Ученые Института общей физики РАН под руководством главного научного сотрудника института, доктора физико-математических наук Сергея Першина обнаружили, что циркуляция воздуха в тоннеле над очагом вулкана Эльбрус обратна общепринятой. Объясняется такая реверсия циркуляции наличием в воздухе тоннеля тяжелых горячих вулканических газов.
Вид на гору Эльбрус с плато Бийчесын
Фото: Александра Ларинцева, Коммерсантъ
Вид на гору Эльбрус с плато Бийчесын
Фото: Александра Ларинцева, Коммерсантъ
Горячие газы из очага вулкана поступают в тоннель по трещинам, нагревают его основание примерно до 40 градусов Цельсия и запускают циркуляцию воздуха. Однако не обычную, тривиальную циркуляцию, которая, согласно закону Архимеда, формируется в обитаемом помещении, особенно зимой, с включенными элементами обогрева под окнами: теплый воздух поднимается вверх, перемещается у потолка и опускается у двери. В нашем случае, несмотря на горячее основание тоннеля, циркуляция воздуха запускается в обратном направлении (реверс): «холодный» (примерно 30 градусов Цельсия) воздух из штольни, в которую выходит тоннель, втягивается в тоннель под его сводом, опускается у глухой стены к основанию и стекает вниз к выходу из тоннеля. Инверсия температуры, когда холодный воздух выше горячих газов у основания тоннеля, указывала на еще одну аномалию с нарушением закона Архимеда.
Физика открытого явления обсуждается ниже и обосновывает наблюдаемые аномалии.
Открытая учеными ИОФ РАН реверсивная циркуляция перемешивает аэрозоли, выносимые газами из очага вулкана, что маскирует вулканическую активность и затрудняет поиск предвестников извержения и, возможно, землетрясения лазерным радаром-лидаром.
В Институте общей физики им. А.М. Прохорова установлен монитор, который в режиме реального времени отображает сигналы, измеряемые оборудованием в «горячем» тоннеле БНО, сверху вниз: сигналы аэрозольного рассеяния (красная, черная и зеленая линии), влажность воздуха (синяя линия), концентрации метана и углекислого газа в воздухе (темно-синяя и серая линии), температура воздуха (толстые красная и оранжевая линии), атмосферное давление (тонкая оранжевая линия)
Фото: Предоставлено Сергеем Першиным / Институт общей физики РАН
В Институте общей физики им. А.М. Прохорова установлен монитор, который в режиме реального времени отображает сигналы, измеряемые оборудованием в «горячем» тоннеле БНО, сверху вниз: сигналы аэрозольного рассеяния (красная, черная и зеленая линии), влажность воздуха (синяя линия), концентрации метана и углекислого газа в воздухе (темно-синяя и серая линии), температура воздуха (толстые красная и оранжевая линии), атмосферное давление (тонкая оранжевая линия)
Фото: Предоставлено Сергеем Першиным / Институт общей физики РАН
Физика явления такова.
Тоннель с глухой стеной находится над очагом вулкана Эльбрус, под горой Андырчи, в 20 км от кратера вулкана Эльбрус, в конце штольни Баксанской нейтринной обсерватории, на удалении примерно 4 тыс. м от входа в штольню. Горячие газы вулкана поступают по трещинам в тоннель и нагревают его основание примерно до 40 градусов. Легкие и летучие вулканические газы (водород, гелий, метан) перемешиваются с воздухом и охлаждаются до средней температуры. Напротив, тяжелые магматические газы (радон, углекислый газ, оксид серы, сероводород) тонут в воздухе и формируют у основания тоннеля слой горячих и тяжелых газов. Например, радон (222Rn) тяжелее воздуха в 7,6 раза и тонет в воздухе, как железо в воде. Из-за малой вязкости и большой плотности эти газы стекают вниз по наклонному основанию от глухой стены к выходу тоннеля в штольню Баксанской нейтринной обсерватории. Сток тяжелых газов создает у глухой стены разряжение, которое втягивает «холодный» (примерно 30 градусов) воздух из штольни под сводом тоннеля. Этот поток достигает глухой стены, опускается к основанию тоннеля, увлекается тяжелыми газами, стекает вниз и замыкает реверсивную циркуляцию в обратном направлении. Формируется аномальный градиент температуры с холодным воздухом вверху, то есть наблюдается инверсия температуры по вертикали.
«Горячий» тоннель Геофизической лаборатории №2 в Баксанской нейтринной обсерватории
Фото: Предоставлено Сергеем Першиным / Институт общей физики РАН
«Горячий» тоннель Геофизической лаборатории №2 в Баксанской нейтринной обсерватории
Фото: Предоставлено Сергеем Першиным / Институт общей физики РАН
Открытая ИОФ РАН реверсия циркуляции поддерживается теплом вулкана и потому неостановима. Существенно то, что она разрушает стабильные условия в тоннеле, которые необходимы для мониторинга активности вулкана с целью поиска предвестников извержения или землетрясения лазерным радаром по вариации выносимых газами аэрозолей.
Оптический приемо-передающий блок компактного аэрозольного лидара. Справа налево: объектив приемника (однофотонного лавинного фотодиода), объектив передатчика (импульсного диодного лазера), вспомогательный лазер-целеуказатель
Фото: Предоставлено Сергеем Першиным / Институт общей физики РАН
Оптический приемо-передающий блок компактного аэрозольного лидара. Справа налево: объектив приемника (однофотонного лавинного фотодиода), объектив передатчика (импульсного диодного лазера), вспомогательный лазер-целеуказатель
Фото: Предоставлено Сергеем Першиным / Институт общей физики РАН
Группа ученых под руководством Сергея Першина предложила и протестировала экранировку трассы зондирования от циркуляции «чужих» аэрозолей для повышения чувствительности мониторинга методом ее погружения в слой тяжелых газов.
Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда №19–19–00712.
Использованы материалы статьи Sergey Pershinetal. Laser Phys. Letters, 2020 г.