1970 - Katastrofa pod Huascaran

 Czytam sobie o katastrofie pod Huascaran w Peru w 1970 i mam wrażenie, że to scenariusz amerykańskiego filmu katastroficznego, o tych władzach małego miasteczka, które uciszają głosy o niebezpieczeństwie, bo zbliża się festyn.
   

A to co się wtedy zdarzyło brzmi jak SF.  Huascaran to jedna z najwyższych gór ameryki południowej. Na jednym z jej zboczy znajduje się lodowiec wiszący - jego dolina kończy się obrywem. Zazwyczaj czoło urywało się przed tym urwiskiem i tylko czasem zimą dochodziły tam lawiny śnieżne.

W lipcu 1962 sezon letni był tak wyjątkowo ciepły, że lodowiec wysunął się poza krawędź. W końcu wielka bryła lodowca spadła do doliny i tam zamieniła się w lawinę błotną a na koniec w falę powodziowa. Powódź spłynęła małą rzeczką i zmyła miasteczko Ranrahirca na końcu doliny. Zginęły 4 tysiące osób.

Po tym wydarzeniu władze planowały odbudować miejscowość w innym miejscu, ale ludzie się na to nie zgadzali, bo rodziny ocalałych miałyby za daleko do pól i plantacji będących ojcowizną. Fala błota musnęła też stolicę stanu Yungay, gdzie mieszkało kilkanaście tysięcy osób, zostawiając sterty kamieni i błota. Naukowcy mówili, że lawina może się powtórzyć za kilka czy kilkanaście lat. Proponowano przenieść zabudowę dalej od rzeki. Ponownie ludzie z okolicy nie zgadzali się, argumentując zresztą, że tamten ciepły sezon był wyjątkową anomalią i pewnie się nie powtórzy. Poza tym właściwe miasto oddzielał od rzeki stumetrowy pagórek. Ostatecznie miasteczko Ranrahirca u wylotu doliny odbudowano w tym samym miejscu, a w stolicy stanu spokojnie rosła liczba mieszkańców. Warunki pod katastrofę zostały przygotowane.

W międzyczasie naukowcy badający lodowiec wydali alarmujący raport o tym, że ściana skalna nad lodowcem jest spękana i niestabilna i grozi lawiną skalną. Władze zakazały publikacji tych informacji w prasie krajowej, aby nie wywoływać paniki.

W 1970 roku miało miejsce bardzo silne trzęsienie ziemi, mające epicentrum niedaleko góry. Jak donosili świadkowie, ze stoku góry nad lodowcem oderwał się blok skalny o szerokości 800m. Spadł na lodowiec i zaczął się po nim zsuwać, krusząc lód na kawałki. Potem zmieszana masa skał i lodu przeskoczyła przez próg skalny, zabierając po drodze rosnącą masę ziemi, błota i kamieni. Lawina spadała po terenie nachylonym pod kątem 30 stopni z wysokości 3 kilometrów, osiągając prędkość przekraczającą 450 km. Niesione nią skały odbijały się od nierówności podłoża i od siebie wzajemnie, rozrzucane dookoła z prędkościami szacowanymi na nawet 600 km/h. Geolodzy odwiedzający potem okolicę znaleźli kilkumetrowe kratery wybite przez głazy. Mieszkańcy wiosek przy dolinie donosili więc o przeciągłym grzmocie lawiny i deszczu wielkich kamieni, które niszczyły domy i zabijały rolników na polach. Największy znaleziony potem w lawinisku głaz miał masę 7 tysięcy ton.

2 minuty po trzęsieniu ziemi lawina zmiotła miasta pod górą. Fala błota i kamieni wspięła się na stumetrowy grzbiet na zakręcie doliny i zalała Yungay, niszcząc wszystkie budynki. W wyniku tej tylko lawiny zginęło około 20 tysięcy osób. Drugie tyle było ofiar trzęsienia ziemi w całym Peru.

W Yungay ocalały jedynie domy leżące na większej wysokości, oraz pagórek z cmentarzem, gdzie przetrwało kilkanaście osób, które odwiedzał groby akurat tego dnia. Stojąca tam figura Chrystusa wznosiła daremnie ramiona nad ruinami zniszczonego miasta. Wiele dzieci z miasta ocalało, ponieważ były na przedstawieniu na stadionie trochę za miastem, który ominęła lawina.

Rząd objął obszar dawnego miasta ochroną jako cmentarzysko i narodowy pomnik - blokując odbudowę. Zdecydowano nie odkopywać ruin i nie poszukiwać ciał zabitych. Miasto przeniesiono bardziej na północ, w bezpieczniejsze miejsce. 

