Вулканический пепел состоит из фрагментов горных пород, минеральных кристаллов и вулканического стекла , образующихся во время извержений вулканов и имеющих диаметр менее 2 мм (0,079 дюйма). [1] Термин «вулканический пепел» также часто широко используется для обозначения всех продуктов взрывных извержений (правильно называемых тефрой ), включая частицы размером более 2 мм. Вулканический пепел образуется во время взрывных извержений вулканов, когда растворенные в магме газы расширяются и резко уходят в атмосферу. Сила газов разрушает магму и выталкивает ее в атмосферу, где она затвердевает, образуя фрагменты вулканической породы и стекла. Пепел также образуется, когда магма вступает в контакт с водой во время фреатомагматических извержений , вызывая взрывное превращение воды в пар, что приводит к разрушению магмы. Попадая в воздух, пепел разносится ветром на тысячи километров.
Из-за широкого распространения пепел может иметь ряд последствий для общества, включая здоровье животных и людей, нарушение работы авиации, нарушение работы критически важной инфраструктуры (например, систем электроснабжения, телекоммуникаций, сетей водоснабжения и водоотведения, транспорта), первичные отрасли промышленности (например, сельское хозяйство), здания и сооружения.
Вулканический пепел образуется при эксплозивных извержениях вулканов и фреатомагматических извержениях [2] , а также может образовываться при переносе пирокластическими плотными потоками. [3]
Взрывные извержения происходят, когда магма разуплотняется по мере подъема, позволяя растворенным летучим веществам (преимущественно воде и углекислому газу ) растворяться в газовые пузырьки. [4] По мере зарождения большего количества пузырьков образуется пена, которая уменьшает плотность магмы, ускоряя ее продвижение по каналу. Фрагментация происходит, когда пузырьки занимают ~70–80 об.% извергающейся смеси. [5] Когда происходит фрагментация, бурно расширяющиеся пузыри разрывают магму на фрагменты, которые выбрасываются в атмосферу , где они затвердевают в частицы пепла. Фрагментация — это очень эффективный процесс образования золы, при котором образуется очень мелкая зола даже без добавления воды. [6]
Вулканический пепел также образуется во время фреатомагматических извержений. Во время этих извержений фрагментация происходит, когда магма вступает в контакт с водоемами (такими как море, озера и болота), грунтовыми водами, снегом или льдом. Когда магма, температура которой значительно превышает температуру кипения воды, вступает в контакт с водой, образуется изолирующая паровая пленка ( эффект Лейденфроста ). [7] В конце концов эта паровая пленка разрушится, что приведет к прямому соединению холодной воды и горячей магмы. Это увеличивает теплообмен, что приводит к быстрому расширению воды и фрагментации магмы на мелкие частицы, которые впоследствии выбрасываются из жерл вулкана. Фрагментация вызывает увеличение площади контакта между магмой и водой, создавая механизм обратной связи [7] , что приводит к дальнейшей фрагментации и образованию мелких частиц пепла.
Потоки пирокластической плотности также могут образовывать частицы пепла. Обычно они возникают в результате обрушения купола лавы или обрушения колонны извержения . [8] В потоках пирокластической плотности происходит истирание частиц , когда частицы сильно сталкиваются, что приводит к уменьшению размера зерен и образованию мелкозернистых частиц золы. Кроме того, зола может образовываться при вторичном дроблении фрагментов пемзы вследствие сохранения тепла внутри потока. [9] Эти процессы производят большое количество очень мелкозернистого пепла, который удаляется из потоков пирокластической плотности в шлейфах ко-игнимбрита пепла.
Физические и химические характеристики вулканического пепла в первую очередь определяются стилем извержения вулкана. [10] Вулканы демонстрируют ряд стилей извержений, которые контролируются химическим составом магмы, содержанием кристаллов, температурой и растворенными газами извергающейся магмы и могут быть классифицированы с использованием индекса вулканической взрывоопасности (VEI) . Эффузивные извержения (VEI 1) базальтового состава производят <10 5 м 3 выбросов, тогда как экстремально эксплозивные извержения (VEI 5+) риолитового и дацитового состава могут выбрасывать в атмосферу большие количества (>10 9 м 3 ) выбросов. [11]
Типы минералов, присутствующих в вулканическом пепле, зависят от химического состава магмы, из которой он извергся. Учитывая, что наиболее распространенными элементами, обнаруженными в силикатной магме, являются кремний и кислород , различные типы магмы (и, следовательно, пепла), образующиеся во время извержений вулканов, чаще всего объясняются содержанием в них кремнезема. Низкоэнергетические извержения базальта образуют пепел характерного темного цвета, содержащий ~ 45–55% кремнезема, который обычно богат железом (Fe) и магнием (Mg). Наиболее взрывные извержения риолитов образуют кислый пепел с высоким содержанием кремнезема (>69%), в то время как другие типы пепла промежуточного состава (например, андезит или дацит ) имеют содержание кремнезема от 55 до 69%.
Основными газами , выделяющимися при вулканической деятельности, являются вода , углекислый газ , водород , диоксид серы , сероводород , окись углерода и хлористый водород . [12] Сернистые и галогенные газы и металлы удаляются из атмосферы в результате химических реакций, сухого и влажного осаждения, а также путем адсорбции на поверхности вулканического пепла.
