Турбулентность и динамика частиц в вулканических облаках во влажной атмосфере

Почему важны «водяные» вулканы

Когда мы представляем извержение вулкана, обычно фокусируемся на огне, пепле и лаве. Но в январе 2022 года извержение Хунга Тонга–Хунга Хаапай внесло в картину необычный компонент: колоссальную дозу воды, выброшенную в атмосферу выше, чем когда-либо наблюдалось ранее. Эта влага способствовала рекордному всплеску молний и образованию гигантского грибообразного облака, протянувшегося на полконтинента. В исследовании поставлен, казалось бы, простой, но важный вопрос для авиации, климата и предупреждений об опасности: как дополнительная влага в воздухе и в самом извержении изменяет рост, перемешивание и электрическую активность вулканического облака?

Рекордный взрыв над океаном

Исследователи берут за отправную точку событие 2022 года у Хунга Тонга–Хунга Хаапай (HTHH). Этот подводный вулкан дал одно из наиболее мощных извержений, зарегистрированных современными приборами, послав столб материалов на высоту порядка 57–58 километров и превратив его в зонтоподобное облако шириной около 400 км менее чем за час. Нетипично то, что извержение закачало огромные количества водяного пара в слои атмосферы, которые обычно очень сухие. При этом сети обнаружения молний зафиксировали почти 400 000 разрядов в течение примерно шести часов, многие из которых образовали эффектные кольца активности вокруг столба извержения. Позднее данные аэростатов показали, что после первой фазы извержения воздух на десятках километров стал значительно более влажным, подготовив почву для второй серии взрывных импульсов.

Следуя кольцам света к скрытым движениям

Эти кольца молний оказались большим, чем просто любопытное явление. Поскольку плотные пепловые облака закрывают прямой обзор в сердце факела, паттерн молний дает редкое окно в невидимые вихревые движения — завихрения, кольцевые вихри и турбулентные воронки — внутри. Ранее высказывалось предположение, что турбулентность в зонте выталкивает частицы пепла и льда в кольцевые зоны, где они чаще сталкиваются и накапливают заряд, вызывая молнии. Однако прежние модели рассматривали атмосферу как сухую, хотя HTHH развивалось в явно очень влажной среде. Новое исследование стремится выяснить, как влажность, как в фоновой атмосфере, так и в самом струе извержения, перестраивает эти турбулентные кольца, влияет на высоту факела и изменяет движение и столкновения частиц.

Создание цифрового вулкана в влажном небе

Для решения этой задачи команда использовала высокоразрешающие трехмерные численные симуляции влажной, устойчиво слоистой атмосферы, в которую они подают простую непрерывную «эрупцию» снизу. Вместо воспроизведения всех деталей у вулканического выхода исследователи сосредоточились на зоне зонта, где факел распространяется и где образуется большая часть молний. В их модели можно независимо менять влажность окружающей атмосферы и количество воды в струе, что позволяет сравнивать «сухие» и «влажные» сценарии при сохранении примерно одинаковой мощности извержения. Миллионы виртуальных частиц, представляющих пепел и лед двух различных размеров, отслеживались по мере подъема, распространения и агрегации. Подсчитывая, как часто быстрые и медленные частицы перекрываются в турбулентных областях, ученые оценивали, где столкновения — а значит и электрификация — будут наиболее интенсивными.

Как лишняя влага сжимает и поднимает облако

Симуляции показывают устойчивую картину. По мере увеличения влажности, будь то из-за более насыщенного фонового воздуха или из-за большего содержания воды в струе, конденсация начинается на меньших высотах и выделяет дополнительное тепло. Это увеличивает плавучесть восходящего столба и поднимает частицы на большие высоты — до примерно 60 км и выше в самых влажных случаях. Одновременно наиболее сильные турбулентные завихрения и связанное с ними кольцо концентрированных частиц сдвигаются внутрь, ближе к оси извержения. При относительно сухих условиях основное турбулентное кольцо формируется примерно в 40 км от жерла, напоминая широкое кольцо молний, наблюдавшееся в первой фазе HTHH. В более влажных сценариях кольцо сокращается примерно до 20 км, что соответствует более тесному кольцу, зафиксированному во второй фазе, когда атмосфера уже была увлажнена предыдущим взрывом. Горизонтальное распространение облака также замедляется с ростом влажности, жертвуя шириной в пользу высоты и более мощного внутреннего перемешивания.

Волны, рябь и что может рассказать молния

Еще одна особенность, возникающая в симуляциях, — мягкое волнообразное покачивание вершины факела. Эти гравитационные волны с периодами в несколько минут становятся более заметными в влажных случаях и модулируют, насколько высоко поднимаются частицы. Тем не менее места пиков столкновений по-прежнему в основном совпадают с карманами интенсивной турбулентности, а не только с волнами. В целом работа подтверждает идею о том, что паттерны молний — особенно кольца — могут служить оперативным индикатором невидимых свойств факела, таких как сила турбулентности, содержание влаги и распределение пепла и льда. Это, в свою очередь, может помочь ученым судить о развитии извержения даже когда прямые визуальные данные закрыты предыдущими облаками, наступила ночь или наблюдатель далек от события.

Что это значит для будущих извержений

Для неспециалиста главный вывод таков: вода — не просто попутчик в гигантских извержениях — она активный фактор. Влага может заставлять вулканические облака расти выше, сжимать их турбулентные ядра внутрь и перестраивать места столкновений частиц и разрядов молнии. Извержение Хунга Тонга стало естественным экспериментом в необычно влажной стратосфере, и это исследование показывает, как такие условия оставляют заметный след в кольцах молний и поведении факела. В будущем сочетание подобных моделей с данными со спутников и сетей молний может позволить быстрее оценивать силу извержения и опасности, улучшая предупреждения для авиации и для сообществ, живущих под этими огромными, водяными грозовыми облаками, поднимающимися из-под моря.

Цитирование: Zapata, F., Mininni, P.D., Ravichandran, S. et al. Turbulence and particle dynamics in volcanic clouds in humid atmospheres. Sci Rep 16, 8111 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39193-0

Ключевые слова: вулканическая молния, пласты пепла, атмосферная влага, турбулентность, извержение Хунга Тонга