***

Bardzo podobnie wygląda historia innego peruwiańskiego miasta Huaraz, które ze względu na wysokogórskie położenie jest nazywane Peruwiańską Szwajcarią. Znajduje się po drugiej stronie Huascaran niż Yungay. W 1941 zostało częściowo zniszczone przez lawinę błotną wywołaną upadkiem do jeziora Palcacocha powyżej miasta, części zasilającego je lodowca. Z powodu nagłego przepełnienia pękła część moreny lodowcowej piętrzącej jezioro, stąd nagły spływ błota niosącego wielkie głazy. Zginęło kilka tysięcy osób. Ale i tutaj w miarę upływu lat uznano, że ryzyko powtórki jest małe i zniszczone tereny zabudowano. Podczas trzęsienia ziemi w 1970 tysiące osób zginęły z powodu zawalenia się budynków. 

Po tej tragedii udało się w końcu stworzyć planowany już wcześniej projekt kontroli poziomu wysokogórskich jezior. W kilku jeziorach obniżono sztucznie poziom wody aby nie doszło do przepełnienia w razie powodzi lub osuwiska. Praktycznie opróżnione Palcalocha nie wydawało się groźne. Wybetonowano mu kanał wylotu wody aby nie było ryzyka dalszego pęknięcia. Potem jednak mijał czas, lodowiec wpadający do jeziora zaczął się cofać pod wpływem zmian klimatycznych, a opuszczona przez niego misa jeziorna zaczęła się powiększać. Przed katastrofą w 1941 w jeziorze mieściło się 10 mln m3 wody. Po katastrofie i dalszej kontroli wypływu objętość spadła do 0,5 mln m3. W ciągu ostatnich 20 lat wywołane globalnym ociepleniem cofanie lodowca spowodowało, że pomimo utrzymywanego przelewem niskiego poziomu, objętość mieszcząca się w misie wzrosła do 17 mln m3. Jeśli teraz stanie się coś gwałtownego, nastąpi załamanie czoła lodowca lub osuwisko, to jest z czego powstać kolejny spływ wody, błota i porwanych skał. Tymczasem liczba ludności w Huaraz wzrosła do 120 tysięcy i wiele z nich mieszka na dnie zagrożonej doliny i nie zamierza się przenosić.

Więc kto wie, może jeszcze kiedyś ta katastrofa się powtórzy...

1903 - Wybuch gejzeru na Nowej Zelandii

Gejzery to niezwykłe zjawisko przyrody. Zasadniczo jest to jedna z odmian gorących źródeł. Podobnie jak inne wypływy gorących wód, biorą swój początek w porowatych, spękanych warstwach skalnych, które od spodu podgrzewa ciepło geotermalne, mające płytko położone źródło; najczęściej komorę magmową drzemiącego wulkanu. Tym co je wyróżnia są jednak następujące okresowo gwałtowne wyrzuty mieszaniny pary wodnej i gorącej wody. Nie każde gorące źródło zostanie gejzerem, a znamy przecież takie naturalne wypływy, gdzie woda ma na powierzchni temperaturę bliską wrzeniu.

 

Potrzebne warunki to: stosunkowo głęboki system hydrotermalny; obecność pustek lub obszarów mocno porowatych w skale, pełniących rolę zbiornika wody; uszczelnienie większości szczelin odkładającymi się minerałami, mała ilość prostych studni krasowych docierających z gorącego złoża do powierzchni; warstwy nieprzepuszczalne między podgrzewanym podziemnym zbiornikiem a powierzchnią. 

Dzięki dużej głębokości systemu porcje wody z najintensywniejszym podgrzewaniem są utrzymywane w stanie przegrzanym, to jest powyżej normalnej temperatury wrzenia, za sprawą ciśnienia hydrostatycznego. Pionowe studnie krasowe ułatwiają przepływ wody, powodując, że tak naprawdę to ciśnienie jest jedynym czynnikiem utrzymującym równowagę. Nieprzepuszczalna warstwa między podgrzewanym złożem a powierzchnią i ogólne uszczelnienie drobniejszych spękań powodują, że ciepło nie jest rozprowadzane przez konwekcję czy bardziej intensywny przepływ wody przez skały. Uszczelniony kanał studni, powstający najczęściej na linii uskoku lub na ich skrzyżowaniu, staje się więc jedynym wylotem z podziemnego kotła, utrzymywanego jak szybkowar powyżej temperatury wrzenia wody jedynie przez ciśnienie wody w złożu. W takiej sytuacji naruszenie równowagi, wywołane na przykład przegrzaniem części wody powyżej temperatury wrzenia nawet w tym wysokim ciśnieniu, i przepchnięcie bąbelków pary do kanału wylotowego, powoduje przepływ, wahnięcie ciśnienia i gwałtowne zawrzenie reszty wody w podziemnych zbiornikach. Ciśnienie gwałtownie wypychanej mieszaniny wody i pary jest utrzymywane w całym kanale wylotowym przez szczelną warstwę minerałów, tak zwany gejzeryt, dzięki czemu nie rozprasza się. Wyrzut trwa od kilku sekund do kilkunastu minut, i kończy się, gdy przepływ przez złoże, oraz pochłanianie ciepła podczas wrzenia, obniżą dostatecznie temperaturę w podziemnych zbiornikach. Po czym podziemny system ponownie się napełnia, woda osiąga odpowiednią temperaturę i cykl się powtarza.

