На информативность волновых возмущений в атмосфере о динамике вулканического процесса впервые обратил внимание Г. С. Горшков после катастрофического извержения вулкана Безымянного 30 марта 1956 г. [9]. Планомерное изучение акустических сигналов (АС) от вулканических извержений на Камчатке началось с 1962 г., когда в районе Ключевской группы вулканов П. И. Токаревым были установлены микробарографы. Большой удачей этого периода является запись АС от катастрофического извержения вулкана Шивелуч 30 ноября 1964 г. (V » 2 км³), которая в комплексе с сейсмологическими данными позволила дать П. И. Токареву [2] вариант реконструкции динамики извержения.

В течение последних тридцати лет автором данной работы почти на каждом сильном извержении Камчатских вулканов проводились регистрация АС с одновременной записью сейсмических сигналов. На основании АС, зарегистрированных во время 16 извержений 8 вулканов, дана феноменологическая классификация волновых возмущений в атмосфере [8]. В основу нижеприведенной классификации положены частотные характеристики АС и их форма записи.

I. Аэродинамический шум ( f = 20 ¸ 1000 Гц ) характерен для непрерывного истечения пепло - газовой струи из кратера вулкана во время плинианского и вулканского типов активности.

Непрерывный пепло - газовой поток в первом приближении можно рассматривать как свободную турбулентную струю. При этом в зоне смешения генерируется шум звукового диапазона частот. Зарегистрированные квазирегулярные вариации амплитуды аэродинамического шума на частоте 500 Гц с периодом около 0,5 Гц при “продувках” на вулкане Карымском в 1978 г. объясняются автоколебательным процессом, возникающим при дефрагментации верхней части магмы в выводном канале.

II. Воздушные ударные волны (ВУВ) с частотой f = 1¸ 20 Гц возникают в результате нестационарных процессов: сверхзвуковых скачков при истечении пепло - газовой смеси воздушных вулканических взрывов при вулканском и плинианском типах извержений; разрушении газовых пузырей, всплывающих на поверхность маловязкой лавы, при стромболианском типе извержений. ВУВ в результате распространения в дальней зоне перерождаются в инфразвуковые.

Впервые в мировой практике анализ ВУВ от вулканических извержений и их разбиение по подтипам в зависимости от механизма их возникновения было выполнено по данным, полученным во время Большого трещинного Толбачинского извержения

Рис.1. Типы воздушных ударных волн зарегистрированных во время
Большого трещинного Толбачинского извержения 1975-1976 гг.

в 1975-1976 гг. (рис. 1). В работе [3] показано, что ВУВ 1 типа связаны с взрывами взрывоспособных вулканических газов при их смешивании с кислородом воздуха. ВУВ 2-3 типов обусловлены сверхзвуковыми скачками, возникающими при истечение пепло - газовой струи. ВУВ 4-5 типов возникают при всплытии на поверхность лавы "пенных пакетов" или газовых пузырей. Во время извержения побочного кратера вулкана Ключевского в 1983 г. зарегистрированы ВУВ подобных типов [4].

Предложена методика расчета по ВУВ объема вулканических газов, участвующих в эксплозивном процессе для стромболианского типа вулканической активности.

III. Волновые возмущения в атмосфере инфразвукового диапазонa (f = 0,003 ¸ 1Гц) возникают в результате мощных турбулентных конвективных процессов в атмосфере, сопровождающих формирование эруптивной колонны и пирокластических потоков (ПП).

Изучались волновые возмущения в атмосфере, сопровождающие сход и формирование ПП извержений вулкана Безымянного в 1983-1985 гг. Было установлено, что мощность колебаний инфразвукового диапазона зависит от интенсивности теплоотдачи, которая определяется площадью и газонасыщенностью отложений ПП [5]. С целью изучения процессов, влияющих на возникновения АС от гравитационных потоков, проводилась регистрация АС при искусственном спуске сухих лавин с северного склона г. Чегет [6]. Впервые в мировой практике были зарегистрированы АС с частотой 0,5 Гц, генерируемые турбулентным снеговоздушным облаком, возникающим над телом лавины. Сделаны сравнительные оценки “производительности” акустического источника ПП и снежных лавин, близких по объему. ПП за счет тепла и газовыделения излучают АС по энергии почти на два порядка больше, чем сухие снежные лавины.

IV. Длинноволновые возмущения ( f < 0,003 Гц) регистрируются во время катастрофических извержений плинианского типа, когда эруптивная колонна поднимается до высоты тропопаузы и выше ее.

Проанализированы записи воздушных волн на метеорологических барографах в ближней зоне (R < 60 км), сопровождавших 4 сильных эксплозивных извержения (V > 2 км³). Показано, что характер длинноволновых возмущений связан с процессом формирования эруптивной колонны [1]. Для катастрофических извержений плинианского типа предложена методика оценки количества пепла выброшенного в атмосферу [7].

