Ученые выяснили, как вулкан Тонга вызвал цунами мирового масштаба

В августе 1883 года горный остров в Индонезии под названием Кракатау, или Кракатау, самоуничтожился. Эпизодические вулканические извержения вылились во взрыв, который выбросил обломки на высоту 80 километров и засыпал 800 000 квадратных километров земной поверхности едким пеплом. Когда большая часть острова разлетелась на куски и упала в море, поднялось цунами и обрушилось на близлежащие острова Ява и Суматра, став причиной гибели большинства из 36 000 человек.

В то время как Индонезия понесла основную тяжесть ущерба, извержение Кракатау имело недоуменные последствия по всему миру. Каким-то образом небольшие цунами обрушились на берега стран в Тихом и Атлантическом океанах, хотя, казалось бы, цунами Кракатау никак не могло перепрыгнуть из Индийского океана через континенты и попасть в другие океанические бассейны. Не имея другого объяснения, ученые того времени винили в этих далеких цунами случайно совпавшие по времени землетрясения.

Но геофизики в последующие десятилетия продолжали ломать голову над этими данными. Например, исследование 1955 года показало, что отдаленные цунами коррелируют с приходом волны давления, которая распространялась по воздуху от извержения. Авторы исследования предположили, что между этими атмосферными возмущениями и водой произошла некая связь. Компьютерное моделирование в 2003 году подтвердило это предположение, показав, что главное цунами Кракатау, даже если оно пробивалось через разрывы в континентах и достигало Тихого и Атлантического океанов, отставало от небольших цунами в таких местах, как Гавайи, Калифорния и Аляска, которые синхронизировались с более быстрой волной давления от взрыва. (Волна давления, частота которой находится в диапазоне слышимости, называется звуком).

Чтобы подтвердить умозрительную идею о том, что звуковые волны или волны давления вулканов могут вызывать цунами, ученым необходимо увидеть еще одну версию Кракатау в реальном времени в современную эпоху - неловкое желание, конечно.

Литография 1888 года, изображающая извержение вулкана Кракатау в 1883 году.

Затем, 15 января 2022 года, почти полностью затопленный вулканический котел в южной части Тихого океана под названием Хунга-Тонга-Хунга-Хапаи издал кошмарный рев. Его грибовидное облако пепла и локальное цунами опустошили архипелажное королевство Тонга. Несмотря на то, что жертв было очень мало, этот вулкан побил всевозможные рекорды: Он выбросил обломки на две трети пути в космос; его облако пепла породило до 200 000 разрядов молнии в час; а сам взрыв был одним из самых мощных из когда-либо зарегистрированных.

По масштабу и энергии взрыва Тонганский вулкан был "практически как Кракатау-2", - сказал Мэтью Хейни, геофизик из Обсерватории вулканов на Аляске Геологической службы США. Треск, похожий на выстрел, можно было услышать в Анкоридже, где находится Хейни. "Мы находимся на расстоянии 6 000 миль. Вы можете слышать извержение вулкана? Вот это да! Это просто сносит мне крышу".

Не только звук Хунга-Тонга-Хунга-Ха'апаи разнесся по всему миру. Всплеск цунами высотой в десятки сантиметров обрушился на далекие берега в разных океанических бассейнах. "Мы не ожидали такого сигнала цунами в Карибском бассейне, - говорит Пол Фанелли, океанограф из Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA).

На этот раз ученые считают, что нашли решение. Когда датчики высоты волн по всей планете были сопоставлены с соответствующими датчиками давления воздуха, стало ясно, что волна давления от взрыва должна была соединиться с поверхностями множества океанов и морей, передать энергию воде и создать мириады цунами.

Это объяснение одновременно разрешило 139-летнюю загадку Кракатау. "Учитывая то, что наблюдалось в 1883 году... вполне логично, что это могло произойти и тогда", - сказал Грег Дусек, физический океанограф из NOAA. "Оба набора наблюдений хорошо согласуются".