Białe Tarasy ok. 1886 r.

Aby gejzer zadziałał, wiele czynników musi zadziałać równocześnie, dlatego mimo obfitości pól hydrotermalnych z gorącymi źródłami, gejzery pojawiają się tylko w kilku miejscach na świecie, a i tam zwykle nie są zbyt efektowne. Jednym z tych miejsc były kiedyś gorące źródła w Nowej Zelandii, na Wyspie północnej, w obszarze wulkanicznym nad jeziorem Rotomahana. W XIX wieku obszar znany był z trawertynowych kaskad nazywanych Białymi i Różowymi Tarasami, będących osadami hydrotermalnymi podobnymi do tureckich Pammukale, ale znacznie większymi. Uważano je za cud natury. Niestety w roku 1886 wybuch wulkanu Tarawera zniszczył okolicę i pogrzebał tarasy. Od właściwego wulkanu przez nagi krajobraz ciągnęła się 17-kilometrowa szczelina, na której powstawały kolejne gorące źródła. I to właśnie tu, na jednym z tych źródeł, zaczęto w roku 1900 obserwować cykliczne erupcje.

Waimangu był jak na gejzery zjawiskiem wyjątkowo gwałtownym. Strzelał ze szczeliny skalnej na dnie  jeziora, tryskając strumieniami wrzącej wody do góry i na boki w różnych kierunkach z taką siłą, że porywał muł i kamienie z dna. Kolumna wody nabierała przez to ciemnego, czarnego odcienia. Stąd maoryska nazwa "czarna woda". Co jednak interesowało ludzi najbardziej - gejzer tryskał na nigdzie nie widzianą wysokość. Zwykle struga osiągała 150-200 metrów, ale od czasu do czasu następowała supererupcja, podczas której woda sięgała powyżej 400 metrów. Największa zmierzona bezpośrednio wysokość wyniosła 460 metrów. Żaden inny gejzer na świecie nie osiągał takiej wielkości.

Gdy więc rozeszły się wieści o tym, że w Nowej Zelandii pewne źródło tryska na niemal pół kilometra, wzbudziło to zainteresowanie. Wytyczony został szlak turystyczny, zbudowano szopę dla przyjezdnych a w okolicy wyznaczono tereny piknikowe. Gejzer nie był do końca regularny. Wybuchał średnio co 6 godzin, ale zdarzało mu się spóźniać i przyspieszać. Nikt nie mógł też przewidzieć, czy trafi na zwykły wybuch, czy na jeden z tych wyjątkowych. Co odważniejsi schodzili nad jezioro z którego tryskał, aby zobaczyć wrzący staw i rozrzucone skalne odłamy w okresie przerw między wyrzutami.

Erupcja Waimangu

 

30 sierpnia 1903 roku do Waimangu przybyła wycieczka z Auckland. Kilka osób zatrzymało się w szopie, kilka ruszyło bliżej, aby zobaczyć jezioro. Dopiero co przybyli i nie chcieli czekać na wytrysk, woleli obejrzeć okolice otworu wcześniej. Wśród nich był Joe Warbrick, rugbysta, w tym czasie najbardziej znany sportowiec z NZ, który ze swoją drużyną grał w meczach nie tylko w Australii, ale też w Europie i był swoistym ambasadorem tego kraju na świecie. Prywatnie zaś brat aktualnie oprowadzającego grupy przewodnika, Alfreda, który wiele razy był w tym miejscu. Zupełnymi świeżakami były dwie panny Nichols, które odłączyły się od matki. Ta została w szopie i wołała do córek, aby nie podchodziły za blisko jeziora. Grupę uzupełniał D. MacNaughton, rzeźnik.

