Микола Добрецов
«Наука з перших рук» №5-6, 2018

Ми звикли до стабільності оточуючого нас світу і нерідко болісно сприймаємо всі зміни зовнішнього середовища, що не дивно: сучасному людству пощастило, так як становлення і розвиток нашої цивілізації відбувалося в сприятливий і щодо «спокійний» планетарний період. Однак тривалість життя людини не перевищує ста років, індустріальному суспільству лише кілька сторіч, а писемної історії людства — не більше декількох тисячоліть. В геологічному масштабі такі часові періоди дуже короткі, в довгій ж історії біосфери є «запису» про багатьох катастрофічні події глобального масштабу, таких як зміни клімату, викликані могутніми вулканічними виверженнями. І вчені навчилися їх «читати», але поки не можуть впевнено прогнозувати майбутні катастрофи.
З-за своїх наслідків виверження вулканів представляють для людства не меншу, а, можливо, більшу загрозу, ніж атомна війна, падіння великого метеорита або будь-які інші глобальні катастрофи. І, мабуть, цю небезпеку ми недооцінюємо.
Атомна війна — загроза цілком реальна, але в наших силах не допустити її виникнення. Що стосується комет, то у нас є тільки здогадки, непрямі докази викликаних ними біосферних катастроф — достовірних свідчень немає.
Катастрофічних вивержень з помітними екологічними наслідками в історії людства було багато, включаючи виверження вулканів Тоба і Кракатау в Індонезії. Але найбільше виверження, фактично екологічна катастрофа, яка загрожувала знищенням всього живого на Землі, сталося на кордоні пермі і тріасу 250 млн років тому. І воно було пов’язано з виверженнями сибірських траппов — великої вулканічної системи на північному сході євроазійського континенту, де протягом близько мільйона років одночасно извергалось безліч вулканів; а також з аналогічними магматичними подіями, які, ймовірно, відбулися в океанах. На жаль, пермська океанічна кора не збереглася.
Вважається, що ця вулканічна активність призвела до вимирання майже 80% всіх біологічних видів (за чисельністю понад 90%) — практично все живе на Землі загинуло, хоча потім досить швидко, за геологічними мірками, відновився. І те, що трапилося один раз, може повторитися, але можливість збереження (або відновлення) людської цивілізації після такої катастрофи видається малоймовірною.
«Рік без літа»
Одне з останніх найбільших вивержень сталося 74 тис. років тому на вулкані Тоба, розташованому в Індонезії в зоні так званої субдукції, де океанічна кора занурюється під літосферну плиту. Є припущення, що в результаті цієї катастрофи драматично скоротилася популяція предків сучасних людей (De Vivo et al., 2001).
Катастрофические извержения вулкана — готово ли к ним Природа
У механізмі субдукції, в результаті якої океанічна плита «йде» під літосферну, беруть участь різні механічні, термічні, гідродинамічні, хімічні процеси. З зонами субдукції пов’язані найбільш сильні землетруси і найбільші вулканічні виверження, що впливають на глобальну кліматичну систему Землі. У «рутинному режимі деякі активні вулкани здатні викидати на добу десятки і сотні тисяч тонн різних газів, включаючи «парникові». Серед них вуглекислий газ, окис вуглецю та метан (до 10-40% від загальної атмосферної емісії), сірчистий газ і сірководень (близько 10%). З: (Zellmer et al., 2015)
З вибухом в I ст. н. е. іншого індонезійського вулкану — Кракатау — сьогодні пов’язують саме різке похолодання за останні 2 тис. років. А всього лише 200 років тому сталося найпотужніше виверження індонезійського вулкану Тамбора, в результаті якого середня глобальна температура знизилася приблизно на 1 градус. Цей «рік без літа» з низкою літніх заморозків викликав на величезних територіях Північної півкулі, включаючи США, Канаду і Північну Європу, масові неврожаї, що призвело до голоду і хвороб. Подібне явище назвали «вулканічної зими» за аналогією з «ядерної»: її причиною стали величезні кількості виверженої вулканічної пилу і газів, які потрапили в стратосферу, де і циркулювали протягом декількох років, розсіюючи і відбиваючи сонячне випромінювання, що призвело до тривалого похолодання.
