Fi zy ka erup cji wul ka nu

fizyka wczoraj, dziś i jutro
Fizyka erupcji wulkanu
n ANDRZEJ GAŁAŚ
Wprowadzenie
Erupcją nazywamy wyrzucenie przez wulkan na powierzchnię Ziemi i do atmosfery
materiału wulkanicznego: gazów, pary, lawy,
popiołu, materiału piroklastycznego. Już
w tej definicji pojawiają się słowa zrozumiałe tylko dla tych, którzy interesują się geologią. Skały piroklastyczne to osady powstałe
w wyniku erupcji wulkanu (grec. pyr – ogień,
wybuch, klastos – rozbity na fragmenty).
Dziś wiemy, że erupcje wulkanów to
efekt rozsuwania się płyt oceanicznych lub
ich wędrówki nad diapirem gorącego
płaszcza Ziemi. Szczeliny zasklepiają się
w wyniku wdzierania się z głębi gorącej
magmy i wylewania się law bazaltowych.
Rozsuwanie ma miejsce wzdłuż długich
grzbietów śródoceanicznych a jego tempo
wynosi 1–15 cm na rok. Ten proces powoduje swoistą wędrówkę kontynentów, ale
także wsuwanie się płyty Oceanu Spokojnego pod płyty kontynentów, które go otaczają (strefy subdukcji). Wulkany występują głównie na grzbietach śródoceanicznych
oraz w strefach subdukcji.
Przykład
Do rozwoju wiedzy o wulkanach przyczyniły się zarówno badania skutków wybuchów w minionych wiekach, jak i obserwacje aktywności czynnych wulkanów. Na
rozwój wulkanologii ogromny wpływ wywarły studia wielkich erupcji: Wezuwiusza
(Włochy, 79 r. n.e.), Krakatau (Indonezja,
1883 r.), Mt Pelée (Martynika, 1902 r.), Mt
St. Helens (USA, 1980 r.). Wszystkie są
znakomicie udokumentowane i objaśnione
przez specjalistów.
Wybuch wulkanu Krakatau uznano za
jedną z największych erupcji w czasach historycznych. Wulkan tworzy wyspę w Cieśninie Sundajskiej pomiędzy Sumatrą a Ja-
12
wą. Przed wybuchem stożek miał wysokość
około 1800 m.
Po 200 latach milczenia, w maju 1883 roku, wulkan przebudził się, oznajmiając to
okolicy serią podziemnych grzmotów i trzęsieniem ziemi. Po nich nastąpiła erupcja.
Nad wulkanem uniosła się charakterystyczna chmura popiołów, a na odległą o 150 km
Dżakartę spadł pył. Przez następne 3 miesiące budziły się kolejno kratery Perbuwatan, Danan i Rakata tej wulkanicznej wyspy. 11 sierpnia, gdy ostatni raz oglądano
wyspę, chmury popiołu i pary unosiły się
nad wszystkimi trzema kraterami i szeregiem szczelin. 26 sierpnia około godziny 13
w Dżakarcie usłyszano potężny huk wybuchu, potem kolejny i następne. Kanonada
trwała aż do rana następnego dnia. Jeszcze
przed zmrokiem przez port tego miasta
przetoczyła się wysoka na 3 m fala uszkadzając statki i domy położone nad brzegiem. Ku zdziwieniu mieszkańców poranek
nie przyniósł światła. Przez cały dzień 27
sierpnia trwały ciemności a widoczność
ograniczała się do 2–3 m. Na południowej
Sumatrze ciemności trwały dwa i pół dnia.
26 sierpnia o godzinie 10.02 nastąpiła
kulminacja wybuchu. Huk z odpowiednim
opóźnieniem był słyszany w środkowej
Australii, na Filipinach, Cejlonie a nawet na
małej wyspie Rodriguez, oddalonej 4800 km
od Krakatau. Podmuch i wstrząs wytłukł
szyby w promieniu 150 km a fala uderzeniowa obiegła trzykrotnie kulę ziemską z prędkością ponad 1000 km/h.