 Czas naglił. Od ostatniego wyrzutu minęło kilka godzin, był to jeden z tych mniejszych. W zasadzie gdyby zjawisko powtarzało się w pełni regularnie, gejzer tryskałby w ciągu godziny. Przewodnik chciał więc zniechęcić przybyłych, ale ci go nie słuchali. Przecież podejdą tylko na chwilę, na pagórek obok jeziora, to jeszcze daleko, nie będą schodzili do niecki, potem cofną się do chatki i stamtąd zobaczą wybuch. Jedna z panien chciała zrobić zdjęcia. "Jak zdarzy się wypadek, wiesz ze mnie zwolnią" - przekonywał brata przewodnik. Zawołał matkę obu panien, aby przemówiła im do porządku. Jednak panny Nichols po usłyszeniu wołań odwróciły się na chwilę rozbawione, mówiąc że zaraz będą. Jeszcze tylko momencik. Stały na krawędzi wzgórza, w miejscu z widokiem na przelew z misy gejzeru do rzeki.  

 

I właśnie wtedy, gdy wkurzony przewodnik wracał do chaty, nastąpił kolejny wyrzut wody. "Nagle zrobiło się ciemno" - opisywał jeden ze świadków. Była to właśnie jedna z tych dużych erupcji, przekraczająca 400 metrów wysokości. Jak to opisywano, erupcja składała się właściwie z trzech pulsów - pierwszy poszedł pionowo, pozostałe rozchodziły się na boki, zalewając okolicę. Strumienie wrzątku z mułem i kamieniami trysnęły z taką siłą, że zbiły z nóg wracającą panią Nichols, matkę niesfornych panien. Przewodnik złapał ją zanim woda poniosła ją w dół stoku i pod gradem opadających sporych kamieni jakoś dociągnął ją do chaty. Doznali na szczęście niewielkich poparzeń. Za parę chwil do chaty dotarło dwóch innych poparzonych i zranionych turystów.  Ponieważ wybuchy gejzeru były dość nieregularne, odczekano jeszcze trochę czasu, licząc na to że pozostali dotrą do chaty samodzielnie. Niestety, nikt z nich się już nie pojawił.

Ciało rzeźnika MacNaughtona znaleziono odrzucone daleko na zboczu. Oceniono, że zmarł z powodu upadku z dużej wysokości. Ciała panien Nichols i Warbricka woda zmyła w dół rzeki, gdzie znaleziono je po kilku godzinach. Były poranione i częściowo obdarte z ubrań. Obecny na miejscu lekarz ocenił, że na szczęście śmierć musiała być natychmiastowa. 

Siły, jakie napędzały gejzer, zaczęły się później wyczerpywać. Po osunięciu ziemi pozom jeziora, z którego strzelał strumień, zmniejszył się, ostatecznie pod koniec listopada 1904 gejzer przestał wybuchać. 

------

* https://www.sooty.nz/waimangu1903.html

* https://paperspast.natlib.govt.nz/newspapers/ESD19030831.2.24

Lawina na Hawajach

Wulkaniczne wyspy cechuje pewna niestabilność - ponieważ lawa szybko zastyga w kontakcie z wodą, ich brzegi często wchodzą pod wodę dość stromo, tworząc wręcz podwodne klify. Wyspa zbudowana jest też z naprzemiennych wylewów lawowych i materiału piroklastycznego. Dlatego na każdej z większych oceanicznych wysp wulkanicznych zdarzały się osuwiska, podczas których ogromny kawał lądu wpadał do morza.
Coś takiego zdarzyło się półtora miliona lat temu na Hawajach, po północnej stronie wyspy Molokai. Zapadnięciu uległ cały półwysep. Pęknięcie dotarło aż do podstawy tej wznoszącej się na kilka kilometrów od dna oceanu wyspy, dlatego łączna objętość osuniętego materiału przekroczyła 7000 km3.

Osuwisko widać doskonale na mapach dna morskiego w okolicy Hawajów - szczątki są porozrzucane na długości 100 km. Największy kawałek jest znany jako góra podwodna Tuscualoosa, wysoka na 2 kilometry i długa na 30. Zdarzenie wywołało też tsunami, które uderzyło w wybrzeża Pacyfiku.

Aktualnie na największej wyspie archipelagu obserwowane jest osunięcie Hilina, obejmujące cały południowy stok wulkanu Kiluea, które jak na razie dość powoli pełza w dół, z szybkością miejscami do 10 cm rocznie. Blok skalny podlega obrotowi - partie bliżej wybrzeża są lekko wypiętrzane, zaś w miejscu załamania stoku opadają. Uskok oddzielający masę sięga do głębokości kilku kilometrów, kilkakrotnie już był źródłem trzęsień ziemi. Podczas jednego z nich, w 1975 roku, wstrząs o sile 7 w skali Richtera został wywołany raptownym opadnięciem części osuwiska o trzy metry. Ostatni duży wstrząs w 2018 roku wiązał się z osunięciem o 60 cm. Siłą rzeczy więc naukowcy zastanawiają się, czy możliwe jest tutaj gwałtowne osunięcie całej masy osuwiska.

