Фізика виверження вулкана: магма, тиск та пірокластичні потоки

3D Simulations

🌋 Науки про Землю · Вулканологія

📅 Березень 2026⏱ 12 хв🟢 Для початківців · Останнє оновлення: 28 травня 2026 р.

Фізика виверження вулкана: магма, тиск та пірокластичні потоки

Вулкан вивергається, коли розчинені в магмі гази утворюють зародки бульбашок, підвищуючи тиск доти, доки магма не розпадеться на фрагменти, що рухаються швидше за звук, або — якщо магма достатньо рідка — спокійно виливається ріками лави. Та сама фізика керує і пляшкою шампанського, і супервулканом.

Автор: Команда MySimulator · Редакційна перевірка: Редакція MySimulator

1. Склад і в'язкість магми

Магма — це розплавлена порода, що походить із мантії або з плавлення матеріалу кори. Її склад — а саме вміст кремнезему (SiO₂) — є найважливішим окремим чинником, що визначає стиль виверження:

В'язкість магми (приблизно): Тип SiO₂ % В'язкість (Па\cdotс) Темп. (°C) Характер ───────────────────────────────────────────────────────────── Базальт 45-52 10-100 1,100-1,200 Низька в'язкість, текуча Андезит 52-63 10³-10⁵ 950-1,100 Проміжна Дацит 63-68 10⁵-10⁸ 800-1,000 Висока в'язкість, в'язка Ріоліт 68-77 10⁸-10¹² 700-900 Надзвичайно в'язка Порівняння: вода = 10⁻³ Па\cdotс, мед = 10-100 Па\cdotс, асфальт = 10⁸ Па\cdotс Багато кремнезему \to довгі полімерні ланцюги Si-O \to висока в'язкість \to затримані гази \to вибухи Мало кремнезему \to деполімеризований розплав \to низька в'язкість \to легка дегазація \to ефузивне виверження

2. Дегазація летких речовин

Магма глибоко під землею перебуває під величезним літостатичним тиском — на глибині 5 км: P ≈ ρgh = 2 700 × 9,81 × 5 000 ≈ 130 МПа. За такого тиску вода, CO₂ та SO₂ залишаються розчиненими в розплаві (як CO₂ у закупореній пляшці газованої води).

Коли магма піднімається до поверхні:

Тиск знижується нижче тиску насичення розчинених газів
Утворюються зародки бульбашок — спершу на поверхнях кристалів (гетерогенна нуклеація)
Бульбашки ростуть, бо газ виділяється й дифундує в них
У низьков'язкому базальті: бульбашки піднімаються, зливаються й спокійно виходять → ефузивне виверження
У високов'язкому ріоліті: бульбашки не можуть вийти. Вони ростуть, доки магма не розпадеться на пірокласти — раптова хвиля декомпресії поширюється вниз по каналу зі швидкістю, близькою до звукової → вибухове виверження

Аналогія з шампанським: у пляшці шампанського під тиском 6 атм CO₂ повністю розчинений. Струснути її (центри нуклеації), відкоркувати (декомпресія) — і розчинений газ бурхливо виділяється, перетворюючи рідину на піну. Ріолітове виверження — це саме воно, але «піна» рухається зі швидкістю сотні м/с, а «пляшка» заввишки 5 км.

3. Ефузивні проти вибухових вивержень

Ефузивні (низька в'язкість)

Гавайські щитові вулкани (наприклад, Кілауеа, Мауна-Лоа) вивергають рідку базальтову лаву. Типовими є лавові озера, лавові тунелі та лавові потоки завдовжки десятки кілометрів. Лавові потоки просуваються зі швидкістю 1–50 км/год — небезпечно для майна, але рідко смертельно, якщо проведено евакуацію. Виверження Кілауеа 2018 року знищило 700 будинків за 3 місяці.

Стромболіанські (проміжні)

Окремі вибухи кожні кілька хвилин, коли великі газові пробки прориваються на поверхню. Утворюють лавові бомби, шлак та попіл. Названі на честь вулкана Стромболі (Сицилія), що активний майже безперервно понад 2 000 років — «маяк Середземномор'я».

Плініанські (висока в'язкість)

Найпотужніші й найнебезпечніші. Безперервний струмінь газу й пірокластів вивергається зі швидкістю 100–700 м/с, утворюючи еруптивну колону, що може сягати 40 км у стратосферу. Названі на честь Плінія Старшого, який загинув, спостерігаючи виверження Везувію 79 року н. е. Інші приклади: Пінатубо 1991 (колона заввишки 40 км), Кракатау 1883.

