Исследователи заполняют пробел данных о воздействии вулканического пепла на системы Земли
Вулканический пепел – это не обычная пыль: он попадает в атмосферу, поднимается в стратосферу, воздействует на климат, забивает дороги и засоряет реактивные двигатели.
Чтобы заполнить пробел в знаниях между вулканологами и учеными-атмосферниками, работающими над изменением климата и наблюдающими за глобальными системами, исследователи Корнелла охарактеризовали образцы вулканического пепла от многих эксплозивных извержений широкого диапазона состава. Работа помогает ученым раскрыть, как этот крошечный материал, измеряемый микронами и нанометрами, играет большую роль в атмосфере. Результаты исследования были опубликованы в журнале Scientific Reports.
«Крупные извержения вулканов могут оказывать измеримое воздействие на климат, которое будет длиться годами или даже десятилетиями. Рассеяние и перенос мелкого вулканического пепла и его взаимодействие с Землей затрагивают различные дисциплины — от науки об атмосфере и моделирования климата до исследований окружающей среды и даже общественного здравоохранения», — сказал ведущий автор исследования Адриан Хорнби.
Вулканы могут образовываться в горячих точках глубоко в мантии Земли, например, на Гавайях, или в зонах субдукции, где сталкиваются две тектонические плиты. Но каждый из них имеет различные составы, похожие на отпечатки пальцев, которые могут вызвать множество экологических проблем, которые создают осложнения для планеты.
По словам Хорнби, вулканический пепел представляет собой сложный дисперсный материал, образующийся в результате фрагментации магмы и выбрасываемый в атмосферу во время взрывных извержений вулканов.
«Пепел содержит фракции минералов, силикатное стекло и поры, но ожидаемый состав и свойства, возникающие в результате извержений, плохо определены», — сказал Хорнби. «Это верно для мелкого вулканического пепла, который широко перемещается в атмосфере, создавая широкий набор воздействий на систему Земли, инфраструктуру и здоровье человека».
Из-за нехватки данных научное сообщество полагалось на грубые приближения или плохие модели состава пепла. Теперь группа из Корнелла собрала образцы из 40 извержений, характеризующихся их размером и тектоническим фоном, чтобы предоставить более полный и полный набор данных. Они сосредоточились на зернах вулканического пепла размером менее 45 микрон, что актуально, поскольку атмосферные ветры могут переносить его и вызывать более широкое воздействие.
Они обнаружили, что состав вулканического пепла значительно варьируется в зависимости от размера зерен, тектонических условий и химического состава. По мере того как размер зерна становился более мелким, увеличивалось содержание фракций кристаллического кремнезема (который, если вдыхать его, может вызвать заболевания и рак легких) и солей, а содержание компонентов стекла и оксида железа уменьшалось.
В их просеянных образцах - начиная с таких мест, как гора Пинатубо, Филиппины (1991 г.), гора Сент-Хеленс, Вашингтон (1980 г.) и гора Этна, Италия (122 г. до н.э.) и Ла-Пальма, Канарские острова, Испания (2021 г.) - из 23 вулканов. Группа использовала дифракцию рентгеновских лучей для определения атомной структуры материалов, а также для идентификации и измерения пропорций минералов и стекла с помощью усовершенствованных методов, а также сканирующий электронный микроскоп для подтверждения фаз, оценки морфологии и текстуры.
Образцы сильно различались по минеральному составу: в Пинатубо было много полевого шпата (многочисленная группа алюмосиликатных минералов земной коры) и амфибола (важного минерала вулканической эксплозивности), а также кварца, свидетельствующего о значительной эволюции расплава путем фракционной кристаллизации и других процессы, предшествующие извержению.
С другой стороны, извержения Тахогаита в 2021 году в Ла-Пальме, Канарские острова, Испания, минеральная нагрузка состояла в основном из полевого шпата, клинопироксена и оливина — последнего минерала, характерного для примитивных расплавов с незначительной эволюцией из их мантийного источника.
Хорнби сообщил, что в образцах, собранных во время Таджогайта в 2021 году, среднее количество стекла уменьшилось с 50% до 35%, а доля плотных железосодержащих минералов увеличилась с 35% до 50%. Во всех случаях содержание солей увеличивалось для более мелких частиц.
«В более мелкозернистой золе мы наблюдали значительное увеличение содержания соли», — сказал старший автор исследования профессор Эстебан Газель. «Это важно, потому что соли легко растворяются. Соль будет первым, что растворится, когда мелкий пепел достигнет океана. Не стоит вдыхать ее, так как она вступит в реакцию с вашими легкими».
Вулканический пепел по характеру его объемного производства, атмосферного переноса и отложения во всех известных экосистемах является наиболее междисциплинарным аспектом вулканизма. «Наше исследование представляет собой первый ресурс, основанный на данных, позволяющий лучше ограничить состав и плотность минералов и стекла вулканического пепла, необходимые ученым-атмосферникам для изучения переноса пепла и лучшего понимания его воздействия на систему Земли», — сказал Газель.
Плотность золы контролируется содержанием минералов. «Независимо от размера, независимо от происхождения магмы, — сказал Хорнби, — мы смогли получить достаточно точную оценку плотности минералов и оксидов железа».
Этот атмосферный пепел может распространяться на большие расстояния, оказывая воздействие на климат и экосистемы – даже на других континентах – вдали от вулкана. «Ученые, изучающие атмосферу, игнорируют влияние пепла на климат и биогеохимию», — сказала соавтор исследования профессор Натали Маховальд. «Благодаря этому исследованию у нас наконец-то есть данные для оценки воздействия».
Обсудим?
Смотрите также:
