The characteristic electrostatic structure of eruptive clouds of strong explosive eruptions of the shiveluch and bezymyanny volcanoes (kamchatka peninsula)

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Во время эксплозивных извержений вулканов развивается эруптивная колонна, которая может подниматься до высот тропопаузы, а при наиболее сильных извержениях поднимается выше тропопаузы, достигая высот стратосферы [Meng, 2022; Горшков, 1965]. Под влиянием условий ветровой стратификации атмосферы формируются пепловые шлейфы, эруптивные облака, которые распространяются на сотни километров [Гирина, 2017]. Эруптивное облако представлено вулканическими газами, аэрозолем и пеплами. В результате ряда физических процессов, таких как трибоэлектризация, фрактоэмиссия, взаимодействие продуктов извержения с метеорологическими облаками, продукты извержения электризуются. В эруптивном облаке формируются объемные электростатические структуры, заряды которых могут достигать значений пробоя воздуха [Mather, Harrison, 2006; Руленко, 1994; Behnke, 2013]. Поэтому эволюция эруптивного облака, как правило, сопровождается вулканическими молниями и разрядами [Mendez et. al., 2021; Thomas et al., 2007; Behnke et al., 2013; Cimarelli et al., 2016; Aizawa et al., 2016; Arason et al., 2011; Van Eaton et al., 2020; Firstov et al., 2020; Shevtsov et al., 2016; Firstov et al., 2019].

Одним из основных механизмов заряжения частиц пеплов является фрактоэмиссия. При этом механизме заряжение частиц связано с фрагментацией магмы во время начального взрывного процесса, также данный процесс заряжения возможен при инжекции пепло-газовой струи в атмосферу, когда при соударении частиц они разрушаются [Mueller et al., 2017; James et al., 2000]. Предполагается, что именно с этим механизмом заряжения связаны множественные кратерные разряды, которые генерируют непрерывный электромагнитный шум (continual radio frequency or CRF) и проявляется в виде относительно высокой частоты импульсов УКВ-излучения (от нескольких тысяч до более чем десяти тысяч импульсов в секунду) [Mendez et al., 2021; Smith et al., 2018; Thomas et al., 2007; Behnke et al., 2013, 2018; Behnke, Bruning, 2015].

На этапе инжекции пепло-газовой струи основным механизмом электризации продуктов извержения становится трибоэлектризация – контактная электризация [Mendez et al., 2021; Руленко и др., 1986; Aplin et al., 2014, 2016; Mendez et al., 2021].

Когда эруптивная колонна достигает максимальной высоты подъема и в условиях ветровой стратификации формируется эруптивное облако, процессы электризации в нем схожи с процессами формирования объемных электростатических зарядов в метеорологических облаках, где важным этапом становится формирование градин. При этом частицы пеплов становятся ядрами конденсации, которые при соприкосновении с переохлажденной водой формируют градины [Arason et al., 2011; Van Eaton et al., 2020].

АППАРАТУРА, МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЙ

В центральной части п-ова Камчатка располагается Северная группа вулканов, включающая четыре действующих вулкана: Шивелуч, Ключевской – самый высокий (4750 м) и продуктивный вулкан Евразии, Безымянный и Плоский Толбачик (рис. 1). Вблизи Северной группы вулканов на сейсмических станциях Камчатского филиала Федерального исследовательского центра “Единая геофизическая служба РАН” (КФ ФИЦ ЕГС РАН) в пунктах “Ключи” (KLY) и “Козыревск” (KZY) осуществляется регистрация градиента потенциала электрического поля атмосферы (V΄ ЭПА) электростатическим флюксметром типа ЭФ-4 с верхней граничной частотой 5 Гц и среднеквадратичной погрешностью измерений 5 мВ [Ефимов и др., 2013]. Данные с этих пунктов позволяют, наряду с традиционными задачами атмосферного электричества (изучение унитарной вариации, механизмы глобальной электрической цепи и т.д.), исследовать электростатическую структуру эруптивных облаков. Подробное описание действующей сети пунктов наблюдения V΄ ЭПА аппаратно-программного комплекса дано в работе [Akbashev et al., 2021].