Давно признано, что ряд сульфатных и галогенидных соединений (в первую очередь хлоридов и фторидов ) легко мобилизуется из свежего вулканического пепла. [13] [14] Наиболее вероятно, что эти соли образуются в результате быстрого кислотного растворения частиц пепла в шлейфах извержения , который, как полагают, поставляет катионы , участвующие в отложении сульфатных и галогенидных солей . [15]
Хотя в свежих зольных фильтратах обнаружено около 55 видов ионов , [12] наиболее распространенными обычно являются катионы Na + , K + , Ca 2+ и Mg 2+ и анионы Cl − , F − и SO 4 2. − . [12] [14] Молярные соотношения между ионами, присутствующими в фильтратах, позволяют предположить, что во многих случаях эти элементы присутствуют в виде простых солей, таких как NaCl и CaSO 4 . [12] [16] [17] [18] В эксперименте по последовательному выщелачиванию пепла от извержения горы Сент-Хеленс в 1980 году было обнаружено, что хлоридные соли являются наиболее легко растворимыми, за ними следуют сульфатные соли . [16 ] Фтористые соединения вообще только трудно растворимы (например, CaF 2 , MgF 2 ), за исключением фторидных солей щелочных металлов и таких соединений, как гексафторосиликат кальция (CaSiF 6 ). [19] pH свежих зольных фильтратов сильно варьируется в зависимости от присутствия кислого газового конденсата (в первую очередь из-за газов SO 2 , HCl и HF в шлейфе извержения) на поверхности пепла.
Кристаллически-твердая структура солей действует скорее как изолятор , чем как проводник . [20] [21] [22] [23] Однако, как только соли растворяются в растворе под действием источника влаги (например, тумана, тумана, небольшого дождя и т. д.), зола может стать коррозийной и электропроводной. Недавнее исследование показало, что электропроводность вулканического пепла увеличивается с (1) увеличением содержания влаги, (2) увеличением содержания растворимых солей и (3) увеличением уплотнения (объемной плотности). [23] Способность вулканического пепла проводить электрический ток имеет серьезные последствия для систем электроснабжения.
Частицы вулканического пепла, извергаемые во время магматических извержений, состоят из различных фракций стеклообразных (стекловидных, некристаллических), кристаллических или литических (немагматических) частиц. Пепел, образующийся во время магматических извержений низкой вязкости (например, гавайских и стромболианских извержений базальтов), образует ряд различных пирокластов в зависимости от изверженного процесса. Например, пепел, собранный из лавовых фонтанов на Гавайях, состоит из пирокластов сидеромелана (светло-коричневого базальтового стекла), которые содержат микролиты (небольшие закалочные кристаллы, не путать с редким минералом микролитом ) и вкрапленники . Чуть более вязкие извержения базальтов (например, стромболианские) образуют разнообразные пирокластики от неправильных капелек сидеромелана до глыбчатого тахилита (микрокристаллические пирокласты от черного до темно-коричневого цвета). Напротив, большая часть высококремнеземистой золы (например, риолита) состоит из пылевидных продуктов пемзы (стеклянные черепки), отдельных вкрапленников (кристаллическая фракция) и некоторых каменных фрагментов ( ксенолитов ). [24]
Пепел, образующийся во время фреатических извержений, в основном состоит из гидротермально измененных каменных и минеральных обломков, обычно в глинистом матриксе. Поверхность частиц часто покрыта агрегатами кристаллов цеолита или глины, и остаются только реликтовые текстуры, позволяющие идентифицировать типы пирокластов. [24]
Морфология (форма) вулканического пепла определяется множеством различных извержений и кинематических процессов. [24] [25] Извержения маловязкой магмы (например, базальта) обычно образуют частицы каплевидной формы. Эта форма капель частично контролируется поверхностным натяжением , ускорением капель после того, как они покидают вентиляционное отверстие, и трением воздуха. Формы варьируются от идеальных сфер до разнообразных скрученных, вытянутых капель с гладкой, текучей поверхностью. [25]
Морфология пепла извержений высоковязкой магмы (например, риолита, дацита и некоторых андезитов) в основном зависит от формы пузырьков в поднимающейся магме перед распадом. Везикулы образуются в результате расширения магматического газа до затвердевания магмы. Частицы золы могут иметь разную степень везикулярности, а везикулярные частицы могут иметь чрезвычайно высокое соотношение площади поверхности к объему. [24] Вогнутости, впадины и трубки, наблюдаемые на поверхности зерен, являются результатом разрушения стенок пузырьков. [25] Частицы стекловидного пепла из извержений высоковязкой магмы обычно представляют собой угловатые везикулярные пемзовые фрагменты или тонкие фрагменты стенок пузырьков, тогда как каменные фрагменты в вулканическом пепле обычно имеют изометрическую форму или угловатые или полуокруглые. Литическая морфология пепла обычно контролируется механическими свойствами вмещающих пород, разрушенных в результате откола или взрывного расширения газов в магме, когда она достигает поверхности.
Морфология частиц пепла от фреатомагматических извержений контролируется напряжениями внутри охлажденной магмы, которые приводят к фрагментации стекла с образованием небольших глыбовых или пирамидальных частиц стеклянного пепла. [24] Форма и плотность везикул играют лишь незначительную роль в определении формы зерен во фреатомагматических извержениях. При извержениях такого типа поднимающаяся магма быстро охлаждается при контакте с грунтовыми или поверхностными водами. Напряжения внутри «закаленной» магмы вызывают фрагментацию на пять доминирующих типов формы пирокластов: (1) глыбовую и извилистую; (2) везикулярная, неровная, с гладкой поверхностью; (3) моховидный и извитой; (4) сферическая или каплевидная; и (5) пластинчатые.