W tym dniu chmura nad wyspą wzniosła
się na wysokość 80 km, co spowodowało, że
najdrobniejszy pył był unoszony w stratosferze przez wiele miesięcy. Powierzchnię
wód w Cieśninie Sundajskiej pokryła 3-metrowa warstwa pumeksu całkowicie uniemożliwiając żeglugę. Na południową Su-
fizyka w szkole
fizyka wczoraj, dziś i jutro
Tabela 1. Wskaźnik VEI (Volcanic Explosivity Index – wulkaniczny indeks eksplozywności)
VEI
Rodzaj
intensywności
Wysokość
kolumny
eruptywnej
[km]
Objętość tefry
[106 m3]
Typ
Przerwa między
wybuchami
Przykład
0
brak eksplozji
< 0,1
n·0,001
Hawajski
stałe – 1 dzień
Kilauea
1
słaba
0,1–1
n·0,01
Stromboli
1 dzień
Stromboli
2
średnia
1–5
n·1
Strom.-Vulcano
tygodnie
Galeras, 1992
3
silna
3–15
n·10
Vulcano
1–10 lat
Ruiz, 1985
4
kataklizm
10–25
n·100
Vulc.-Plin.
10–100 lat
Galunggung, 1982
5
paroksyzm
> 25
n·1 km3
Pliniuszowa
100–1000 lat
St. Helens, 1981
Plin/Ultra-Plin.
100–1000 lat
Krakatu, 1883
Ultra-Pliniuszowa
tysiąclecia
Tambora, 1815
Ultra-Pliniuszowa
n·10 000 lat
Yellowstone, przed 2 Ma
3
6
kolosalna
> 25
n·10 km
7
super kolosalna
> 25
n·100 km3
8
mega kolosalna
> 25
n·1000 km
3
matrę opadał gorący pył zabijając zwierzęta i ludzi. Jednak najgorsze w skutkach było uderzenie o wybrzeże ogromnej fali, tzw.
tsunami. Ściana wody o godz. 10.30 w samej cieśninie miała wysokość do 40 m.
Niszczyła osady położone nad brzegiem,
niosła zniszczone domy w głąb lądu. Przeniosła okręt wojenny i porzuciła go 1,5 km
od brzegu. O 10.52 nastąpił ponownie wybuch jednak już bez tsunami, podobnie kolejny o 16.35. Od tego momentu energia
erupcji zaczęła wyraźnie się zmniejszać.
Powierzchnia wyspy przed wybuchem wynosiła 33 km2, a po wybuchu około 10 km2.
Na miejscu kraterów Danan i Perbuwatan
powstała kaldera o średnicy 8 km i głębokości 300 m. Ocenia się, że energia wybuchu
wynosiła 1018J co odpowiada energii 20 tys.
bomb atomowych. Straty były ogromne, fala
tsunami pochłonęła 36 000 ludzkich ofiar.
Mechanizm i parametry erupcji
Eksplozja wulkanu charakteryzuje się
największą uwalnianą energią i destrukcją
spośród wszystkich rodzajów aktywności
wulkanicznej. Wyróżniamy dwa mechanizmy, które mogą prowadzić do eksplozji:
1) magmowy – suchy,
2) freatomagmowy – mokry.
2/2011
W pierwszym przypadku eksplozję powoduje rozpuszczony w magmie i rozprężający się gaz. W drugim przypadku do takiego układu dochodzi jeszcze obecność
wody z otoczenia komory magmowej lub
gardzieli wulkanu, która działa jak przysłowiowa oliwa dolewana do ognia, wielokrotnie zwiększając moc erupcji.
Głównym czynnikiem erupcji jest fragmentacja magmy. Fragmentacja zmienia
stop magmowy, w którym rozpuszczony
jest gaz, w gaz z rozproszoną fazą ciekłą
a nawet stałą.
Przeprowadźmy proste doświadczenie.
Na palniku gazowym umieszczam litrowy
garnek i wypełniam go do połowy mlekiem.
Zapalam ogień i podgrzewam mleko. Czekając na efekt może zaglądnę jeszcze do
Encyklopedii Wulkanów (Sigurdsona). Bardzo ciekawa książka. Ajajaj moje mleko...
Wyłączyłem. Połowa wykipiała. Koniec doświadczenia. Mleko podgrzewane i zapomniane na grzejniku zamienia się nagle
w ekspandującą (wzrasta objętość) pianę.
Szkoda, że wulkanu nie da się wyłączyć.