Рис. 1. Схема расположения пунктов регистрации V′ ЭПА на п-ове Камчатка.

а – общий вид, б – увеличенный фрагмент схемы в районе северной группы вулканов.

KLY – пос. Ключи, KZY – пос. Козыревск, KBR – пос. Крутоберегово, IS44 – инфразвуковая станция, PRT – обсерватория ИКИР ДВО РАН, KRM – обсерватория ИКИР ДВО РАН.

Для регистрации импульсного электромагнитного излучения (ИЭИ) от грозовых разрядов в Институте космофизических исследований и распространения волн (ИКИР) ДВО РАН был создан пеленгатор очень низких частот (ОНЧ-пеленгатор, f ≈ 0.5−60 кГц). Описание программно-аппаратного комплекса для регистрации ИЭИ дано в работе [Druzhin et al., 2019]. Помимо ОНЧ-пеленгатора, расположенного на станции наблюдений “Карымшина” (KRM) (см. рис. 1), ИКИР ДВО РАН ведет регистрацию ИЭИ в обсерватории “Паратунка” (см. рис. 1) с временной точностью до нескольких микросекунд от вулканических молний с помощью сегмента мировой сети определения координат грозовых разрядов World Wide Lightning Location Network (WWLLN) [Dowden et al., 2002], которая дает отличный результат для мониторинга распространения эруптивных облаков в случае оптимального расположения пунктов сети. В качестве основного источника информации в данной работе используются данные сети пунктов градиента потенциала электрического поля атмосферы и ОНЧ-пеленгатора ИКИР ДВО РАН.

Селекция сигналов в записях V΄ ЭПА от эруптивных облаков выполнялась на основании комплексирования данных геофизического контроля, выполняемого в КФ ФИЦ ЕГС РАН: сейсмического, инфразвукового, видеомониторинга. При анализе в работе использовались спутниковые наблюдения активности вулканов Камчатки и данные баллонного зондирования с привлечением метеоданных и данных регистрации гроз. Комплексный анализ данных позволил восстановить кинематические параметры распространения эруптивных облаков на момент регистрации откликов V΄ ЭПА [Фирстов и др., 2017, 2019, 2020; Akbashev et al., 2018].

ОТКЛИК ГРАДИЕНТА ПОТЕНЦИАЛА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ АТМОСФЕРЫ НА ЭРУПТИВНЫЕ ОБЛАКА ЭКСПЛОЗИВНЫХ ИЗВЕРЖЕНИЙ ВУЛКАНА ШИВЕЛУЧ

Вулкан Шивелуч – самый северный из действующих вулканов Камчатки (56°47′ с.ш., 157°56′ в.д.) с высотой экструзивного купола 2500 м над уровнем моря (н.у.м.). В последние десятилетия его активность обусловлена медленным выжиманием магмы и формированием купола. При достижении критических значений давления и температуры возникают сильные эксплозивные извержения. Для некоторых из них эруптивное облако достигает высоты тропопаузы (~10 км н.у.м.), а в поселках Ключи и Козыревск выпадает пепел. За период наблюдений 2013–2018 гг. в KZY, KLY зарегистрировано 4 отклика в вариациях V′ ЭПА (табл. 1), связанных с движением эруптивных облаков, сформированных в результате эксплозивных извержений вулкана Шивелуч. Анализ этих событий представлен в работах [Фирстов и др., 2017, 2019, 2020].

Рассмотрим подробно события Ш-1 и Ш-3 (см. табл. 1).

