Физики: взрыв вулкана Хунга-Тонга «почувствовали» атмосфера и ионосфера на другом конце Земли 

«Мы наблюдали эффекты возмущений, вызванных плотной воздушной волной, которая образовалась в момент взрыва вулкана и распространялась в земной атмосфере. На уровне земли и до высоты в несколько километров это возмущение воспринималось как кратковременный скачок атмосферного давления, которое можно было измерить обычными методами, например цифровым барографом. На высоте ионосферы 70-100 км от поверхности энергия воздушной волны, распространявшейся в атмосфере, передавалась ионизированным слоям воздуха, что приводило к изменениям плотности распределения электрического заряда на этой высоте», — рассказывает Назыф Салихов, старший научный сотрудник Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН и заведующий Лабораторией спутниковых и геодинамических исследований Института ионосферы (Казахстан).

15 января 2022 года на архипелаге Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай произошел взрыв вулкана. В результате возникли глобальные геомагнитные возмущения и атмосферные волны, которые несколько раз обошли земной шар. Звук взрыва был слышен даже на Аляске, в 9 тысячах километров от вулкана.

Взрыв вулкана такой силы — уникальный природный эксперимент, который позволяет лучше понять свойства всех оболочек Земли: атмосферы, гидросферы и литосферы. Ранее за все время современных наблюдений столь мощных вулканических извержений в мире не случалось.

Ученым давно известно, что крупные извержения вулканов вызывают различного рода возмущения в ионосфере, которые предположительно возникают из-за утечки в верхние слои атмосферы энергии волн Лэмба — упругих волн, вызванных ударной волной в месте взрыва и распространяющихся параллельно поверхности Земли.

Энергия взрыва может передаваться в ионосферу через резонанс акустико-гравитационных колебаний в атмосфере. Под гравитационными колебаниями в данном случае подразумевается тип гидродинамических колебаний, возникающих под действием силы тяжести.

После извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай в различных точках земного шара были зафиксированы аномальные кратковременные колебания атмосферного давления, инфразвуковые, акустико-гравитационные волны и волны Лэмба.

Ученые ФИАН начали поиск связанных с этим событием эффектов среди данных, собранных Тянь-Шанской высокогорной станцией ФИАН и на радиополигоне «Орбита» казахстанского Института ионосферы (Алматы).

В записях атмосферного давления была обнаружена кратковременная аномалия, длившаяся несколько минут. Форма и длительность наблюдаемого возрастания давления совпадали с теми, что происходили на других метеостанциях. А момент ее наблюдения оказался запаздывающим на 12 часов относительно момента извержения, что соответствует времени прихода на Тянь-Шаньскую станцию атмосферной волны, движущейся со скоростью звука от точки расположения вулкана.

Анализ доплеровского сдвига частоты отраженного от ионосферы радиосигнала, который регистрировался при распространении радиоволн по двум трассам протяженностью 3212 км и 2969 км,
позволил обнаружить возмущения, которые были реакцией на прохождение через точку отражения радиоволн в ионосфере атмосферных волн плотности: волны Лэмба (0,31 км/с) и акустико-гравитационной волны (0,26 км/с).

«Наблюдались эффекты трех типов: скачок атмосферного давления, аномально большие вариации частоты отраженного радиосигнала (допплеровской частоты) и изменения теллурического тока, измеряемого между погруженными в грунт электродами. Аномалии в частоте отраженного
радиосигнала, которые сами по себе являются уникальным эффектом, также наблюдались именно в моменты, соответствующие приходу атмосферных волн. В данном случае аномально большой, более чем на 1 Гц, сдвиг частоты отраженного радиосигнала представляет собой достаточно уникальное явление, поскольку он в несколько раз превышает обычную дисперсию фоновых колебаний. В обычных (невозмущенных) условиях такие отклонения не наблюдаются. То же относится и к зарегистрированному после взрыва вулкана кратковременному возрастанию атмосферного давления. Совокупность всех временных корреляций позволяет утверждать, что наблюдаемые аномальные эффекты имеют одну и ту же физическую причину: распространение атмосферной ударной волны, источником которой служил взрыв вулкана», — говорит Назыф Салихов.

Возмущения ионосферы, вызванные взрывным извержением вулкана Хунга–Тонга, ученые изучили с помощью сети приемников Глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS), которая обычно используется для измерения общей концентрации электронов в ионосфере. Заметные ионосферные эффекты также наблюдались спутниками миссий ICE и GOLD, расположенными на низкой околоземной и геостационарной орбитах. Приёмники GNSS идентифицировали два типа перемещающихся ионосферных возмущений (TID), которые распространялись от эпицентра взрыва: два крупномасштабных и несколько среднемасштабных TID. Наиболее доминирующий среднемасштабный TID двигался со скоростью около 200-400 м/с и совпал с возмущением приповерхностного атмосферного давления. Таким образом, ученые убедились, что ионосфера является чувствительным детектором атмосферных волн и геофизических возмущений.

Изменения электронной плотности в какой-то области ионосферы могут влиять и на земную поверхность. Они наводят так называемые теллурические токи — слабые по величине естественные электрические токи в поверхностных слоях Земли. Эти токи могут быть обнаружены и измерены чувствительными датчиками, расположенными в приповерхностных слоях грунта.

Два таких возмущения были обнаружены в записях теллурического тока в моменты прихода волны Лэмба и акустико-гравитационной волны к пункту регистрации токов на Тянь-Шаньской высокогорной станции. Результаты исследования могут быть полезны для прогнозирования климатических последствий геологических катаклизмов и изменения климата.

«Главная цель экспериментов по постоянному мониторингу различных геофизических параметров на Тянь-Шаньской станции заключается в поиске предвестников приближающихся землетрясений. Полученные данные позволяют утверждать, что перспективным методом сейсмологического прогнозирования может стать регулярная регистрация сдвига частоты отраженного сигнала при ионосферном зондировании и выделение в этих записях характерных аномалий, которые возникают при активизации сейсмических процессов в окружающем регионе», — заключил Назыф Салихов.

Пресс-релиз ФИАН