Извержение вулкана Тонга было настолько мощным, что отправило волны в космос

Извержение вулкана Тонга началось в декабре 2021 года, но мощный взрыв произошел только в 17:15 по местному времени 15 января 2022 года. Он вызвал огромное облако пепла, землетрясения и цунами, которые достигли далеких берегов Перу на другой стороне Тихого океана. Теперь ученые ищут последствия извержения даже в космосе.

Столб извержения достиг стратосферы Земли - второго слоя атмосферы, расположенного выше земли. Звук взрыва был слышен за тысячи километров в Юконской территории, Канада. И хотя он был ниже порога человеческого слуха, волны давления (звука) были даже зафиксированы барометрами в Великобритании.

Похоже, что извержение также породило серию так называемых "атмосферных гравитационных волн", которые были обнаружены спутником НАСА, излучающими от вулкана концентрические круги.

Ученые, в том числе и я, сейчас пытаются понять, какое влияние эти волны могут оказывать в космосе.

Цель нашего исследования - лучше понять верхние уровни атмосферы, расположенные намного выше орбиты Международной космической станции (МКС), и, в частности, в какой степени изменения в ней обусловлены событиями на Земле (в отличие от космической среды).

Это также может помочь нам лучше понять, как на технологии, такие как GPS, влияют извержения вулканов.

Поскольку атмосфера в основном прозрачна для человеческого глаза, мы редко думаем о ней как о сложной и динамичной структуре с множеством отдельных слоев. Верхние слои нашей атмосферы простираются намного выше линии Кармана - точки, расположенной на высоте 100 км (62 мили) над уровнем моря, где официально начинается космос.

Эти атмосферные слои полны волн, распространяющихся во всех направлениях, что совсем не похоже на волны на поверхности моря. Такие атмосферные гравитационные волны могут быть порождены любым количеством явлений, включая геомагнитные бури, вызванные вспышками на Солнце, землетрясения, вулканы, грозы и даже восход солнца.

Вы, вероятно, сами наблюдали некоторые из этих эффектов, поскольку эти же волны могут создавать волнистые облака.

Ионосфера

Такие волны распространяются не только по горизонтали, но и вверх, в самые высокие части атмосферы нашей планеты - ионосферу.

Это область земной атмосферы, простирающаяся от 65 км до 1000 км (орбита МКС находится на высоте около 400 км). На этих высотах атмосферные газы частично "ионизируются", образуя так называемую плазму, то есть их молекулы расщепляются на заряженные частицы - положительные атомы, называемые ионами, и отрицательные электроны.

Ионизация в атмосфере происходит из-за воздействия ультрафиолетового излучения Солнца, высокоэнергетических частиц из космоса и даже сгорания метеоров.

Но учитывая, что противоположно заряженные частицы притягиваются друг к другу, как магнит прилипает к дверце холодильника, ионы и электроны также стремятся рекомбинировать, снова образуя нейтральные молекулы.

Таким образом, в ионосфере происходят сложные и непрерывные колебания между производством плазмы и ее потерей в результате рекомбинации.

Хотя эти процессы в основном не заметны в видимом свете, они могут влиять на более длинноволновое радиоизлучение. Плазма в ионосфере может отражать радиоволны на определенных частотах, рассеивать их на других частотах или даже полностью блокировать их.

Эти свойства делают ионосферу полезной для ряда современных технологий, включая высокочастотную радиосвязь и загоризонтные радары.

Но, как и на земле, ионосфера подвержена влиянию погоды. Она вызывается либо космической средой (космическая погода), либо событиями на Земле.

Космические возмущения

Когда атмосферные гравитационные волны, порожденные вулканическим извержением (или любым другим источником), достигают ионосферы, они могут вызвать так называемые "бегущие ионосферные возмущения".

Это волны сжатия, которые за короткий промежуток времени могут значительно усилить колебания плотности плазмы и распространиться на тысячи километров вокруг земного шара. Эти эффекты могут нарушать работу современных технологий, например, мешать точности спутниковых систем глобального позиционирования (GPS).

Вулканические извержения в прошлом были связаны с измеримыми изменениями в ионосфере, зафиксированными GPS-приемниками на земле, например, в 2015 и 2013 годах.

Для более детального изучения этих возмущений, чем их влияние на GPS, я использую данные с установки под названием "Низкочастотный массив" (Lofar). Один из крупнейших в мире радиотелескопов, Lofar состоит из десятков радиоантенн, разбросанных по всей Европе, и предназначен для наблюдения за удаленными естественными радиоисточниками в ранней Вселенной, такими как радиогалактики.

Вид радиоисточников в космосе при наблюдении через ионосферу похож на то, как вид объектов через стакан воды может искажаться, когда мы его перемешиваем (или встряхиваем).

При тщательном анализе можно использовать эти искажения для понимания того, что происходит в самой ионосфере. Путешествующие ионосферные возмущения могут усилить эти искажения, особенно на радиоволнах, которые мы используем в Lofar.

На видео выше (и здесь), созданном Ричардом Фаллоузом, показаны некоторые данные Lofar за декабрь 2013 года. Яркие точки света - это естественные источники радиоизлучения, такие как далекие галактики. Последовательность на левой панели относится к спокойной ночи, а на правой панели ионосфера возмущена. Видно, что источники быстро меняют свое положение и то затухают, то пропадают.

В ближайшие недели мы будем внимательно изучать данные Lofar, чтобы выяснить, есть ли среди них отчетливые закономерности, которые можно отнести к извержению Тонгана.

В конечном итоге это исследование может помочь нам лучше понять, как вулканы на Земле влияют на космос и технологии.

Поскольку ионосфера является атмосферным интерфейсом между Землей и космосом, оно может даже пролить свет на то, в какой степени возмущения вызваны земными и космическими погодными явлениями.The Conversation

Гарет Дорриан, докторант-исследователь в области космических наук, Бирмингемский университет.