Серед приведених вище прикладів катастрофічних вивержень лише одне можна формально віднести до так званих суперизвержениям, при яких вибухові викиди досягають не менше 1 тис. км3 у твердому еквіваленті. Всього на Землі відомо близько 20 таких супервулканів, причому за останній мільйон років, як твердо встановлено, що вивергалися три з них: індонезійська Тоба, Йелоустон на північному заході США і Таупо в Новій Зеландії. Є підстави вважати, що такі великі виверження могли бути в інших малонаселених областях, наприклад, на Камчатці, але їхні свідчення не збереглися або ще не знайдені.
Однак, як ми бачимо, глобальні ефекти мають і виверження меншого масштабу: наприклад, викиди при виверженні Тамбора в 1815 р. склали «всього» 180 км3 попелу і вулканічного матеріалу (тефри). Тому в практичному сенсі нам вкрай важливі всі вулкани, які можуть викидати у верхні шари атмосфери такий великий об’єм вивержених продуктів, що вони з урахуванням особливостей атмосферної циркуляції можуть викликати виражені і тривалі зміни клімату.
До недавнього часу вважалося, що подібні події відбуваються досить рідко — у середньому один раз у тисячоліття, це вселяло певний оптимізм з урахуванням тривалості людського життя. Але результати останніх досліджень в льодах Гренландії та Антарктиди дають нам інші шокуючі цифри.
«В історії Землі періоди потепління завжди чергувалися з періодами похолодання. Крім астрономічних факторів, на клімат планети впливають і глобальна океанічна „конвеєрна стрічка“ течій, яка залежить від розташування високих гір і самих континентів. Один з найбільш важливих факторів варіацій клімату — зміна інтенсивності і характеру вулканізму з періодичністю до десятків тисяч років, в результаті чого в атмосферу може потрапляти величезна кількість парникових газів, що набагато перевищує сучасні антропогенні викиди».
(Добрецов, 2010)
Один раз у сторіччя?
Простежити історію катастрофічних вивержень, супроводжуваних стратосферными викидами, стало можливим за знахідками вулканічного попелу, виявленого при бурінні льодового покриву Гренландії та Антарктиді. Зараз з аналізу складу знайдених зразків вчені можуть визначити, звідки цей попіл прийшов: з Камчатки, з Японії чи інших місць. Доповідь на цю тему на міжнародній вулканологической конференції в Петропавловську-Камчатському зробила в серпні 2018 р. д. геогр. н. В. В. Пономарьова (Ponomareva et al., 2013, 2015).
Число подібних робіт зросла в десятки разів, правда, не в Росії, а в основному за кордоном. У нас подібними дослідженнями займаються фахівці з Інституту вулканології і сейсмології (Івіс) ДВО РАН (Петропавловськ-Камчатський) і Лимнологического інституту (ЛІН) СО РАН (Іркутськ). Аналізуючи зміни ізотопного складу сірки в зразках льоду зі станцій «Мирний» і «Схід», розташованих в континентальній частині Антарктиди, співробітники ЛІН ЗІ РАН виявили, як і їх колеги в Гренландії, сліди вулканічного попелу — свідоцтво катастрофічних вивержень (Ходжер та ін., 2011, 2015). Правда, при цьому вони не змогли встановити, де ці виверження відбувалися.
Результати вивчення вулканічного попелу в крижаних кернів Гренландії та деяких інших льодовиків показали, що виверження приблизно такого ж масштабу, як Кракатау або Тамбор, відбувалися в середньому один раз в 100 років, тобто на порядок частіше! Іншими словами, ми можемо очікувати подібна подія вже в нашому столітті. Така періодичність — це вже інший масштаб, інші очікування, особливо з урахуванням нинішньої чисельності людства і ступеня освоєння території планети.
Зміни клімату: чи винен СО2?
Сьогодні більшість обговорень кліматичних змін в ЗМІ зводяться до того, що треба зменшити антропогенні викиди вуглекислого газу в атмосферу, щоб зменшити парниковий ефект приводить до потепління клімату. І, на думку ряду зарубіжних фахівців, сучасні сумарні антропогенні викиди СО2 приблизно на порядок перевищують вулканічні.
