Управление вулканической лавой

Многие с тех пор пытались создать искусственные потоки лавы, причём некоторые вместо расплавленной горной породы использовали безобидные кукурузный сироп или воск. Однако все подобные опыты проводились в лабораторных масштабах.

Карсон и Высоцки замахнулись на большее. Высоцки долгие годы с научной тщательностью и щепетильностью занимается воссозданием природных ландшафтов. В одном из своих прежних проектов он с помощью огромных промышленных вентиляторов создал в закрытом ангаре дюны из 45 тонн песка. В 2009 году, увидев тонкую струйку раскалённого светящегося шлака, которая вытекала из кузнечного горна, установленного в муниципальном отделе искусств Сиракуз, Высоцки загорелся желанием создать нечто подобное. Он обратился к Карсону, и они вместе стали учиться создавать лаву. Для этого они пользовались всем, что им попадалось: видеороликами, выложенными в Сети, китайской научной прессой… С самого начала они решили создавать потоки лавы, по мощности сравнимые с естественными вулканическими. Высоцки разыскал заброшенную газовую печь для выплавки бронзы, восстановил её, и уже через год из неё вытекли первые огненные ручейки – небольшие порции расплавленной горной породы.

Как на вулкане

Карсон и Высоцки работали на предназначенном под парковку участке с тыльной стороны офиса отдела искусств. Вскоре им удалось создать потоки, состоящие из сотен килограммов породы. В качестве сырья для лавы они взяли толчёный базальтовый гравий. При нагревании до температуры 1300 °С в печи, в тигле размером с ванну домашнего санузла, гравий расплавляется в однородную базальтовую лаву. Этот её тип чаще других встречается на нашей планете. Искусственная лава почти неотличима от природной, вулканической. Исследователи задумались, как её можно использовать для понимания процессов, протекающих в лаве естественного, вулканического происхождения.

Для геологов очень важно понять гидродинамику лавы. По форме, внешнему виду и химическому составу застывших потоков доисторической вулканической лавы можно судить о прошлом нашей планеты, климате того времени, вулканической активности и условиях среды, как под землёй, так и на её поверхности, в точках выхода древней лавы. «Вулканы и потоки лавы – это единственная “замочная скважина”, сквозь которую мы можем подсмотреть, что происходит внутри нашей планеты», – говорит Трейси Грегг из Университета штата Нью-Йорк в Буффало.

Лава – это невероятно сложный материал, это застывшая жидкость, составляющие которой находятся в разных агрегатных состояниях: жидком, твердокристаллическом и газообразном. Динамика движения потока лавы зависит от ландшафта местности, интенсивности потока, его температуры, вязкости и химического состава горной породы. Чтобы понять её гидродинамику, нужно выяснить, сколь важную роль играет каждый из этих факторов, говорит Карсон. А изучение потоков, извергающихся из вулкана, – невероятно опасное занятие. В 1993 году шесть вулканологов погибли, осматривая кратер вулкана Галерас в Колумбии: в тот момент началось его извержение. Сиракузская лаборатория поможет геологам найти ответы на многие вопросы, не рискуя жизнью.

Другое важное преимущество экспериментов Карсона и Высоцки – масштаб, приближенный к натуральному. Многие лабораторные опыты проводились всего на нескольких кубических сантиметрах исследуемого вещества. При таких малых количествах соотношение объём/площадь поверхности невелико, такие мини-потоки остывают и застывают гораздо быстрее, чем мощные потоки реальной вулканической лавы. По результатам экспериментов на миниатюрной модели трудно судить о том, как поведёт себя большой поток.

По мнению Карсона, от опытов с тонкими струйками лавы пользы мало. В сиракузской же лаборатории за один раз можно получить 500 кг лавы, поток которой растекается в длину на несколько метров. «Мы пионеры в проведении столь широкомасштабных опытов», – утверждает Карсон, и это правда: такой большой поток впервые столь подробно исследован.

