Лимническое извержение , также известное как опрокидывание озера , является очень редким типом стихийного бедствия , при котором растворенный углекислый газ (CO2 ) внезапно вырывается из глубоких вод озера, образуя газовое облако, способное удушить диких животных , домашний скот и людей . Ученые полагают, что землетрясения , вулканическая активность и другие взрывные события могут служить триггерами лимнических извержений, поскольку поднимающийся CO2 вытесняет воду. Озера, в которых происходит такая активность, называются лимнически активными озерами или взрывающимися озерами . Некоторые особенности лимнически активных озер включают в себя:
Расследование катастроф на озерах Монун и Ниос привело ученых к классификации лимнических извержений как отдельного типа катастрофических событий, хотя они могут быть косвенно связаны с вулканическими извержениями. [1]
Из-за в значительной степени невидимой природы основной причины (газ CO 2 ), стоящей за лимническими извержениями, трудно определить, в какой степени извержения происходили в прошлом. Римский историк Плутарх сообщает, что в 406 г. до н. э. озеро Альбано поднялось над окружающими холмами, несмотря на отсутствие дождей и притоков, впадающих в озеро, которые могли бы объяснить повышение уровня воды. [2] Последовавшее за этим наводнение уничтожило поля и виноградники, прежде чем в конечном итоге вылиться в море. Считается, что это событие было вызвано вулканическими газами, которые были захвачены в осадочных породах на дне озера и постепенно накапливались, пока внезапно не высвободились, заставив воду перелиться через край. [3]
В недавней истории это явление наблюдалось дважды. [4] Первое зарегистрированное лимническое извержение произошло в Камеруне на озере Монун в 1984 году, вызвав удушье и смерть 37 человек, проживавших поблизости. [5] Второе, более смертоносное извержение произошло на соседнем озере Ниос в 1986 году, высвободив более 80 миллионов м3 CO2 , в результате чего погибло около 1700 человек и 3000 голов скота, снова из-за удушья. [6]
Третье озеро, гораздо большее озеро Киву , находится на границе между Демократической Республикой Конго и Руандой и содержит огромное количество растворенного CO 2 . Образцы отложений, взятые из озера, показали, что событие привело к вымиранию живых существ в озере примерно каждые 1000 лет, а также привело к тому, что близлежащая растительность была смыта обратно в озеро. Лимнические извержения можно обнаружить и количественно оценить по шкале концентрации CO 2 , взяв пробы воздуха в пострадавшем регионе. [7]
Ископаемые отложения карьера Мессель в Месселе , Германия , показывают свидетельства лимнического извержения в раннем эоцене . Среди жертв прекрасно сохранились насекомые , лягушки , черепахи , крокодилы , птицы , муравьеды , насекомоядные , ранние приматы и палеотерии .
Для того чтобы озеро подверглось лимническому извержению, вода должна быть почти насыщена газом. CO 2 был основным компонентом в двух наблюдаемых случаях, озерах Ниос и Монун. В случае с озером Киву ученые, включая физика озер Альфреда Джонни Вюеста, также были обеспокоены концентрацией метана . [8] [9] CO 2 может образовываться из-за вулканического газа, выделяемого из-под озера, или из-за разложения органического материала.
До того, как озеро станет насыщенным, оно ведет себя как нераспечатанный газированный напиток : CO 2 растворяется в воде. И в озерах, и в безалкогольных напитках CO 2 растворяется гораздо легче при более высоком давлении из-за закона Генри . Когда давление сбрасывается, CO 2 выходит из раствора в виде пузырьков газа, которые поднимаются на поверхность. CO 2 также легче растворяется в более холодной воде, поэтому очень глубокие озера могут растворять очень большие количества CO 2 , поскольку давление увеличивается, а температура уменьшается с глубиной. Небольшое повышение температуры воды может привести к высвобождению большого количества CO 2 .
После насыщения озеро становится очень нестабильным и издает запах тухлых яиц и пороха, но для того, чтобы вызвать извержение, нужен триггер. [10] В случае извержения озера Ниос в 1986 году предполагаемыми триггерами были оползни , но потенциальными триггерами могут быть извержение вулкана, землетрясение или даже штормовой ветер и ливень . Лимнические извержения также могут быть вызваны постепенным газонасыщением на определенных глубинах, вызывающим спонтанное развитие газа. [11] Независимо от причины, триггер выталкивает газонасыщенную воду выше в озере, где пониженное давление недостаточно для удержания газа в растворе. Плавучесть от образующихся пузырьков поднимает воду еще выше, выпуская еще больше пузырьков. Этот процесс образует столб газа, в этот момент вода на дне втягивается вверх за счет всасывания , и она также теряет CO2 в неконтролируемом процессе. В результате этого извержения газ выбрасывается в воздух и может вытеснить достаточно воды, чтобы образовать цунами .
Лимнические извержения исключительно редки по нескольким причинам. Во-первых, должен существовать источник CO2 ; регионы с вулканической активностью подвержены наибольшему риску. Во-вторых, подавляющее большинство озер являются голомиктическими (их слои регулярно смешиваются), что предотвращает накопление растворенных газов. Только меромиктические озера стратифицированы , что позволяет CO2 оставаться растворенным . По оценкам, на каждые 1000 голомиктических озер приходится только одно меромиктическое озеро. [12] Наконец, озеро должно быть очень глубоким, чтобы иметь достаточно напорную воду, способную растворять большие количества CO2 .