W erupcji wulkanu energia potencjalna
ekspandującej magmy (stop i gaz) jest zamieniana na energię kinetyczną indywidualnych fragmentów, które kipią nadal
13
fizyka wczoraj, dziś i jutro
Fot. 1. Kolumna eruptywna w trakcie wybuchu wulkanu
Mount St. Helens w 1980 r.
Źródło US Geological Survey
wznosząc się do góry w postaci chmury
erupcyjnej. Jeśli magma w gardzieli wulkanu wznosi się szybko, mamy do czynienia
z erupcją typu pliniuszowego. Fragmentacja może nastąpić także w wyniku gwałtownego spadku ciśnienia nadkładu przez jego
spękanie, rozpadu kopuły lawowej lub wystąpienia kombinacji różnych zjawisk (osuwiska, topnienie lodowca itp.).
Głównymi czynnikami prowadzącymi
do fragmentacji magmy oraz wpływającymi
na możliwość wystąpienia i dynamikę erupcji są: lepkość, mieszalność, temperatura,
ciśnienie nadkładu, zawartość składników
lotnych (np. wody) oraz odmieszanie gazu
od stopu (oddzielenie się fazy gazowej
wskutek osiągnięcia wstecznego punktu
wrzenia – doświadczenie z mlekiem).
Lepkość magmy jest pochodną jej składu chemicznego a głównie zawartości SiO2
(dwutlenek krzemu – krzemionka). Im
więcej krzemionki tym większa lepkość
a tym samym mniejsza płynność magmy.
Taka lepka magma ma też mniejszą mieszalność i temperaturę topnienia. Jeśli dojdzie do tego znaczna ilość składników lotnych, które na skutek dużej lepkości nie
mogą być uwalniane otrzymujemy niezwykle eksplozywny stop, który gdy dojdzie do
14
krytycznego przekroczenia któregoś z parametrów spowoduje dużą erupcję.
Do określenia wielkości erupcji używa
się: magnitudy, dla określenia całkowitej
objętości materii wyrzuconej przez wulkan;
siłę rozrzutu – w relacji z powierzchnią
przykrytą przez produkty erupcji i intensywność. Intensywność erupcji określa się
miarą wyrzucanej materii [kg/s lub m3/s].
Często jest wykorzystywana przy monitorowaniu pojedynczej erupcji w celu określenia czy następuje wyciszenie aktywności
czy dalszy wzrost.
Na tych parametrach oparto wskaźnik
VEI (Volcanic Explosivity Index – wulkaniczny indeks eksplozywności), który ma
skalę 8-stopniową. VEI = 0 oznacza wylewanie się lawy zwane też efuzją, stopnie 1–2
to niegroźne wystrzały, stopnie 3–6 to erupcje o dużym zasięgu a 5–8 o charakterze
śmiertelnych katastrof.
Magnitudę (M) określa się wzorem
M = log m – 7,
10
gdzie m – masa produktu lawy lub tefry [kg].
Przy tak przyjętym wzorze wybuch Krakatau miał magnitudę 6,5 a Mount St. Helens – 5.
Intensywność określa się wzorem
I = log Mf + 3,
10
gdzie Mf – przepływ masy wyrzucanej z gardzieli wulkanu [kg/s].
Przy tak przyjętym wzorze wybuch Pinatubo miał intensywność 11,6.
System magmowy wulkanu
System magmowy wulkanu przypomina
nieco armatę. Zaczniemy od fabryki amunicji – astenosfery, czyli tej części płaszcza Ziemi, która zawiera częściowo stopione i plastyczne skały, z których powstaje magma.
Astenosfera leży na głębokości 20–150 km.
Temperatura topnienia górnego płaszcza
wynosi około 1350°C w warunkach nieco
niższego ciśnienia niż panuje zwykle na tej
głębokości. Jednak w astenosferze istnieją
prądy wznoszące, które powodują, że z fabryki ku powierzchni mogą wznosić się pió-
fizyka w szkole
fizyka wczoraj, dziś i jutro
ropusze magmy. Na drodze stają co prawda starsze lite skały ale te są topione choć
mogą spowalniać parcie słupa magmy ku
górze.
Magma dociera do skorupy Ziemi (litosfera), która zbudowana jest w całości z litych
skał o nieco niższej temperaturze topnienia.