Плотность отдельных частиц варьируется в зависимости от разных извержений. Плотность вулканического пепла колеблется от 700 до 1200 кг/м 3 для пемзы, 2350-2450 кг/м 3 для осколков стекла, 2700-3300 кг/м 3 для кристаллов и 2600-3200 кг/м 3 для каменных частиц. [26] Поскольку более крупные и плотные частицы отлагаются близко к источнику, мелкие осколки стекла и пемзы относительно обогащены отложениями пепла в удаленных местах. [27] Высокая плотность и твердость (~ 5 по шкале твердости Мооса ) вместе с высокой степенью угловатости делают некоторые типы вулканического пепла (особенно с высоким содержанием кремнезема) очень абразивными.
Вулканический пепел состоит из частиц (пирокластов) диаметром менее 2 мм (частицы размером более 2 мм классифицируются как лапилли) [1] и может достигать размера 1 мкм. [10] Общий гранулометрический состав пепла может сильно различаться в зависимости от состава магмы. Было предпринято мало попыток соотнести размерные характеристики отложения с характеристиками события, в результате которого оно образовалось, хотя некоторые прогнозы можно сделать. Риолитовые магмы обычно производят более мелкозернистый материал по сравнению с базальтовыми магмами из-за более высокой вязкости и, следовательно, взрывоопасности. Доля мелкодисперсного пепла выше при кислых эксплозивных извержениях, вероятно, потому, что размер пузырьков в предэруптивной магме меньше, чем в основных магмах. [1] Имеются убедительные доказательства того, что пирокластические потоки производят большое количество мелкого пепла в результате измельчения, и вполне вероятно, что этот процесс также происходит внутри вулканических каналов и будет наиболее эффективным, когда поверхность фрагментации магмы находится значительно ниже вершинного кратера. [1]
Частицы пепла попадают в столбы извержения, когда они выбрасываются из жерла на высокой скорости. Первоначальный импульс извержения толкает колонну вверх. По мере того, как воздух втягивается в колонну, объемная плотность уменьшается, и он начинает плавучесть подниматься в атмосферу. [8] В точке, где объемная плотность столба равна плотности окружающей атмосферы, столб перестанет подниматься и начнет двигаться вбок. Боковое рассеивание контролируется преобладающими ветрами, и пепел может откладываться на расстоянии от сотен до тысяч километров от вулкана, в зависимости от высоты столба извержения, размера частиц пепла и климатических условий (особенно направления, силы и влажности ветра). [28]
Выпадение пепла происходит сразу после извержения и контролируется плотностью частиц. Первоначально крупные частицы выпадают вблизи источника. Далее следует выпадение аккреционных лапилли , являющееся результатом агломерации частиц внутри колонны. [29] Выпадение пепла менее концентрировано на заключительных стадиях, когда колонна движется по ветру. Это приводит к образованию отложений пепла, толщина и размер зерен которых обычно уменьшаются в геометрической прогрессии с увеличением расстояния от вулкана. [30] Мелкие частицы пепла могут оставаться в атмосфере от нескольких дней до недель и разноситься высотными ветрами. Эти частицы могут оказывать воздействие на авиационную промышленность (см. раздел «Воздействие») и в сочетании с частицами газа могут влиять на глобальный климат.
Шлейфы вулканического пепла могут образовываться над потоками пирокластической плотности. Их называют ко-игнимбритовые шлейфы. По мере того, как потоки пирокластической плотности удаляются от вулкана, более мелкие частицы удаляются из потока путем вымывания и образуют менее плотную зону, перекрывающую основной поток. Затем эта зона захватывает окружающий воздух, и образуется плавучий шлейф со-игнимбрита. Эти шлейфы, как правило, имеют более высокие концентрации мелких частиц пепла по сравнению с шлейфами магматических извержений из-за истирания внутри потока пирокластической плотности. [1]
Рост населения привел к постепенному проникновению городской застройки в районы повышенного риска, ближе к вулканическим центрам, что увеличивает подверженность людей воздействию выпадений вулканического пепла. [31]
Прямое воздействие вулканического пепла на здоровье человека обычно кратковременное и слабое для людей с нормальным здоровьем, хотя длительное воздействие потенциально представляет некоторый риск силикоза у незащищенных работников. [32] Большую озабоченность вызывает воздействие вулканического пепла на инфраструктуру , имеющую решающее значение для поддержки современного общества, особенно в городских районах, где высокая плотность населения создает высокий спрос на услуги. [33] [31] Несколько недавних извержений продемонстрировали уязвимость городских районов , на которые выпало всего лишь несколько миллиметров или сантиметров вулканического пепла. [34] [35] [36] [37] [38] Этого было достаточно, чтобы вызвать нарушение работы транспорта, [39] электричества , [40] водоснабжения , [41] [42] систем канализации и ливневой канализации . [43] Затраты были понесены в результате сбоя в работе бизнеса, замены поврежденных деталей и застрахованных убытков. Воздействие падения пепла на критически важную инфраструктуру также может вызвать множественные побочные эффекты, которые могут привести к нарушению работы многих различных секторов и услуг. [44]
Выпадение вулканического пепла наносит физический, социальный и экономический ущерб. [45] Вулканический пепел может поражать как близлежащие районы, так и районы, находящиеся за многие сотни километров от источника, [46] и вызывать сбои и потери в самых разных секторах инфраструктуры. Воздействия зависят от: толщины пеплопада; размер зерен и химический состав золы; зола влажная или сухая; продолжительность пеплопада; а также любые меры по обеспечению готовности , управлению и предотвращению (смягчению последствий), применяемые для уменьшения последствий падения пепла. Различные секторы инфраструктуры и общества по-разному затрагиваются и уязвимы для целого ряда воздействий или последствий. Они обсуждаются в следующих разделах. [31]
Известно, что частицы пепла диаметром менее 10 мкм, взвешенные в воздухе, пригодны для вдыхания, и люди, подвергшиеся воздействию пепла, испытывают респираторный дискомфорт, затруднение дыхания, раздражение глаз и кожи, а также симптомы со стороны носа и горла. [47] Большинство этих эффектов носят краткосрочный характер и не считаются представляющими значительный риск для здоровья тех, у кого ранее не было респираторных заболеваний . [32] Влияние вулканического пепла на здоровье зависит от размера зерен, минералогического состава и химического покрытия на поверхности частиц пепла. [32] Дополнительными факторами, связанными с потенциальными респираторными симптомами, являются частота и продолжительность воздействия, концентрация пепла в воздухе и вдыхаемая фракция пепла; доля золы диаметром менее 10 мкм, известная как PM 10 . Социальный контекст также может иметь значение.
