Лава бывает двух «вкусов». Ученые, возможно, наконец выяснили, почему | Наука

Во время семейного отдыха в 2018 году Дженни Сакейл прогуливалась по старому гавайскому потоку лавы, когда ее внимание привлекло резкое изменение угольно-черных скал. С одной стороны была гладкая волнистая лава, называемая пахоехо (произносится как пах-хой-хой); с другой стороны был острый, зазубренный вид, известный как аа (произносится как а-а). С того дня Сакейл, геофизик из Стэнфордского университета, не дает покоя обманчиво простым вопросом: что вызывает резкое изменение текстуры, наблюдаемое в лавах по всему миру?

За прошедшие годы ученые указали на множество возможных виновников: скорость потока, наклон земли, по которой он просачивается, или количество извергнутой лавы. Но ни один фактор не объясняет этот сдвиг. Теперь, смоделировав динамику потоков лавы, Сукале и ее коллеги предложили другое объяснение: резкий переход мог быть вызван хаотическое бурление в потоке расплавленной породысообщила команда в прошлом месяце в Geophysical Research Letters..

Понимание того, как пахоехо превращается в аа, — это больше, чем просто научное любопытство, потому что два типа лавы движутся с разной скоростью и представляют разные опасности. Хотя ученые хорошо предсказывают, куда движется лава в целом, вопрос о том, как быстро и далеко она перемещается, является гораздо более сложной проблемой. «Возможность наметить этот переход между типами потоков будет иметь большое значение для выяснения этих вопросов», — говорит Лейф Карлстром, ученый-геолог из Орегонского университета, который не был частью исследовательской группы.

Создавая новую модель, Сакале и ее коллеги черпали вдохновение в проведенный эксперимент почти столетие назад геологом О. Х. Эмерсоном из Гавайского университета в Маноа. Эмерсон измельчил немного затвердевшего пахоехо после извержения гавайского вулкана Килауэа в 1920 году и нагрел измельченную породу в печи до тех пор, пока она не раскалилась добела и не потекла, как мед. Затем он выключил печь и перемешал расплавленный материал металлическим стержнем.

Через несколько минут он затвердел и превратился в грубую текстуру, похожую на аа. Подобно размешиванию чашки чая, смешивание лавы ускорило охлаждение и, по-видимому, вызвало образование аа, говорит автор исследования Кансу Калха, научный сотрудник Университета Британской Колумбии.

Исследователи задались вопросом, может ли смешивание также вызвать переход в природе через явление, называемое нестабильностью сдвига. Когда два слоя в текучем веществе движутся с разной скоростью, более быстрый слой волочит более медленный слой по мере прохождения. «Они просто неправильно трутся друг о друга», — говорит Сакейл. В результате любая рябь вдоль границы между слоями превращается в турбулентные волны.



Чтобы проверить эту идею, исследователи создали гидродинамическую модель, чтобы имитировать поведение виртуальной лавы, разделенной на два слоя: более холодный и липкий верхний слой находится на более горячем и быстром дне. На границе между двумя слоями образовалась небольшая рябь, которая неизбежно образуется из-за несовершенств, распространенных в природе, таких как подстилающие неровности на земле или пузырьки в лаве.

Затем команда проверила стабильность лавы при разных скоростях, вязкости и толщине слоя. Анализ показал, что во многих случаях изменения в окружающей среде, такие как увеличение крутизны склонов или увеличение скорости извержений, усиливали рябь, что могло привести к неконтролируемому перемешиванию и вероятному образованию аа. «Это может довольно быстро выйти из-под контроля», — говорит Сакейл.

Новая модель может помочь объяснить разнообразие условий, которые ранее наблюдались для запуска перехода от пахоехо к аа, или почему этого иногда не происходит вообще. «Это очень захватывающая возможность», — говорит Арианна Солдати, вулканолог из Университета штата Северная Каролина, которая не была частью исследовательской группы.

Но необходимы дополнительные испытания, чтобы показать, что модель отражает реальность под шипящей поверхностью лавы. Поскольку лаву трудно изучать напрямую, одной из возможностей было бы проверить модель в лаборатории, используя аналог расплавленной породы, такой как воск, предлагает Карлстром.

Тем не менее, новое исследование подчеркивает ценность исследований, посвященных базовой механике. «Я думаю, что именно здесь мы получаем представление о процессах, которые управляют этими крупномасштабными природными явлениями», — говорит Карлстром.