Молния внутри извержения: как вулкан заряжает небо

Чёрная колонна поднимается из кратера, и на мгновение её разрезает белая ветвь. Вулканическая молния выглядит как столкновение двух стихий. Но извержение само создаёт условия для электрического разряда: измельчает вещество, заставляет частицы сталкиваться и переносит их в холодные слои атмосферы.

Поэтому вопрос не в том, случайно ли гроза оказалась над вулканом. Вопрос в том, какой механизм зарядил конкретную часть вулканического облака. На разных высотах ответ может быть разным.

Пепел здесь не похож на золу костра

Вулканический пепел состоит из мелких частиц разрушенного материала. Во время взрывного выброса они сталкиваются, трутся и разделяются в потоке. При этом возникает и перераспределяется электрический заряд. Когда разность потенциалов становится достаточной, появляется разряд.

USGS различает несколько областей электрической активности: непосредственно над жерлом, в поднимающейся колонне и в растекающейся верхней части облака. Это полезно для чтения фотографий: одинаковая светлая линия может принадлежать разным условиям внутри одного извержения.

Молния не обязана протянуться от облака до земли. Разряд может происходить внутри насыщенного частицами выброса. Именно поэтому на снимке иногда видны короткие вспышки возле кратера, а иногда — длинные разветвлённые структуры значительно выше.

Лёд превращает выброс в подобие грозы

Когда влажный вулканический шлейф поднимается достаточно высоко, в нём появляются ледяные частицы. Их столкновения и разделение зарядов добавляют процесс, похожий на электризацию обычной грозы. Высокая колонна становится сложной смесью пепла, воды и льда.

В разъяснении USGS эта двойственность сформулирована особенно наглядно: электричество может создаваться столкновениями частиц пепла и процессами, связанными с замерзанием и ростом льда. Их относительная роль меняется в пространстве и времени.

Из этого следует, что яркость молний нельзя безоговорочно переводить в «силу вулкана». Два взрывных события с разными влажностью и высотой облака могут иметь разную электрическую картину. Разряды являются диагностическим признаком, который нужно сопоставлять с другими измерениями.

Что показало извержение Богослова

Во время активности аляскинского вулкана Богослов в 2016–2017 годах исследователи сопоставляли молнии, спутниковые снимки, фотографии, акустические сигналы и модель шлейфа. Это был особенно удобный случай для изучения роли воды: извержение происходило в морской обстановке.

В опубликованной работе приведены семьдесят взрывных событий, но обнаруживаемые молнии сопровождали только тридцать два. Само это различие заставляет отказаться от простой идеи «есть взрыв — обязательно есть молнии».

Наблюдения и расчёты указывали на важность подъёма в область образования льда. В одном из исследованных эпизодов задержка начала электрической активности совпадала с моделируемым появлением льда в верхней части колонны. Авторы рассматривают сочетание механизмов: пепловый ближе к жерлу, ледяной выше.

Такой результат ценен именно связью нескольких независимых рядов. Если бы сохранилась только ночная фотография, можно было бы описать красоту разряда. Сопоставленные данные позволяют обсуждать состояние облака, которое в этот момент скрыто от прямого взгляда.

Электрическая активность и объём выброшенного пепла поэтому не связаны простой пропорцией. Два выброса могут различаться содержанием воды, температурой, высотой и размерами частиц. Громкая вспышка показывает, что сформировались условия для разряда; для оценки самого извержения её надо сопоставить с другими наблюдениями, а не превращать число молний в универсальную шкалу мощности вулкана.

Почему разряды интересуют службы наблюдения

Электрические сигналы можно регистрировать на расстоянии, в том числе когда вулкан закрыт облачностью. Они способны быстро указать на пепловый выброс и помочь оценить развитие события. Но отсутствие зарегистрированных молний не является гарантией отсутствия извержения.

Для авиации важен сам пепел, поэтому оперативная связь между сигналом и пеплонасыщенным облаком имеет практический смысл. В исследовании Богослова молнии помогали подтверждать некоторые выбросы почти в реальном времени. Это дополнительный канал наблюдения, а не замена спутникам, радарам и другим средствам.

Лабораторные работы с пеплом также показывают, что распределение размеров частиц влияет на электризацию. Следовательно, микроскопические особенности материала способны изменить гигантскую световую картину над кратером. На снимке виден разряд длиной в небо, а часть ответа спрятана в составе и размерах пыли.

Вулканическая молния впечатляет даже после объяснения. Извержение на короткое время строит собственную электрическую систему из измельчённой породы, воды и воздуха. Каждый её световой шов сообщает, что внутри тёмной колонны происходят процессы, которые невозможно прочитать по одному лишь её силуэту.