Лимническое извержение , также известное как переворот озера , представляет собой очень редкий тип стихийного бедствия , при котором растворенный углекислый газ (CO 2 ) внезапно вырывается из глубоких вод озера, образуя газовое облако, способное задушить диких животных , домашний скот и людей. Лимническое извержение может также вызвать цунами или сейши , поскольку поднимающийся CO 2 вытесняет воду. Ученые полагают, что землетрясения , вулканическая активность и другие взрывные явления могут служить триггерами лимнических извержений. Озера, в которых наблюдается такая активность, называются лимнически активными или взрывающимися озерами . Некоторые особенности лимнически активных озер включают:
Расследование катастроф на озерах Монун и Ньос побудило ученых классифицировать лимнические извержения как отдельный тип стихийного бедствия, даже несмотря на то, что они могут быть косвенно связаны с извержениями вулканов. [1]
Из-за практически невидимой природы основной причины (газ CO 2 ), лежащей в основе лимнических извержений, трудно определить, в какой степени извержения происходили в прошлом. Римский историк Плутарх сообщает, что в 406 г. до н.э. озеро Альбано перешло через окружающие холмы, несмотря на отсутствие дождя и притоков , впадающих в озеро, что могло бы объяснить повышение уровня воды. [2] Последовавшее за этим наводнение уничтожило поля и виноградники, а затем вылилось в море. Предполагается, что это событие было вызвано вулканическими газами, попавшими в отложения на дне озера и постепенно накапливавшимися, пока внезапно не высвободились, вызвав перелив воды. [3]
В новейшей 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, живущих поблизости. [5] Второе, более смертоносное извержение произошло на соседнем озере Ньос в 1986 году, выпустив более 80 миллионов м 3 CO 2 , убив около 1700 человек и 3000 домашних животных, опять же в результате удушья. [6]
Третье озеро, гораздо более крупное 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 это событие привело к вымиранию живых существ в озере примерно каждые 1000 лет, а близлежащая растительность была смыта обратно в озеро. Лимнические высыпания можно обнаружить и количественно оценить по шкале концентрации CO2 , взяв пробы воздуха в пораженном регионе. [7]
Ископаемые отложения ямы Месселя в Месселе ( Германия ) свидетельствуют о лимническом извержении, произошедшем там в раннем эоцене . Среди жертв прекрасно сохранившиеся насекомые , лягушки , черепахи , крокодилы , птицы , муравьеды , насекомоядные , ранние приматы и палеотерии .
Чтобы озеро подверглось лимническому извержению, вода должна быть почти насыщена газом. CO 2 был основным компонентом в двух наблюдаемых случаях: на озере Ньос и озере Монун. В случае с озером Киву ученые, в том числе озерный физик Альфред Джонни Вюест, также были обеспокоены концентрацией метана . [8] [9] CO 2 может образовываться из вулканического газа, выбрасываемого из-под озера, или в результате разложения органического материала.
Прежде чем озеро станет насыщенным, оно ведет себя как неоткрытый газированный безалкогольный напиток : CO 2 растворен в воде. И в озерах, и в безалкогольных напитках CO 2 растворяется гораздо легче при более высоком давлении в соответствии с законом Генри . Когда давление сбрасывается, CO 2 выходит из раствора в виде пузырьков газа, которые поднимаются на поверхность. CO 2 также легче растворяется в более прохладной воде, поэтому очень глубокие озера могут растворять очень большие количества CO 2 , поскольку с глубиной давление увеличивается, а температура снижается. Небольшое повышение температуры воды может привести к выделению большого количества CO 2 .
Когда озеро насыщено водой, оно становится очень неустойчивым и источает запах тухлых яиц и пороха, но чтобы вызвать извержение, необходим спусковой крючок. [10] В случае извержения озера Ньос в 1986 году предполагаемыми триггерами были оползни , но потенциальными триггерами могут быть извержение вулкана, землетрясение или даже штормы с ветром и дождем. Лимнические извержения также могут быть вызваны постепенным газонасыщением на определенных глубинах, вызывающим спонтанное газообразование. [11] Независимо от причины, триггер толкает газонасыщенную воду выше в озере, где пониженное давление недостаточно для удержания газа в растворе. Плавучесть образующихся пузырьков поднимает воду еще выше, выпуская еще больше пузырьков . В результате этого процесса образуется столб газа, в этот момент вода внизу поднимается за счет всасывания и тоже теряет CO 2 в неконтролируемом процессе. Это извержение выбрасывает газ в воздух и может вытеснить достаточно воды, чтобы сформировать цунами .
