Чем вулканы похожи на реактивные двигатели

Везувий в Италии — один из самых известных в мире вулканов. Сложение его конуса хорошо изучено, и многочисленные туристы осматривают кратер, прогуливаясь по самому краю кромки. Кратер представляет собой пропасть с почти вертикальными, слегка расходящимися кверху стенками. Можно взглянуть на него иначе. С точки зрения газодинамики перед нами вулканическое сопло.

Сопло — это структура, создающая струю истечения. Кратер и его канал извергают с большим давлением и температурой вулканические газы и пары, насыщенные минеральной взвесью. С такой большой плотностью энергии газ не течет пассивно и неизменно; он совершает работу. Это и образование минеральной взвеси, и взламывание пластов породы, и разброс твердого материала. При удачном стечении условий (готовый канал, слабое минеральное наполнение газов) много энергии парогазовой смеси может идти на разгон извергаемой струи.

Для этого нужна особая геометрия канала, делающая такой разгон высокоэффективным. У многих кратеров стенки почти отвесные, с расширением кверху — узкие воронки, идущие со дна кратера. Если под самым узким местом такого канала есть лежащее глубже расширение, то при достаточной энергии газов эта форма может работать соплом Лаваля, создавая сверхзвуковой поток.

Близким газодинамическим аналогом вулканического сопла выступает ракетный двигатель на твердом топливе. Температуры горения ряда твердых топлив (смесевых порохов без металлов в своем составе) невысоки, пара тысяч градусов. Их газы содержат мелкодисперсную минеральную взвесь продуктов сгорания. Очень похожую на минеральные пепловые компоненты вулканических газов, при схожих давлениях и температурах.

Канал вулкана начинается в магматическом котле. В верхней части котла иногда возникает газовая подушка, запертая кратерной пробкой. Температура смеси паров и газов достигает 1500–1800°C, давление - десятков атмосфер. По этим параметрам вулканические газы совпадают с газами ракетного двигателя с низкими температурами горения. После взрыва пробки освобожденные газы образуют поток с разгоном до сверхзвука, если есть сужение-расширение канала. Из кратера выходит сверхзвуковая струя.

Сопла бывают разными

Сопла Лаваля имеют разную геометрию, подчиняясь общему закону наличия талии. Внутреннее сужение — это возможность перехода потока в канале с дозвука в сверхзвук. В самом узком месте установится скорость звука. Разделив проточную часть на дозвуковую и сверхзвуковую.

Чем больше давление и температура перед соплом, тем больше расширяется газ и разгоняется поток. Расширение газа идет главным образом в сверхзвуковой части канала. Степень расширения — это отношение площадей выходного сечения (среза) и самого узкого (критического) сечения сопла. Например, в двигателях РД-107 и РД-108 первой ступени РН «Союз», возящей космонавтов, степень расширения 16. Для такого расширения давление в камере сгорания РД-107 держат на уровне 60 атмосфер. Что далеко не предел — в камерах бывают и две-три сотни атмосфер. Поэтому в двигателях мощных ракет самое узкое место выглядит осиной талией перед широкой юбкой сверхзвуковой части сопла.

Есть сверхзвуковые сопла с гораздо меньшим давлением. Это сопла авиационных форсажных двигателей боевых самолетов. Давление перед соплом лишь несколько атмосфер, поэтому степень его расширения невелика, порядка 2. В усиленном режиме (форсаже) перед соплом сжигают добавочные порции топлива. Газ нагревают на +1000°C, накачивая теплом. И сопло выдает усиленный сверхзвуковой поток, с ростом тяги почти вдвое. Геометрия кратера может быть близка к форме такого авиационного сопла с малым сужением и расширением. А параметры газа перед соплом двигателя схожи с вулканическими: температура 1700°C, давление 5–6 атмосфер.

Сверхзвуковые струи реальных извержений

Современные наблюдения фиксируют разные сверхзвуковые события в извержениях. Большую долю составляют ударные волны от взрывов, то есть движущиеся со сверхзвуковой скоростью колебания давления. В других случаях возникает сверхзвуковой газовый поток.