Це питання, безумовно, заслуговує детального вивчення. Але ось що цікаво: як свідчать результати досліджень льодів Антарктиди і Гренландії, в яких збереглися стародавні повітряні «бульбашки», концентрація в атмосфері СО2 змінювалась слідом за змінами температури, тобто спочатку змінювався клімат, а вже потім вміст вуглекислого газу в повітрі (Котляков, 2014; Добрецов, 2011). Так що є вірогідність, що зараз ми плутаємо причину і наслідок.
До цього ж ряду треба віднести і горезвісну проблему руйнування озонового шару внаслідок викиду фреонів та інших подібних сполук. Вчені з красноярського Інституту біофізики РАН розробили добре аргументовану й підкріплену розрахунками теорію про природний механізм, що лежить в основі динаміки атмосферного озону (Кашкін, Хлебопрос, 2007; Хлебопрос, Кашкін, 2017).
Головна небезпека очікуваного катастрофічного виверження полягає навіть не в загрозу для місцевого населення, яка, безперечно, велика, а в його глобальні наслідки: забрудненні і помутнінні атмосфери з-за викиду попелів та газу. Адже навіть при відносно невеликому виверженні камчатського вулкана Безіменний у 1956 р., «прокинувся» після 3 тис. років спокою, стовп вулканічного диму протягом двох місяців досягав 30, а часом і 80 км, а це означає, що викиди дуже довго циркулювали в атмосфері. На щастя, в той час не було літаків, що літають так високо, в іншому випадку повітряне сполучення могло бути паралізовано років на десять.
Сьогодні з допомогою супутників ми можемо оцінити деталі і наслідки вивержень майже будь-якого масштабу. Наприклад, при останньому великому трещинном виверженні вулкана Толбачик на сході Камчатки було викинуто багато сірководню, при окислюванні якого утворюються і кристалики самородної сірки, бо це вулканічне хмара можна було легко простежити: виявилося, що вона протягом кількох років «гуляло» по Азії і Арктиці (Гордєєв, Добрецов, 2017; Zelenski et al., 2014)
Катастрофические извержения вулкана — готово ли к ним Природа
Глобальні астрономічні фактори зміни клімату пов’язані з циклами Міланковіча тривалістю 100, 41 і 23-19 тис. років. На їх основі розраховуються варіації інсоляції на поверхню Землі, на які накладаються варіації виділення основних парникових газів (метану і вуглекислого газу) з періодичністю 22 і 41 тис. років. Суперпозиція цих кривих дає сумарну криву глобальних кліматичних змін — від епохи зледеніння до міжльодовиков’я. Відповідно, об’єм льоду на планеті мінімальний в межледниковые епохи, як в даний час, коли материкові льоди збереглися тільки в Гренландії і Антарктиді. З: (Ruddiman, 2003)
До речі сказати, і сама сірка з вулканічних викидів являє собою чималу небезпеку. Саме сірководень, окислене до сірчаної кислоти, міг стати однією з причин масової загибелі живих істот після виверження сибірських траппов. Сірчана кислота не тільки лилася на голови всіх живих, але і помітно змінила склад кислотності водної оболонки планети: річок, озер, не залишився осторонь і світовий океан. А адже в той час вся основна життя була зосереджена саме у водному середовищі.
Не думаю, що сьогодні можливий повтор катастрофи масштабу вивержень сибірських траппов, але такої сили, як виверження вулкана Тамбора, — цілком можливий. І наслідки такої події для густонаселеної планети будуть катастрофічні, тому що воно вплине не тільки на клімат і сільське господарство, але і на промисловість, зв’язок, транспорт… наприклад, в квітні 2010 р. в Ісландії різко посилилася активність вулкана Ейяфьядлайокудль, що призвело до викиду в атмосферу не більше 1 км3 тефри. У результаті були скасовані тисячі авіарейсів на півночі Європи, і повітряний простір над цією частиною континенту було практично закрито на 10 днів. А якщо такий транспортний колапс триватиме не місяці, а роки, та до того ж буде глобальним? Всі наслідки цього навіть важко зараз уявити…
Використовуючи сучасні методи оцінки обсягів вулканічних викидів, ми можемо розпізнати у минулому Землі не тільки суперизвержения, але й інші великі виверження, які могли вплинути на кліматичну систему Землі. Оцінити цей вплив можна як за прямими, так і непрямими ознаками.
