Четыре сигнала Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай

От Москвы до архипелага Тонга больше 15 тысяч километров. Почувствовать извержение вулкана на таком расстоянии не удастся: сюда не доносятся подземные толчки и облака вулканических газов. Но какой-то сигнал от вулкана в конце прошлой недели бдительные москвичи поймать смогли. Рассказываем, как им это удалось и показания каких приборов в московских квартирах колеблются вместе с дном Тихого океана.

У 38-летнего московского айтишника Сергея Мартынова есть хобби: он собрал собственную метеостанцию на базе мини-компьютера Raspberry Pi и датчиков температуры, влажности, давления и других. Вечером, 15 января, он, как обычно, посмотрел на графики («чтобы убедиться, что все в норме») и увидел необычный скачок в показаниях барометра.

За 20 минут атмосферное давление подпрыгнуло на полтора гектопаскаля (1,13 миллиметра ртутного столба), затем провалилось еще на два (1,5 миллиметра ртутного столба).

Такое краткосрочное колебание можно было бы списать на неисправность, но Мартынов решил посмотреть, что показывают датчики давления на сайте Narodmon.ru, куда энтузиасты вывешивают данные со своих домашних метеостанций, и обнаружил, что многие из них «почувствовали» такой же скачок. Причем, чем восточнее, тем раньше возникал скачок. «Как будто какая-то волна прокатилась с востока на запад», — написал он в фейсбуке.

Наконец Мартынов посмотрел в новости и увидел виновника: за 14 часов до этого, в 15 тысячах километров от Москвы, в Тихом океане, взорвался вулкан Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай.

Масштабы бедствия

Два двухкилометровых островка Хунга-Тонга и Хунга-Хаапай — это выступающие над водой края кальдеры вулкана на дне Тихого океана. Вулкан принадлежит островной дуге Тонга-Кермадек — здесь Тихоокеанская плита уходит под Индо-Австралийскую — и не отличался особенной активностью. С 1912 года до января 2022-го он извергался пять раз. Ни одно из извержений по силе не превысило отметку 2 по шкале вулканической активности (VEI).

Предпоследнее извержение было в декабре 2014 года, после него между Хунга-Тонга и Хунга-Хаапай появился надводный вулканический конус, и острова срослись в единое целое. Но этот союз продержался недолго.

В субботу 15 января в 07:15 по московскому времени, после периода повышенной активности, начавшегося в конце декабря 2021 года, вулкан взорвался. Специалисты NASA оценили мощность взрыва в 10 мегатонн в тротиловом эквиваленте — в 500 раз сильнее, чем взрыв атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму.

Взрыв спровоцировал цунами, столицу Тонга засыпало пеплом. А на следующий день ученые уже не увидели на спутниковых снимках перемычки между островками.

Извержение 15 января, вероятно, лежит на отметке 5 или выше на шкале VEI. Это означает, в частности, что он выбросил на высоту более 10 километров больше кубического километра пепла.

По статистике, извержения такой силы происходят не чаще, чем раз в 12 лет. После точных подсчетов объема выброшенного пепла извержение в Тонга, возможно, окажется самым мощным на планете за последние 30 лет. Вулканологи уже сравнивают его с катастрофическими взрывами Кракатау в Индонезии в 1883 году и Пинатубо на Филиппинах в 1991 году.

Взрыв вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай вулканологи объясняют взаимодействием морской воды и раскаленного расплава. Вероятно, первый относительно небольшой взрыв снес часть вулканической постройки, и вода начала затекать в очаг с горячей магмой.

В истории вулкана такие события происходят примерно раз в тысячу лет. На это указывают отложения пирокластических потоков, свидетельства прошлых эксплозивных извержений — последнее было в 1100 году.

Что поймал барометр?

Что же почувствовал барометр Сергея Мартынова? Ослабленную ударную волну от взрыва вулкана, инфразвуковые колебания или что-то иное?

Сергей Куличков из Института физики атмосферы имени Обухова (ИФАРАН), которого редакция N + 1 попросила прокомментировать графики, сперва усомнился, что эти всплески вообще имеют какое-то отношение к тихоокеанскому вулкану. По его словам, подобные колебания могут порождать и вполне рутинные метеорологические явления — мощные циклоны, торнадо или шквалы. Куличков и его коллеги фиксировали похожие явления еще в 2015 году при прохождении атмосферного фронта в окрестностях Москвы.

Однако совпадение всплесков на графике с временем взрыва и, главное, похожие данные от коллег в самых разных точках Земли, убедили физика, что домашние метеостанции москвичей действительно могли почувствовать событие в 15 тысячах километров от них. «Пишут, что до Москвы от вулкана дошла ударная волна, — говорит ученый. — Но это неверно, это не ударная волна. Это так называемые волны Лэмба».