Litosfera może mieć grubość od 10 km (pod
dnem oceanów) do 35–70 km (na kontynentach). W skałach litosfery może nastąpić
magazynowanie amunicji. Jest tak, gdy wędrująca magma natrafi na podatną część litosfery (np. wskutek spękania skał lub składu mineralnego zapewniającego niską
temperaturę topnienia). Utworzy się wtedy
komora magmowa zasilana strumieniem
konwekcyjnym z dołu. W komorze następuje uzbrojenie amunicji (odbezpieczenia zapalników) poprzez procesy różnicowania się
magmy, topienie otaczających skał, które
mogą dostarczyć bardziej wybuchowych elementów, do komory może przenikać woda.
Zależnie od temperatury i ciśnienia,
udziału topników ułatwiających upłynnienie skał oraz składu ścian komory tworzą
się magmy kwaśne lub zasadowe. Pierwsze
zawierają dużo SiO2 (krzemionka), K2O
i Na2O (alkalia), drugie stosunkowo dużo
MgO i CaO kosztem krzemionki i alkaliów.
Do kwaśnych zaliczamy magmy ryolitowe, dacytowe, do zasadowych – bazaltowe,
a do pośrednich andezytowe. Skały zasobne w SiO2 są bardziej lepkie i z trudem są
przeciskane przez komin wulkaniczny. Łatwo więc o ich zatrzymanie w kominie, co
powoduje narastanie ciśnienia, które prowadzi do gwałtownej erupcji.
Gdy komora amunicyjna jest pełna
i uzbrojona, magma zaczyna wdzierać się
wyżej, wykorzystując spękania skorupy
Ziemi, które powiększają się pod wpływem
jej temperatury. Mówimy, że są to intruzje
magmowe. Bywa, że nie osiągną one nigdy
powierzchni (za słaba amunicja).
Jednak, jeśli dojdzie do utworzenia przewodu kominowego (który odgrywa rolę lufy
naszej armaty), w którym przeciskająca się
i gwałtownie odgazowywana magma ulegnie wspomnianej fragmentacji. Komin
2/2011
Fot. 2. Stożki pasożytnicze na stokach Etny (Sycylia, Włochy)
wulkaniczny to połączenie komory magmowej z powierzchnią Ziemi. Następuje w nim
skokowy wzrost prędkości ruchu magmy.
W przypadku erupcji wulkanu Mount
St. Helens prędkość w przewodzie kominowym wulkanu wynosiła 1 m/s (przy średnicy 47 m) a na wyjściu (z lufy kaliber 135 m)
330 m/s. Ciśnienie początkowe magmy wynosiło 230 MPa. W czasie 9 h erupcji przez
komin wulkanu przedostało się 0,213 km3
magmy.
System magmowy wulkanu Etna na Sycylii przypomina twierdzę gotową do obrony, gdyż wokół głównej lufy można doszukać się kolejnych 200 rozlokowanych
wokół szczytu wulkanu.
Zwieńczeniem komory i całego systemu
jest wulkan (wylot lufy). Wulkan to góra
utworzona z produktów erupcji wulkanicznych tj. law i tefry. Wysokość wulkanu jest
rezultatem ustalenia się równowagi w układzie komora magmowa – wulkan. Graniczna wysokość wulkanu równoważy poprzez
ciśnienie słupa magmy w kominie wulka-
15
fizyka wczoraj, dziś i jutro
nicznym ciśnienie skał otaczających komorę magmową.
Wybuch Mount St. Helens uwolnił energię 1,3·1018J, dla porównania największy
ładunek jaki zdetonował człowiek (Bomba
Cara, Rosja) miał ładunek 2,51·1017J. Nikt
nie chciałby iść na wojnę z wulkanem Tambora, którego energię wybuchu ocenia się
na 1000 razy większą.
Typy erupcji
Diagram Walkera (1973 r.) przedstawia
klasyfikację erupcji piroklastycznych. Jest
oparty na zależności powierzchni przykrytej osadami piroklastycznymi od udziału
popiołu w osadzie. Ta klasyfikacja pozwala
określić typ erupcji już po jej zakończeniu
Rys. 1. Typy erupcji piroklastycznych – diagram Walkera
16
na podstawie osadów, które pozostawiła.
W diagramie wyróżniono następujące typy
erupcji: hawajski, Strombolii, Vulcano,
sub-pliniuszowy, pliniuszowy, ultra pliniuszowy, freatopliniuszowy i Surtseyan.