Возможны хронические последствия для здоровья в результате падения вулканического пепла, поскольку известно, что воздействие свободного кристаллического кремнезема вызывает силикоз . Минералы, связанные с этим, включают кварц , кристобалит и тридимит , которые могут присутствовать в вулканическом пепле. Эти минералы описываются как «свободный» кремнезем, поскольку SiO 2 не присоединяется к другому элементу для создания нового минерала. Однако считается , что магмы, содержащие менее 58% SiO 2 , не содержат кристаллического кремнезема. [32]
Уровни воздействия свободного кристаллического кремнезема в золе обычно используются для характеристики риска силикоза в профессиональных исследованиях (для людей, работающих в горнодобывающей, строительной и других отраслях промышленности), поскольку Международное агентство исследований классифицирует его как канцероген для человека . о Раке . Нормативные значения были установлены для воздействия, но с неясным обоснованием; Рекомендации Великобритании по содержанию твердых частиц в воздухе (PM10) составляют 50 мкг/м 3 , а нормы США по воздействию кристаллического кремнезема — 50 мкг/м 3 . [32] Считается, что нормативы по уровням воздействия могут быть превышены на короткие периоды времени без существенных последствий для здоровья населения в целом. [47]
Не зарегистрировано ни одного случая силикоза, развившегося в результате воздействия вулканического пепла. Однако долгосрочные исследования, необходимые для оценки этих эффектов, отсутствуют. [32]
Для источников поверхностных вод, таких как озера и водохранилища, объем, доступный для разбавления ионных веществ, выщелоченных из золы, обычно велик. Наиболее распространенные компоненты зольных фильтратов (Ca, Na, Mg, K, Cl, F и SO 4 ) естественным образом встречаются в значительных концентрациях в большинстве поверхностных вод и, следовательно, не подвергаются сильному влиянию вулканического пепла, а также не вызывают особого беспокойства. в питьевой воде, за исключением фтора . Элементы железо , марганец и алюминий обычно обогащаются выше фонового уровня в результате выпадения вулканического пепла. Эти элементы могут придавать воде металлический привкус и вызывать красные, коричневые или черные пятна на белой посуде, но не представляют опасности для здоровья. Неизвестно, что вулканический пеплопад вызвал проблемы с водоснабжением из-за токсичных микроэлементов, таких как ртуть (Hg) и свинец (Pb), которые содержатся в очень низких концентрациях в пепловых фильтратах. [42]
Проглатывание золы может быть вредным для домашнего скота , вызывая стирание зубов, а в случае высокого содержания фтора - отравление фтором (токсично при уровнях > 100 мкг/г) для пасущихся животных. [48] После извержения вулкана Лаки в 1783 году в Исландии известно , что отравление фтором произошло у людей и домашнего скота в результате химического состава пепла и газа, которые содержали высокие уровни фторида водорода . После извержений горы Руапеху в Новой Зеландии в 1995/96 году две тысячи овец и ягнят погибли от флюороза во время выпаса на земле, где выпало всего 1–3 мм пепла. [48] Симптомы флюороза у крупного рогатого скота, подвергшегося воздействию пепла, включают пятна от коричнево-желтого до зелено-черного цвета на зубах и повышенную чувствительность к давлению в ногах и спине. [49] Проглатывание золы также может вызвать закупорку желудочно-кишечного тракта. [37] Овцы, проглотившие пепел от извержения вулкана Гудзон в Чили в 1991 году, страдали от диареи и слабости.