4. Шкала VEI

VEI	Об'єм (м³)	Висота колони	Опис	Приклад
0	<10⁴	<100 м	Невибухове	Ефузивне Кілауеа
2	10⁶	1-5 км	Вибухове	Галерас, Колумбія
3	10⁷	3-15 км	Сильне	Руапеху, НЗ 1995
4	10⁸	10-25 км	Катаклізмічне	Ейяф'ятлайокютль 2010
5	10⁹	>25 км	Пароксизмальне	Сент-Хеленс 1980
6	10¹⁰	>25 км	Колосальне	Пінатубо 1991
7	10¹¹	>25 км	Суперколосальне	Тамбора 1815
8	10¹²	>25 км	Мегаколосальне	Тоба ~74 000 р. тому

Шкала VEI логарифмічна: кожна одиниця означає 10-кратне збільшення виверженого об'єму. Події VEI 8 (виверження «супервулканів») рідкісні (~2 на 100 000 років), але можуть спричинити вулканічні зими тривалістю роки й засипати попелом цілі континенти. Виверження Тоба ~74 000 років тому могло скоротити чисельність людства до ~10 000 особин.

5. Пірокластичні потоки та хвилі

Пірокластичні густинні потоки (PDC) — найсмертоносніша вулканічна небезпека. Вони утворюються, коли еруптивна колона обвалюється або лавовий купол руйнується вибухом, спрямовуючи суміш гарячого газу (200–700°C), попелу й уламків породи, що рухається зі швидкістю 100–700 км/год.

Динаміка пірокластичного потоку: Густина біля джерела: ρ \approx 10-100 кг/м³ (набагато менше за воду ~1 000 кг/м³) Температура потоку: 200-700°C Швидкість потоку: 100-700 км/год (до 200 м/с) Рівняння імпульсу (спрощене, вниз по схилу): ρ\cdotdv/dt = ρ\cdotg\cdotsinθ - k\cdotv² θ = кут нахилу k = параметр тертя об основу Енергія: PDC об'ємом 1 км³, що спускається на 1 500 м, має кінетичну енергію: E_k = ½\cdotm\cdotv² \approx ½ \times (5\times10¹¹ кг) \times (150 м/с)² \approx 5.6\times10¹⁵ Дж \approx 1.3 мегатонни в тротиловому еквіваленті

PDC убили ~28 000 людей під час виверження Монтань-Пеле (Мартиніка) 1902 року — майже все населення міста Сен-П'єр — менш ніж за 2 хвилини. Серед тих, хто вижив, були швець у льоху та в'язень у кам'яній темниці з товстими стінами.

6. Вторинні небезпеки

Лахари: вулканічні грязьові потоки — суміші води, попелу й уламків породи. Часто спричиняються дощем, таненням льодовика чи проривом озер. Можуть проходити понад 100 км долинами річок зі швидкістю 30–60 км/год. Виверження Невадо-дель-Руїс 1985 року розплавило льодовиковий лід → лахари вбили 23 000 людей у місті Армеро.
Вулканічний попіл: дрібні частинки силікатного скла (від 1 мкм до 1 мм). Навіть кілька см мокрого попелу можуть обвалити дахи (густина мокрого ~2 000 кг/м³). Забиває реактивні двигуни (кремнезем плавиться до скла при 1 150°C, нижче робочої температури двигуна). Виверження Ейяф'ятлайокютля 2010 року закрило європейський повітряний простір на 6 днів.
Вулканічні гази: CO₂ (важчий за повітря, спричиняє задуху; перекидання озер CO₂ може вбити тисячі — озеро Ньос, Камерун, 1986, 1 800 загиблих), SO₂ (кислотні дощі, ураження дихальних шляхів), H₂S (токсичний). Вулканічний SO₂, викинутий у стратосферу, утворює сульфатні аерозолі, що відбивають сонячне світло → глобальне охолодження на 0,3-0,5°C протягом 1-2 років (наприклад, Пінатубо 1991).
Вулканічні цунамі: обвал кальдери, обрушення схилу чи входження пірокластичних потоків в океан. Виверження Тонга 2022 року спричинило цунамі заввишки 1-2 м, що відчувалося по всьому Тихоокеанському басейну.

7. Прогнозування вивержень

На відміну від прогнозу землетрусів, прогнозування вивержень можливе в межах від годин до тижнів, бо переміщення магми залишає помітні передвісники:

Сейсмічність: магма, що піднімається, тріщить породу й породжує рої землетрусів. Низькочастотний гармонічний тремор вказує на рух флюїду в каналах. Супутники GPS та InSAR виявляють деформацію ґрунту, коли магма роздуває вулканічну споруду.
Деформація ґрунту: здуття >1 м/рік на горі Сент-Хеленс передувало виверженню 1980 року за кілька місяців. InSAR (супутникова радарна інтерферометрія) вимірює деформацію міліметрового масштабу на величезних площах.
Викиди газів: потік SO₂ (вимірюваний спектрометрами DOAS та УФ-камерами) зростає, коли свіжа дегазуюча магма наближається до поверхні. Співвідношення SO₂ до CO₂ дає оцінку глибини.
Рівні вулканічної небезпеки USGS: Норма → Попередження → Спостереження → Тривога. Наразі під активним моніторингом перебуває ~50 вулканів у світі. Японське метеорологічне агентство видає прогнози з конкретними зонами небезпеки.