До перших відносяться сліди попелів, які виявляються в Гренландії, в Антарктиді, на архіпелагах Шпіцберген і Нова Земля в Північному Льодовитому океані — зараз ми можемо точно встановити, що ці опади випадали там не один рік. До непрямими свідченнями можна віднести зміни в глобальному зміст тих чи інших елементів.
Наприклад, це аноксичні події в океанах, пов’язані з глобальним дефіцитом кисню, які призвели до відкладення чорних мулів, збагачених C і S. За період від 70 до 100 млн років тому таких катастрофічних ситуацій було кілька, і вони досі не знайшли пояснення, породжуючи різні гіпотези. Якщо виявиться, що ці чорні мули корелюють з вулканічною активністю, ми зможемо дістатися до причин та механізмів, їх породжувачем. Для цього треба продовжити дослідження на льодовиках, а також пошук інших ефектів того ж часу в океанських опадах. Масштаб цієї роботи величезний, і її необхідно планувати.
Катастрофические извержения вулкана — готово ли к ним Природа
Учасники міжнародної вулканологической конференції поряд з системою вулкана Ксудач. Камчатка, 2018 р. Фото В. Кулакова
До речі, фахівці Івіс ДВО РАН і ЛІН ЗІ РАН, які працюють із закордонними колегами, навчилися не тільки відслідковувати в льодах вулканічний попіл, але й оцінювати за більш тонким ефектів — зміни тих чи інших ізотопних відносин чутливих елементів у випав сніг — величину самого виверження (Ходжер та ін., 2011; Ponomareva et al., 2015).
Наприклад, зараз ми знаємо, що і наші камчатські вулкани здатні закидати у верхні шари пил і газ. Раніше в цьому «підозрювали» тільки вулкан Безіменний, який останній раз вивергався в 1956 р. А тепер в тих же льодах Гренландії повсюдно виявлені сліди великих вивержень вулкана Ксудач, одного з найцікавіших вулканічних масивів Камчатки, який вивергався двічі: у I та VIII ст. Висока зустрічальність цих попелів свідчить про потужності виверження і великих обсягах изверженного речовини, яка повітряними течіями на протязі декількох років поширювався по всьому світу.
Звичайно, такі проекти — це, насамперед, чималі гроші. У зв’язку з цим не можу не привести показовий приклад. Як відомо, Гаваї являють собою ланцюжок островів вулканічного походження, яка зобов’язана своїм виникненням мантийному плюму — струменя розплавленого речовини, яка піднімається з великих глибин до поверхні планети. Гавайському плюму вже 90 млн років, і саме він «пропалив» в переміщається літосферної корі ланцюжок вулканів, як поснулих, так і активних. Гавайську гарячу точку більше ста років вивчає спеціальний інститут, великий і добре забезпечений. Тим не менше до сих пір фахівці не знають, куди веде слід цього плюму — може бути, прямо до ядра?
Коли північний магнітний полюс стане південним
Є ще один катастрофічний для людини природний феномен, який від нас не залежить, — це інверсія (зміна полюсів) магнітного поля Землі. Періодичність його рідкісна: всього за останні 500 млн років відбулося близько 500 таких подій, тобто 1-2 інверсії за мільйон років. Вселяє побоювання той факт, що остання інверсія трапилася близько 800 тис. років тому. Термін наближається, але коли він настане — через 30, 300 або 300 тис. років — ніхто не знає.
Полюса, особливо Північний, і сьогодні не стоять на місці, і часом їх біг значно прискорюється. На щастя, поки на короткий період. Але коливання будуть відбуватися все частіше, і коли полюс перебіжить 60-ту паралель, тому він вже не повернеться. Процес «розгойдування» та інверсії може зайняти до тисячі років, і весь цей час людству доведеться туго. Правда, тривалість перехідного періоду встановлена дуже приблизно, тому що цією проблемою ніхто детально не займався.