Ruchowi podlega obecnie około 10 000 km3 skał. Wpadnięcie czegoś takiego do oceanu wywołałoby tsunami, które na obszarze Hawajów osiągnęłoby kilkaset metrów wysokości, a jeszcze u wybrzeży obu Ameryk osiągałoby co najmniej kilkanaście. Oceny geologów są różne. W raptownej zapaści przeszkadzają w tym miejscu podwodne góry oraz wybrzuszenie osadów u czoła osunięcia, o które cała ta bryła się zapiera, stąd dominująca jest uspokajająca opinia, że jak na razie nic nie wskazuje na katastrofalny scenariusz. Z drugiej strony inne wyliczenia pokazują, że już przyspieszenie gruntu odpowiadające wstrząsam około 8 R wystarczy aby na płaszczyźnie uskoku pojawił się poślizg. Wychodzi więc na to że sam uskok jest zdolny wygenerować wstrząsy bliskie krytycznej wartości.

Dlaczego wulkan wybucha?

Proste pytanie i nieco bardziej skomplikowana odpowiedź.

   Ziemia jest czasem porównywana do jabłka - ma w środku jądro, dalej płaszcz rozgrzanej materii stanowiący większość objętości, a na wierzchu cienką skórkę skał, budujących powierzchnię. Skorupka ta ma zależnie od miejsca od 5 do 40 km grubości, punktowo pod dużymi masywami górskimi więcej, co w porównaniu ze średnicą planety wynoszącą ponad 5 tysięcy kilometrów, nie jest zbyt dużą wartością. Lubimy sobie także wyobrażać, że to co znajduje się pod tą skorupką to już od razu płynna lawa, na której pływają kontynenty. A wulkany to po prostu otwory, przez które wylewa się lawa, potem zastyga, tworzy wokół małą górkę i voila, mamy wulkan.
   No dobrze, pójdźmy w stronę tego wyobrażenia. Wyobraźmy sobie kontynent jako tratwę na morzu. Wywierćmy w niej dziurę. Woda zacznie się wlewać. Jak wysoko dotrze? Raczej nie utworzy małej fontanny, jak to się rysuje w kreskówkach. Może wypływać tylko pod takim ciśnieniem, jakie panuje na głębokości, na jakiej zaczyna się na dnie otwór, w związku z czym strumień może dotrzeć tylko do wysokości, na jakiej znajduje się lustro wody. To w zasadzie inna wersja prawa naczyń połączonych. Jeśli to nie łódź, w której pustą objętość utrzymuje cienki kadłub, tylko tratwa z materiału lżejszego od wody, który pływa dzięki wyporowi samego siebie, to woda może przez otwór wcale nie wpływać, bo górna krawędź otworu kończy się nad lustrem wody.

   Odnieśmy to teraz do planety - kontynenty, które "pływają" na powierzchni, mają średnią gęstość 2,7-2,8 g/cm3, płaszcz pod spodem ma gęstość 3,0-3,1 g/cm3. Zachowują się więc jak korek, i powierzchnia lądów znajduje się powyżej linii równowagi hydrostatycznej płaszcza. Jeśli na lądach dany obszar jest złożony z gęstszych skał i wznosi się bardziej w górę, to pod spodem musi być mocniej wciśnięty w podłoże, jak góra lodowa, która tym głębiej sięga im wyższy jest jej wierzchołek. Zmiany obciążenia danego obszaru, czy to związane z szybką erozją, zmianami rozmieszczenia wód czy topnieniem lodowców, powodują więc odpowiednie wciskanie lub wypiętrzanie lądów, co obserwujemy choćby w Skandynawii, która wciąż jeszcze wypiętrza się po epoce lodowcowej, a w wielu miejscach w odległości kilku kilometrów od morza znajdujemy pozostałości średniowiecznych portów.

 Skoro tak, to wszelkie otwory w skorupie powinny się łatwo zasklepiać, bo magma dojdzie tylko do wysokości równowagowej.

   Z tym wyobrażeniem jest jeszcze drugi problem - płaszcz ziemski, ten pod skorupą, jest nie za bardzo płynny. Co prawda panują tam temperatury rzędu 1000-1200 st. C ale też bardzo wysokie ciśnienie, więc w zasadzie wykazuje sporo własności ciała stałego, między innymi przewodzi poprzeczne fale sejsmiczne. W fali takiej ośrodek podlega ruchom na boki względem kierunku rozchodzenia się fali. Aby po wychyleniu w jedną stronę przez działanie mechaniczne, materiał odpowiedział przez powrót do wcześniejszego położenia, musi on przenosić naprężenia ścinające. A to jest właśnie podstawowa różnica między cieczami a ciałami stałymi. Poprzeczny charakter mają fale na powierzchni wody, gdzie rolę siły przywracającej wodę do pierwotnego położenia pełni grawitacja, jednak w głębi morza nie mogą być przenoszone.
   Skoro więc płaszcz tuż pod skorupą ziemską przenosi fale poprzeczne, to powinien być on ciałem stałym. Z drugiej jednak strony są pewne cechy ruchów tektonicznych, które wskazują na własności płynów, jak choćby wspomniana izostazja. Uznaje się więc, że skały płaszcza choć są ciałem stałym, posiadają dużą plastyczność, czyli pod wpływem stale działającej siły mogą się odkształcać i "przepływać". Z bliższych nam przykładów plastycznym ciałem stałym jest choćby plastelina - jeśli przyłożymy do niej odpowiednią siłę i poczekamy, to zostanie wyciśnięta do miejsca, w którym siła nie działa.