После извержения над озером образуется большое облако CO 2 , которое распространяется на окружающий регион. Поскольку CO 2 плотнее воздуха, он имеет тенденцию опускаться на землю, одновременно вытесняя пригодный для дыхания воздух, что приводит к асфиксии . CO 2 может сделать жидкости человеческого организма очень кислыми и потенциально вызвать отравление CO 2 . Когда жертвы хватают ртом воздух, они фактически ускоряют асфиксию, вдыхая CO 2 .
На озере Ниос газовое облако опустилось в близлежащую деревню, где и осело, убив почти всех; сообщалось о жертвах на расстоянии до 25 км (16 миль). [ требуется ссылка ] Изменение цвета кожи у некоторых тел заставило ученых выдвинуть гипотезу, что газовое облако могло содержать растворенную кислоту, такую как хлористый водород , хотя эта гипотеза оспаривается. [13] У многих жертв были обнаружены волдыри на коже, предположительно вызванные пролежнями , которые, вероятно, были вызваны низким уровнем кислорода в крови у тех, кто задохнулся от углекислого газа. [14] Ближайшая растительность в основном не пострадала, за исключением тех, что росли в непосредственной близости от озера. Там растительность была повреждена или уничтожена цунами высотой 24 м (79 футов), вызванным сильным извержением. [15]
В настоящее время ведутся работы по разработке решения для удаления газа из этих озер и предотвращения накопления, которое может привести к другой катастрофе. Группа под руководством французского ученого Мишеля Хальбвакса начала экспериментировать на озерах Монун и Ниос в 1990 году, используя сифоны для контролируемой дегазации вод этих озер. [16] Группа разместила трубу вертикально в озере так, чтобы ее верхний конец находился над поверхностью воды. Вода, насыщенная CO2 , поступает в нижнюю часть трубы и поднимается наверх. Более низкое давление на поверхности позволяет газу выходить из раствора. Для начала потока через трубу необходимо механически прокачать лишь небольшое количество воды. По мере того, как насыщенная вода поднимается, CO2 выходит из раствора и образует пузырьки. Естественная плавучесть пузырьков тянет воду вверх по трубе с высокой скоростью, в результате чего на поверхности образуется фонтан. Дегазирующая вода действует как насос, втягивая больше воды в нижнюю часть трубы и создавая самоподдерживающийся поток. Это тот же самый процесс, который приводит к естественному извержению, но в этом случае он контролируется размером трубы.
Каждая труба имеет ограниченную мощность перекачки, и для озер Монун и Ньос потребуется несколько труб, чтобы дегазировать значительную часть глубинной озерной воды и сделать озера безопасными. Глубокие озерные воды слегка кислые из-за растворенного CO2 , который вызывает коррозию труб и электроники, требуя постоянного обслуживания. Существуют некоторые опасения, что CO2 из труб может осесть на поверхности озера, образуя тонкий слой непригодного для дыхания воздуха и, таким образом, потенциально создавая проблемы для дикой природы.
В январе 2001 года франко-камерунская команда установила одну трубу на озере Ниос, а еще две трубы были установлены в 2011 году при финансовой поддержке Программы развития Организации Объединенных Наций . [17] [18] Труба была установлена на озере Монун в 2003 году, а еще две были добавлены в 2006 году. [17] [18] Считается, что этих трех труб достаточно, чтобы предотвратить повышение уровня CO2 , удаляя примерно такое же количество газа, которое естественным образом попадает на дно озера. [ необходима цитата ] В январе 2003 года был одобрен 18-месячный проект по полной дегазации озера Монун, [19] и с тех пор озеро стало безопасным. [17]
Имеются некоторые свидетельства того, что озеро Мичиган в Соединенных Штатах каждую осень самопроизвольно дегазирует в гораздо меньших масштабах. [20]
Озеро Киву не только примерно в 1700 раз больше озера Ньос , но и расположено в гораздо более густонаселенной местности, вдоль его берегов проживает более двух миллионов человек. Часть в пределах Демократической Республики Конго является местом активного вооруженного конфликта и низкого государственного потенциала правительства ДРК, что препятствует как исследованиям, так и любым последующим смягчающим действиям. Озеро Киву еще не достигло высокого уровня насыщения CO2 ; если бы вода стала сильно насыщенной, лимническое извержение представляло бы большой риск для жизни людей и животных, потенциально убивая миллионы. [21]
Два существенных изменения в физическом состоянии озера Киву привлекли внимание к возможному лимническому извержению: высокие показатели диссоциации метана и повышение температуры поверхности. [22] Исследования, изучающие исторические и современные температуры, показывают, что температура поверхности озера Киву увеличивается примерно на 0,12 °C за десятилетие. [22] Озеро Киву находится в непосредственной близости от потенциальных триггеров: гора Ньирагонго (действующий вулкан, извергавшийся в январе 2002 года и мае 2021 года), активная сейсмическая зона и другие активные вулканы. [23]
Хотя озеро можно было бы дегазировать способом, аналогичным озерам Монун и Ниос, из-за размера озера Киву и объема содержащегося в нем газа такая операция будет дорогостоящей и обойдется в миллионы долларов. [ требуется цитата ] Схема, инициированная в 2010 году по использованию метана, захваченного в озере, в качестве источника топлива для выработки электроэнергии в Руанде, привела к определенной степени дегазации CO2 . [ 24] Во время процедуры извлечения горючего метанового газа, используемого для питания электростанций на берегу, часть CO2 удаляется в процессе, известном как очистка катализатора . Неясно, будет ли удалено достаточно газа, чтобы устранить опасность лимнического извержения на озере Киву.