Ударная волна, которая возникает при любом взрыве — это колебания давления. Их природа такая же, что и у звуковых волн. Однако перепад давления, который сопровождает ударную волну, может превышать одну атмосферу, период ее колебания — доли секунды, а скорость распространения доходить до 1-2 километров в секунду, это в несколько раз больше скорости звука. 

Ударная волна распространяется во все стороны. По мере того, как ее фронт растягивается, амплитуда и скорость распространения падают, а энергия рассеивается. Поэтому на определенном расстоянии от места взрыва ударная волна превращается в звук. Если верить сообщениям в соцсетях, звук от взрыва вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай услышали даже на Аляске.

Затем частота акустической волны падает ниже 20 герц и превращается уже в инфразвук, недоступный человеческому слуху.

«Ударная волна порождает высокочастотную акустическую волну, а потом эта высокочастотная акустическая волна из-за нелинейных эффектов в атмосфере переходит в более низкочастотную акустическую волну, и переходит в инфразвуковую волну, которая может несколько раз обогнуть земной шар», — подытоживает Куличков.

Акустические колебания могут распространяться на большие расстояния по расходящимся траекториям. Звук уходит вверх, поднимается в стратосферу на высоты 20–50 километров, потом опускается, отражается от поверхности, снова летит вверх.

Поскольку инфразвук после мощных взрывов нередко оббегает весь земной шар, Организация договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний получает данные с большой сети инфразвуковых станций. Кроме ядерных испытаний, эта сеть чувствует и многие другие интересные события, например, взрывы болидов в атмосфере.

Но амплитуда колебаний инфразвуковой волны очень мала — сотые и тысячные доли миллиметра ртутного столба, и никакой бытовой барометр их обнаружить не в силах.

Куличков объясняет, что помимо акустических колебаний взрыв порождает в атмосфере еще и так называемые внутренние гравитационные волны. В этом случае имеются в виду не астрофизические гравитационные волны — волны колебаний геометрии пространства-времени, а тип гидродинамических колебательных явлений, возникающих под действием силы тяжести.

Такие волны в атмосфере распространяются значительно медленнее звука — со скоростью в десятки метров в секунду. Периоды ее колебаний — пять–десять минут, а амплитуда — достаточная для измерений на обычном барометре.

А промежуточное положение между акустическими и гравитационными волнами занимают волны Лэмба. Они распространяются со скоростью звука — около 300 метров в секунду, но период колебаний и амплитуда у них примерно такие же, как у гравитационных.

«Если чисто математически — это так называемая фундаментальная мода распространения волн в атмосфере. Ее период намного больше, чем период акустической волны. Например, от взрыва Тунгусского метеорита была зафиксирована волна с периодом в десятки минут. Волна Лэмба идет только вдоль земной поверхности, ее период постепенно растет с расстоянием. Она подчиняется уравнению Кортевега — де Фриза, [которое описывает поведение волн на мелководье]», — объясняет Куличков.

Наиболее полную картину событий дает запись микробарографов. По словам ученого, на графике, полученном с московских станций, хорошо прослеживаются четыре главных импульса, четыре волны Лэмба.

«Первый скачок — вечером 15 января. Это волна, которая пробежала от архипелага Тонга к приемникам. Второй импульс соответствует волне, которая прошла антиподальную область, то есть проделала путь в обратном направлении от источника и попала на приемник. Два импульса 17 января — прямой и антиподальный сигналы, которые обогнули земной шар. Вслед за волнами Лэмба на записях можно видеть мелкий «дребезг», инфразвук", — комментирует график Куличков.

Чтобы точно определить на графике волны от взрыва вулкана, нужно учитывать метеорологическую обстановку. Волновые возмущения в атмосфере вызывают не только вулканические извержения и землетрясения, но и атмосферные циклоны и фронты. Например, на графике изменения атмосферного давления в Майами 15–18 января 2022 года, наряду с сигналами, связанными с вулканом, можно увидеть скачок давления, вызванный прохождением холодного фронта.

Примерно такие же возмущения были зафиксированы сетью микробарографов перед штормом в Москве в мае 2017 года. Скачок давления связан с внутренними гравитационными и инфразвуковыми волнами, которые возникли при прохождении через столицу теплого и холодного фронтов.

Колебания такого масштаба тоже хорошо заметны на бытовых барометрах и метеостанциях. Так что, возможно, их обладателям стоит брать пример с Мартынова и чаще поглядывать на графики — может быть, удастся обнаружить никем не замеченный взрыв или новую Тунгусскую катастрофу.

Елена Гарова, Илья Ферапонтов