Каждый тип АС соответствует определенному типу вулканической деятельности и физическим процессам, происходящим в кратере, что позволяет по записям АС в комплексе с сейсмическими данными определять тип извержения и его интенсивность, а также позволяет реконструировать динамику вулканических извержений, что было сделано для пароксизмального извержения вулкана Шивелуч 11.11.1964 г.

Все классы волновых возмущений присутствовали во время этого извержения. Звук был слышен на расстоянии до 30 км, а амплитудно-частотная характеристика микробарографа на станции Козыревск [2] позволила зарегистрировать АС II - IV класса. Метеорологические барографы на расстоянии до 70 км зарегистрировали только длинноволновое возмущение (рис.2 б). Регистограмма записи микробарографа была оцифрована и обработана с помощью пакета программ обработки сигналов ПОС [7]. Как видно на рис. 2. а, форма длинноволнового сигнала на ст. КЗР, отфильтрованного ФНЧ с f _гр = 0,005 Гц с учетом АЧХ, весьма близка к форме сигнала, записанного метеорологическим барографом и отличается от него длинным (около 3 часов) шлейфом колебаний с периодом 6 мин., по-видимому, вызванных собственными колебаниями атмосферы.

На рис. 2.в, г показаны мощность АС, отфильтрованного ФВЧ с f_гр= 0,04 Гц, и вулканического дрожания (ВД). Данная фильтрация позволила проследить динамику развития АС II и III классов, в результате были выделены два акустических источника, разнесенных по времени. Сопоставление динамики АС и ВД позволило дать вариант реконструкции извержения этого грандиозного события, который в основном совпадает с последними геологическими данными. Оценка количества пепла выброшенного в атмосферу, сделанная по энергии длинноволновых возмущений (0,35-0,45 км³), также совпадает с геологическими данными (0,3 км³).

Рис.2 Длинноволновое возмущение в атмосфере (а), сопровождавшее извержение вулкана Шивелуч 11.11.1964 г. по времени, приведенное к очагу и построенное с учетом АЧХ по регистограмме микробарографа станции КЗР; б-копия записи барографа в пос. Ключи (45 км); в,г - мощности “высокочастотной” составляющей АС (ФВЧ, f_гр=0,04 Гц) и вулканического дрожания. Стрелки вниз - два наиболее сильных землетрясения, стрелки вверх – начало работы источников акустического излучения.

Выполненный цикл работ служит хорошей основой для разработок дистанционного метода и схемы оптимальной сети станций мониторинга эксплозивных извержений вулканов Камчатки и северных Курил по акустическому излучению.

Литература

1. Адушкин В.В., Гостинцев Ю.А., Фирстов П.П. О природе воздушных волн при сильных эксплозивных извержениях. // Вулканология и сейсмология. 1984. №5. С.3-11.
2. Токарев П.И. Гигантское извержение вулкана Шевелуч 12 ноября 1964 г. и его предвестники// Физика Земли. 1967. №9. С.11-22.
3. Фирстов П.П., Адушкин В.В., Сторчеус А.В. Ударные воздушные волны, зарегистрированные во время Большого трещинного извержения в сентябре 1975г. // Докл. АН СССР. 1978. т.259. №5. С.1078-1081.
4. Фирстов П.П., Сторчеус А.В. Акустические сигналы, сопровождавшие извержение вулкана Ключевского в марте-июне 1983. года. // Вулканология и сейсмология. 1987. №5. С. 66-80.
5. Фирстов П.П. Особенности акустических и сейсмических волн, сопровождавших извержение вулкана Безымянный в 1983-1985гг.//Вулканология и сейсмология. 1988. №2. С.81-97.
6. Фирстов П.П , Суханов А.А.,Пергамент В.Х. Радионовский М.В Акустические и сейсмические сигналы от снежных лавин. // ДАН СССР т. 312 , №1 . 1990. С.67-71
7. Фирстов П.П. Реконструкция динамики катастрофического извержения вулкана Шивелуч 11 ноября 1964 г. на основании данных о волновых возмущениях в атмосфере и вулканическом дрожании.//Вулканология и сейсмология. 1996. N 4-5. С.33-47.
8. Фирстов П.П., Филиппов Ю.А. Система хранения и обработки записей волновых возмущений в атмосфере от вулканических извержений. // Вулканология и сейсмология. 1997. N 2. С.36-49.
9. Gorshkov G.S. Determination of the explosion energy in some volcanoes according to barograms.// Bull. Volcanol. 1960. V23. ser.2. P.141-144.