głębokości 5 km około 130 MPa — i w tych warunkach woda, CO₂ oraz SO₂ pozostają rozpuszczone w płynie, dokładnie jak CO₂ w zamykanej butelce z champagnem. Gdy magma podnosi się, ciśnienie spada poniżej punktu satywacji tych gazów, powstają oni na powierzchni krystalicznej i rosną, gdy więcej gazu rozprzestrzenia się w płynie. W basaltach o niskiej viskości bąble podnoszą się, łączą się i uciekają łagodnie, tworząc erupcję wydyscyplinowaną. W rhyolitach o wysokiej viskości bąble nie mogą uciec — rosną aż do momentu, gdy magma roztrzaskuje się na pyroklasty i wibrujący front de kompresji propaguje się po kanałowi z bliskiej prędkości dźwiękowej jako erupcja eksplozywna.

Eruptywne, strombolianowe i pliniane erupcje

Wulkanizmy typu Kīlauea i Mauna Loa, podobnie jak wulkan Hawajski, wybuchają płynną basaltową magmą, która zaawansowuje o 1–50 km/h — wybuch 2018 roku w Kīlauea zniszczył ponad 700 domów w ciągu trzech miesięcy, ale był rzadko śmiertelny ze względu na możliwość ewakuacji. Eruptywne erupcje tworzą regularne eksplozje co kilka minut, gdy puchary gazu wybuchają na powierzchni — sam wulkan Stromboli jest prawie ciągle aktywny od ponad 2000 lat. Najmocniejszy i najbardziej zagrożający styl to pliniany, nazwane tak z powodu Pliniego Staršígo, który zmarł obserwując wybuch wulkanu Wysp Sycylijskich w 79 roku n.e.: ciągły strumień gazu i pyroklastów wybuchają o prędkości 100–700 m/s, tworząc kolumnę erupcyjną, która może dotrzeć do wysokości 40 km w atmosferze wyższej, jak to widziano na Pinatubo w 1991 roku i Krakatau w 1883 roku.

Skala VEI i porykotliwe strumienie

Skala Wyznaczania Ewentualności Wulkanicznej (Volcanic Explosivity Index, VEI) jest logarytmiczna: każda jednostka reprezentuje zwiększanie się o dziesięciokrotność objętości wybuchowej, od VEI 0 (efusive wybuchy Kīlauei) do VEI 8, które odpowiada za

, w tym Tobe roughly 74,000 lat temu, który może był odpowiedzialny za zmniejszenie ludności ludzkiej do około 10,000 osob. Najbardziej zagrożające zjawisko wulkaniczne to porykotliwe strumienie gęstościowe — mieszanka ciepłego powietrza (200–700°C), popiołu i kawałków kamienia, które przepływa z prędkością 100–700 km/h podczas upadku kolumny wybuchowej lub porozbicia się domu lawowego. W 1902 roku porykotliwe strumienie gęstościowe zabili około 28,000 ludzi w Saint-Pierre na Martinikie w ciągu dwóch minut. Drugie zagrożenia zwiększają ryzyko: lahary (wulkaniczne przepływy gliny) zabili 23,000 osób w Armero w 1985 roku, a chmura popiołowa wybuchu Eyjafjallajökull w 2010 roku zamknęła przestrzeń powietrzną europejską na sześć dni.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

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