Природа и механизм резких изменений режима вулканических извержений

В статье дается теоретическое описание процесса извержения и обсуждаются результаты численного анализа модели, позволившей объяснить физическую природу и механизм смены режимов и, особенно, крупные скачки расхода как результат общей нелинейности, присущей системе "извергающийся вулкан". Нелинейность связана с переменной структурой двухфазного потока в канале вулкана и свойствами магмы. Найдена зависимость расхода от основных управляющих параметров, в качестве которых были выбраны длина канала, параметр проводимости канала и избыточное давление в очаге. Зависимость расхода от любых двух из трех управляющих параметров имеет особенность типа "сборка", описывающую "стандартную катастрофу" двупараметрических семейств функций. Система сборок позволяет проанализировать условия возникновения скачков, описать весь ход извержения и выяснить связь каждого конкретного варианта последовательности событий со структурой магматической системы вулкана и свойствами магмы и, соответственно, дает основу для предсказания возможности катастрофических событий.

Вулканическое извержение представляет собой процесс истечения вулканических продуктов из недр Земли на ее поверхность. Этот процесс, как правило, протекает весьма неравномерно, причем значительные и часто очень резкие изменения происходят не только в величине расхода вещества, но и в самом характере истечения и структуре потока. Теоретическое описание таких изменений позволяет понять сущность процесса извержения и дает основу для предсказания возможности катастрофических событий.

Основной результат исследований, проводившихся автором в течение последних лет, - построение теоретической модели системы "извергающийся вулкан", позволившей объяснить физическую природу и механизм смены режимов и крупных скачков расхода как результат общей нелинейности, этой системе присущей. Теория позволяет установить связь типа и интенсивности извержения с параметрами магматической системы вулкана, а также описать последовательность смены режимов при нормальной эволюции извержения для каждого набора параметров магматической системы и результаты внешних воздействий на эту систему.

Из результатов наблюдений и теоретических оценок следует, что любое извержение может быть представлено как последовательность квазистационарных состояний, которые переходят одно в другое скачком. Скачки расхода и резкие смены режима происходят в результате плавного непрерывного изменения параметров системы. Это обстоятельство позволило ограничиться решением стационарной задачи и исследованием устойчивости возникающих режимов. Число возможных устойчивых режимов оказалось ограниченным, а области их существования полностью определялись параметрами системы "извергающийся вулкан".