Пепел, скапливающийся в шерсти на спине овец, может значительно утяжелить ее, что приведет к утомлению и потере овечкой способности вставать. Дожди могут стать значительным бременем, поскольку они увеличивают вес пепла. [50] Кусочки шерсти могут отпасть, а оставшаяся шерсть у овец может оказаться бесполезной, поскольку плохое питание, связанное с извержениями вулканов, влияет на качество волокна. [50] Поскольку во время извержения обычные пастбища и растения покрываются вулканическим пеплом, некоторые виды домашнего скота могут питаться всем, что доступно, включая токсичные растения. [51] Есть сообщения о козах и овцах в Чили и Аргентине, делающих естественные аборты в связи с извержениями вулканов. [52]
Вулканический пепел может нарушить работу систем электроснабжения на всех уровнях производства, преобразования, передачи и распределения электроэнергии. Загрязнение оборудования, используемого в процессе подачи электроэнергии, приводит к четырем основным последствиям: [53]
Системы, питающиеся подземными водами, устойчивы к воздействиям пеплопада, хотя пепел, переносимый по воздуху, может мешать работе устьевых насосов. Отключения электроэнергии, вызванные пеплопадом, также могут вывести из строя насосы с электроприводом, если нет резервной генерации. [58]
Физическое воздействие пеплопада может повлиять на работу водоочистных сооружений. Зола может блокировать водозаборные сооружения, вызывать серьезные абразивные повреждения рабочих колес насосов и перегружать двигатели насосов. [58] Зола может попасть в системы фильтрации, такие как открытые песчаные фильтры, как прямыми выпадениями, так и через водозаборные воды. В большинстве случаев для устранения последствий пеплопада потребуется более интенсивное техническое обслуживание, но перебоев в обслуживании не будет. [59]
Последним этапом очистки питьевой воды является дезинфекция, чтобы гарантировать, что готовая питьевая вода не содержит инфекционных микроорганизмов. Поскольку взвешенные частицы (мутность) могут служить субстратом для роста микроорганизмов и защищать их от дезинфекционной обработки, чрезвычайно важно, чтобы в процессе очистки воды достигался хороший уровень удаления взвешенных частиц. Возможно, придется увеличить хлорирование, чтобы обеспечить адекватную дезинфекцию. [60]
Многие домохозяйства и некоторые небольшие общины полагаются на дождевую воду в качестве источника питьевой воды. Системы с крышным питанием очень уязвимы к загрязнению пеплопадом, поскольку имеют большую площадь поверхности по отношению к объему накопительного резервуара. В этих случаях вымывание химических загрязнителей из пеплопада может стать риском для здоровья, и пить воду не рекомендуется. Перед пеплопадом следует отсоединить водосточные трубы, чтобы защитить воду в резервуаре. Еще одна проблема заключается в том, что поверхностный слой свежего вулканического пепла может быть кислым. В отличие от большинства поверхностных вод, дождевая вода обычно имеет очень низкую щелочность (способность нейтрализовать кислоту), и поэтому пеплопад может окислять воду в резервуарах. Это может привести к проблемам с плюмбосольвентностью , из-за которой вода становится более агрессивной по отношению к материалам, с которыми она вступает в контакт. Это может стать особой проблемой, если на крыше используются гвозди со свинцовой головкой или свинцовый отлив, а также медные трубы и другая металлическая сантехническая арматура. [61]
Во время пеплопадов обычно предъявляются большие требования к водным ресурсам для очистки, что может привести к их нехватке. Нехватка воды ставит под угрозу ключевые услуги, такие как пожаротушение, и может привести к нехватке воды для гигиены, санитарии и питья. Муниципальным властям необходимо тщательно отслеживать и управлять спросом на воду, а также, возможно, рекомендовать населению использовать методы очистки, не использующие воду (например, уборку щетками, а не шлангами). [62]
Сети сточных вод могут получить такие же повреждения, как и сети водоснабжения. Исключить золу из канализационной системы очень сложно. Наибольшему риску подвергаются системы с совмещенными ливневыми и канализационными линиями. Зола попадает в канализационные трубопроводы, где происходит приток/инфильтрация ливневых вод через незаконные соединения (например, из водосточных труб на крыше), поперечные соединения, вокруг крышек люков или через отверстия и трещины в канализационных трубах. [63] [64]
Загрязненные золой сточные воды, попадающие на очистные сооружения, могут привести к выходу из строя механического оборудования предварительной сортировки, такого как ступенчатые или вращающиеся сита. Зола, проникающая дальше в систему, будет оседать и снижать мощность биологических реакторов, а также увеличивать объем ила и изменять его состав. [64]
Основной ущерб, нанесенный самолету, влетевшему в облако вулканического пепла, - это истирание обращенных вперед поверхностей, таких как лобовое стекло и передние кромки крыльев, а также скопление пепла в отверстиях на поверхности, включая двигатели. [65] Истирание лобовых стекол и посадочных фонарей ухудшит видимость, заставляя пилотов полагаться на свои приборы. Однако некоторые приборы могут давать неправильные показания, поскольку датчики (например, трубки Пито ) могут засориться пеплом. Попадание золы в двигатели приводит к абразивному повреждению лопастей вентилятора компрессора. Зола разрушает острые лопатки компрессора, снижая его эффективность. Зола плавится в камере сгорания, образуя расплавленное стекло. Затем зола затвердевает на лопатках турбины, блокируя поток воздуха и вызывая остановку двигателя. [66]