Pofałdowane skały metamorficzne - świadectwo ich plastyczności

   Stosunkowo znanym przypadkiem ciała "w zasadzie stałego ale jednak trochę płynnego" jest pak węglowy, o konsystencji asfaltu drogowego, i zresztą często będący do niego domieszką. Uderzony młotkiem kruszy się na fragmenty o szklistym przełomie. Jednak bryłka pozostawiona w spokojnym miejscu stopniowo deformuje się pod wpływem sił wywoływanych własnym ciężarem i zaczyna się rozpływać. Pokazano to  w doświadczeniu rozpoczętym w 1927 roku w Australii przez Thomasa Parnella, w którym próbka paku umieszczona w lejku zaczęła po upływie kilku lat spływać i formować krople. Uformowanie i oderwanie jednej zajmuje mu średnio 8 lat.
   Podobnie rzecz się ma ze skałami - względnie plastyczny jest choćby lód, który w grubej warstwie spływa od miejsca nagromadzenia jako lodowiec. Całkiem niezłą plastycznością przy wysokich ciśnieniach wykazuje się też sól kamienna, która może być dosłownie wyciskana ze złóż, w miejscach lokalnego osłabienia skał formując kolumny podchodzące pod powierzchnię ziemi.

   Miarą mogącą służyć do oceny stopnia plastyczności i "płynności" materiałów, jest lepkość, czyli opór wykazywany przeciwko sile poruszającej porcje cieczy względem innych (tarcie wewnętrzne). Podaje się ją zwykle w jednostkach paskal*sekunda. Dla gazów są to wartości rzędu mikro Pa s, woda ma 0,8 mPa s; ciecze oleiste mają lepkość rzędu kilkudziesięciu milijednostek; ciecze "syropowate" rzędu kilkuset mili- do jednej jednostki (np. Gliceryna ok. 0,93 Pa s). Miody mają zwykle lepkość 2-10 Pa s. Z gęstych, dających duży opór cieczy, smoła węglowa ma lepkość rzędu 10⁷ Pa·s , a wspomniany wcześniej pak węglowy jeszcze większą 10¹¹ Pa s.
   W porównaniu z tymi substancjami skały płaszcza ziemskiego są dużo bardziej sztywne - lepkość najpłytszych warstw płaszcza, astenosfery, oszacowana na podstawie szybkości ruchów izostatycznych, wynosi 3 × 10¹⁸ Pa s [p].

   No dobra. Skoro pod lądami nie ma płynnego materiału, a jednak jest on wyrzucany przez wulkany, i to pod całkiem sporym ciśnieniem, to skąd on się bierze? Jest wytwarzany dopiero pod wulkanami, w ogniskach magmowych.
   Ogniska magmowe formują się w trzech zasadniczych sytuacjach, wszystkie one mają związek z podejściem wysokiej temperatury do skał skorupy: gdy skorupa jest wciskana w głąb ziemi w strefach subdukcji i zaczyna się topić, gdy skorupa zaczyna się topić w obszarze ryftowym, oraz gdy pod skorupę podpływa strumień związany z pióropuszem gorąca.
   W związku z ruchem kontynentów powstają obszary subdukcji, w których ze zderzających się płyt jedna z nich, zwykle ta oceaniczna, jest wpychana pod drugą i stopniowo zanurza się w dużo gorętszym materiale płaszcza, który plastyczności powoli ustępuje, jak masło pod nożem. Może się zagłębić na znaczną głębokość - najgłębsze trzęsienia ziemi, powstałe w pękającej pod wpływem naprężeń wepchniętej wgłąb skorupie, sięgają do 600 km pod powierzchnię.
   Temperatura topnienia skał skorupy jest niższa, niż temperatura panująca głębiej w płaszczu. Ułatwiają to minerały działające jak topniki, w tym sól kamienna i wapienie, oraz woda na różne sposoby związana w skałach. Dodatkowe substancje powodują, że nawet plastyczna skała płaszcza zaczyna się upłynniać. W efekcie pojawia się przestrzeń wypełniona płynną magmą. Ta zwykle ma gęstość wyraźnie niższą od skał płaszcza (ok. 2,8-2,1 g cm3) toteż zaczyna unosić się w stronę powierzchni.

