В этой статье читателям предлагается ознакомиться с гипотезой, объясняющей причины возникновения катастрофических эксплозивных извержений вулканов. По мнению автора, сочетание нескольких факторов (химический состав, высокая вязкость магмы и высокое давление) может привести к так называемому "фазовому взрыву" в жерле вулкана. Но что же такое фазовый взрыв?
Чтобы ответить на вопрос, проведем опыт со сверхскоростным нагревом металла. Для этого конденсатор емкостью около 100 мкФ зарядим до напряжения 10 кВ, а затем разрядим его через металлический проводник диаметром 0,5 мм и длиной 10 см. Результат поразительный: проводник взрывается, оглушая мощным звуком и ослепляя яркой вспышкой света. Если же эксперимент проводится в наполненном водой сосуде, то возникающая ударная волна деформирует или разрушает его стенки (электрогидравлический эффект Юткина). Надо заметить, что познать характер поведения "взрывающихся проволочек" удалось лишь после многочисленных проб с применением различных методов анализа быстропротекающих процессов.
Оказалось, для "нормального" взрыва необходим ряд условий: энергия заряженного конденсатора должна быть не меньше теплоты испарения проводника; тот должен нагреваться одиночным импульсом тока (апериодический режим разряда); время нагрева до начального момента взрыва должно быть менее 10 мкс; скорость нагрева-более 104 град./с; плотность нагревающего тока-более 104 А/мм2 . В таком режиме проводник сначала раскаляется в твердом состоянии; затем плавится; сохраняя свою форму, нагревается до точки кипения металла; без существенного изменения объема перегревается на несколько тысяч градусов выше этой точки; наконец, взрывается, интенсивно расширяясь, порождая в окружающей среде ударную волну. Самое удивительное в этой цепочке процессов - перегрев металла выше точки кипения и его последующий взрыв. Например, температура перегрева жидкого железа в начальный момент взрыва достигала 5400° С, тогда как закипает оно уже при 2880° С.
Почему металл столь сильно перегревается? Что происходит с ним после начального момента взрыва? Ответы на эти вопросы дает теория. Более века назад нидерландский физик Я.Д. Ван-дер-Ваальс вывел уравнение состояния вещества, из которого следовало - точка кипения не является предельной для жидкости. Она при низком давлении может существовать и при более высоких температурах (в таком состоянии ее называют перегретой или метастабильной). Известно, что вода кипит при 100° С, однако в некоторых опытах (при атмосферном давлении) ее удавалось перегреть и до 300° С. Словом, если посмотреть на диаграмму давление - температура, то, помимо линии зависимости точки кипения жидкости от давления, можно увидеть еще другую линию - спинодаль, определяющую границу перегрева ' метастабильной жидкости. Перегрев выше точки спинодали невозможен, так как при подходе к ней жидкость взрывообразно закипает. Чем же отличается это кипение от обычного?
На рис. кружками отмечены эксперим. значения Т для гомогенного вскипания аргона при изобарич. нагреве в стеклянной трубке: 1 - линия насыщения, К - критическая точка, линия 2 соответствует ожидаемым перегревам по теории гомогенного зародышеобразования для условий опыта, 3 - спинодаль.
Со школы мы знаем, что кипение воды в чайнике - это процесс образования и роста пузырьков пара на готовых центрах (воздушные пузырьки, неровности стенок чайника). Поскольку число центров, а значит, и число пузырьков мало, само кипение протекает спокойно. А при отсутствии таких центров вообще вода не закипела бы не только при 100, но и при 200° С. Дело в том, что возникновение пузырьков пара в "бездефектной" жидкости при ее небольшом перегреве запрещено законами термодинамики. На пути роста пузырька стоит фазовый барьер - работа образования "жизнеспособного" зародыша пара. Барьер может быть преодолен при случайном локальном разрежении жидкости, за счет теплового движения ее молекул (флуктуации плотности). При небольшом перегреве энергии флуктуаций не хватает для этого, и пузырьки пара не возникают. Однако при увеличении перегрева величина барьера снижается и в окрестности спинодали сравнивается с энергией флуктуаций. В такой области температур и давлений пузырьки могут возникать в любой точке объема жидкости, и частота их спонтанного (самопроизвольного) образования составляет миллиарды зародышей за секунду в кубическом сантиметре. То и есть фазовый взрыв - взрывное кипение перегретой метастабильной жидкой фазы. Он идет за счет тепла, которое было введено в жидкость при ее перегреве от точки кипения до околоспинодальной точки взрывного кипения. В процессе взрыва 40- 50% жидкости превращается в пар, а остальная ее часть распыляется на мелкие капельки. Все это-теоретические выводы.