Состав большей части золы таков, что температура ее плавления находится в пределах рабочей температуры (> 1000 ° C) современных крупных реактивных двигателей . [67] Степень воздействия зависит от концентрации пепла в шлейфе, продолжительности времени, в течение которого самолет находится в шлейфе, и действий пилотов. Крайне важно, что плавление пепла, особенно вулканического стекла, может привести к накоплению повторно затвердевшего пепла на направляющих лопатках сопла турбины, что приведет к остановке компрессора и полной потере тяги двигателя. [68] Стандартная процедура системы управления двигателем при обнаружении возможной остановки двигателя заключается в увеличении мощности, что может усугубить проблему. Пилотам рекомендуется снизить мощность двигателя и быстро выйти из облака, выполнив разворот на 180°. [68] Вулканические газы, присутствующие в облаках пепла, также могут привести к повреждению двигателей и акриловых лобовых стекол, а также могут сохраняться в стратосфере в виде почти невидимого аэрозоля в течение длительных периодов времени. [69]
Известно множество случаев повреждения реактивных самолетов в результате столкновения с пеплом. 24 июня 1982 года Боинг 747-236B компании British Airways ( рейс 9 ) пролетел сквозь облако пепла от извержения горы Галунггунг в Индонезии , что привело к отказу всех четырех двигателей. Самолет снизился на высоту 24 000 футов (7300 м) за 16 минут, прежде чем двигатели перезапустились, что позволило самолету совершить вынужденную посадку. 15 декабря 1989 года у самолета Boeing 747-400 авиакомпании KLM ( рейс 867 ) также отключилась мощность всех четырех двигателей после полета в облако пепла с горы Редут на Аляске . После падения на высоту 14 700 футов (4500 м) за четыре минуты двигатели были запущены всего за 1–2 минуты до удара. Общий ущерб составил 80 миллионов долларов США, а на ремонт самолета ушло 3 месяца. [67] В 1990-е годы еще 100 миллионов долларов США был нанесен коммерческим самолетам (некоторые в воздухе, другие на земле) в результате извержения горы Пинатубо на Филиппинах в 1991 году . [67]
В апреле 2010 года было затронуто воздушное пространство по всей Европе , многие рейсы были отменены , что было беспрецедентно, из-за присутствия вулканического пепла в верхних слоях атмосферы от извержения исландского вулкана Эйяфьятлайокудль . [70] 15 апреля 2010 года ВВС Финляндии прекратили тренировочные полеты, когда были обнаружены повреждения, вызванные попаданием вулканической пыли в двигатели одного из истребителей Boeing F-18 Hornet . [71] 22 апреля 2010 года тренировочные полеты ВВС Великобритании «Тайфун» также были временно приостановлены после того, как в двигателях самолета были обнаружены отложения вулканического пепла. [72] В июне 2011 года аналогичные закрытия воздушного пространства произошли в Чили, Аргентине, Бразилии, Австралии и Новой Зеландии после извержения вулкана Пуйеуэ-Кордон-Колле в Чили . [73]
Облака вулканического пепла очень трудно обнаружить с самолета, поскольку в кабине экипажа не существует приборов, позволяющих их обнаружить. Однако доктор Фред Прата [74] во время работы в CSIRO Австралии [75] и Норвежском институте исследований воздуха недавно разработал новую систему под названием «Воздушный инфракрасный детектор вулканических объектов» (AVOID) , которая позволит пилотам обнаруживать шлейфы пепла вверху. на 60 км (37 миль) вперед и безопасно облететь их. [76] В системе используются две инфракрасные камеры с быстрой выборкой данных, установленные на обращенной вперед поверхности и настроенные на обнаружение вулканического пепла. Эта система может обнаруживать концентрации золы от <1 мг/м 3 до > 50 мг/м 3 , предупреждая пилотов примерно за 7–10 минут. [76] Камера была протестирована [77] [78] авиакомпанией easyJet , [79] AIRBUS и Nicarnica Aviation (соучредителем которой является доктор Фред Прата). Результаты показали, что система может работать на расстояниях от ~60 км до 10 000 футов [80] , но не выше без некоторых существенных модификаций.
Кроме того, для обнаружения облаков пепла можно использовать наземные и спутниковые изображения, радар и лидар . Эта информация передается между метеорологическими агентствами, вулканическими обсерваториями и авиакомпаниями через Консультативные центры по вулканическому пеплу (VAAC) . В каждом из девяти регионов мира существует по одному VAAC. VAAC могут выпускать рекомендации с описанием текущих и будущих размеров облака пепла. [81]
Вулканический пепел влияет не только на полеты, но и на работу наземных аэропортов. Небольшие скопления пепла могут ухудшить видимость, сделать взлетно-посадочные полосы и рулежные дорожки скользкими, проникнуть в системы связи и электрические системы, нарушить наземное обслуживание, повредить здания и припаркованные самолеты. [82] Скопление пепла размером более нескольких миллиметров требует удаления, прежде чем аэропорты смогут возобновить полноценную работу. Пепел не исчезает (в отличие от снегопадов), и его необходимо утилизировать таким образом, чтобы предотвратить его повторное разнос ветром и самолетами. [83]
Пепел может нарушить работу транспортных систем на больших территориях на часы или дни, включая дороги и транспортные средства, железные дороги, порты и судоходство. Падающий пепел ухудшит видимость, что может затруднить и сделать вождение опасным. [26] Кроме того, быстро движущиеся автомобили поднимают пепел, создавая клубящиеся облака, которые увековечивают постоянную опасность видимости. Накопления золы ухудшают сцепление с дорогой, особенно во влажном состоянии, и закрывают дорожную разметку. [26] Мелкозернистая зола может проникать в отверстия автомобилей и истирать большинство поверхностей, особенно между движущимися частями. Воздушный и масляный фильтры засоряются и требуют частой замены. Железнодорожный транспорт менее уязвим: сбои в его работе в основном вызваны ухудшением видимости. [26]
