Electric charging of eruptive clouds from Shiveluch Volcano caused by different types of explosions

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

The number of explosive eruptions at Shiveluch Volcano has significantly increased over the past years, which requires close volcanic monitoring using all available techniques. In order to implement a new monitoring technique into integrated methods of volcano monitoring, the authors analyze response to the intensity of the vertical component in the atmospheric electrical field (EZ AEF) during the movement of ash clouds. Two eruptions of different intensity that occurred December 16, 2016 and June 14, 2017 at Shiveluch were selected for study. We used a combination of satellite, seismic, and infrasound data to select signals in the EZ AEF field. Signals with negative polarity that accompanied ashfalls in the EZ AEF dynamics were registered for both eruptions within the closest area (< 50 km). In the former case, the ash cloud was “dry” and thus it caused aerial-electrical structure of the negatively charged cloud. In the latter case, a strong explosion sent into the atmosphere the large volume of ash and volcanic gases (98% in form of vapour) that resulted in the formation of a dipolar aerial-electrical structure caused by eolian differentiation within the closest area. At the distance of more than 100 km we registered a positive-going signal that is attributive to the aerial-electrical structure of the positively charged type of the cloud.

Full Text

Restricted Access

About the authors

P. P. Firstov

Kamchatka Branch, National Seismological Center, Geophysical Survey, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: firstov@emsd.ru
Russian Federation, 9, bul’var Piipa, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006

R. R. Akbashev

Kamchatka Branch, National Seismological Center, Geophysical Survey, Russian Academy of Sciences

Email: firstov@emsd.ru
Russian Federation, 9, bul’var Piipa, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006

N. A. Zharinov

Institute of Volcanology and Seismology Far East Branch, Russian Academy of Sciences

Email: firstov@emsd.ru
Russian Federation, 9, bul’var Piipa, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006

A. P. Maximov

Institute of Volcanology and Seismology Far East Branch, Russian Academy of Sciences

Email: firstov@emsd.ru
Russian Federation, 9, bul’var Piipa, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006

T. M. Manevich

Institute of Volcanology and Seismology Far East Branch, Russian Academy of Sciences

Email: firstov@emsd.ru
Russian Federation, 9, bul’var Piipa, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006

D. V. Melnikov

Institute of Volcanology and Seismology Far East Branch, Russian Academy of Sciences

Email: firstov@emsd.ru
Russian Federation, 9, bul’var Piipa, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006