Но, как и в случае со всеми масштабными научными открытиями, возникли новые вопросы. Когда и почему волны давления вулканов танцуют танго с океанскими волнами? Почему цунами на Тонга возникали только вдоль определенных береговых линий? И насколько мощными и потенциально разрушительными могут быть эти цунами?

Обычно, чтобы вызвать цунами, необходимо толкнуть большую массу воды в водоем, чтобы вытеснить ее. Землетрясения делают это простым способом. "Цунами, вызванные землетрясениями, очень, очень просты", - говорит Эмили Лейн, гидродинамик из Национального института водных и атмосферных исследований Новой Зеландии. "Под водой происходит землетрясение, которое вызывает деформацию морского дна, эта деформация распространяется на поверхность воды, а затем излучается в виде цунами".

Вулканические цунами более сложны. Обломки, выброшенные в воду или брызги, частичное или полное разрушение самого вулкана, а также подводные взрывы - все это может привести к вытеснению воды. Исследовательские работы на морском дне вокруг Хунга-Тонга-Хунга-Хапаи позволят в ближайшие месяцы выяснить, какой процесс или комбинация процессов вызвали региональное цунами классического типа.

Но почти за три часа до того, как это крупное цунами пересекло Тихий океан и достигло Японии, небольшие пики волн появились на островах Огасавара, примерно в 1000 километрах к югу от Токио. В тот же день подобные пики появились в Карибском море от Пуэрто-Рико до Мексики и даже в Средиземном море, в 18 000 километрах от места извержения.

Эти небольшие, быстрые волны напомнили некоторым ученым о менее традиционном способе, с помощью которого Земля может создавать цунами: с помощью атмосферы.

Штормы иногда могут вызывать устойчивые и значительные атмосферные возмущения. В 1929 году британский математик и океанограф Джозеф Праудман предположил, что если возмущение движется с определенной скоростью над водоемом, то оно может вызвать то, что сейчас называется резонансом Праудмана. Его уравнения показали, что волна атмосферного давления может передавать энергию волнам на воде, делая их больше. И когда эти усиленные волны обрушиваются на побережье, они называются метеоцунами.

В итоге математика Праудмана показала, что передача энергии от неба к морю наиболее эффективна, когда атмосферное возмущение движется с той же скоростью, что и водные волны. А скорость водных волн зависит от глубины воды.

По словам Александра Рабиновича, эксперта по метеоцунами из Института океанических наук в Сиднее (Британская Колумбия), штормы обычно вызывают волны атмосферного давления, скорость которых составляет десятки сантиметров в секунду. При такой низкой скорости волны давления резонируют с такими же медленными водными волнами, возникающими на мелководных водоемах, и вызывают крупные метеоцунами.

Именно поэтому они возникают десятки раз в год в относительно мелких водах Восточного побережья США, Мексиканского залива и Великих озер, иногда со смертельным исходом: Метеоцунами высотой 3 метра на озере Мичиган в 1954 году унесло жизни семи человек. В редких случаях метеоцунами могут соперничать с цунами, вызванными землетрясениями: в 1978 году волны метеоцунами высотой 6 метров напугали хорватский портовый город Вела Лука, неоднократно обрушиваясь на него в течение нескольких часов.

Цунами, вызванные январским извержением Тонга, были очень похожи на метеоцунами - как почти в унисон поняли многочисленные океанографы, физики и вулканологи через несколько часов после взрывного зенита вулкана. "Вся механика и физика очень похожи, - сказал Эрик Андерсон, исследователь из Горной школы Колорадо, изучающий взаимодействие между гидросферой, криосферой и атмосферой. Но здесь есть одно ключевое отличие. "Затрагивается весь земной шар", - говорит Рабинович.