Однако как же такой взрыв осуществить в реальных условиях? Ответ и дают эксперименты со "взрывающимися проволочками". Если скорость нагрева жидкости достаточно большая, то процесс обычного кипения "не сделает погоды" и основная ее масса успеет перегреться до температуры взрывного кипения. Минимальная скорость нагрева, необходимая для получения фазового взрыва, зависит от свойств жидкости: чем ниже ее текучесть, тем ниже эта скорость. Потому фазовый взрыв вязких каменных расплавов можно осуществить при гораздо меньшей, чем для жидких металлов, скорости нагрева. Для реализации фазового взрыва вещества вовсе не обязательно прибегать к электричеству; важен не способ, а скорость нагрева. Например, большие скорости в миллиарды градусов в секунду достигаются при облучении импульсами лазерного излучения. При плотности его потока более 20 МВт/см2 экспериментально наблюдалось фазовзрывное разрушение поверхностного слоя металлов. Огромные скорости разогрева вещества развиваются и в зоне очагов ядерных взрывов. Поэтому можно ожидать, что взрыву атомной бомбы аккомпанирует фазовый взрыв окружающей среды. Ведь не зря же американские ученые из Лос-Аламо-са, помимо ядерных взрывов, исследуют электрический взрыв проводников.
Перейдем теперь к вулканам. Сен-Пьер на острове Мартиника был самый красивый из городов Малых Антильских островов. Особую прелесть его пейзажу придавала гора Монтань-Пеле. Утром 8 мая 1902 года ее вершина со страшным грохотом раскололась на куски; оттуда вырвалась огромная па- лящая туча, которая понеслась вниз по склону. За считанные секунды она достигла города, и тот исчез в ее пламени. Погибло 30 тыс. жителей; 16 кораблей, стоявших в гавани, были опрокинуты или сгорели. Ныне обитатели Сен-Пьера с опаской поглядывают на действующий вулкан. Обычно извержение вулканов протекает более спокойно. То, что случилось с Монтань-Пеле, специалисты относят к типу взрывных (эксплозивных) извержений. К нему же относится и извержение Кракатау на небольшом островке в Зондском проливе между Явой и Суматрой.
Взрыв произошел 27 августа 1883 года в 10ч20 мин. Два конуса вулкана были разнесены на куски. Грохот взрыва слышали в Австралии и даже на острове Родригес на расстоянии 5000 км. Его мощность оценивается в 20 тыс. атомных бомб. Взрывом выбросило в воздух более 18 куб.км горных пород. Вулканический пепел выпал на площади 827 тыс. кв. км. В Джакарте среди бела дня он затмил Солнце, после чего наступила ночь. Чудовищный взрыв породил в океане гигантскую волну (цунами), высотой до 40м, которая обрушилась на соседние острова; погибло около 36 тыс. человек.
Геологические и археологические исследования показывают, что три с половиной тысячи лет назад грандиозная катастрофа постигла остров Санторин в Эгейском море. В результате вулканического взрыва от него остались лишь "осколки" в виде мелких островков; образовалась впадина (кальдера) объемом 83 куб. км. При взрыве возникло мощное цунами, которое обрушилось на побережье Крита и уничтожило там минойский город Аниссос. Через несколько часов оно затопило дельту Нила и разрушило город Угарит, удаленный на 1000 км от Санторина, Читатели спросят, неужели и эти стихийные бедствия можно объяснить механизмом фазового взрыва; ведь маловероятно, что в недрах Земли происходит импульсный нагрев вулканических пород. Они не учитывают важную деталь: импульсный нагрев отнюдь не единственный способ реализации такого процесса.
