Взрывные озера: Редкие катастрофы и лимнические извержения

Введение

Вид стихийного бедствия

Лимническое извержение, также известное как переворот озера, – это очень редкий вид стихийного бедствия, при котором растворенный углекислый газ внезапно высвобождается из глубоких слоев воды, образуя газовое облако, способное вызвать удушье у диких животных, скота и людей. Лимническое извержение также может вызывать цунами или сейши, поскольку поднимающийся газ вытесняет воду. Ученые полагают, что землетрясения, вулканическая активность и другие взрывные события могут служить триггерами для лимнических извержений. Озера, в которых происходит такая активность, называют лимнически активными озерами или взрывающимися озерами. Некоторые характеристики лимнически активных озер включают:
насыщенную поступающую воду
холодное дно озера, указывающее на отсутствие прямого вулканического тепла в воде озера
верхний и нижний тепловые слои с различной степенью насыщения
близость к районам вулканической активности

Исследования трагедий на озерах Монун и Ньос привели ученых к классификации лимнических извержений как отдельного типа стихийного бедствия, хотя они могут быть косвенно связаны с вулканическими извержениями.

Исторические события

Из-за в значительной степени невидимой природы основной причины (газа) лимнических извержений, трудно определить, насколько часто происходили извержения в прошлом. Римский историк Плутарх сообщает, что в 406 году до н.э. озеро Альбано поднялось выше окружающих холмов, несмотря на отсутствие дождя и притоков, способных объяснить повышение уровня воды. Последующее наводнение уничтожило поля и виноградники, прежде чем в конечном итоге вылилось в море. Считается, что это событие было вызвано вулканическими газами, скопившимися в отложениях на дне озера и постепенно накапливавшимися, пока внезапный выброс не вызвал переполнение воды. В новейшей истории это явление наблюдалось дважды. Первое задокументированное лимническое извержение произошло в Камеруне на озере Монун в 1984 году, вызвав удушье и гибель 37 человек, проживавших поблизости. Второе, более смертоносное извержение произошло на соседнем озере Ниос в 1986 году, выпустив более 80 миллионов кубических метров газа, что привело к гибели около 1700 человек и 3000 голов скота, также от удушья. Третье озеро, гораздо более крупное озеро Киву, расположено на границе между Демократической Республикой Конго и Руандой и содержит огромное количество растворенных газов. Образцы отложений, взятые из озера, показали, что событие, вызвавшее вымирание живых существ в озере примерно каждые 1000 лет, также привело к затаскиванию близлежащей растительности обратно в озеро. Лимнические извержения можно обнаружить и количественно оценить по шкале концентрации, отбирая пробы воздуха из пострадавшего региона. В Мессельской яме окаменелостей в Месселе, Германия, имеются свидетельства лимнического извержения в раннем эоцене. Среди жертв – прекрасно сохранившиеся насекомые, лягушки, черепахи, крокодилы, птицы, муравьеды, насекомоядные, ранние приматы и палеотерии.

Причины

Чтобы озеро подверглось лимническому извержению, вода должна быть почти насыщена газом. В двух зафиксированных случаях, в озере Ньос и озере Монун, основным компонентом был углекислый газ. В случае с озером Киву ученые, включая физика озер Альфреда Джонни Вюста, также выражали обеспокоенность по поводу концентрации метана. Газ может образовываться из вулканических газов, выделяемых из-под озера, или в результате разложения органического материала. До того, как озеро насытится, оно ведет себя как неоткрытая газированная вода: газ растворен в воде. Как в озерах, так и в газированной воде, газ растворяется гораздо легче при более высоком давлении в соответствии с законом Генри. Когда давление снижается, газ выходит из раствора в виде пузырьков, которые поднимаются на поверхность. Газ также легче растворяется в холодной воде, поэтому очень глубокие озера могут растворять большие объемы газа, поскольку с глубиной давление увеличивается, а температура снижается. Небольшое повышение температуры воды может привести к высвобождению большого количества газа. Как только озеро насыщается, оно становится очень нестабильным и издает запах тухлых яиц и пороха, но для начала извержения необходим триггер. В случае извержения озера Ньос в 1986 году, оползни считались вероятными триггерами, но извержение вулкана, землетрясение или даже сильные ветры и дожди также могут стать потенциальными триггерами. Лимнические извержения также могут быть вызваны постепенным насыщением газа на определенных глубинах, что приводит к спонтанному развитию газового пузыря. Независимо от причины, триггер поднимает насыщенную газом воду в верхние слои озера, где пониженное давление недостаточно для удержания газа в растворе. Сила Архимеда, создаваемая пузырьками, поднимает воду еще выше, высвобождая еще больше газа. Этот процесс формирует столб газа, при котором вода на дне поднимается вверх под действием всасывания и также теряет газ в неуправляемом процессе. Извержение выбрасывает газ в атмосферу и может вытеснить достаточно воды, чтобы образовать цунами. Лимнические извержения – исключительно редкое явление по нескольким причинам. Во-первых, должен существовать источник газа; наибольшему риску подвержены регионы с вулканической активностью. Во-вторых, подавляющее большинство озер являются голомиктическими (их слои регулярно перемешиваются), что предотвращает накопление растворенных газов. Только меромиктические озера стратифицированы, что позволяет газу оставаться растворенным. По оценкам, на каждые 1000 голомиктических озер приходится только одно меромиктическое озеро. Наконец, озеро должно быть достаточно глубоким, чтобы иметь достаточное давление воды, способное растворить большие объемы газа.