References

  1. Адамчук Ю.В., Титов В.В. Электрические процессы и образование молний в вулканическом аэрозоле // Препринт ИАЭ-4016/1. 1984. 117 с.
  2. Акбашев Р.Р., Фирстов П.П. Изменение градиента потенциала электрического поля атмосферы Земли при прохождении шлейфов вулканических извержений // Материалы XII Международной сейсмологической школы “Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных”, 11–15 сентября 2017 г. Обнинск: ФИЦ ЕГС РАН, 2017. С. 18–19.
  3. Белоусов А.Б., Белоусова М.Г. Извержение вулкана Шивелуч в 1964 г. (Камчатка) – плинианское извержение, предварявшееся крупномасштабным обрушением постройки // Вулканология и сейсмология. 1995. № 4/5. С. 116–127.
  4. Близнецов В.Е., Сенюков С.Л. Программа ADAP для автоматического выделения пепловых выбросов и расчета их высоты по сейсмологическим данным // Сейсмические приборы. 2015. Т. 51. № 1. С. 46–59.
  5. Гордеев Е.И., Гирина О.А. Вулканы и их опасность для авиации // Вестник РАН. 2014. Т. 84. № 2. С. 134–142. doi: 10.7868/S0869587314020121
  6. Горшков Г.С., Дубик Ю.М. Направленный взрыв на вулкане Шивелуч // Вулканы и извержения. М.: Наука, 1969. С. 3–37.
  7. Действующие вулканы Камчатки. Т. 1. М.: Наука, 1991. 302 с.
  8. Дрознин Д.В., Дрознина С.Я. Интерактивная программа обработки сейсмических сигналов DIMAS // Сейсмические приборы. 2010. Т. 46. № 3. С. 22–34.
  9. Ефимов В.А., Орешкин Д.М., Фирстов П.П., Акбашев Р.Р. Применение электростатического флюксметра “ЭФ-4” для исследований геодинамических процессов // Сейсмические приборы. 2013. Т. 49. № 4. С. 14–24.
  10. Жаринов Н.А., Демянчук Ю.В. Рост экструзивного купола вулкана Шивелуч (Камчатка) в 1980–2007 гг. по геодезическим наблюдениям и видеосъемке // Вулканология и сейсмология. 2008. № 4. С. 3–13.
  11. Жаринов Н.А., Демянчук Ю.В. Крупные эксплозивные извержения вулкана Шивелуч (Камчатка) с частичным разрушением экструзивного купола 28 февраля 2005 г. и 27 октября 2010 г. // Вулканология и сейсмология. 2013. № 2. С. 1–15.
  12. Жаринов Н.А., Богоявленская Г.Е., Хубуная С.А., Демянчук Ю.В. Новый эруптивный цикл вулкана Шивелуч 1980-1993 гг. // Вулканология и сейсмология. 1995. № 1. С. 20–28.
  13. Мареев Е.А. Достижения и перспективы исследований глобальной электрической цепи // УФН. 2010. Т. 180. № 5. С. 527–533.
  14. Махмудов Е.Р., Фирстов П.П., Будилов Д.И. Информационная система для мониторинга волновых возмущений в атмосфере на полуострове Камчатка “KamIn” // Сейсмические приборы. 2016. Т. 52. № 2. С. 5–16.
  15. Меняйлов И.А., Никитина Л.П., Щапарь В.Н. Геохимические особенности фумарольных газов на различных стадиях активности вулканов Тихоокеанского вулканического пояса // Вулканология и сейсмология. 1991. № 1. С. 79–82.
  16. Пономарев Е.А., Чернева Н.В., Фирстов П.П. Формирование локального электрического поля атмосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 2011. Т. 51. № 3. С. 405–411.
  17. Руленко О.П. Экспериментальное исследование электризации вулканических облаков / Автореф. дисс. … кандидата физ.-мат. наук. СПб., 1994. 16 с.
  18. Руленко О.П., Токарев П.И. Атмосферно-электрические эффекты Большого трещинного Толбачинского извержения в июле–октябре 1975 г. // Бюлл. вулканостанции. 1979. № 56. С. 96–102.
  19. Фирстов П.П., Акбашев Р.Р., Холзворт Р. и др. Атмосферно-электрические эффекты во время эксплозии вулкана Шивелуч 16 ноября 2014 г. // Известия РАН. ФАО. 2017. Т. 53. № 1. С. 29–37.
  20. Фирстов П.П, Гаврилов В.А., Жданова Е.Д., Кирьянов В.Ю. Начало нового эструзивного извержения вулкана Шивелуч в апреле 1993 г. // Вулканология и сейсмология. 1994. № 4/5. С. 33–46.
  21. Фирстов П.П., Махмудов Е.Р. Макаров Е.О., Фи Д. Комплексные геофизические наблюдения на вулкане Карымский (Камчатка) в августе 2012 г. // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2012. № 2. Вып. 20. С. 110–120.
  22. Хубуная С.А., Жаринов Н.А., Муравьев Я.Д. и др. Извержение вулкана Шивелуч в 1993 г. // Вулканология и сейсмология. 1995. № 1. С. 3–16.
  23. Цейтлин Я.И., Смолий Н.И. Сейсмические и ударные воздушные волны промышленных взрывов. М.: Недра, 1981. 136 с.
  24. Чалмерс Дж. А. Атмосферное электричество. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 420 с.
  25. Чернева Н.В., Пономарев Е.А., Фирстов П.П., Бузевич А.В. Базовые модели источников вариаций вертикальной компоненты атмосферного электрического поля // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2007. № 2. Вып. 10. С. 60–64.
  26. Firstov P., Cherneva N., Akbashev R. Natural factor impact on atmospheric electric field variations in Kamchatka // Solar-Terrestrial Relations and Physics of Earthquake Precursors. E3S Web of Conferences 20. 01003. 2017. doi: 10.1051/e3sconf/20172001003
  27. James M.R., Lane S.J., Gilbert J.S. Volcanic plume monitoring using atmospheric electrical potential gradiens // J. Geol. Soc. London. 1998. № 155. Р. 587–590.
  28. Hatakeyama H. On the disturbance of the atmospheric potential gradient caused by the smoke-cloud of the volcano Yakeyama // J. Met. Soc. Japan. 1949. № 27. Р. 372–376.
  29. Hatakeyama H., Uchikawa K. On the Disturbance of the Atmospheric Potential Gradient caused by the Eruption-smoke of the Volcano Aso // J. Met. Soc. Japan. 1951. V. 21. Р. 84-89.
  30. Mather T.A., Harrison R.G. Electrification of volcanic plumes // Serv. Geophys. 2006. V. 37. P. 387–432. DOI: 10/1007/s10712-006-9007-2
  31. Miura T., Koyaguchi T., Tanaka Y. Measurements of electric charge distribution in volcanic plumes at Sakurajima volcano Japan // Bull. Volcanol. 2002. V. 64. P. 75–93.
  32. Shevtsov B.M., Firstov P.P., Cherneva N.V. et al. Lightning and electrical activity during the Shiveluch volcano eruption on 16 November 2014 // Nat. Hazard Earth Syst. Sci. 2016. V. 16. P. 871–874. doi: 10.5194/nhessd-16-871-2016