Шум его очень похож на звук авиационного форсажа и ракетного двигателя. И это не просто метафора. При извержении африканского вулкана Набро в Эритрее 12 июня 2011 года шум его струи записывался и сравнивался со звуком реактивной струи. Как пишут исследователи, «были выбраны данные испытаний реактивного двигателя самолета F/A-18E Super Hornet и ракетного двигателя GEM-60. Данные F/A-18E взяты из теста, в котором закрепленный самолет работал на форсаже, записи делались конденсаторным микрофоном Bruel and Kjaer 4938 диаметром 6,35 мм. GEM-60 — твердотопливная ракета, используемая в качестве ускорителя для ракеты-носителя Delta IV, со средней тягой в вакууме 83 тонны. Ракета имеет длину 16,2 м и сопло диаметром 1,52 м. Данные ускорителя GEM-60 записаны микрофоном GRAS 6,35 мм 40BD». Сравнение спектра звучания показало высокую степень сходства, подтверждая общую сверхзвуковую природу источника звука.

В России акустику извержений исследуют давно, на базе многочисленных камчатских вулканов; информация растет по мере наблюдений. Микробарографические данные позволили смоделировать и описать (П. П. Фирстов, 1996) динамику известного мощного извержения Шивелуча 11 ноября 1964 года. Тогда снесло больше кубического километра породы, возник кратер размером в пару километров. Автор не раз наблюдал след этого плинианского извержения в виде черно-бурого слоя пемзы шириной с ладонь, видный на стенках шурфов в десятке километров от кратера. Всякий, кто в шурф у подножий заглянет, сам наберет и подарит кому-то — пемзой оттуда орудует в бане личный состав измерительных пунктов.

Вулкан создает сопло Лаваля

Как возникнет сужение в канале вулкана, не разрушаясь при извержении? Возможно, временным ослаблением режима извержений. Сначала, при большом давлении в магматической камере, вулкан выбрасывает рыхлые раздробленные минеральные массы, слагающие его конус. Они сильнее насыщены газами, поэтому более пористые и легкие.

Если давление в камере слабеет (например, из-за прошлых извержений), выброс рыхлого материала прекращается и на конус вулкана с меньшим напором изливаются более плотные расплавы. Они отлагают прочный застывший каменный (обычно базальтовый или андезитовый) слой на рыхлом конусе. Далее питание вулкана может снова усилиться. Например, при подъеме к магматическому очагу порции расплава от субдуцирующей плиты под вулканом. Плотный лавовый пласт засыпается снова рыхлым и пористым материалом — продуктом возросшего давления в магматической камере и насыщения магмы газами.

Так внутри конуса вулкана отлагается прочный слой, образующий критическое сечение в канале вулкана. Нижние рыхлые слои могут обрушаться в пустеющую камеру, задавая дозвуковое сужение сопла (возможно, прямо в ходе извержения). А наружные рыхлые слои над прочными застывшими расплавами разбрасываются взрывами и расширяются эрозией парогазового потока, образуя сверхзвуковую часть сопла.

Время работы сопла может быть разным. Оно зависит от размеров канала, режима расхода, запаса газов в питающем очаге, температуры и давления газов, их состава, размеров магматической камеры, механизма и зональности выделения газов из магмы. В выпуске за сентябрь 2020 года «Ъ-Наука» писала о динамике дегазации магмы и механизмах обильного газоотделения из магмы на больших глубинах до 30 км, охватывающих очень большие объемы расплавов. Такие процессы играют ключевую роль в питании вулканического сопла. Объемы выделяемых газов определяют мощность и длительность работы сопла и изменение режима. На секунды и минуты поток может стать сверхзвуковым. В слабых проявлениях в кратере создается околозвуковой поток, дующий вверх по воронке несколько секунд.

Сверхзвуковой сверхвулканизм

Чем ограничится мощность природного сопла Лаваля?

Очевидно, газ не должен взорвать конус кратера и разрушать сопло. При больших диаметрах канала газ может истекать не разрушая — был бы ему достаточный выход. Что ограничивает мощность явления в этом случае? Широкие каналы требуют большой расход газов. Насколько хватит источника, чтобы питать такое жерло? И развить в нем сверхзвуковое течение?

Вопрос расхода газов — это вопрос дегазации магмы. Чем больше объем магматического очага и насыщенность магмы газами — тем больше потенциал питания сопла. Важен механизм оперативной дегазации. Если все слагаемые велики, пределы газового питания сверхсопла просматриваются плохо, ибо объемы расплавов могут быть гигантскими. Так в прошлом могли возникать и работать сопла огромной мощности.

В ходе миллиардов лет вулканизма Земли, при масштабе и разнообразии его проявлений, природа могла создавать сверхмощные сверхзвуковые сопла в ряду столь же удивительных образований, как, например, протерозойский природный ядерный реактор в габонском Окло.

Работа вулканического сопла создает огромную реактивную силу. Она давит на вулкан с усилием в миллионы тонн, смотря по масштабу события. Под действием такой силы кратер должен оседать вниз сильнее обычного гравитационного процесса, вдавливаемый реактивной отдачей. Одновременно происходит коррекция формы чаши кратера за счет давления газов на ее поверхность.

Крупномасштабная сверхзвуковая струя способствует раннему обрушению конуса. Ее реактивная сила добавочно нагружает конус, провоцируя его провал в магматическую камеру раньше, при большем давлении в ней, делая такое обрушение более взрывообразным и динамичным.

Сверхмощные сверхзвуковые струи оставляли следы. Можно анализировать вулканические местности для поиска таких следов на окружающем рельефе. Можно попробовать найти сверхзвуковые кратерные формы, характерные сигнатуры, возникающие при воздействии реактивной силы на кратер. Газодинамический анализ кратеров обнаружит следы реактивного воздействия, ранее не открытые.

Кроме кратера, следы оставались на окружающем рельефе. Гигантская сверхзвуковая струя создавала колоссальное звуковое давление на прилегающую местность. Акустическое излучение гипотетически могло достигать плотности энергии, ровняющей ближний рельеф. Большое давление звукового поля могло, возможно, заставить катиться валуны, становящиеся в таком случае акустическими эрратическими валунами. И не обязательно вниз, но и вверх по склону. В зонах большого акустического давления может инициироваться оползневая активность на склонах, принимающих поток акустической энергии и разжижаемых вибрациями.

Человек встречал сильные акустические поля лишь в своем техническом масштабе. Максимальный уровень постоянного звука (ударные волны не в счет), созданный конструкциями человека, достигал 220 децибел при старте ракеты Saturn V. Вулканический сверхзвук мог превышать этот уровень на порядки, до многих сотен и до тысяч децибел. Моделирование воздействия вулканической сверхзвуковой струи на местность, выбор характерных картин и признаков создаст основу поиска следов этих воздействий.

На Земле, гипотетически, возникали крупномасштабные сверхзвуковые течения вулканических газов. Они оставляли специфические следы, которые могут сохраняться до наших дней и быть прочитаны, выделены в общем «шуме» воздействий на рельеф. Сверхмощные сверхзвуковые струи и их звуковые поля стоит признать отдельным фактором воздействия на местность. Возможно выделение звуковой или акустической эрозии, как комплекса специфических акустических воздействий. Поиск мощных сверхзвуковых струй прошлого можно вести по данным высокоточного картографирования, с моделированием вулканических сверхзвуковых структур. Прогнозировать остаточную морфологию после их «работы». Потребуются модели действия мощной сверхзвуковой струи на ландшафт.

Сверхзвуковой апокалипсис

Такие струи были катастрофическими событиями с непривычными факторами смертоносности. Диаметры сверхзвуковых струй могли достигать сотни метров, а может, и больше — вспомним про супервулканы. В небо на километры поднимались крупномасштабные сверхзвуковые потоки со скачками уплотнения — дисками Маха, лежавшими вертикальным слоеным столбом от кратера до облаков. Диски Маха излучали мощное акустическое поле на широкие окружающие пространства. Мгновенно погибали птицы в ближних окрестностях. За ними наземные животные. Происходило особое поражение местности — поражение звуковым полем. Иерихонская труба могла быть сверхзвуковой. Природной сверхзвуковой трубой. Вблизи она звучала смертельно — то есть никак. Время реакции человека на звук — порядка 0,12 секунды. Возле струи наблюдатель погибал раньше, чем успевал что-то услышать. Уровень шума 200 децибел для человека смертельный. Что тогда сказать об уровнях 500–800 децибел — это мгновенная смерть за доли секунды. Дальше от струи располагались нелетальные зоны звуковых контузий.

Возможно, шум такой мощности — сильнейший длительный звук, когда-либо возникавший на Земле. Звуковым полем могло ломать деревья, обрывать ветки. Катить камни. Вырывать заросли травы. Гнать воду из озер и ручьев. Делать рыхлой и быстротекучей ледниковую массу, превращая ее в сползающий сель. Он мог ползти и вверх по склону под действием сильного звукового давления.

При мощном акустическом воздействии на влажный воздух возникал плотный туман — на местность падала непроницаемая завеса. Но могло быть и ясно, смотря в какой климатической зоне и при какой погоде возникал сверхзвуковой апокалипсис. Пробивание тропопаузы вулканической струей происходило уже не тепловой энергией и архимедовой силой, а за счет кинетической энергии, являя особый, исключительный газодинамический тип проникновения в стратосферу. Столб пепла и пара мог оставаться сверхзвуковым до стратосферы. С падением плотности воздуха его тормозящее действие быстро снижалось, оставалась только гравитация. Запаса скорости хватало для кинетического прохождения стратосферы насквозь, до ионосферы. При хорошей освещенности столб крупномасштабного сверхзвукового потока виднелся за тысячу километров плотной вертикальной полосой над горизонтом. Происходил прямой газодинамический вдув в ионосферу вулканического материала — газов и паров, минеральной пыли, серной кислоты. Это изменяло ионосферу. В самых сильных сверхзвуковых извержениях поток мог достигать высот 200–300 км, с рассасыванием газовых компонент и последующим гравитационным оседанием минеральной пыли. Поднимаясь над 100-километровой линией Кармана, назначенной границей атмосферы, вулканические струи становились космическими.

Возможно, подобные картины встречал человек на своем долгом пути, на палеолитическом этапе или в более поздние времена. В человеческой культуре следы сверхзвуковых вулканических струй прямо не зафиксированы. Либо свидетели погибали в звуковом поле, хотя могли выживать с контузиями на периферии, где акустика слабела ниже смертельных уровней. Либо такие события происходили вне населенной людьми местности, в том числе до возникновения человека.

Мелкие флейты и грохот трещин

Могут существовать и мелкие формы сверхзвуковых вулканических струй. С соплами в десятки метров и метры. Важна форма, а не размер. Они работают с меньшими запасами рабочего тела в питающем резервуаре. Растет ли число природных сверхзвуковых сопел с уменьшением их размера?

Сверхзвуковое сопло к тому же не обязательно круглое в сечении. Оно может быть щелевым, но с тем же характером канала — сужением-расширением. В реактивной турбине разгон газа происходит в щелях между лопатками, со сверхзвуковым профилем щели. Щелевых сопел известно много, они есть и у авиадвигателей — например, на самолете F-22.

А у вулканов широко известен трещинный тип. Извержение происходит через трещину главного разлома — газодинамический аналог круглого кратера стратовулкана. Или систему разломов и трещин. Трещины с подходящей геометрией (сужение-расширение канала) могут сделать сжатый и нагретый газопылевой поток сверхзвуковым, работая щелевым соплом.

На местности действия таких трещин возникали сверхзвуковые заборы — плоские или изогнутые поверхности сверхзвуковых струй. Они могли располагаться как угодно — неровно, под наклоном, где усиливаясь, где ослабевая. Со временем меняя свое положение, направление и работу. Конфигурация трещин и режим подведения к ним газов варьировались.

Тут работала не только акустика. Плоские струи могут падать на близкий уступ, край разлома, течь по неровностям склона. Насыщенность газов минеральным материалом запускает сверхзвуковые пескоструйные машины, шлифующие твердые поверхности минеральным абразивом. Шлифовка газопылевым потоком сродни ледниковой штриховке твердых пород, но более растушеванная, с абразивным размывом.

Как выглядели черные или бурые сверхзвуковые стены, вдруг выраставшие на десятки и сотни метров? В них горели красным разогревом зоны скачков уплотнения. В плоской струе это уже не диски Маха, а вытянутые «доски Маха», располагавшиеся поперек плоского потока. Как грохотали эти плоские струи, могла ли их вогнутая форма фокусировать звуковое поле в каком-либо направлении, создавая направленные максимумы звукового давления? Точнее показало бы моделирование таких явлений, углубляя наше понимание. Возможно, даже до возможности услышать звучание сверхзвуковых сиринг Гефеста. Которые ждут своих исследователей и хранят для них будущие открытия.

Николай Цыгикало