Морской транспорт также может пострадать от вулканического пепла. Падение пепла заблокирует воздушные и масляные фильтры и приведет к истиранию любых движущихся частей при попадании в двигатели. На навигацию повлияет ухудшение видимости во время пеплопада. Пузырьковая зола ( пемза и шлак ) будет плавать на поверхности воды в виде «плотов пемзы», которые могут быстро засорить водозаборники, что приведет к перегреву оборудования. [26]
Вулканический пепел может повлиять на сети электросвязи и вещания следующими способами: затухание и снижение мощности сигнала; повреждение оборудования; и перегрузка сети из-за требований пользователей. Ослабление сигнала из-за вулканического пепла недостаточно документировано; однако поступали сообщения о нарушении связи после извержения Суртси в 1969 году и извержения горы Пинатубо в 1991 году. Исследования, проведенные новозеландской Оклендской инженерной группой Lifelines, теоретически определили, что воздействие пепла на телекоммуникационные сигналы будет ограничено низкочастотными услугами, такими как спутниковая связь . [37] Помехи сигнала также могут быть вызваны молниями, поскольку они часто возникают в шлейфах извержений вулканов. [84]
Телекоммуникационное оборудование может быть повреждено из-за прямого падения пепла. Большинству современного оборудования требуется постоянное охлаждение с помощью кондиционеров . Они подвержены засорению золой, что снижает эффективность их охлаждения. [85] Сильные пеплопады могут привести к обрушению телекоммуникационных линий, мачт, кабелей, антенн, антенных тарелок и вышек из-за нагрузки пеплом. Влажная зола также может вызвать ускоренную коррозию металлических компонентов. [37]
Сообщения о недавних извержениях позволяют предположить, что самым большим сбоем в работе сетей связи является перегрузка из-за высокого спроса со стороны пользователей. [26] Это характерно для многих стихийных бедствий. [86]
Компьютеры могут пострадать от вулканического пепла, при этом их функциональность и удобство использования снижаются во время пеплопада, но маловероятно, что они полностью выйдут из строя. [87] Наиболее уязвимыми компонентами являются механические компоненты, такие как вентиляторы охлаждения , приводы компакт-дисков , клавиатуры , мыши и сенсорные панели . Эти компоненты могут забиться мелкозернистой золой, из-за чего они перестанут работать; однако большинство из них можно вернуть в рабочее состояние путем очистки сжатым воздухом. Влажный пепел может вызвать короткое замыкание в настольных компьютерах; однако это не повлияет на портативные компьютеры. [87]
Повреждения зданий и сооружений могут варьироваться от полного или частичного обрушения крыши до менее катастрофических повреждений наружных и внутренних материалов. Воздействие зависит от толщины пепла, от того, влажный он или сухой, от конструкции крыши и здания, а также от того, сколько пепла попадает внутрь здания. Удельный вес золы может значительно меняться, а дождь может увеличить его на 50–100%. [10] Проблемы, связанные с золой, аналогичны проблемам со снегом; однако зола является более серьезной, поскольку 1) нагрузка от золы обычно намного больше, 2) зола не плавится и 3) зола может забивать и повреждать желоба, особенно после дождя. Воздействие нагрузки золой зависит от конструкции и конструкции здания, включая уклон крыши, строительные материалы, пролет крыши и опорную систему, а также возраст и техническое обслуживание здания. [10] Как правило, плоские крыши более подвержены повреждениям и обрушениям, чем крыши с крутыми скатами. Крыши из гладких материалов (листовой металл или стекло) с большей вероятностью будут сбрасывать пепел, чем крыши из грубых материалов (солома, асфальт или деревянная черепица). Обрушение крыши может привести к массовым травмам и гибели людей, а также к материальному ущербу. Например, обрушение крыш от пепла во время извержения горы Пинатубо 15 июня 1991 года унесло жизни около 300 человек. [88]
Вулканический пепел может оказывать пагубное воздействие на окружающую среду, которое трудно предсказать из-за большого разнообразия условий окружающей среды, существующих в зоне падения пепла. Природные водные пути могут подвергаться такому же воздействию, как и городские сети водоснабжения. Зола увеличивает мутность воды, что может уменьшить количество света, достигающего более низких глубин, что может препятствовать росту подводных водных растений и, следовательно, влиять на виды, которые от них зависят, например, рыбу и моллюсков . [89] Высокая мутность также может влиять на способность жабр рыб поглощать растворенный кислород . [90] Также произойдет подкисление, которое снизит pH воды и повлияет на фауну и флору, живущую в окружающей среде. Загрязнение фторидом произойдет, если зола содержит высокие концентрации фторида. [91]
Накопление золы также повлияет на пастбища, растения и деревья, которые используются в садоводстве и сельском хозяйстве. Тонкие пеплопады (<20 мм) могут отвлекать скот от еды, препятствовать транспирации и фотосинтезу , а также влиять на рост. Возможно увеличение производства пастбищ из-за эффекта мульчирования и небольшого эффекта удобрения, как это произошло после извержений горы Сент-Хеленс в 1980 году и извержений Руапеху в 1995/96 году. [92] [93] Более сильные падения полностью закроют пастбища и почву, что приведет к гибели пастбищ и стерилизации почвы из-за недостатка кислорода. Выживаемость растений зависит от толщины пепла, химического состава пепла, уплотнения пепла, количества осадков, продолжительности захоронения и длины стеблей растений во время падения пепла. [10]