Незважаючи на те, що магнітне поле вивчається вже понад 300 років, досі не запропоновано жодної правдоподібною гіпотези, чому, і, головне, як відбувається інверсія. Хоча самі ці події «записані» в вулканічних лавах, де ми спостерігаємо зміну полярності і можемо приблизно оцінити період, близько 1 тис. років, за який вона відбувається.
На відміну від вулканів, завдання тут більш зрозуміла: потрібно організувати посилений моніторинг магнітного поля, насамперед, коливань становища самих магнітних полюсів. Відомо, що при кожній інверсії Північний полюс, приміром, «бігав» одним і тим же шляхом: через нашу Чукотку і Камчатку в Японію і далі, через Австралію, до нинішнього Південного полюса. Зараз детальний моніторинг магнітного полюса веде тільки відповідна служба у Канаді, але цього замало — тут потрібні об’єднані зусилля міжнародних наукових організацій, у тому числі російських. Крім того, провести дослідження і розрахунки, як вплине ослаблення магнітного поля і його хаотичні варіації під час інверсії (близько 1 тис. років) на роботу електрогенераторів, електроприладів, зв’язку, телебачення і т. д.
Дізнатися це з допомогою звичайних геофізичних методів важко, так як острів маленький, а охоплення потрібно робити великий. Американці вирішили проблему, побудувавши на дні океану цілу мережа сейсмічних станцій. На це було витрачено близько 4 млрд (!) доларів — чисто в пізнавальних цілях. А ще кажуть, що американці набагато практичніше, ніж росіяни. Чи є у нас хоча б один подібний проект?
Сьогодні вже добре відомо, що загроза вибухових вивержень з глобальними наслідками набагато більш реальна, ніж уявлялося раніше. І здається логічним присвятити цій проблемі час і певні кошти, хоча б такі ж 3-4 млрд доларів. Тільки нам, ученим в Росії, на відміну від американців, їх ніхто не пропонує.
На жаль, активність вулканів від людини не залежить, ми не можемо ні запобігти, ні зупинити виверження. В наших силах лише зменшити шкоду, якщо ми навчимося передбачати, прогнозувати такі катастрофічні виверження і зможемо якимось чином підготуватися. Що конкретно можна зробити в цьому напрямку, поки незрозуміло, але якщо сформулювати це як глобальну проблему і привернути увагу спільноти вчених, то з’являться і конструктивні пропозиції.
Література
Добрецов Н. Л. Основи тектоніки і геодинаміки. Новосибірськ: НГУ, 2011. 492 с.
Толбачинское тріщинне виверження 2012-2013 рр. (ТТІ-50) / Відп. ред. О. В. Гордєєв, Н. Л. Добрецов. Новосибірськ: Изд-во ЗІ РАН, 2017. 421 с.
Хлебопрос Р. Р., Кашкін В. Б. Антарктична озонова діра — хто винен? // Наука з перших рук. 2017. № 1. Т. 73. С. 20-27.
Ходжер Т. В., Голобокова Л. П., Осипов Е. Ю. та ін Свідоцтво вулканічних вивержень Тамбора і Кракатау (XIX) за даними хімічного та електронно-мікроскопічного дослідження сніжно-фирновых кернів з району ст. Схід (Антарктида) // Лід і сніг. 2011. № 1. С. 105-113.
Belousov A., Belousova M., Edwards B. et al. Overview of the precursors and dynamics of the 2012-13 basaltic fissure eruption of Tolbachik Volcano, Kamchatka, Russia // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2015. V. 307. P. 22-37.
Ponomareva V., Portnyagin M., Derkachev, А. et al. Early Holocene M~6 explosive eruption from Ushkovsky volcano (Kamchatka) and its tephra as a link between terrestrial and marine paleoenvironmental records // Int. J. Earth Sci. 2013. V. 102. № 6. P. 1673-1699.
Ponomareva V., Portnyagin M., Pevzner M. et al. Tephra from andesitic Shiveluch volcano, Kamchatka, Pacific NW: chronology of explosive eruptions and geochemical fingerprinting of volcanic glass // Intern. J. Earth Sci. 2015. V. 104. № 5. P. 1459-1482.

НАПИСАТИ ВІДПОВІДЬ

Please enter your comment!
Please enter your name here