   Na granicy między płaszczem a skorupą magma natrafia na opór, gromadzi się więc w wytapianej stopniowo komorze magmowej. Wypychana siłą wyporu zaczyna też unosić skorupę ziemską i próbować wciskać się w różne szczeliny. Większość materiału kończy ostatecznie jako dajka lub lakkolit, wypełnienie wciśnięte w jakąś osłabioną partię skał, które zdołało rozepchnąć lub wytopić trochę przestrzeni, ale ostatecznie pozostaje w całości pod ziemią. Czasem jednak taka dajka dochodzi na tyle płytko, że wydostaje się na powierzchnię.

   Druga sytuacja to wytapianie skał w strefie ryftowej. Wiąże się to z ruchami konwekcyjnymi w płaszczu, które zresztą napędzają ruch kontynentu. Może to być trudne do wyobrażenia, ale opisana wcześniej plastyczna skała, złożona głównie z oliwinu, spinelu i perowskitu żelazowego, podlega konwekcji - porcje nagrzanie bliżej półpłynnego jądra unoszą się do góry, za sprawą niższej gęstości. W pewnych więc miejscach następuje ruch opadający i skały płaszcza mieszają się. Następuje to oczywiście niezwykle powoli, pod wpływem ustępowania w wyniku niezbyt dużej, ale działającej miliony lat siły. Ruch ten przenosi się na kontynenty, sterując ich ruchami.
   Tam, gdzie następuje unoszenie i rozchodzenie się na boki strumieni, skorupa podlega rozciąganiu aż do pęknięcia. Równocześnie w tych miejscach dużo płycej pod powierzchnię podchodzi gorętsza niż zazwyczaj skała płaszcza. W strefie wzdłuż pęknięcia następuje przetopienie materiału, wynikające głównie ze spadku ciśnienia, które utrzymywało w formie stałej bardzo gorące minerały. Trochę do efektów dorzuca wpływ wody infiltrującej uskoki. Powstająca magma wypełnia pęknięcie, tworząc nową porcję skorupy oceanicznej. Tym sposobem oceany rozszerzają się.

   Gdy taka szczelina przechodzi przez kontynent, powstaje dolina ryftowa, otoczona wianuszkiem wulkanów, rozwijających się, gdy magma powstała pod ryftem wydostaje się przez towarzyszące mu uskoki. W pobliżu afrykańskiej doliny ryftowej znajdują się tak znane wulkany, jak Kilimandżaro, Mt. Kenia czy ciągle aktywny Erta Ale, znany z trwałego jeziora lawowego.

    Trzecia okazja do wytopienia magmy, to gorący punkt, powstający prawdopodobnie w wyniku dotarcia płytko pióropusza płaszcza. Jest to twór, jaki miałby tworzyć się głęboko w płaszczu, możliwe nawet, że w pobliżu jądra, i unosić się ku powierzchni jako skoncentrowany strumień o mniejszej lepkości i wyższej temperaturze. Jego uderzenie wybrzusza skorupę ziemską, oraz podgrzewa do wyższych niż zazwyczaj temperatur. Powstaje magma zawierająca stosunkowo sporo komponentów z warstw głębokich, może też z samego pióropusza.

   Wulkany związane z pióropuszami płaszcza mogą pojawić się pośrodku płyt, najwyraźniejszym przypadkiem są wulkany Hawajów. Obserwuje się tam charakterystyczny efekt nieruchomości pióropusza - wyspy wraz z płytą oceaniczną poruszają się na północny-zachód, nowe wulkany formujące wyspy tworzą się w tym samym miejscu, co w ciągu milionów lat zaowocowało powstaniem długiego łańcucha wysp i gór podwodnych.
Pióropusz odpowiada też za cykliczne erupcje w rejonie Yellowstone. Dość skomplikowana sytuacja panuje na Islandii, gdzie pióropusz działa aktywnie w strefie ryftowej.