Молодые леса (деревья <2 лет) подвергаются наибольшему риску пеплопадов и могут быть уничтожены отложениями пепла >100 мм. [94] Падение пепла вряд ли приведет к гибели взрослых деревьев, но нагрузка пеплом может сломать большие ветви во время сильных пеплопадов (>500 мм). Также может произойти дефолиация деревьев, особенно если в пеплопаде присутствует крупный компонент пепла. [10]
Восстановление земель после пеплопадов может быть возможным в зависимости от толщины пепловых отложений. Восстановительная обработка может включать: прямой засев отложений; смешивание отложений с погребенной почвой; очистка зольного налета с поверхности земли; и нанесение нового верхнего слоя почвы поверх отложения золы. [37]
Критическая инфраструктура и инфраструктурные услуги жизненно важны для функционирования современного общества, поскольку они обеспечивают: медицинскую помощь, охрану правопорядка, службы экстренной помощи , а также линии жизнеобеспечения, такие как водоснабжение, канализация, энергоснабжение и транспортное сообщение. Часто работоспособность критически важных объектов зависит от таких линий жизнеобеспечения, что делает их уязвимыми как для прямых воздействий опасного события, так и для косвенных последствий нарушения жизнеобеспечения. [95]
Воздействие на линии жизни также может быть взаимозависимым . Уязвимость каждой линии жизни может зависеть от: типа опасности, пространственной плотности ее критических связей, зависимости от критических связей, восприимчивости к ущербу и скорости восстановления услуг, состояния ремонта или возраста, а также институциональных характеристик или собственности. [33]
Извержение вулкана Эйяфьятлайокудль в Исландии в 2010 году подчеркнуло влияние падения вулканического пепла на современное общество и нашу зависимость от функциональности инфраструктурных услуг. Во время этого события авиационная отрасль понесла убытки в размере 1,5–2,5 миллиардов евро из-за закрытия европейского воздушного пространства на шесть дней в апреле 2010 года и последующих закрытий в мае 2010 года. [96] Известно также, что падение пепла от этого события вызвало местные потери урожая в сельском хозяйстве, потери в туристической отрасли, разрушение дорог и мостов в Исландии (в сочетании с талой ледниковой водой), а также затраты, связанные с реагированием на чрезвычайные ситуации и очисткой территории. Однако по всей Европе были дополнительные потери, связанные с перебоями в поездках, страховой отраслью, почтовой службой, а также импортом и экспортом по Европе и всему миру. Эти последствия демонстрируют взаимозависимость и разнообразие воздействий одного события. [38]
Готовность к пеплопадам должна включать в себя герметизацию зданий, защиту инфраструктуры и домов, а также хранение достаточных запасов еды и воды, которых хватит до тех пор, пока пеплопад не прекратится и не начнется очистка. Можно носить пылезащитные маски , чтобы уменьшить вдыхание пепла и смягчить любые последствия для здоровья органов дыхания. [47] Для защиты глаз от раздражения можно носить защитные очки.
Дома быть в курсе вулканической активности и иметь планы действий в чрезвычайных ситуациях для альтернативных мест убежища означает хорошую готовность к событию пеплопада. Это может предотвратить некоторые воздействия, связанные с выпадением пепла, уменьшить последствия и повысить способность человека справляться с такими явлениями. Некоторые предметы, такие как фонарик, пластиковая пленка для защиты электронного оборудования от попадания пепла и радиоприемники на батарейках, чрезвычайно полезны во время пеплопадов. [10]
Планы коммуникации должны быть составлены заранее, чтобы информировать о предпринимаемых действиях по смягчению последствий. Запасные части и резервные системы должны быть в наличии до событий, связанных с падением пепла, чтобы уменьшить перебои в обслуживании и как можно быстрее вернуть функциональность. Хорошая готовность также включает в себя определение мест захоронения золы до того, как произойдет выпадение пепла, чтобы избежать дальнейшего перемещения золы и облегчить очистку. [97]
Были разработаны некоторые эффективные методы обращения с золой, включая методы очистки и устройства для очистки, а также действия по смягчению или ограничению ущерба. К последним относятся закрытие таких отверстий, как воздухозаборники и водозаборники, авиационные двигатели и окна во время пеплопадов. Дороги могут быть закрыты, чтобы можно было расчистить пеплопады, или могут быть введены ограничения скорости, чтобы у автомобилистов не возникло проблем с двигателем и они не оказались в затруднительном положении после падения пепла. [98] Для предотвращения дальнейшего воздействия на подземные водные системы или сети сточных вод следует разблокировать дренажные и водопропускные трубы и предотвратить попадание золы в систему. [97] Золу можно увлажнить (но не насыщать), опрыскивая водой, чтобы предотвратить повторную мобилизацию золы и облегчить очистку. [98] Установление приоритетности операций по очистке критически важных объектов и координация усилий по очистке также представляют собой передовую практику управления. [97] [98] [99]
Рекомендуется эвакуировать скот из мест, где пеплопад может достигать 5 см и более. [100]
Основное применение вулканического пепла – это обогащение почвы. Когда минералы золы смываются в почву дождем или другими естественными процессами, они смешиваются с почвой и образуют слой андизола . Этот слой очень богат питательными веществами и очень пригоден для сельскохозяйственного использования; Наличие густых лесов на вулканических островах часто является результатом того, что деревья растут и процветают в богатых фосфором и азотом адизолах. [101] Вулканический пепел также можно использовать в качестве заменителя песка. [102]
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь ){{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь )