Поиск - новости науки и техники

Сценарии для лавы. Математики вычислят последствия извержения вулканов.

Уменьшить риски, связанные с извержениями вулканов, – задача, актуальная для человечества всегда. И хотя перед жителями Урала проблема вулканической активности вроде бы не стоит, здесь есть ученые, которые успешно строят математические модели, описывающие “поведение” потоков вулканической лавы на рельефе местности. Заведующий отделом прикладных задач Института математики и механики УрО РАН доктор физико-математических наук Александр Короткий работает по этой тематике совместно с профессором Аликом Исмаил-Заде из Университета Карлсруэ (Германия), бывшим нашим соотечественником, а ныне генеральным секретарем Международного союза геодезии и геофизики. Корреспондент “Поиска” расспросила Александра Короткого о сути проекта.

– Как вы заинтересовались вулканической активностью?
– Разработкой аналитических и численных методов решения задач механики сплошной среды мы начали заниматься в связи с исследованиями других природных процессов. С 1990-х годов сотрудничаем с коллегами из Международного института теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН, основанного в 1989 году известным специалистом в области глобальной сейсмологии и тектоники академиком В.И.Кейлисом-Бороком. В то время там работал и Алик Исмаил-Заде – физик и геофизик, имеющий также познания в области вычислительной математики и численных расчетов. Мы тогда решали как раз геофизическую задачу – моделировали процесс образования осадочных бассейнов. Это впадины земной коры, заполнявшиеся в течение миллионов лет различными осадочными породами. Интерес к ним обусловлен в том числе тем, что в этих осадочных породах сосредоточены основные запасы нефти и газа, образовавшиеся в них под действием высоких температур. 
Другая задача того времени – моделирование процесса экструзии соли, возникновения так называемых соляных диапиров. Диапир (от греч. diapeiro – протыкаю, пронзаю) – это куполо- или валообразные складки земной поверхности. Они образуются в результате выдавливания из нижних горизонтов земной коры высокопластичных пород –  солей, глин. Соляные столбы обычно появляются в местах залежей соли и соленосных пород. В Иране диапиры поднимаются на высоту до полутора километров. Немало их и в Прикаспийском осадочном бассейне, в районе Соль-Илецка. Так называемая “соляная тектоника” также сопутствует нефтегазовым месторождениям. Соляные слои непроницаемы для нефти и газа, которые под ними накапливаются. Для нефтяников очень важно знать, где и как образуются диапиры, потому что, когда бур достигает соляных пород, он очень быстро изнашивается. Менять его дорого, особенно если бурение происходит на дне моря. Именно этим вызван практический интерес к моделированию процессов образования диапиров.
– А когда появились задачи, связанные с вулканологией? 
– Около семи лет назад. Правда, мы не занимаемся прогнозированием извержений. Наши модели описывают то, что происходит с потоками лавы после того, как извержение уже произошло. 
В качестве объекта моделирования был выбран известный североамериканский вулкан Йеллоустоун. Первое из трех гигантских извержений этого супервулкана произошло 2,1 миллиона лет назад, тогда выбросы поднялись на высоту 50 км, до верхней границы стратосферы, а вулканический пепел покрыл более четверти территории Северной Америки. Последнее суперизвержение случилось около 640 тысяч лет назад, и хотя оно было вдвое слабее, чем первое, вершина вулкана провалилась, образовав кальдеру с длиной окружности 150 км. В последнее время в СМИ появляются сообщения о том, что Йеллоустоун просыпается снова. И хотя, по мнению ученых, в настоящий момент вероятность гигантского извержения Йеллоустоуна очень мала, американское правительство финансирует проекты по предупреждению вулканической катастрофы, потому что она представляет угрозу самому существованию США. 
– Если представить, что извержение все же произошло, на какие вопросы могут дать ответы ваши модели?
– Очень важно знать, с какой скоростью и по каким траекториям будет растекаться извергнутая вулканом лава и каковы температура и вязкость лавового потока. Дело в том, что поверхность огненной реки очень быстро застывает, на ней образуется корка, которая обладает теплоизоляционными свойствами. Под ней лава может течь на очень большие расстояния, образуя каналы или тоннели. Известны случаи, когда такие скрытые лавовые потоки удалялись от вулкана на расстояние до 120 км. Они представляют огромную опасность: сжигают поля и дома, перекрывают автомобильные трассы. Чтобы смоделировать этот процесс, мы создавали виртуальный короб и “запускали” туда виртуальную лаву. 
Мы занимаемся также численным моделированием того, как лавовые потоки из разных источников взаимодействуют между собой, растекаясь по местности. Для этого используются геологические данные о предшествующих извержениях вулкана. Зная, какова была площадь, залитая лавой, мы можем, запустив виртуальный процесс, видеть, каким образом происходила заливка. Смоделировав с большой точностью старое извержение с учетом рельефа местности, можно определить потенциально опасные участки при вероятной новой вулканической катастрофе.
При численном моделировании потока лавы возникают как прямые, так и обратные задачи. Измерить температуру на поверхности лавового потока еще возможно. В одних  случаях, если это относительно безопасно, человек может сделать это с помощью тепловизора, в других приходится запускать дрон. Но как измерить параметры лавового потока – температуру, вязкость, скорость – внутри него? Туда приборы внедрить невозможно. И тут возникает обратная задача: восстановить характеристики лавы во всей модельной области как снаружи, так и внутри, по измерениям температуры и потока тепла на дневной поверхности. Для решения этой обратной граничной задачи мы и разрабатываем методы и алгоритмы.
– А откуда берутся геологические и другие необходимые для моделирования данные по североамериканскому вулкану? 
– Мы сотрудничаем с членом-корреспондентом РАН Олегом Мельником из Института механики МГУ, специалистом в области механики природных процессов и вулканологии, а ему поставляют информацию американские коллеги из Университета Аризоны. Научиться хотя бы частично предотвращать катастрофические последствия извержения вулканов – задача глобального уровня, и без международного научного сотрудничества ее не решить.
Елена ПОНИЗОВКИНА
На снимке: Александр Короткий (слева) и Алик Исмаил-Заде на символической границе Европы и Азии  

Нет комментариев