   Dobra. Odnaleźliśmy źródło magmy. Czemu więc wypływa ona na powierzchnię i ponad nią, nieraz z ładnym ciśnieniem? Jak to było wspomniane, magma zwykle jest lżejsza od skał płaszcza, jest więc wypychana ku górze. To jedna z przyczyn gromadzenia się jej w komorach w skorupie. Jest jednak jeszcze inna - magma zawiera w sobie stosunkowo dużo rozpuszczonych gazów, które podczas wędrówki w górę zaczynają się uwalniać. Gazy uwalniają się bądź pod wpływem spadku ciśnienia, bądź z powodu częściowej krystalizacji niektórych minerałów. Bąbelki rozpychają magmę, przez co jej ciśnienie jest podtrzymywane. Ruch w stronę wylotu wulkanu zaczyna więc nieco przypominać otwartą butelkę szampana - wprawdzie im wyżej, tym niższe ciśnienie hydrostatyczne, ale znaczenia nabiera ciśnienie gazów uwalnianych.
   W efekcie na powierzchni ziemi magma nie wyhamowuje, i płynie kominem aż do szczytu wulkanu, mogącego osiągać wysokość nawet pięciu-sześciu kilometrów nad poziom morza. Tu następuje pełne odgazowanie, a magma zamienia się w lawę. Spada temperatura krzepnięcia, lawa formuje wokół otworu górę, i tak oto powstaje nam wulkan.

Między wulkanami tych trzech typów pojawiają się różnice w składzie lawy i gazów erupcyjnych. Te wytworzone ze stref subdukcji, zawierają materiał skorupy poddany "recyklingowi". Głównymi gazami z ich erupcji są para wodna i dwutlenek węgla pochodzący częściowo z rozkładu termicznego wapieni, zauważalnie dużo jest chlorowodoru, powstającego zapewne z rozkładu soli kamiennej, najczęstszym typem lawy jest obojętna lub lekko kwaśna lawa andezytowa.
Wulkany związane z gorącymi plamami zawierają głównie materiał pochodzący z płaszcza, największy udział w ich gazach ma para wodna i dwutlenek siarki, dalej dwutlenek węgla, stosunkowo obficie pojawia się fluorowodór.

Czasem powstają rzadsze typy wulkanów nie zasilanych bezpośrednio magmą, ta jedynie podgrzewa płytko leżące warstwy skalne, dodając od siebie nieco gazów. Tak powstają wulkany karbonatytowe, wyrzucające z siebie stopiony węglan sodu, błotne, freatyczne typu maar, czy wreszcie gejzery.

-------
* [p] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2008JB006077

Bardarbunga i jej diabły

Eksplozja islandzkiego wulkanu Bardarbunga ze zrozumiałych względów budzi moje zainteresowanie - wulkany to ciekawy temat a ja lubię ciekawe tematy. Nieoczekiwanie jednak stwierdziłem, że ten przypadek może łączyć się z innym katastroficznym tematem, jaki opisuję na tym blogu - z trąbami powietrznymi.

Oglądając dziś przed południem wulkan na kamerze internetowej zauważyłem, że z terenu pokrytego gorącym popiołem niedaleko szczeliny erupcyjnej podrywają się wirujące kolumny pyłu, cienkie i gnące się pod wpływem wiatru, na tyle jednak wysokie aby sięgnąć podstawy chmur, tak że musiały osiągać wysokość kilkuset metrów:

 

 

Podgląd wulkanu na żywo możecie zobaczyć tutaj: http://www.livefromiceland.is/webcams/bardarbunga-2/

Te pyłowe trąby, czyli dust devils (a może raczej w tym przypadku ash devils) utrzymywały się do dwóch minut, w każdym razie tyle utrzymywały się w polu widzenia kamery. Pojawiały się co chwila, czasem nawet po pięć czy sześć w różnym stopniu rozwinięcia, tworząc piękny (i ciekawy) widok.

Teraz pogoda w tamtej okolicy się zmieniła - przeszły chmury, wiatr stał się silniejszy a słońce przesunęło się, prześwietlając dym. Trudno to teraz ocenić, ale wulkan dymi chyba mocniej:

Popioły ostygły i trąby pyłowe już się nie pojawiają.

Tego typu zjawiska są stosunkowo często obserwowane w pobliżu wulkanów, w związku z potężnym kontrastem temperatur. Nawet niewielki skręt unoszącej się warstwy gorącego powietrza może formować wir zasysający pył i dzięki temu dobrze widoczny. Podobne widzi się na popieliskach po potężnych pożarach. Jeszcze gwałtowniejsza forma, czyli trąba ogniowa nie jest tu możliwa, ze względu na brak otwartego ognia - rozgrzana do czerwoności skała jest zbyt ciężka aby "wkręcić" się w taki wir. Efektowny przypadek z wulkanu Santiaguito:

Potężne wiry pyłowe obserwowano po spływie piroklastycznym wulkanu Sinabug:

Inny ciekawy przypadek to trąby parowo-wodne, obserwowane w miejscach gdzie lawa hawajskich wulkanów wpada do morza. Znad rozgrzanej wody unoszą się wtedy wiry znacznych rozmiarów:

Mniejsze i szybsze wiry, przypominające węże utworzone z samej pary wodnej, to steam devils (lub steam snakes).