Лава бывает двух «ароматов». Ученые, возможно, наконец-то поняли, почему

Во время семейного отпуска в 2018 году Дженни Сакейл бродила по старому гавайскому потоку лавы, когда ее внимание привлекло резкое изменение угольно-черных камней. С одной стороны была гладкая, волнистая лава, называемая пахохо (произносится как тьфу-хой-хой); с другой — острый, зазубренный, известный как аа (произносится как ай-ай). С того дня Сакейла, геофизика из Стэнфордского университета, мучил обманчиво простой вопрос: что вызывает резкое изменение текстуры, наблюдаемое в лавах по всему миру?

На протяжении многих лет ученые указывали на множество возможных виновников: скорость потока, уклон земли, по которой он сочится, или количество извергнутой лавы. Но ни один фактор не объяснил этот сдвиг. Теперь, моделируя динамику потоков лавы, Сукел и ее коллеги предложили другое объяснение: резкий переход может быть вызван хаотичным перемешиванием потока расплавленной породы, сообщила команда в прошлом месяце в журнале Geophysical Research Letters.

Понимание того, как пахоэхо превращается в аа, — это больше, чем просто научное любопытство, поскольку два типа лавы движутся с разной скоростью и представляют разные опасности. Хотя ученые хорошо умеют предсказывать, куда в целом движется лава, гораздо более сложная проблема заключается в том, как быстро и далеко движется лава. «Возможность наметить этот переход между типами потоков будет иметь большое значение для выяснения этих вопросов», — говорит Лейф Карлстром, ученый-геолог из Университета Орегона, который не входил в исследовательскую группу.

Для создания новой модели Сакейл и ее коллеги черпали вдохновение из эксперимента, проведенного почти столетие назад геологом О. Эмерсоном в Гавайском университете в Маноа. Эмерсон измельчил кусочек затвердевшего пахоэхо, оставшегося после извержения гавайского вулкана Килауэа в 1920 году, и нагрел измельченную породу в печи до тех пор, пока она не раскалилась добела и не начала сочиться, как мед. Затем он выключил печь и перемешал расплавленный материал металлическим стержнем.

Через несколько минут он затвердел и превратился в коренастую текстуру, похожую на аа. По словам ведущего автора исследования Кансу Калха, научного сотрудника Университета Британской Колумбии, перемешивание лавы подобно помешиванию чашки чая ускорило охлаждение и, по-видимому, спровоцировало образование аа.

Исследователи задались вопросом, может ли смешивание также спровоцировать переход в природе посредством явления, называемого сдвиговой нестабильностью. Когда два слоя внутри текущего вещества движутся с разной скоростью, более быстрый слой при прохождении тянется за более медленным слоем. «Они просто как-то не так трутся друг о друга», — говорит Сакале. В результате любая рябь вдоль границы между слоями превращается в турбулентные волны.

Чтобы проверить эту идею, исследователи создали модель гидродинамики, имитирующую поведение виртуальной лавы, разделенной на два слоя: более холодный и липкий верхний слой, расположенный на более горячем и быстром нижнем. На границе между двумя слоями они создали небольшую рябь, которая неизбежно образуется из-за обычных в природе несовершенств, таких как подстилающие неровности на земле или пузыри в лаве.

Затем команда проверила стабильность лавы в диапазоне скоростей, вязкости и толщины слоя. Анализ показал, что во многих случаях изменения в окружающей среде, такие как увеличение крутизны склонов или увеличение скорости извержений, усиливали рябь, что могло привести к безудержному перемешиванию и вероятному образованию аа. «Это может довольно быстро выйти из-под контроля», — говорит Сакел.

Новая модель может помочь объяснить разнообразие ранее наблюдавшихся условий, запускающих переход от пахоехо к аа, или почему иногда этого вообще не происходит. «Это очень интересная возможность», — говорит Арианна Солдати, вулканолог из Университета штата Северная Каролина, которая не входила в исследовательскую группу.

Но необходимы дополнительные испытания, чтобы показать, что модель отражает реальность под шипящей поверхностью лавы. Поскольку лаву сложно изучать напрямую, одной из возможностей было бы проверить модель в лаборатории, используя аналог расплавленной породы, такой как воск, предполагает Карлстром.