Таблица 1. Параметры откликов V′ ЭПА, зарегистрированных от эруптивных облаков извержений вулкана Шивелуч

Событие	Дата	t0	KZY			KLY
			полярность	V′, кВ/м	× About the authors R. R. Akbashev Kamchatka Branch, Federal Research Center “Unified Geophysical Service, Russian Academy of Sciences”; Kamchatka State University named after Vitus Bering Author for correspondence. Email: arr@emsd.ru Russian Federation, Petropavlovsk-Kamchatsky; Petropavlovsk-Kamchatsky E. I. Malkin Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation FEB RAS Email: arr@emsd.ru Russian Federation, Paratunka village, Yelizovsky district, Kamchatka region N. V. Cherneva Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation FEB RAS Email: arr@emsd.ru Russian Federation, Paratunka village, Yelizovsky district, Kamchatka region References 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. Гирина О.А., Маневич А.Г., Мельников Д.В. и др. Активность вулканов Камчатки и Северных Курил в 2016 г. по данным KVERT // Материалы XX региональной научной конференции “Вулканизм и связанные с ним процессы”, посвященной Дню вулканолога, 30–31 марта 2017 г. Петропавловск-Камчатский: ИВиС ДВО РАН, 2017. С. 8–10. Горшков Г.С., Богоявленская Г.Е. Вулкан Безымянный и особенности его последнего извержения 1955–1963 г. М.: Наука, 1965. 170 с. Ефимов В.А., Орешкин Д.М., Фирстов П.П. и др. Применение электростатического флюксметра ЭФ-4 для исследований геодинамических процессов // Сейсмические приборы. 2013. Т. 49. № 4. С. 35–46. Малкин Е.И., Чернева B.И., Махлай Д.О. и др. Дистанционные методы наблюдений за извержениями вулканов Шивелуч и Безымянный // Вестник КРАУНЦ. Сер.: Физ.-мат. науки. 2023. Т. 43. № 2. C. 141–165. ISSN 2079-6641. https://doi.org/10.26117/2079-6641-2023-43-2-141-165 Руленко О.П. Экспериментальное исследование электризации вулканических облаков / Автореф. дис. … кандидата физ.-мат. наук. СПб., 1994. 16 с. Руленко О.П., Климин Н.Н., Дъяконова И.И., Кирьянов В.Ю. Исследования электризации облаков, создаваемых распылением вулканического пепла // Вулканология и сейсмология. 1986. № 5. С. 17–29. Руленко О.П., Токарев П.И. Атмосферно-электрические эффекты Большого трещинного Толбачинского извержения в июле–октябре 1975 г. // Бюлл. вулканол. станций. 1979. № 56. С. 96–102. Фирстов П.П., Котенко Т.А., Акбашев Р.Р. Усиление эксплозивной активности вулкана Эбеко в апреле–июне 2020 г. // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2020. № 2. Вып. 46. С. 10–15. doi: 10.31431/1816-5524-2020-2-46-10-15 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. Фирстов П.П., Акбашев Р.Р., Жаринов Н.А. и др. Электризация эруптивных облаков вулкана Шивелуч в зависимости от характера эксплозий // Вулканология и сейсмология. 2019. № 3. С. 49–62. https://10.31857/S0205-96142019349-62 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. Aizawa K., Cimarelli C., Alatorre-Ibarguengoitia M.A. et al. Physical properties of volcanic lightning: constraints from magnetotelluric and video observations at Sakurajima volcano, Japan // Earth Planet. Sci. Lett. 2016. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2016.03.024 Akbashev R.R., Firstov P.P., Cherneva N.V. Recording of atmospheric electrical potential gradient in the central part of Kamchatka peninsula // E3S Web Conf. 2018. V. 62. P. 1–8. doi.org/10.1051/e3sconf/20186202013 Akbashev R.R., Firstov P.P., Budilov D.I., Zavodevkin I.A. Monitoring the Potential Gradient of the Electric Field the Atmosphere on the Kamchatka Peninsula and on the Paramushir Island (Kuril Islands) // Conference Materials II International Scientific Conference CAMSTech-II 2021 // Advances in Materials, Systems and Technologies. 2021. Camstech-II-6016. https://doi.org/10.1063/5.0092738 Aplin K.L., Bennett A.J., Harrison R.G., Houghton I.M.P. Electrostatics and in situ sampling of volcanic plumes // Chapter 6 – Volcanic ash: Hazard observation and monitoring. Amsterdam: Elsevier, 2016. P. 99–113. ISBN: 978-0-081004050 Alois S., Merrison J., Iversen J.J., Sesterhenn J. Contact electrification in aerosolized monodispersed silica microspheres quantified using laser based velocimetry // J. Aerosol Sci. 2017. doi: 10.1016/j.jaerosci.2016.12.003 Aplin K.L., Houghton I.M.P., Nicoll K.A. Electrical charging of ash in Icelandic volcanic plumes // XV International Conference on Atmospheric Electricity, 15–20 June 2014, Norman, Oklahoma, U.S.A, 2014. Arason P., Bennett A.J., Burgin L.E. Charge mechanism of volcanic lightning revealed during the 2010 eruption of Eyjafjallajökull // J. of Geophys. Res. 2011. V. 116. B00C03. https://doi.org/10.1029/2011JB008651 Behnke S.A., Thomas R.J., McNutt S.R. et al. Observations of volcanic lightning during the 2009 eruption of Redoubt Volcano // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2013. V. 259. P. 214–234. Behnke S., Bruning E. Changes to the turbulent kinematics of a volcanic plume inferred from lightning data: Plume turbulence and lightning // Geophys. Res. Lett. 2015. doi: 10.1002/2015GL064199 Behnke S., Edens H., Thomas R. et al. Investigating the origin of continual radio frequency impulses during explosive volcanic eruptions // J. of Geophys. Res.: Atmospheres. 2018. doi: 10.1002/2017JD027990 Cimarelli C., Alatorre Ibargüengoitia M.A., Aizawa K. et al. Multiparametric observation of volcanic lightning: Sakurajima volcano, Japan // Geophys. Res. Lett. 2016. doi: 10.1002/2015GL067445 Dowden R.L., Brundell J.B., Rodger C.J. VLF lightning location by time of group arrival (TOGA) at multiple sites // J. of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2002. V. 64. № 7. P. 817–830. doi: 10.1016/S1364-6826(02)00085-8 Druzhin G.I., Pukhov V.M., Sannikov D.V., Malkin E.I. VLF–direction finder to investigate natural radio radiations // VESTNIK KRAUNTS. Fiziko-matematicheskie nauki. 2019. № 27. V. 2. P. 95–104. doi: 10.26117/2079-6641-2019-27-2-95-104 Firstov P.P., Akbashev R.R., Malkin E.I. et al. Atmospheric electrical effects during a strong explosive eruption of Bezymyanniy volcano (Kamchatka Peninsula, Russia) on December 20, 2017 // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (EES). 2021. Firstov P.P., Malkin E.I., Akbashev R.R. et al. Registration of atmospheric–electric effects from volcanic clouds on the Kamchatka Peninsula (Russia) // Atmosphere. 2020. V. 11. № 6. http://doi: org/10.3390/atmos11060634 Firstov P.P., Cherneva N.V., Akbashev R.R. et al. Atmospheric-electric effects from volcano eruptions on Kamchatka peninsula (Russia) // Proc. SPIE 11208, 25th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 2019. 1120874. doi.org/10.1117/12.2540356 Girina O.A., Loupian E.A., Melnikov D.V. et al. Bezymianny volcano eruption on December 20 // Current problems in remote sensing of the Earth from Space. 2018. P. 88–99. James M.R., Lane S.J., Gilbert J.S. Volcanic plume electrification – Experimental investigation of fracture charging mechanism // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. № B7. P. 641–649. doi.org/10.1029/2000JB900068 Lacks D.J., Levandovsky A. Effect of particle size distribution on the polarity of triboelectric charging in granular insulator systems // J. of Electrostatics. 2007. V. 65. № 2. P. 107–112. doi.org/10.1016/j.elstat.2006.07.010 Lane S.J., Gilbert J.S. Electric potential gradient changes during explosive activity at Sakurajima volcano, Japan // Bull. of Volcanology. 1992. V. 54. P. 590–594. Malkin E.I., Cherneva N.V., Firstov P.P. et al. Dirty thunderstorms caused by volcano explosive eruptions in Kamchatka by the data of electromagnetic radiation // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2021. 946. 