Скажем, для получения фазового взрыва воды ее нагревают в прочном баллоне (под давлением) до околоспинодальной температуры (280-370° С), после чего быстро сбрасывают давление; она взрывообразно закипает. Энергия взрыва кубометра воды с температурой 300° С эквивалентна энергии взрыва 15 кг тротила. Потому-то, дабы соблюсти безопасность энергетических агрегатов, и должен быть обеспечен такой режим их работы, который исключал бы возможность фазового взрыва воды. Это требование относится в первую очередь к паровым котлам ТЭС и к теплообменным контурам АЭС.
Взрыв вулкана похож на взрыв огромного котла с водой, разогретой до околоспинодальной температуры. Механизм процесса в обоих случаях один и тот же - взрывное кипение. Однако есть и существенные различия, которые определяются свойствами "рабочего" вещества. Таковым в вулкане является магма - сложный расплав разных минералов, насыщенный газами. Их растворимость увеличивается с ростом давления. После его сброса магма "закипает", подобно шампанскому, когда откупоривают бутылку, идет образование и рост пузырьков в пересыщенной газами метастабильной жидкой фазе. При невысокой температуре магмы этот процесс протекает более-менее спокойно, ибо пузырьки возникают на готовых центрах, число которых мало. В таких случаях извержение вулкана сопровождается излиянием из кратера кипящих потоков лавы. Если же магма сильно разогрета, то после сброса давления может произойти взрывное выделение газа, когда (за счет флуктуаций концентрации его молекул) пузырьки возникают в любой точке объема магмы. Это и есть ее фазовый взрыв, вызывающий эксплозивное извержение вулкана. При этом выбрасывается огненный фонтан взрывно-кипящей магмы. Стремительно набухая, он превращается в палящую тучу из раскаленных газов и капелек распыленной магмы. После остывания из нее выделяется вулканический пепел, который разносится потоками воздуха на большие расстояния.
Специалисты уже давно заметили: почти все крупнейшие вулканические катастрофы связаны с теми геологическими образованиями, которые содержат в своих глубинах очень вязкие магмы. Характерным в этом плане явилось поведение Монтань-Пеле. После его взрыва из кратера выталкивался купол густой лавы, которая не разливалась по склонам горы, а постепенно застывала, подпитывая "столб", - ежедневно вырастая на 10-12м, он вытянулся в высоту до 300 м. Теория фазового взрыва легко объясняет связь вязкости магмы с вулканическими эксплозиями. Для фазового взрыва сжатой магмы необходимо, чтобы сброс давления, вызванный перемещением земных пластов, произошел достаточно быстро. При медленном его понижении можно не дойти до области температур и давлений взрывного газовыделения, поскольку газ успеет выделиться внутрь пузырьков, возникших на готовых центрах. По крайней мере, для сильно текучих магм, где скорость роста пузырьков большая, затрачиваемое на это время меньше реального времени сброса давления, и газовыделение здесь протекает довольно спокойно. По-иному ведут себя вязкие магмы. В них пузырьки на готовых центрах не успевают заметно увеличиться, поэтому газонасыщенность магмы практически не изменится. После сброса давления через некоторое время начинается процесс флуктуационного газовыделения и происходит взрыв. Каково время запаздывания фазового взрыва вязких магм после сброса давления? Для ответа на этот вопрос нужны дальнейшие исследования. Если окажется, что оно составляет хотя бы несколько десятков минут, то появляется возможность предупреждения населения о грозящей катастрофе - после регистрации первоначального толчка, вызвавшего сброс давления в очаге магмы. Другими словами, исследования фазового взрыва открывают перспективу прогнозирования взрывных землетрясений и извержений вулканов.
Мартынюк М.
Источник: "Техника молодежи" №9, 1991.
Рейтинг публикации:
|
