Вулканический пепел - Volcanic ash

Облако пепла от извержения вулкана Чайтен в Чили в 2008 году , простирающееся через Патагонию от Тихого до Атлантического океана.

Пепельный шлейф над Эйяфьятлайокудль 17 апреля 2010 г.

Отложения вулканического пепла на припаркованном McDonnell-Douglas DC-10-30 во время извержения горы Пинатубо в 1991 году , в результате чего самолет упал на хвост. Хотя падающий пепел ведет себя аналогично снегу , большой вес отложений может нанести серьезный ущерб зданиям и транспортным средствам, как показано здесь, где отложения могли вызвать смещение центра тяжести 120-тонного авиалайнера.

Пепельный шлейф с горы Кливленд , стратовулкан на Алеутских островах

Вулканический пепел состоит из фрагментов горных пород, кристаллов минералов и вулканического стекла , образовавшихся во время извержений вулканов и имеющих диаметр менее 2 мм (0,079 дюйма). Термин вулканический пепел также часто используется для обозначения всех продуктов взрывного извержения (правильно называемых тефрой ), включая частицы размером более 2 мм. Вулканический пепел образуется во время взрывных извержений вулканов, когда растворенные в магме газы расширяются и стремительно уходят в атмосферу. Сила газов разбивает магму и выбрасывает ее в атмосферу, где она превращается в осколки вулканической породы и стекла. Пепел также образуется, когда магма вступает в контакт с водой во время фреатомагматических извержений , в результате чего вода взрывается , превращаясь в пар, что приводит к разрушению магмы. Попадая в воздух, пепел переносится ветром за тысячи километров.

Из-за своего широкого распространения зола может оказывать ряд воздействий на общество, включая здоровье животных и людей, нарушение работы авиации, нарушение работы критически важной инфраструктуры (например, систем электроснабжения, телекоммуникаций, сетей водоснабжения и канализации, транспорта), сырьевые отрасли (например, сельское хозяйство), здания и сооружения.

Формирование

Вулканический пепел возрастом 454 миллиона лет между слоями известняка в катакомбах Морской крепости Петра Великого в Эстонии недалеко от Лаагри . Это остатки одного из самых старых сохранившихся крупных извержений . Диаметр черной крышки объектива камеры составляет 58 мм (2,3 дюйма).

Вулканический пепел образуется во время взрывных извержений вулканов и фреатомагматических извержений, а также может образовываться во время переноса в течениях пирокластической плотности.

Взрывные извержения происходят, когда магма распадается по мере подъема, позволяя растворенным летучим веществам ( в основном, воде и двуокиси углерода ) растворяться в пузырьках газа. По мере зарождения большего количества пузырьков образуется пена, которая снижает плотность магмы, ускоряя ее вверх по каналу. Фрагментация происходит, когда пузырьки занимают ~ 70–80 об.% Извергающейся смеси. Когда происходит фрагментация, сильно расширяющиеся пузырьки разрывают магму на фрагменты, которые выбрасываются в атмосферу, где они затвердевают в частицы пепла. Фрагментация - это очень эффективный процесс образования золы, при котором даже без добавления воды образуется очень мелкая зола.

Вулканический пепел также образуется во время фреатомагматических извержений. Во время этих извержений фрагментация происходит, когда магма вступает в контакт с водоемами (такими как море, озера и болота), грунтовыми водами, снегом или льдом. Когда магма, которая намного горячее, чем точка кипения воды, входит в контакт с водой, образуется изолирующая паровая пленка ( эффект Лейденфроста ). В конце концов, эта паровая пленка схлопнется, что приведет к прямому взаимодействию холодной воды и горячей магмы. Это увеличивает теплопередачу, что приводит к быстрому расширению воды и фрагментации магмы на мелкие частицы, которые впоследствии выбрасываются из вулканического жерла. Фрагментация вызывает увеличение площади контакта между магмой и водой, создавая механизм обратной связи, ведущий к дальнейшей фрагментации и образованию мелких частиц золы.

Токи пирокластической плотности также могут образовывать частицы золы. Обычно они возникают в результате обрушения купола лавы или обрушения колонны извержения . В пределах токов пирокластической плотности истирание частиц происходит, когда частицы взаимодействуют друг с другом, что приводит к уменьшению размера зерен и образованию мелкозернистых частиц золы. Кроме того, зола может образовываться во время вторичного дробления фрагментов пемзы из-за сохранения тепла в потоке. Эти процессы производят большие количества очень мелкозернистой золы, которая удаляется из токов пирокластической плотности в шлейфах ко-игнимбритового пепла.

Физические и химические характеристики вулканического пепла в первую очередь зависят от типа извержения вулкана. Вулканы демонстрируют ряд стилей извержений, которые контролируются химическим составом магмы, содержанием кристаллов, температурой и растворенными газами извергающейся магмы и могут быть классифицированы с использованием индекса вулканической взрывоопасности (VEI) . Эффузивные извержения (VEI 1) базальтового состава производят <10 ⁵ м ³ выбросов, тогда как чрезвычайно эксплозивные извержения (VEI 5+) риолитового и дацитового состава могут привести к выбросу больших количеств (> 10 ⁹ м ³ ) выбросов в атмосферу.

Характеристики

Химическая

Типы минералов, присутствующих в вулканическом пепле, зависят от химического состава магмы, из которой он произошел. Учитывая, что наиболее распространенными элементами, обнаруженными в силикатной магме, являются кремний и кислород , различные типы магмы (и, следовательно, пепел), образующиеся во время извержений вулканов, чаще всего объясняются содержанием в них кремнезема. Низкоэнергетические извержения базальта дают характерно темный пепел, содержащий ~ 45–55% кремнезема, который обычно богат железом (Fe) и магнием (Mg). Наиболее взрывные извержения риолитов приводят к образованию кислого пепла с высоким содержанием кремнезема (> 69%), в то время как другие типы золы с промежуточным составом (например, андезит или дацит ) имеют содержание кремнезема между 55–69%.

Основные газы, выделяемые во время вулканической активности, - это вода , двуокись углерода , водород , двуокись серы , сероводород , окись углерода и хлористый водород . В серы и галогенов газы и металлы удаляются из атмосферы с помощью процессов химической реакции, сухого и мокрого осаждения, а также с помощью адсорбции на поверхность вулканического пепла.

Давно признано, что ряд сульфатных и галогенидных (в первую очередь хлоридных и фторидных ) соединений легко выделяется из свежего вулканического пепла. Считается наиболее вероятным, что эти соли образуются в результате быстрого кислотного растворения частиц золы в шлейфах извержения , которые, как полагают, поставляют катионы, участвующие в отложении сульфатных и галогенидных солей .

Хотя в свежих продуктах выщелачивания золы было зарегистрировано около 55 ионных частиц , наиболее часто встречающимися видами являются катионы Na ⁺ , K ⁺ , Ca ²⁺ и Mg ²⁺ и анионы Cl ^- , F ^- и SO ₄^2– . Молярные соотношения между ионами, присутствующими в продуктах выщелачивания, позволяют предположить, что во многих случаях эти элементы присутствуют в виде простых солей, таких как NaCl и CaSO ₄ . В эксперименте по последовательному выщелачиванию золы от извержения вулкана Сент-Хеленс в 1980 г. было обнаружено , что хлоридные соли являются наиболее легко растворимыми, за ними следуют сульфатные соли. Фторидные соединения, как правило, плохо растворимы (например, CaF ₂ , MgF ₂ ), за исключением фторидных солей щелочных металлов и таких соединений, как гексафторсиликат кальция (CaSiF ₆ ). РН свежей золы фильтрата сильно варьирует, в зависимости от присутствия кислотного газового конденсата ( в первую очередь , как следствие газов SO ₂ , HCl и HF в эрупции факеле) на поверхности золы.

Кристаллически-твердая структура солей действует скорее как изолятор, чем как проводник . Однако, как только соли растворяются в растворе из-за источника влаги (например, тумана, тумана, небольшого дождя и т. Д.), Зола может стать коррозионной и электропроводной. Недавнее исследование показало, что электропроводность вулканического пепла увеличивается с (1) увеличением содержания влаги, (2) увеличением содержания растворимой соли и (3) увеличением уплотнения (насыпной плотности). Способность вулканического пепла проводить электрический ток имеет большое значение для систем электроснабжения.

Физический

Компоненты

Крупный план крошечной частицы вулканического пепла с множеством крошечных трубчатых отверстий.

Частица вулканического пепла с горы Сент-Хеленс

Частицы вулканического пепла, извергнутые во время магматических извержений, состоят из различных фракций стекловидных (стеклообразных, некристаллических), кристаллических или литических (немагматических) частиц. Пепел, образующийся во время магматических извержений с низкой вязкостью (например, гавайских и стромболианских извержений базальтов), дает ряд различных пирокластов в зависимости от процесса извержения. Например, пепел, собранный из гавайских лавовых фонтанов, состоит из сидеромелана (светло-коричневого базальтового стекла) пирокластов, которые содержат микролиты (маленькие кристаллы закалки, не путать с редким минеральным микролитом ) и вкрапленники . Несколько более вязкие извержения базальта (например, стромболианский) образуют множество пирокластов от нерегулярных капель сидеромелана до глыбовых тахилита (микрокристаллические пирокласты от черного до темно-коричневого цвета). Напротив, большая часть золы с высоким содержанием кремнезема (например, риолит) состоит из измельченных продуктов пемзы (стекловидные осколки), отдельных вкрапленников (фракция кристаллов) и некоторых литических фрагментов ( ксенолитов ).

Пепел, образующийся во время фреатических извержений, в основном состоит из гидротермально измененных каменных и минеральных обломков, обычно в глинистой матрице. Поверхности частиц часто покрывают агрегатов из цеолитных кристаллов или глины , и только реликтовой текстур остаются для идентификации pyroclast типов.

Морфология

Изображение, полученное с помощью светового микроскопа пепла от извержения вулкана Сент-Хеленс в 1980 году, Вашингтон.

Морфология (форма) вулканического пепла контролируется множеством различных извержений и кинематических процессов. Извержения магм с низкой вязкостью (например, базальта) обычно образуют частицы в форме капель. Эта форма капель частично определяется поверхностным натяжением , ускорением капель после того, как они покидают вентиляционное отверстие, и трением воздуха. Формы варьируются от идеальных сфер до разнообразных скрученных, удлиненных капель с гладкими плавными поверхностями.

Морфология пепла от извержений высоковязких магм (например, риолита, дацита и некоторых андезитов) в основном зависит от формы пузырьков в поднимающейся магме перед распадом. Пузырьки образуются в результате расширения магматического газа до того, как магма затвердеет. Частицы золы могут иметь различную степень везикулярности, а везикулярные частицы могут иметь чрезвычайно высокое отношение площади поверхности к объему. Вогнутости, впадины и трубки, наблюдаемые на поверхности зерен, являются результатом сломанных стенок пузырьков. Частицы витричного пепла от извержений высоковязкой магмы обычно представляют собой угловатые, везикулярно-пемзовые фрагменты или тонкие фрагменты стенок пузырьков, в то время как каменные фрагменты в вулканическом пепле обычно равны или имеют угловатую форму. Каменная морфология в золе обычно определяется механическими свойствами вмещающей породы, разрушенной в результате скалывания или взрывного расширения газов в магме, когда она достигает поверхности.

Морфология частиц пепла от фреатомагматических извержений контролируется напряжениями в охлажденной магме, которые приводят к фрагментации стекла с образованием небольших блоковых или пирамидальных частиц стеклянного пепла. Форма и плотность пузырьков играют лишь второстепенную роль в определении формы зерен при фреатомагматических извержениях. При таком извержении поднимающаяся магма быстро охлаждается при контакте с грунтовыми или поверхностными водами. Напряжения в «закаленной» магме вызывают фрагментацию пирокластов на пять преобладающих типов формы: (1) блочные и равные; (2) везикулярной и неправильной формы с гладкой поверхностью; (3) мохообразные и извитые; (4) сферической или каплевидной формы; и (5) пластинчатый.

Плотность

Плотность отдельных частиц варьируется в зависимости от извержения. Плотность вулканического пепла колеблется в пределах 700–1200 кг / м ³ для пемзы, 2350–2450 кг / м ³ для осколков стекла, 2700–3300 кг / м ³ для кристаллов и 2600–3200 кг / м ³ для каменных частиц. Поскольку более крупные и более плотные частицы осаждаются близко к источнику, мелкие осколки стекла и пемзы относительно обогащены отложениями золы в отдаленных местах. Высокая плотность и твердость (~ 5 по шкале твердости Мооса ) вместе с высокой степенью угловатости делают некоторые типы вулканического пепла (особенно с высоким содержанием кремнезема) очень абразивными.

Размер зерна

Распределение гранул вулканического пепла от четырех извержений вулканов

Вулканический пепел состоит из частиц (пирокластов) диаметром <2 мм (частицы> 2 мм классифицируются как лапилли) и могут иметь размер до 1 мкм. Общий гранулометрический состав золы может сильно различаться в зависимости от состава магмы. Было сделано несколько попыток соотнести характеристики размера зерен осадка с характеристиками события, которое его вызвало, хотя некоторые прогнозы можно сделать. Риолитовые магмы обычно производят более мелкозернистый материал по сравнению с базальтовыми магмами из-за более высокой вязкости и, следовательно, взрывоопасности. Доля мелкодисперсного пепла выше при кремниевых взрывных извержениях, вероятно, потому, что размер пузырьков в предэруптивной магме меньше, чем в основных магмах. Имеются веские доказательства того, что пирокластические потоки образуют большое количество мелкого пепла путем объединения, и вполне вероятно, что этот процесс также происходит внутри вулканических каналов и будет наиболее эффективным, когда поверхность фрагментации магмы находится значительно ниже вершинного кратера.

Рассредоточение

Пепельный шлейф, поднимающийся с горы Редут после извержения 21 апреля 1990 года.

Частицы золы попадают в эруптивные колонны, поскольку они выбрасываются из вентиляционного отверстия с высокой скоростью. Начальный импульс от извержения толкает колонну вверх. По мере втягивания воздуха в колонну объемная плотность уменьшается, и она начинает плавно подниматься в атмосферу. В точке, где объемная плотность колонны совпадает с окружающей атмосферой, колонна перестанет подниматься и начнет двигаться вбок. Боковое рассеивание контролируется преобладающими ветрами, и пепел может оседать от сотен до тысяч километров от вулкана, в зависимости от высоты столба извержения, размера частиц пепла и климатических условий (особенно направления, силы и влажности ветра).

Пепельный шлейф и выпадение пепла на горе Пэган , май 1994 г.

Выпадение пепла происходит сразу после извержения и контролируется плотностью частиц. Вначале вблизи источника выпадают крупные частицы. Это сопровождается выпадением аккреционных лапилли в результате агломерации частиц внутри колонны. Выпадение пепла менее концентрировано на заключительных этапах, поскольку столб движется по ветру. Это приводит к отложению пеплопада, толщина и размер зерен которого обычно экспоненциально уменьшается с увеличением расстояния от вулкана. Мелкие частицы золы могут оставаться в атмосфере от нескольких дней до недель и разноситься высокогорными ветрами. Эти частицы могут воздействовать на авиационную промышленность (см. Раздел о воздействиях) и в сочетании с частицами газа могут влиять на глобальный климат.

Шлейфы вулканического пепла могут образовываться выше токов пирокластической плотности, они называются шлейфами ко-игнимбритов. По мере того как потоки пирокластической плотности перемещаются от вулкана, более мелкие частицы удаляются из потока за счет отмучивания и образуют менее плотную зону, перекрывающую основной поток. Затем эта зона увлекает окружающий воздух, и образуется плавучий шлейф ко-игнимбрита. Эти шлейфы, как правило, имеют более высокие концентрации мелких частиц пепла по сравнению с шлейфами магматических извержений из-за абразивного истирания в пределах течения пирокластической плотности.

Воздействия

Рост населения привел к постепенному проникновению городской застройки в районы с повышенным риском, ближе к вулканическим центрам, увеличивая подверженность человека явлениям падения вулканического пепла.

Прямое воздействие вулканического пепла на человека обычно кратковременно и незначительно для людей с нормальным здоровьем, хотя длительное воздействие потенциально создает определенный риск силикоза у незащищенных рабочих. Большую озабоченность вызывает воздействие вулканического пепла на инфраструктуру, имеющую решающее значение для поддержки современного общества, особенно в городских районах, где высокая плотность населения создает высокий спрос на услуги. Несколько недавних извержений продемонстрировали уязвимость городских районов, которые получили всего несколько миллиметров или сантиметров вулканического пепла. Этого было достаточно, чтобы вызвать перебои в работе систем транспорта, электроснабжения , водоснабжения , канализации и ливневой канализации . Затраты были понесены в связи с остановкой бизнеса, заменой поврежденных деталей и застрахованными убытками. Воздействие пепла на критически важную инфраструктуру также может вызывать множественные побочные эффекты, которые могут нарушить работу многих различных секторов и услуг.

Падение вулканического пепла разрушительно с физической, социальной и экономической точек зрения. Вулканический пепел может поражать как ближайшие районы, так и районы за многие сотни километров от источника, вызывая сбои и потери в самых разных секторах инфраструктуры. Воздействие зависит от: толщины пеплопада; крупность и химический состав золы; влажный или сухой зола; продолжительность пеплопада; а также любые меры по обеспечению готовности , управлению и предотвращению (смягчению), применяемые для уменьшения воздействия пеплопада. Различные секторы инфраструктуры и общества страдают по-разному и уязвимы перед целым рядом воздействий или последствий. Они обсуждаются в следующих разделах.

Здоровье человека и животных

Известно, что взвешенные в воздухе частицы золы диаметром менее 10 мкм можно вдыхать, и люди, подвергшиеся воздействию пеплопадов, испытывали респираторный дискомфорт, затрудненное дыхание, раздражение глаз и кожи, а также симптомы носа и горла. Большинство из этих эффектов краткосрочны и не считаются представляющими значительный риск для здоровья людей без ранее существовавших респираторных заболеваний . Воздействие вулканического пепла на здоровье зависит от размера зерен, минералогического состава и химического покрытия на поверхности частиц пепла. Дополнительными факторами, связанными с потенциальными респираторными симптомами, являются частота и продолжительность воздействия, концентрация золы в воздухе и вдыхаемая фракция золы; доля золы диаметром менее 10 мкм, известная как PM ₁₀ . Социальный контекст также может иметь значение.

Возможны хронические последствия для здоровья от выпадения вулканического пепла, поскольку известно, что воздействие свободного кристаллического кремнезема вызывает силикоз . Минералы, связанные с этим, включают кварц , кристобалит и тридимит , которые все могут присутствовать в вулканическом пепле. Эти минералы описываются как «свободный» кремнезем, поскольку SiO ₂ не присоединяется к другому элементу, чтобы создать новый минерал. Однако считается , что магмы, содержащие менее 58% SiO ₂ , вряд ли содержат кристаллический кремнезем.

Уровни воздействия на свободный кристаллический кремнезем в золе обычно используются для характеристики риски силикоза в профессиональных исследованиях (для людей , которые работают в горнодобывающей промышленности, строительстве и других отраслях промышленности,) , так как она классифицируются как человеческий канцероген по Международному агентству по изучению по раку . Ориентировочные значения были созданы для воздействия, но с неясным обоснованием; Нормативы Великобритании для твердых частиц в воздухе (PM10) составляют 50 мкг / м ^3, а нормативы США для воздействия кристаллического кремнезема - 50 мкг / м ³ . Считается, что нормативы по уровням воздействия могут быть превышены в течение коротких периодов времени без значительного воздействия на здоровье населения в целом.

Задокументированных случаев развития силикоза в результате воздействия вулканического пепла не зарегистрировано. Однако отсутствуют долгосрочные исследования, необходимые для оценки этих эффектов.

Проглатывание золы

Для поверхностных источников воды, таких как озера и водохранилища, объем, доступный для разбавления ионных частиц, выщелачиваемых из золы, обычно велик. Наиболее распространенные компоненты продуктов выщелачивания золы (Ca, Na, Mg, K, Cl, F и SO ₄ ) естественным образом встречаются в значительных концентрациях в большинстве поверхностных вод и, следовательно, не подвержены значительному влиянию выбросов вулканического пепла, а также не вызывают особого беспокойства. в питьевой воде, за исключением фтора . Элементы железо , марганец и алюминий обычно обогащаются сверх фонового уровня из-за выпадения вулканического пепла. Эти элементы могут придавать воде металлический привкус и вызывать окрашивание белой посуды в красный, коричневый или черный цвет, но не считаются опасными для здоровья. Известно, что вулканические пеплопады не вызывали проблем с водоснабжением токсичных микроэлементов, таких как ртуть (Hg) и свинец (Pb), которые присутствуют в очень низких концентрациях в продуктах выщелачивания золы.

Ingesting зола может быть вредной для скота , вызывая истирание зубов, а также в случаях высокого фтора содержания фтором, отравление (токсичных при уровнях> 100 мкг / г) для выпаса животных. Из извержения вулкана Лаки в Исландии в 1783 году известно, что отравление фтором произошло у людей и домашнего скота в результате химического состава золы и газа, содержащих большое количество фтороводорода . После извержения вулкана Руапеху в Новой Зеландии в 1995/96 г. две тысячи овец и ягнят умерли от флюороза, выпасаясь на суше, где выпало всего 1–3 мм пепла. Симптомы флюороза крупного рогатого скота, подвергшегося воздействию золы, включают коричнево-желтые или зелено-черные пятна на зубах и повышенную чувствительность к давлению в ногах и спине. Проглатывание золы также может вызвать закупорку желудочно-кишечного тракта. Овцы, которые проглотили пепел от извержения вулкана Гудзон в Чили в 1991 году , страдали диареей и слабостью.

Другое воздействие на домашний скот

Зола, накапливающаяся в шерсти на спине овец, может значительно прибавить в весе, что приведет к усталости и потере овец. Осадки могут стать причиной значительного бремени, так как они увеличивают вес золы. Куски шерсти могут выпасть, и любая оставшаяся шерсть на овцах может оказаться бесполезной, поскольку плохое питание, связанное с извержениями вулканов, влияет на качество волокна. Поскольку обычные пастбища и растения покрываются вулканическим пеплом во время извержения, некоторые животные могут прибегать к употреблению в пищу всего доступного, включая токсичные растения. Есть сообщения о козах и овцах в Чили и Аргентине, сделавших естественные аборты в связи с извержениями вулканов.

Инфраструктура

Электричество

Перекрытие электрического изолятора из-за загрязнения вулканическим пеплом

Вулканический пепел может вызвать нарушение работы систем электроснабжения на всех уровнях выработки, преобразования, передачи и распределения электроэнергии. Существует четыре основных вида воздействия, возникающих в результате загрязнения золой оборудования, используемого в процессе подачи энергии:

Влажные отложения золы на изоляторах высокого напряжения могут вызвать ток утечки (небольшой ток, протекающий по поверхности изолятора), который, если будет достигнут достаточный ток, может вызвать `` пробой '' (непреднамеренный электрический разряд вокруг или над поверхностью изоляционного материала). материал).

Если результирующий ток короткого замыкания достаточно высок, чтобы сработать автоматический выключатель , произойдет прерывание работы. Вызванный золой пробой изоляции трансформатора (вводов) может привести к необратимому возгоранию, травлению или растрескиванию изоляции, а также к нарушению подачи электроэнергии.

Вулканический пепел может разрушать, разъедать и размывать металлические устройства, особенно движущиеся части, такие как водяные и ветряные турбины и охлаждающие вентиляторы на трансформаторах или тепловых электростанциях.
Высокая насыпная плотность некоторых отложений золы может вызвать обрыв линии и повреждение стальных опор и деревянных опор из-за нагрузки золой. Это наиболее опасно, когда зола и / или линии и конструкции мокрые (например, из-за дождя) и выпало ≥10 мм золы. Мелкозернистый пепел (например, диаметром <0,5 мм) легче всего прилипает к линиям и структурам. Вулканический пепел может также нагружать нависающую растительность, заставляя ее падать на линии. Накопление снега и льда на линиях и нависающей над растительностью растительности дополнительно увеличивает риск поломки и / или обрушения линий и другого оборудования.
Контролируемые отключения уязвимых точек подключения (например, подстанций ) или цепей до тех пор, пока не утихнет пеплопад, или для очистки оборудования без напряжения.

Питьевая вода

Водяная турбина Агоянской гидроэлектростанции подверглась эрозии водой, содержащей вулканический пепел

Системы, питаемые грунтовыми водами, устойчивы к ударам от пеплопадов, хотя переносимая по воздуху зола может мешать работе устьевых насосов. Отключение электричества, вызванное пеплопадом, также может нарушить работу насосов с электроприводом, если нет резервной генерации.

Физические воздействия пеплопада могут повлиять на работу водоочистных сооружений. Зола может блокировать всасывающие конструкции, вызывать серьезные абразивные повреждения рабочих колес насосов и перегрузку двигателей насосов. Зола может попадать в системы фильтрации, такие как открытые песчаные фильтры, как путем прямого выпадения осадков, так и через водозаборную систему. В большинстве случаев потребуется усиленное техническое обслуживание, чтобы справиться с последствиями пеплопада, но перерывов в обслуживании не будет.

Заключительным этапом очистки питьевой воды является дезинфекция, чтобы убедиться, что в конечной питьевой воде нет инфекционных микроорганизмов. Поскольку взвешенные частицы (мутность) могут служить субстратом для роста микроорганизмов и защищать их от дезинфекционной обработки, чрезвычайно важно, чтобы в процессе очистки воды был достигнут хороший уровень удаления взвешенных частиц. Возможно, потребуется увеличить хлорирование, чтобы обеспечить адекватную дезинфекцию.

Многие домохозяйства и некоторые небольшие общины полагаются на дождевую воду в качестве источника питьевой воды. Кровельные системы очень уязвимы к загрязнению пеплопадом, так как они имеют большую площадь поверхности по сравнению с объемом резервуара для хранения. В этих случаях вымывание химических загрязнителей из пеплопада может стать риском для здоровья, и пить воду не рекомендуется. Перед пеплопадом следует отсоединить водосточные трубы, чтобы защитить воду в баке. Еще одна проблема заключается в том, что поверхностное покрытие свежего вулканического пепла может быть кислым. В отличие от большинства поверхностных вод, дождевая вода обычно имеет очень низкую щелочность (способность нейтрализовать кислоту), и, таким образом, пеплопад может подкислять воду в резервуарах. Это может привести к проблемам с отвесорастворимостью , в результате чего вода более агрессивна по отношению к материалам, с которыми она вступает в контакт. Это может быть особой проблемой, если на крыше используются гвозди со свинцовой головкой или свинцовый фартук, а также для медных труб и другой металлической сантехнической арматуры.

Во время пеплопадов на водные ресурсы обычно предъявляются большие требования для очистки, что может привести к их нехватке. Нехватка ставит под угрозу ключевые услуги, такие как пожаротушение, и может привести к нехватке воды для гигиены, санитарии и питья. Муниципальным властям необходимо тщательно контролировать и регулировать эту потребность в воде, и, возможно, потребуется посоветовать населению использовать методы очистки, не использующие воду (например, уборка с помощью веников, а не шлангов).

Очистки сточных вод

Сети сточных вод могут быть повреждены, как и сети водоснабжения. Исключить золу из канализации очень сложно. Наиболее подвержены риску системы с совмещенными линиями ливневой канализации и канализации. Пепел попадет в канализационные трубы, где есть приток / инфильтрация ливневой воды через незаконные соединения (например, из водосточных труб с крыши), поперечные соединения, вокруг крышек люков или через отверстия и трещины в канализационных трубах.

Зольные сточные воды, попадающие на очистные сооружения, могут вызвать отказ механического оборудования предварительной очистки, такого как ступенчатые или вращающиеся сита. Зола, которая проникает дальше в систему, оседает и снижает мощность биологических реакторов, а также увеличивает объем ила и изменяет его состав.

Самолет

Основным повреждением самолета, летящего в облако вулканического пепла, является истирание обращенных вперед поверхностей, таких как лобовое стекло и передние кромки крыльев, а также накопление пепла в отверстиях на поверхности, включая двигатели. Истирание лобовых стекол и посадочных фар снижает видимость, заставляя пилотов полагаться на свои приборы. Однако некоторые инструменты могут давать неправильные показания, поскольку датчики (например, трубки Пито ) могут забиваться золой. Попадание золы в двигатели приводит к истиранию лопастей вентилятора компрессора. Зола разъедает острые лопатки компрессора, снижая его эффективность. Зола плавится в камере сгорания, образуя расплавленное стекло. Затем зола затвердевает на лопатках турбины, блокируя поток воздуха и вызывая остановку двигателя.

Состав большей части золы таков, что ее температура плавления находится в пределах рабочей температуры (> 1000 ° C) современных больших реактивных двигателей . Степень удара зависит от концентрации пепла в шлейфе, продолжительности времени, в течение которого самолет находится в шлейфе, и действий, предпринятых пилотами. Важно отметить, что плавление золы, особенно вулканического стекла, может привести к накоплению повторно затвердевшей золы на направляющих лопатках сопла турбины, что приведет к остановке компрессора и полной потере тяги двигателя. Стандартная процедура системы управления двигателем при обнаружении возможного останова заключается в увеличении мощности, что усугубляет проблему. Пилотам рекомендуется снизить мощность двигателя и быстро выйти из облака, выполнив разворот на 180 ° с понижением. Вулканические газы, которые присутствуют в облаках пепла, также могут вызывать повреждение двигателей и акриловых лобовых стекол и могут сохраняться в стратосфере в виде почти невидимого аэрозоля в течение длительных периодов времени.

Вхождение

Известно много случаев повреждения реактивного самолета в результате попадания пепла. С 24 июня 1982 года British Airways Boeing 747-236B ( Flight 9 ) пролетел через облако пепла от извержения горы Галунггунг , Индонезии , в результате отказа всех четырех двигателей. Самолет снизился на 24 000 футов (7 300 м) за 16 минут до перезапуска двигателей, что позволило ему совершить аварийную посадку. 15 декабря 1989 года самолет KLM Boeing 747-400 ( рейс 867 ) также потерял мощность всех четырех двигателей после полета в облако пепла с горы Редут , Аляска . После падения на 14 700 футов (4500 м) за четыре минуты двигатели были запущены всего за 1-2 минуты до удара. Общий ущерб составил 80 миллионов долларов США, а ремонт самолета занял 3 месяца. В 1990-х годах коммерческие самолеты (некоторые в воздухе, другие на земле) понесли еще 100 миллионов долларов ущерба в результате извержения горы Пинатубо на Филиппинах в 1991 году .

В апреле 2010 года было затронуто воздушное пространство всей Европы: многие полеты были отменены, что было беспрецедентно, из-за присутствия вулканического пепла в верхних слоях атмосферы в результате извержения исландского вулкана Эйяфьятлайокудль . 15 апреля 2010 года финские ВВС прекратили тренировочные полеты, когда были обнаружены повреждения в результате попадания вулканической пыли на двигатели одного из их истребителей Boeing F-18 Hornet . 22 апреля 2010 года тренировочные полеты британских ВВС Великобритании « Тайфун» также были временно приостановлены из-за того, что в двигателях самолета были обнаружены отложения вулканического пепла. В июне 2011 года аналогичное закрытие воздушного пространства произошло в Чили, Аргентине, Бразилии, Австралии и Новой Зеландии после извержения вулкана Пуйеуэ-Кордон Каулле , Чили .

Обнаружение

Охват девяти VAAC по всему миру

Прибор AVOID, установленный на фюзеляже испытательного самолета AIRBUS A340

Облака вулканического пепла очень трудно обнаружить с самолета, поскольку в кабине экипажа нет приборов для их обнаружения. Тем не менее, новая система, называемая инфракрасным детектором воздушных вулканических объектов (AVOID), была недавно разработана доктором Фредом Прата во время работы в CSIRO Australia и Норвежском институте исследований воздуха , которая позволит пилотам обнаруживать шлейфы пепла на расстоянии до 60 км (37 миль). ) впереди и безопасно облетите их. В системе используются две инфракрасные камеры с быстрой выборкой, установленные на передней поверхности и настроенные на обнаружение вулканического пепла. Эта система может определять концентрации золы от <1 мг / м ³ до> 50 мг / м ³ , предупреждая пилотов примерно за 7–10 минут. Камера была протестирована авиакомпаниями easyJet , AIRBUS и Nicarnica Aviation (соучредителем - доктором Фредом Прата). Результаты показали, что система может работать на расстояниях от ~ 60 км и до 10 000 футов, но не выше без некоторых значительных модификаций.

Кроме того, для обнаружения облаков пепла можно использовать наземные и спутниковые изображения, радар и лидар . Эта информация передается между метеорологическими агентствами, вулканическими обсерваториями и авиакомпаниями через Консультативные центры по вулканическому пеплу (VAAC) . Существует по одному VAAC для каждого из девяти регионов мира. VAAC могут выпускать рекомендации с описанием нынешних и будущих размеров облака пепла.

Системы аэропорта

Вулканический пепел не только влияет на работу в полете, но также может влиять на работу наземных аэропортов. Небольшие скопления пепла могут ухудшить видимость, создать скользкие взлетно-посадочные полосы и рулежные дорожки, проникнуть в коммуникационные и электрические системы, нарушить работу наземных служб, повредить здания и припаркованные самолеты. Накопление золы размером более нескольких миллиметров требует удаления, прежде чем аэропорты смогут возобновить полноценную работу. Пепел не исчезает (в отличие от снегопадов), и его необходимо утилизировать таким образом, чтобы предотвратить его повторное скопление ветром и самолетами.

Наземный транспорт

Пепел может нарушить работу транспортных систем на больших территориях от часов до дней, включая дороги и транспортные средства, железные дороги, порты и судоходство. Падающий пепел ухудшает видимость, что может затруднить и сделать управление автомобилем опасным. Кроме того, быстро движущиеся автомобили поднимают пепел, создавая вздымающиеся облака, которые сохраняют постоянную опасность для видимости. Скопление золы снижает тягу, особенно на мокрой дороге, и покрывает дорожную разметку. Мелкозернистая зола может проникать в отверстия в автомобилях и истирать большинство поверхностей, особенно между движущимися частями. Воздушные и масляные фильтры забиваются, что требует частой замены. Железнодорожный транспорт менее уязвим, его перебои в работе в основном вызваны ухудшением видимости.

Морской транспорт также может пострадать от вулканического пепла. Падение золы блокирует воздушные и масляные фильтры и истирает любые движущиеся части при попадании в двигатель. На навигацию повлияет ухудшение видимости во время падения пепла. Пузырчатая зола ( пемза и шлак ) будет плавать по поверхности воды в «пемзовых плотах», которые могут быстро забить водозаборники, что приведет к перегреву оборудования.

Связь

Вулканический пепел может повлиять на сети электросвязи и вещания следующим образом: ослабление и уменьшение мощности сигнала; повреждение оборудования; и перегрузка сети по запросу пользователя. Затухание сигнала из-за вулканического пепла недостаточно хорошо задокументировано; тем не менее, были сообщения о нарушении связи после извержения Суртси в 1969 году и извержения горы Пинатубо в 1991 году. Исследования, проведенные базирующейся в Новой Зеландии Auckland Engineering Lifelines Group, теоретически определили, что влияние пепла на телекоммуникационные сигналы будет ограничиваться низкочастотными услугами, такими как спутниковая связь . Помехи сигналов также могут быть вызваны молнией, поскольку они часто возникают в шлейфах вулканических извержений.

Телекоммуникационное оборудование может быть повреждено из-за прямого падения пепла. Для большинства современного оборудования требуется постоянное охлаждение от кондиционеров . Они подвержены забиванию золой, что снижает их эффективность охлаждения. Сильный пепел может вызвать обрушение телекоммуникационных линий, мачт, кабелей, антенн, антенных тарелок и башен из-за скопления пепла. Влажная зола также может вызвать ускоренную коррозию металлических компонентов.

Сообщения о недавних извержениях свидетельствуют о том, что наибольшее нарушение работы сетей связи вызвано перегрузкой из-за высокого спроса со стороны пользователей. Это обычное явление для многих стихийных бедствий.

Компьютеры

На компьютеры может воздействовать вулканический пепел, и их функциональность и удобство использования ухудшаются во время пеплопада, но маловероятно, что они полностью выйдут из строя. Наиболее уязвимыми компонентами являются механические компоненты, такие как охлаждающие вентиляторы , приводы компакт-дисков , клавиатура , мыши и сенсорные панели . Эти компоненты могут забиться мелкозернистой золой, что приведет к их прекращению работы; однако большинство из них можно вернуть в рабочее состояние путем очистки сжатым воздухом. Влажная зола может вызвать короткое замыкание в настольных компьютерах; однако не повлияет на портативные компьютеры.

Здания и сооружения

Повреждение зданий и сооружений может варьироваться от полного или частичного обрушения крыши до менее катастрофического повреждения внешних и внутренних материалов. Воздействие зависит от толщины золы, влажный он или сухой, конструкции крыши и здания, а также от того, сколько золы попадает внутрь здания. Удельный вес золы может значительно варьироваться, а дождь может увеличить его на 50–100%. Проблемы, связанные с загрузкой золы, аналогичны проблемам со снегом; однако зола более серьезна, так как 1) нагрузка от золы обычно намного больше, 2) зола не тает и 3) зола может забивать и повреждать желоба, особенно после дождя. Воздействие золы зависит от конструкции и конструкции здания, включая уклон крыши, строительные материалы, пролет крыши и опорную систему, а также возраст и техническое обслуживание здания. Обычно плоские крыши более подвержены повреждениям и обрушению, чем крыши с крутыми скатами. Крыши из гладких материалов (листовой металл или стекло) более склонны к выпадению золы, чем крыши из грубых материалов (солома, асфальт или деревянная черепица). Обрушение крыши может привести к массовым травмам и гибели людей, а также к материальному ущербу. Например, в результате обрушения крыш из пепла во время извержения вулкана Пинатубо 15 июня 1991 года погибло около 300 человек.

Окружающая среда и сельское хозяйство

Вулканический пепел может оказывать пагубное воздействие на окружающую среду, которое трудно предсказать из-за большого разнообразия условий окружающей среды, существующих в зоне пеплопадов. Природные водные пути могут подвергнуться воздействию так же, как и городские сети водоснабжения. Пепел увеличивает мутность воды, что может уменьшить количество света, попадающего на меньшую глубину, что может препятствовать росту погруженных водных растений и, как следствие, влиять на виды, которые зависят от них, такие как рыба и моллюски . Высокая мутность также может повлиять на способность жабр рыб поглощать растворенный кислород . Также произойдет подкисление, которое снизит pH воды и повлияет на фауну и флору, живущую в окружающей среде. Загрязнение фтором произойдет, если зола будет содержать высокие концентрации фторида.

Накопление золы также повлияет на пастбища, растения и деревья, используемые в садоводстве и сельском хозяйстве . Падение тонкой золы (<20 мм) может отбить у домашнего скота возможность есть, а также может подавить транспирацию и фотосинтез, а также повлиять на рост. Может произойти увеличение продуктивности пастбищ из-за эффекта мульчирования и небольшого эффекта удобрения, как это произошло после извержений вулкана Сент-Хеленс в 1980 г. и вулкана Руапеху в 1995/96 г. Более тяжелые водопады полностью закопают пастбища и почву, что приведет к гибели пастбищ и стерилизации почвы из-за недостатка кислорода. Выживаемость растений зависит от толщины золы, химического состава золы, плотности золы, количества осадков, продолжительности захоронения и длины стеблей растений во время выпадения золы.