Лимнические высыпания встречаются исключительно редко по нескольким причинам. Во-первых, должен существовать источник CO 2 ; Наибольшему риску подвергаются регионы с вулканической активностью. Во-вторых, подавляющее большинство озер являются голомиктическими (их слои регулярно перемешиваются), что препятствует накоплению растворенных газов. Только меромиктические озера стратифицированы , что позволяет CO 2 оставаться растворенным. По оценкам, на каждые 1000 голомиктических озер существует только одно меромиктическое озеро. [12] Наконец, озеро должно быть очень глубоким, чтобы иметь воду под достаточным давлением, способную растворять большое количество CO 2 .
Как только происходит извержение, над озером образуется большое облако CO2, которое распространяется на окружающие регионы . Поскольку CO 2 плотнее воздуха, он имеет тенденцию опускаться на землю, одновременно вытесняя воздух, пригодный для дыхания, что приводит к асфиксии . CO 2 может сделать жидкости организма человека очень кислыми и потенциально вызвать отравление CO 2 . Когда жертвы задыхаются, они фактически ускоряют асфиксию, вдыхая CO 2 .
У озера Ньос газовое облако опустилось на соседнюю деревню, где и обосновалось, убив почти всех; Сообщалось о жертвах на расстоянии 25 км (16 миль). [ нужна цитата ] Изменение цвета кожи на некоторых телах заставило ученых предположить, что газовое облако могло содержать растворенную кислоту, такую как хлористый водород , хотя эта гипотеза оспаривается. [13] Многие жертвы были обнаружены с волдырями на коже, предположительно вызванными пролежнями , которые, вероятно, были вызваны низким уровнем кислорода в крови у тех, кто задохнулся углекислым газом. [14] Соседняя растительность практически не пострадала, за исключением растущей в непосредственной близости от озера. Там растительность была повреждена или уничтожена цунами высотой 24 м (79 футов), вызванным сильным извержением. [15]
В настоящее время предпринимаются усилия по разработке решения по удалению газа из этих озер и предотвращению его накопления, которое может привести к новой катастрофе. Группа под руководством французского ученого Мишеля Хальбвакса начала эксперименты на озерах Монун и Ньос в 1990 году, используя сифоны для контролируемой дегазации воды этих озер. [16] Команда расположила трубу вертикально в озере так, чтобы ее верхний конец находился над поверхностью воды. Вода, насыщенная CO 2 , поступает в нижнюю часть трубы и поднимается наверх. Более низкое давление на поверхности позволяет газу выйти из раствора. Сначала необходимо механически прокачать через трубу лишь небольшое количество воды, чтобы начать поток. Когда насыщенная вода поднимается, CO 2 выходит из раствора и образует пузырьки. Естественная плавучесть пузырьков поднимает воду 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 процесс, который приводит к естественному извержению, но в данном случае он контролируется размером трубы.
Каждая труба имеет ограниченную пропускную способность, и для озера Монун и озера Ньос потребуется несколько труб, чтобы дегазировать значительную часть глубоководной воды озера и сделать озера безопасными. Глубокие воды озера слегка кислые из-за растворенного CO 2 , который вызывает коррозию труб и электроники, что требует постоянного технического обслуживания. Существуют некоторые опасения, что CO 2 из труб может оседать 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 группа проложила одну трубу на озере Ньос, а еще две трубы были установлены в 2011 году при финансовой поддержке Программы развития Организации Объединенных Наций . [17] [18] На озере Монун в 2003 году была установлена труба, а в 2006 году были добавлены еще две. [17] [18] Считается, что этих трех труб достаточно для предотвращения повышения уровня CO 2 , удаляя примерно такое же количество количество газа, которое естественным образом попадает на дно озера. [ нужна цитата ] В январе 2003 года был одобрен 18-месячный проект по полной дегазации озера Монун, [19] и с тех пор озеро стало безопасным. [17]
Есть некоторые свидетельства того, что озеро Мичиган в Соединенных Штатах каждую осень самопроизвольно дегазируется 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 территории Демократической Республики Конго является местом активного вооруженного конфликта и низкого государственного потенциала правительства ДРК, что препятствует как исследованиям, так и любым последующим действиям по смягчению последствий. 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 людей. [21]
Два существенных изменения в физическом состоянии озера Киву привлекли внимание к возможному лимническому извержению: высокие темпы 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: горы Ньирагонго (действующий вулкан, извергавшийся в январе 2002 года и мае 2021 года), зоне активного землетрясения и других действующих вулканах. [23]
Хотя озеро можно дегазировать аналогично озерам Монун и Ньос, из-за размера озера Киву и объема содержащегося в нем газа такая операция будет дорогостоящей и может стоить миллионы долларов. [ нужна цитата ] Схема, начатая в 2010 году по использованию метана, захваченного в озере, в качестве источника топлива для производства электроэнергии в Руанде , привела к определенной степени дегазации CO 2 . [24] Во время процедуры извлечения горючего газа метана, используемого для заправки электростанций на берегу, некоторое количество CO 2 удаляется в процессе, известном как очистка катализатора . Неясно, будет ли удалено достаточно газа, чтобы устранить опасность лимнического извержения на озере Киву.