Недавно при участии Бена Эдвардса из Колледжа Дикинсон в Карлайле (штат Пенсильвания, США) Карсон и Высоцки изучали, как ведёт себя лава на заснеженных и обледенелых поверхностях. Этот вопрос изучен слабо, хотя из 200 действующих вулканов примерно две трети в течение длительных периодов года покрыты снегом и льдом. Такие вулканы особенно опасны, поскольку, взаимодействуя со льдом, расплавленная горная порода может вызвать внезапные внесезонные паводки и наводнения, опасные взрывы с выбросами водяного пара. Именно это и произошло во время извержения исландского вулкана Эйяфьятлайокудль в 2010 году.

В ходе экспериментов учёные вылили 300 кг расплавленного базальта на лёд и снег и с волнением наблюдали, как там, где при контакте с лавой лед испарился, превратившись в пар, образовались застывшие пузырьки каменной пены, так называемые limu o Pele (водоросли Пеле, гавайской богини вулканического огня). Иногда такие узоры находят на потоках природной вулканической лавы, а вот воссоздать их в лаборатории в подобных масштабах до сих пор никому не удавалось.

По словам Эдвардса, им довелось наблюдать интереснейшее явление: лёд, растаяв, превращается в воду; та, в свою очередь, испаряясь, создаёт под лавой нечто вроде паровой подушки, по которой лава скользит вниз по склону, как гидроплан, достигая весьма значительных скоростей – до десятков сантиметров в секунду (Geology, т. 41, с. 851).

Как защититься от лавы

Карсон и Высоцки хотят не просто изучить динамику лавы, но и научиться управлять её потоками. По сравнению с другими видами вулканической активности – взрывами, выделениями токсичных газов, сходами лавин – от самой лавы людей гибнет сравнительно мало, так как она обычно ползёт вниз медленно. Но, будучи зажатой в русле на поверхности или двигаясь в подземном канале, она может течь со скоростью до 30 км/ч. В январе 1977 года прорвало озеро расплавленной лавы в кратере вулкана Нирагонго на востоке Демократической Республики Конго. Всё озеро вытекло вниз по склону, лава двигалась со скоростью 100 км/ч. Тогда от неё погибло более 70 человек. Да и экономический ущерб от лавы обычно больше, чем от других видов вулканической активности. Её поток накрывает всё на своём пути, в нём сгорают здания, а дороги и другие инженерные коммуникации оказываются погребёнными под многометровым слоем застывшей субстанции.

Для защиты имущества инженеры предложили возводить вокруг вулканов Италии, Исландии и Гавайских островов барьеры из грунта и камней, которые тоже помогают далеко не всегда. Дело в том, что невозможно надёжно спрогнозировать поведение потока лавы. Чтобы остановить его или отклонить в сторону от важных объектов, недостаточно знать рельеф местности. На динамику потока влияют интенсивность извержения, температура и химический состав горной породы. Управление потоками лавы – это скорее искусство, чем наука.

К группе исследователей из сиракузской лаборатории сейчас присоединилась Ханна Диттерих, геолог из Университета штата Орегон в Юджине (США), её задача – помочь выяснить, барьеры какого типа эффективнее защищают от лавы. Диттерих провела опыты с клиновидным регулируемым барьером из двух стальных пластин, соединённых петлями наподобие дверных, который изготовил для неё Высоцки. Клин барьера направлен против течения потока. Меняя угол между пластинами, Диттерих наблюдала, как он влияет на поток. Если угол слишком острый, лава обтекает барьер с двух сторон и снова сливается в единый поток. Если угол слишком широкий, лава останавливается, упершись в барьер, накапливается и перетекает через его борт. Но при определённой величине угла прототип барьера снижал скорость потока вдвое. «Нужно разделить большой поток на два меньших, края которых остынут и застынут прежде, чем успеют воссоединиться», – говорит исследовательница.

Результаты её экспериментов согласуются с историческими свидетельствами об извержениях вулканов, при которых люди пытались выставить на пути лавы барьеры. В начале следующего года Диттерих планирует продолжить исследования. Она изучит динамику малых рукавов, слившихся потоков и головных волн, образующихся перед препятствием, выше него по течению. Но это не единственный способ управлять потоками лавы.