For a lake to undergo a limnic eruption, the water must be nearly saturated with gas. was the primary component in the two observed cases, Lake Nyos and Lake Monoun. In Lake Kivu's case, scientists, including lake physicist Alfred Johny Wüest, were also concerned about the concentrations of methane. may originate from volcanic gas emitted from under the lake, or from decomposition of organic material. Before a lake becomes saturated, it behaves like an unopened carbonated soft drink: the is dissolved in the water. In both lakes and soft drinks, dissolves much more readily at higher pressure due to Henry's law. When the pressure is released, the comes out of solution as bubbles of gas, which rise to the surface. also dissolves more readily in cooler water, so very deep lakes can dissolve very large amounts of since pressure increases, and temperature decreases, with depth. A small increase in water temperature can lead to the release of a large amount of
Once a lake is saturated, it is very unstable and it gives off a smell of rotten eggs and gunpowder, but a trigger is needed to set off an eruption. In the case of the 1986 Lake Nyos eruption, landslides were the suspected triggers, but a volcanic eruption, an earthquake, or even wind and rain storms can be potential triggers. Limnic eruptions can also be caused by gradual gas saturation at specific depths triggering spontaneous gas development. Regardless of cause, the trigger pushes gas saturated water higher in the lake, where the reduced pressure is insufficient to keep gas in solution. The buoyancy from the resulting bubbles lifts the water even higher, releasing yet more bubbles. This process forms a column of gas, at which point the water at the bottom is pulled up by suction, and it too loses in a runaway process. This eruption discharges the gas into the air and can displace enough water to form a tsunami. Limnic eruptions are exceptionally rare for several reasons. First, a source must exist; regions with volcanic activity are most at risk. Second, the vast majority of lakes are holomictic (their layers mix regularly), preventing a buildup of dissolved gases. Only meromictic lakes are stratified, allowing to remain dissolved. It is estimated only one meromictic lake exists for every 1,000 holomictic lakes. Finally, a lake must be very deep in order to have sufficiently pressurized water that can dissolve large amounts of .

Последствия

Когда происходит извержение, над озером образуется большое облако, которое распространяется на окружающий регион. Поскольку углекислый газ плотнее воздуха, он имеет тенденцию опускаться к земле, одновременно вытесняя пригодный для дыхания воздух, что приводит к удушью. Углекислый газ может сделать жидкости организма человека сильно кислыми и потенциально вызвать кислотное отравление. Когда жертвы пытаются вдохнуть воздух, они фактически ускоряют удушье, вдыхая углекислый газ. У озера Ньос газовое облако опустилось в близлежащую деревню, где оно оселось, убив почти всех; сообщалось о жертвах на расстоянии до 26 километров. Изменение цвета кожи на некоторых телах заставило ученых предположить, что газовое облако могло содержать растворенную кислоту, такую как хлороводород, хотя эта гипотеза оспаривается. Многие жертвы были обнаружены с волдырями на коже, предположительно вызванными пролежнями, которые, вероятно, были вызваны низким уровнем кислорода в крови у тех, кто задохнулся от углекислого газа. Ближайшая растительность в основном не пострадала, за исключением растений, растущих непосредственно у озера. Там растительность была повреждена или уничтожена высоким цунами, вызванным сильным извержением.