Рев слышен по всему миру

 Исследователи пока не пришли к единому мнению относительно конкретного типа волны давления или комбинации типов, которые ответственны в данном случае. Извержение Тонга вызвало множество атмосферных возмущений, включая кратковременную ударную волну и акустические волны, распространяющиеся по всему миру. Вытолкнув большое количество воздуха вверх со своего пути, взрыв также создал так называемые атмосферные гравитационные волны. Они возникают, когда холодная воздушная масса быстро поднимается вверх, затем, повинуясь гравитации, опускается обратно на уровень моря, по сути, ударяя в стратосферу, как в гонг, и порождая колебания давления, которые распространяются горизонтально во всех направлениях.

Многие исследователи считают атмосферные гравитационные волны Тонга наиболее вероятным источником далеких цунами, учитывая конкретные места их появления. Гравитационные волны проносились по планете со скоростью, достигающей или превышающей 300 метров в секунду. Чтобы получить резонанс Праудмана, водные волны должны двигаться сопоставимо быстро, а это требует необычайно большой глубины. "Чтобы океанская волна двигалась с такой скоростью, вам потребуется около 9 000 метров воды", - говорит Дусек, - "и не так много мест, где можно опуститься на такую глубину". Показательно, что сильные цунами возникли в Карибском море и к югу от Японии, где глубина океанских впадин превышает 8000 метров.

Извержение Тонга вызвало волны давления, которые прокатились по всему земному шару, как видно на этой анимации данных метеорологических спутников.

В этих местах морские волны действительно движутся со скоростью, близкой к скорости звука. Это трудно представить, но в открытом океане волны практически незаметны. "Пока вы не попадете на мелководье, волна не так заметна на поверхности моря", - говорит Дусек.

По мнению Эрика Гейста, геофизика из Тихоокеанского центра прибрежных и морских наук Геологической службы США, хотя резонанс Праудмана, возможно, был наиболее эффективен в этих двух впадинах, даже в других местах, по мере того как атмосферные гравитационные волны перемещались по открытому океану, происходил некоторый резонанс и усиление морских волн. Подводный рельеф морского дна вблизи пострадавших берегов также мог усилить приходящие волны цунами.

Наряду с теорией глубоких впадин, эти идеи требуют дальнейшего изучения, прежде чем можно будет сделать твердые выводы. Другие типы волн давления могли еще больше усилить высоту волн. Но даже на этой ранней стадии никто не сомневается, что драматическое извержение Тонга заставило моря и океаны на другом конце света дрогнуть, вздыбиться и забиться в конвульсиях - откровение в настоящем, которое полностью подтверждает замечательную идею из прошлого.

Причуды физики

Учитывая "сильное сходство", по словам Рабиновича, между событиями на Тонга и Кракатау, "холодное дело" о всемирных цунами Кракатау можно закрыть. Но, как и в случае с Кракатау, столпотворение на Тонга вызвало новые вопросы.

Возможно, отдаленные цунами и не были опасны, но местное цунами, вызванное вулканом Тонга, определенно было опасным. На Тонга есть глубокая впадина, поэтому кажется вероятным, что резонанс Праудмана возник и вблизи извержения. "Добавил ли он к пиковой высоте волны немного больше, чем можно было бы ожидать, исходя только из сейсмического сигнала?" - спросил Дусек.

То, что высота волн никогда не приближалась к высоте волн некоторых штормовых метеоцунами, стало облегчением. Но будет ли так всегда? Исследователи задаются вопросом, насколько мощным должен быть взрыв, чтобы создать гораздо более крупное метеоцунами. Вулканы на суше также могут создавать большие взрывы, отметил Лейн, так способны ли они вызывать цунами на расстоянии?

Вулканические взрывы, такие страшные, как взрывы Кракатау и Хунга-Тонга-Хунга-Хапаи, происходят чрезвычайно редко по человеческим меркам. И пока что кажется, что такие чудовищные извержения не способны вызвать серьезные пики волн по всему миру. Когда речь идет о цунами, вызванных атмосферой, "метеоцунами, вызванные погодой, все еще являются тем, что нас беспокоит с точки зрения общественной безопасности", - сказал Дусек.

Морское проявление Тонга не было ужасным шоу. Но оно напомнило ученым, что использование природой даже самых незначительных причуд физики может привести к глобальным последствиям.