Допустим, появилось вещество-катализатор, запускающее реакцию превращения расплавленной лавы в застывшую твёрдую породу. Грегг и Карсон сейчас пытаются найти добавки, которые увеличат вязкость лавы настолько, что скорость её потока уменьшится, она остынет и застынет. Судя по результатам первых опытов в Сиракузах, в которых применялись кристаллы силиката магния, известного под названием «оливин», добавление его даже в небольших пропорциях увеличивает вязкость и плотность лавы – за счёт того, что кристаллы оливина – это «затравка», на которой растут кристаллы базальта. Аналогичный эффект наблюдается и при добавлении в лаву дробинок из нержавеющей стали. Теоретически, добавив в лаву достаточное количество этих материалов, можно отклонить или вовсе остановить поток, утверждает Карсон. Но он и сам признаёт, что идея сбрасывать груз «лава-стоп» с вертолёта пока не выглядит реалистичной.

Карсон и Высоцки планируют вскоре начать производство лавы другого типа – например, содержащую богатые магнием коматииты, аналогичные обнаруженным на Луне и в слоях, соответствующих доисторическим периодам Земли, а также базальты, подобные марсианским – включающие количества кварца. Пока же они продолжают работы с обычным базальтом, предлагая гостям лаборатории в качестве развлечения поджарить на остывающей лаве суфле из алтея или разогреть хот-дог. «Это производит сильное впечатление, – говорит Высоцки. – Я видел четырёхлетнего мальчугана, который стоял за спиной папы – доктора наук. На лицах обоих – благоговейный страх». Аналогичное чувство испытывает и сам Высоцки, хотя он вот уже три года занимается созданием потоков. «Я видел их больше 100 раз, и каждый раз чувствую то же, что и эти новички», – признаётся он.

Краткая история лавы
490–430 годы до нашей эры
Греческий философ Эмпедокл объясняет вулканические извержения как проявление одного из четырёх основных начал – огня
24 августа 79 года нашей эры
Везувий уничтожил город Помпеи
5 февраля 252 года
Мощи святой Агаты остановили лаву, стекавшую с вулкана Этна (Сицилия) на город Катанию
Апрель 1669 года
Лава с Этны разрушила порт Катании
1767 год
Английский вулканолог Уильям Гамильтон создал аппарат, имитирующий внешний вид и звук извержения вулкана
1792 год
Геолог из Шотландии Джеймс Холл расплавил базальт в кузнечном горне, доказав тем самым, что базальт – это расплавленная и снова застывшая горная порода
Ноябрь 1843 года
Взрывное извержение Этны. 59 жертв
Декабрь 1935 года
Авиация США сбрасывает бомбы на потоки лавы из вулкана Мауна-Лоа на Гавайских островах, пытаясь предотвратить разрушение городка Хило
Март 1955 года
Барьеры, установленные на вулкане Килауэа на Гавайях, отклоняют лаву от жилищ, но поток переливается через барьер
Март 1973 года
Лаву из вулкана Хеймаэй в Исландии остужают водой. Порт спасён от разрушения
Июль 1975 года
Авиация США бомбардирует потоки лавы на Гавайях, чтобы сравнить действенность боеприпасов разного калибра
Май 1983 года
Барьеры, установленные на вулкане Этна, позволили избежать ущерба на сумму 25 миллионов долларов
Апрель 1992 года
С помощью взрывчатки и бетонных блоков удалось спасти от разрушения лавой город Дзафферана у подножия Этны
Сентябрь 2008 года
Голландский инженер-геолог Рулоф Щуилинг предлагает использовать эндотермические химикаты для охлаждения и остановки потоков лавы
Апрель 2010 года
Извержение исландского вулкана Эйяфьятлайокудль. Таяние льда вызвало сильные наводнения

Джулиан Смит, Лайэм Кроуфорд, New Scientist