Молодые леса (деревья <2 лет) наиболее подвержены риску выпадения золы и могут быть уничтожены отложениями золы> 100 мм. Падение пепла вряд ли приведет к гибели взрослых деревьев, но при сильном падении пепла (> 500 мм) пепел может сломать большие ветви. Также может произойти дефолиация деревьев, особенно если в зольном падении присутствует крупнозернистый пепел.

Восстановление земель после пеплопада может быть возможным в зависимости от толщины золы. Реабилитационное лечение может включать: непосредственный задел депозита; перемешивание осадка с погребенным грунтом; соскабливание золы с земной поверхности; и нанесение нового верхнего слоя почвы на золу.

Взаимозависимость

Взаимозависимость воздействия вулканического пепла от извержений Эйяфьятлайокудль 2010 г.

Критически важная инфраструктура и инфраструктурные услуги имеют жизненно важное значение для функционирования современного общества, поскольку они обеспечивают: медицинское обслуживание, охрану, экстренные службы и средства жизнеобеспечения, такие как водоснабжение, сточные воды, а также линии электроснабжения и транспорта. Часто сами критически важные объекты зависят от таких жизненных путей для обеспечения работоспособности, что делает их уязвимыми как для прямого воздействия опасного события, так и для косвенных воздействий в результате нарушения жизненного цикла.

Воздействие на линии жизни также может быть взаимозависимым . Уязвимость каждой линии жизни может зависеть от: типа опасности, пространственной плотности ее критических связей, зависимости от критических связей, подверженности повреждениям и скорости восстановления услуг, состояния ремонта или возраста, а также институциональных характеристик или собственности.

Извержение вулкана Эйяфьятлайокудль в Исландии в 2010 году высветило последствия выпадения вулканического пепла в современном обществе и нашу зависимость от функциональности инфраструктурных услуг. Во время этого события авиационная отрасль понесла убытки от перерыва в работе в размере 1,5–2,5 млрд евро из-за закрытия европейского воздушного пространства на шесть дней в апреле 2010 года и последующего закрытия в мае 2010 года. Также известно, что выпадение пепла в результате этого события вызвало потери местного урожая. в сельском хозяйстве, убытки в индустрии туризма, разрушение дорог и мостов в Исландии (в сочетании с талой ледниковой водой), а также расходы, связанные с реагированием на чрезвычайные ситуации и ликвидацией последствий. Однако по всей Европе были дальнейшие убытки, связанные с перебоями в поездках, индустрией страхования, почтовой службой, а также импортом и экспортом в Европе и во всем мире. Эти последствия демонстрируют взаимозависимость и разнообразие воздействий одного события.

Готовность, смягчение последствий и управление

Два метода борьбы с извержением вулкана Келуд в 2014 году : подметание (вверху) и опрыскивание водой (внизу)

Подготовка к пеплопаду должна включать герметизацию зданий, защиту инфраструктуры и домов, а также хранение достаточных запасов пищи и воды, чтобы их хватило на время, пока пеплопад не закончится и не начнется очистка. Маски от пыли можно носить, чтобы уменьшить вдыхание золы и смягчить любые респираторные заболевания. Для защиты от раздражения глаз можно носить защитные очки.

Дома, осведомленность о вулканической активности и наличие планов на случай непредвиденных обстоятельств для альтернативных мест укрытия - это хорошая подготовка к пеплопаду. Это может предотвратить некоторые воздействия, связанные с выпадением пепла, уменьшить последствия и повысить способность человека справляться с такими явлениями. Некоторые предметы, такие как фонарик, пластиковая пленка для защиты электронного оборудования от попадания пепла и радиоприемники с батарейным питанием, чрезвычайно полезны во время пеплопадов.

Для информирования о предпринимаемых действиях по смягчению последствий необходимо заранее составить информационные планы. Запасные части и резервные системы должны быть на месте до событий, связанных с падением пепла, чтобы сократить перерывы в обслуживании и как можно быстрее восстановить работоспособность. Хорошая готовность также включает определение мест захоронения золы до того, как произойдет выпадение золы, чтобы избежать дальнейшего перемещения золы и помочь при очистке.

Были разработаны некоторые эффективные методы обращения с золой, включая методы очистки и устройства для очистки, а также действия по смягчению или ограничению ущерба. К последним относятся закрытие таких отверстий, как воздухозаборники и водозаборники, авиационные двигатели и окна во время пеплопадов. Дороги могут быть закрыты, чтобы обеспечить очистку от пеплопадов, или могут быть введены ограничения скорости, чтобы у автомобилистов не возникли проблемы с двигателем и они не оказались в затруднительном положении после пеплопада. Чтобы предотвратить дальнейшее воздействие на подземные водные системы или сети сточных вод, стоки и водопропускные трубы должны быть разблокированы, а пепел не должен попадать в систему. Зола может быть увлажнена (но не насыщена) путем опрыскивания водой, чтобы предотвратить повторную мобилизацию золы и облегчить очистку. Приоритетность операций по очистке важнейших объектов и координация усилий по очистке также являются хорошей практикой управления.

Рекомендуется эвакуировать домашний скот в районы, где пеплопад может достигать 5 см и более.

Почвы вулканического пепла

Основное использование вулканического пепла - обогащение почвы. После того, как минералы, содержащиеся в золе, смываются в почву дождем или другими естественными процессами, они смешиваются с почвой, образуя слой андизола . Этот слой очень богат питательными веществами и очень хорошо подходит для использования в сельском хозяйстве; Присутствие густых лесов на вулканических островах часто является результатом роста деревьев и их цветения в андизоле, богатом фосфором и азотом . Вулканический пепел также можно использовать вместо песка.

Languages

In other projects