Выпуск газов

Сейчас ведутся работы по разработке решения для удаления газа из этих озер и предотвращения его накопления, которое может привести к новой катастрофе. В 1990 году группа ученых во главе с французским ученым Мишелем Халбваксом начала эксперименты на озерах Монун и Ниос, используя сифоны для контролируемой дегазации воды этих озер. Команда установила трубу вертикально в озере, с верхним концом над поверхностью воды. Вода, насыщенная газом, поступает в нижнюю часть трубы и поднимается вверх. Пониженное давление на поверхности позволяет газу выйти из раствора. Для запуска потока необходимо первоначально механически прокачать небольшое количество воды через трубу. По мере подъема насыщенной воды газ выходит из раствора и образует пузырьки. Естественная плавучесть пузырьков поднимает воду по трубе с высокой скоростью, образуя фонтан на поверхности. Дегазирующая вода действует как насос, затягивая больше воды в нижнюю часть трубы и создавая самоподдерживающийся поток. Это тот же процесс, который приводит к естественному извержению, но в данном случае он контролируется диаметром трубы. Каждая труба имеет ограниченную производительность, и для дегазации значительной части глубоководных вод озер Монун и Ниос и обеспечения их безопасности потребуется несколько труб. Глубоководные воды озер слегка кислые из-за растворенного газа, что вызывает коррозию труб и электроники, требуя постоянного обслуживания. Существует опасение, что газ, выходящий из труб, может оседать на поверхности озера, образуя тонкий слой воздуха, непригодного для дыхания, и, таким образом, потенциально создавая проблемы для дикой природы. В январе 2001 года французско-камерунская команда установила одну трубу на озере Ниос, а еще две трубы были установлены в 2011 году при финансовой поддержке Программы развития Организации Объединенных Наций. На озере Монун труба была установлена в 2003 году, а еще две – в 2006 году. С тех пор озеро считается безопасным. Есть данные о том, что озеро Мичиган в Соединенных Штатах спонтанно дегазируется в гораздо меньшем масштабе каждую осень.

Efforts are underway to develop a solution for removing the gas from these lakes and to prevent a build up which could lead to another catastrophe. A team led by French scientist Michel Halbwachs began experimenting at Lake Monoun and Lake Nyos in 1990 using siphons to degas the waters of these lakes in a controlled manner. The team positioned a pipe vertically in the lake with its upper end above the water surface. Water saturated with enters the bottom of the pipe and rises to the top. The lower pressure at the surface allows the gas to come out of solution. Only a small amount of water must be mechanically pumped initially through the pipe to start the flow. As saturated water rises, the comes out of solution and forms bubbles. The natural buoyancy of the bubbles draws the water up the pipe at high velocity resulting in a fountain at the surface. The degassifying water acts like a pump, drawing more water into the bottom of the pipe, and creating a self sustaining flow. This is the same process which leads to a natural eruption, but in this case it is controlled by the size of the pipe. Each pipe has a limited pumping capacity and several would be required for both Lake Monoun and Lake Nyos to degas a significant fraction of the deep lake water and render the lakes safe. The deep lake waters are slightly acidic due to the dissolved which causes corrosion to the pipes and electronics, necessitating ongoing maintenance. There is some concern that from the pipes could settle on the surface of the lake forming a thin layer of unbreathable air and thus potentially causing problems for wildlife. In January 2001, a single pipe was installed by the French Cameroonian team on Lake Nyos, and two more pipes were installed in 2011 with funding support from the United Nations Development Programme. A pipe was installed at Lake Monoun in 2003 and two more were added in 2006. and the lake has since been rendered safe. There is some evidence that Lake Michigan in the United States spontaneously degasses on a much smaller scale each fall.

Риски озера Киву

Озеро Киву не только примерно в 1700 раз больше озера Ньос, но и расположено в гораздо более густонаселённом районе, где вдоль его берегов проживает более двух миллионов человек. Часть озера, находящаяся в пределах Демократической Республики Конго, является зоной активных вооружённых конфликтов и характеризуется низким уровнем государственного управления, что затрудняет проведение исследований и любые последующие меры по смягчению последствий. Озеро Киву пока не достигло высокого уровня насыщения; если вода станет сильно насыщенной, лимническое извержение создаст серьёзную угрозу для жизни людей и животных, потенциально унеся жизни миллионов. Два значительных изменения в физическом состоянии озера Киву привлекли внимание к возможности лимнического извержения: высокие темпы диссоциации метана и повышение температуры поверхности. Исследования исторических и современных температур показывают, что температура поверхности озера Киву увеличивается примерно на 0,12 °C в десятилетие. Хотя озеро можно было бы дегазировать аналогичным образом, как озера Монун и Ньос, из-за размеров озера Киву и объёма содержащегося в нём газа, такая операция была бы очень дорогостоящей, обойдясь в миллионы долларов. Проект, начатый в 2010 году, по использованию метана, растворённого в озере, в качестве топлива для производства электроэнергии в Руанде, привёл к некоторой дегазации. В процессе добычи горючего метана, используемого для питания электростанций на берегу, часть газа удаляется посредством процесса, известного как каталитическая очистка. Неизвестно, будет ли удалено достаточно газа, чтобы устранить опасность лимнического извержения в озере Киву.