Erupcje pliniuszowe cechuje szeroka
skala eksplozywności (4–8 VEI) i dlatego
wyróżnia się wśród nich niemal klasyczne,
nieco słabsze (subpliniuszowe), typowo pliniuszowe, silniejsze od typowych czyli ultrapliniuszowe i zachodzące w współdziałaniu z wodą, czyli freatopliniuszowe. Dla
przykładu erupcja Wezuwiusza z 79 r. jest
klasyfikowana jako pliniuszowa ale erupcja
tego wulkanu z roku 1794 uchodzi już za
subpliniuszową. Należy także zaznaczyć, że
tego typu erupcje zachodzą znacznie rzadziej i za to najczęściej trafiają do historii a co najmniej
do pamięci wszystkich, którzy znaleźli się w pobliżu
i nie zginęli.
Erupcję pliniuszową określają następujące parametry:
ogromna masa popiołów ponad 1011 kg wyniesionych do
stratosfery z szybkością 108
kg/s. Sam wybuch trwa nieprzerwanie wiele godzin.
Kolumna erupcyjna (chmura
w kształcie drzewa pinii)
osiąga wysokość 35 km.
Efektem wyrzucenia znacznej masy skał jest opróżnienie komory magmowej, co
skutkuje zwykle zawaleniem
się jej stropu i utworzeniem
kaldery. Sam moment zawalenia także inicjuje zwykle
nową energię erupcji. Osiadanie terenu ma zasięg poziomy kilkunastu km i kilkuset metrów w pionie.
Erupcji pliniuszowej towarzyszą często inne zjawiska: gorące potoki piroklastyczne, lahary, fale tsunami.
Potoki piroklastyczne to niezwykłe chmury przesycone
fizyka w szkole
fizyka wczoraj, dziś i jutro
Fot. 3. Erupcja typu stromboli w kraterze Sciara del Fuoco
wulkanu Stromboli (Włochy)
popiołem i gorącymi bryłami lawy, które
z dużą prędkością poruszają się w dół
po stoku. Potok, który zabił mieszkańców
Herculaneum pod Wezuwiuszem pędził
ponad 300 km/h. Lahary to spływy popioło-
wo-błotne uruchomione zwykle przez
deszcz lub topienie się lodowca. Moc erozyjna i transportowa zawiesiny jaka się
wówczas tworzy jest wielokrotnie większa
niż wody. Lahar który spłynął z wulkanu
Nevado del Ruiz (Kolumbia, 1985) pochłonął miasto Armero i jego 25 000 mieszkańców. Tsunami jest falą na morzu lub oceanie wywołaną przez erupcję taką jak
Krakatau w 1883.
Ostatnia wielka erupcja pliniuszowa (6
VEI) miała miejsce w 1991 roku na Filipinach gdy wybuchł wulkan Pinatubo.
Zainteresowani znacznie więcej o erupcjach wulkanów dowiedzą się z książeczki
w cyklu Nauka dla ciekawych seria O Ziemi
i Kosmosie Wydawnictwa AGH (Akademia
Górniczo-Hutnicza w Krakowie), która
ukaże się na przełomie 2010/2011 jako nr 2.
Do książeczki dołączona jest płyta CD
z wybuchową zawartością, czyli prezentacją
multimedialną o erupcjach wulkanów.
DR INŻ. ANDRZEJ GAŁAŚ
Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
W numerze 3/2011
Mechanika i technika w starożytności (Sławomir Jędraszek).
Basen Morza Śródziemnego to rejon świata masowo odwiedzany
przez turystów, ale też obszar, gdzie narodziła się nauka, a w szczególności fizyka stosowana, która w tamtych czasach prawie całkowicie ograniczała się do mechaniki i tym to właśnie początkom poświęcony jest wspomniany artykuł. Badanie poglądów starożytnych
na temat wykorzystania nauk praktycznych, czy wiedzy naukowej
w celach praktycznych, nie jest łatwe i pociągając często za sobą
zbyt daleko idące uogólnienia. Nie mniej jednak dysponujemy źródłami archeologicznymi, a także i pisanymi,
które pomagają współcześnie w rekonstrukcji nie tylko samych
urządzeń, ale i pozwalają często wskazać ich konkretne przeznaczenie i zastosowanie, jak również
określić ich chronologię, często uogólnione, niekiedy zaś stosunkowo precyzyjne.
2/2011
17