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The location of the points of registration of the intensity of the EPA and the infrasonic waves in the area of the Northern group of volcanoes and the paths of eruption clouds from two eruptions of Shiveluch volcano, which have a response in EZ EPA.

Download (167KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dynamics of extrusive-explosive eruption of the volcano Shiveluch in 2001–2017

Download (197KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Schematic models of the formation of electrical structures in the eruptive cloud.

Download (188KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. The spread of the eruption cloud from the eruption of the volcano Shiveluch 16.12.2016 at 22:31 and the stratification of the atmosphere according to balloon sounding at the Klyuchi weather station.

Download (175KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Three components of the earthquake ground velocity on the RTSS SMK, which accompanied the explosive eruption of Shiveluch volcano on December 16, 2016, after filtering the high-pass filter with fgr = 0.5 Hz (a), the seismic signal power spectral density (b), recording the seismic signal and variations EZ EPA (in). The gray color shows the response in EZ EPA to the passage of the second eruption cloud.

Download (134KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. The spread of the eruptive cloud from the eruption of the volcano Shiveluch 14.06.2017 at 16:26 according to satellite imagery HIMAWARI-8 (a, b, c) (http://rammb.cira.colostate.edu), the development of the eruptive cloud, recorded by a video camera (g, d, e), temperature and wind stratification of the atmosphere according to balloon sounding (g).

Download (166KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Three components of the ground vibration velocity of the seismic signal on the RTSS SMK, which accompanied the explosive eruption of 06.06.2017 of the volcano Shiveluch (a), the spectral power density of the seismic signal section is 180 s (b).

Download (353KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Record of the air wave that accompanied the eruption of June 14, 2017, at acoustic stations: KLYA (a), KZYA (b), IS44 (c).

Download (128KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Fragments of the record: the rate of displacement of the soil of the vertical component on the RTSS SMK (a), the intensity of the EPA in KLYG (b) and KZYG (c).

Download (92KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. The granulometric composition of the ashes of the Sheveluch volcano.

Download (65KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2019 Russian academy of sciences