012015. doi: 10.1088/1755-1315/946/1/012015 Mather T.A., Harrison R.G. Electrification of volcanic plumes // Surveys in Geophicsis. 2006. V. 27. P. 387–432. Mendez Harper J., Cimarelli C., Cigala V. et al. Charge injection into the atmosphere by explosive volcanic eruptions through triboelectrification and fragmentation charging // Earth and Planet. Sci. Lett. 2021. V. 574. Retrieved from https: www.sciencedirect.com/ science/article/pii/S0012821X21004179, DOI: https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.117162 Meng Z., Tianjun Zh., Wenmin M., Xiaolong Ch., Jian L., Fei L., Chaochao G. Volcanoes and Climate: Sizing up the Impact of the Recent Hunga Tonga-Hunga Ha’apai Volcanic Eruption from a Historical Perspective // Advances in Atmospheric Sciences. 2022. doi: 10.1007/s00376-022-2034-1 Miura T., Koyaguchi T., Tanaka Y. Measurements of electric charge distribution in volcanic plumes at Sakurajima volcano Japan // Bull. of Volcanology. 2002. V. № 64. P. 75–93. Mueller S.B., Ayris P.M., Wadsworth F.B. et al. Ash aggregation enhanced by deposition and redistribution of salt on volcanic ash surfaces in eruption plumes // Sci. Rep. 2017. 7 Аrticle number: 45762. 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 Smitha C.M., VanEaton A.R., Charbonnier S. et al. Correlating the electrification of volcanic plumes with ash fall textures at Sakurajima Volcano, Japan // Earth and Planet. Sci. Lett. 2018. 492 P. 47–58. doi.org/10.1016/j.epsl.2018.03.052 Thomas R.J., Krehbiel P., Rison W. et al. Lightning and Electrical Activity during the 2006 Eruption of Augustine Volcano // The 2006 Eruption of Augustine Volcano, Alaska. U.S. Geological Survey. 2007. Ch. 25. P. 579–608. Van Eaton A.R., Schneider D.J., Smith C.M. et al. Did ice-charging generate volcanic lightning during the 2016–2017 eruption of Bogoslof volcano, Alaska? // Bull. of Volcanology. 2020. V. 82. doi: 10.1007/s00445-019-1350-5 Supplementary files Supplementary Files Action 1. JATS XML Download 2. Fig. 1. Layout of V' EPA registration points on the Kamchatka Peninsula. Download (353KB) Indexing metadata 3. Fig. 2. Monitoring data of the explosive eruption and the spread of the eruptive cloud. Download (353KB) Indexing metadata 4. Fig. 3. Fragments of the recording of the gradient of the electric field potential in KZY during the spread of the eruptive cloud from the eruption of Shiveluch on 16.11.2014. Download (100KB) Indexing metadata 5. Fig. 4. Monitoring data of the explosive eruption and the spread of the eruptive cloud. Download (650KB) Indexing metadata 6. Fig. 5. Recording of the air wave accompanying the eruption on June 14, 2017, at acoustic stations (a – KLY; b – KZY; c – IS44). Download (157KB) Indexing metadata 7. Fig. 6. Data from the registration of electromagnetic disturbances accompanying the eruption of Shiveluch on June 14, 2017. Download (227KB) Indexing metadata 8. Fig. 7. Monitoring data of the explosive eruption and the spread of the eruptive cloud. Download (607KB) Indexing metadata 9. Fig. 8. Data from the registration of electromagnetic disturbances accompanying the eruption of Mount Bezymyanny on 20.12.2017. Download (266KB) Indexing metadata 10. Fig. 9. Monitoring data of explosive eruption and spread of eruptive cloud. Download (452KB) Indexing metadata 11. Fig. 10. Data from the registration of electromagnetic disturbances accompanying the eruption of V. Bezymyanny on March 15, 2022. Download (325KB) Indexing metadata 12. Fig. 11. Phenomenological schemes of charge separation in an eruptive cloud: in the near zone from the volcano crater [Rulenko, 1994] (a); schemes of charge separation during the formation of a volcanic plume under the action of wind, according to [Lane, Gilbert, 1992] (b); charge separation in eruptive clouds based on field observations at Sakurajima volcano according to [Miura et al., 2002] (c). Download (196KB) Indexing metadata