Журнал «Вокруг Света» №02 за 2007 год - Вокруг Света

В центре штата Орегон, США , находится вулкан Ньюберри, который интересен как раз лавами среднего состава. Последний раз он активизировался более тысячи лет назад, и на финальной стадии извержения, перед тем как заснуть, из вулкана вытек лавовый язык длиной 1 800 метров и толщиной около двух метров, застывший в виде чистейшего обсидиана — вулканического стекла черного цвета. Подобное стекло получается, когда расплав быстро остывает, не успевая кристаллизоваться. Кроме того, обсидиан часто находят на периферии лавового потока, которая охлаждается быстрее. Со временем в стекле начинают расти кристаллы, и оно превращается в одну из горных пород кислого или среднего состава. Вот почему обсидиан находят только среди относительно молодых продуктов извержения, в древних вулканитах его уже нет.

От чертовых пальцев до фьямме

Если количество кремнезема занимает более 63% состава, расплав становится совсем вязким и неповоротливым. Чаще всего такая лава, называемая кислой, вообще не способна течь и застывает в подводящем канале или выдавливается из жерла в виде обелисков, «чертовых пальцев», башен и колонн. Если же кислой магме все-таки удается достичь поверхности и вылиться, потоки ее движутся крайне медленно, по нескольку сантиметров, иногда метров в час.

С кислыми расплавами связаны необычные горные породы. Например, игнимбриты. Когда кислый расплав в приповерхностном очаге насыщается газами, он становится чрезвычайно подвижным и быстро выбрасывается из жерла, а потом вместе с туфами и пеплом стекает обратно в образовавшуюся после выброса впадину — кальдеру. Со временем эта смесь застывает и кристаллизуется, а на сером фоне породы отчетливо выделяются крупные линзы темного стекла в виде неправильных клочьев, искр или языков пламени, отчего их называют «фьямме». Это следы расслоения кислого расплава, когда он еще находился под землей.

Иногда кислая лава до того сильно насыщается газами, что буквально вскипает и становится пемзой. Пемза — очень легкий материал, с меньшей, чем у воды, плотностью, поэтому случается, что после подводных извержений мореплаватели наблюдают в океане целые поля плавающей пемзы.

Карбонатная лава течет только из вулкана Олдоиньо-Ленгаи в Танзании. Это самая холодная лава — ее температура не превышает 600°С

Многие вопросы, связанные с лавами, остаются без ответа. Например, почему из одного и того же вулкана могут вытекать лавы разного состава, как, например, на Камчатке. Но если в данном случае есть, по крайней мере, убедительные предположения, то появление карбонатной лавы остается совершенной загадкой. Ее, наполовину состоящую из карбонатов натрия и калия, извергает в настоящее время единственный на Земле вулкан — Олдоиньо-Ленгаи в Северной Танзании . Температура расплава составляет 510°C. Это самая холодная и жидкая лава в мире, она течет по земле словно вода. Цвет горячей лавы — черный или темно-коричневый, но уже через несколько часов пребывания на воздухе карбонатный расплав светлеет, а спустя несколько месяцев становится почти белым. Застывшие карбонатные лавы — мягкие и ломкие, легко растворяются в воде, видимо, поэтому геологи не находят следов аналогичных извержений в глубокой древности.

Лава играет ключевую роль в одной из острейших проблем геологии — что же разогревает недра Земли. Из-за чего в мантии возникают очаги расплавленного материала, которые поднимаются вверх, проплавляют земную кору и порождают вулканы? Лава — это лишь малая часть мощного планетарного процесса, пружины которого скрыты глубоко под землей.

Читайте также на сайте «Вокруг Света»:

Извержения миров

Татьяна Пичугина

Призрачные волны Вселенной

Тысячи лет астрономы полагались в своих исследованиях только на видимый свет. В XX веке их зрение охватило весь электромагнитный спектр — от радиоволн до гамма-лучей. Космические аппараты, добравшись до других небесных тел, наделили астрономов осязанием. Наконец, наблюдения заряженных частиц и нейтрино, испускаемых далекими космическими объектами, дали астрономам аналог обоняния. Но до сих пор у них нет слуха. Звук не проходит через космический вакуум. Зато он не является препятствием для волн иного рода — гравитационных, которые тоже приводят к колебанию предметов. Вот только зарегистрировать эти призрачные волны пока не удалось. Но астрономы уверены, что обретут «слух» в ближайшее десятилетие.

Взмахните рукой — и по всей Вселенной побегут гравитационные волны. Они расходятся почти от любого движущегося предмета — прыгающего по лужайке кролика, вылетевшей из ствола пули, стартующей ракеты. Но эти колебания настолько ничтожны, что зарегистрировать их не представляется возможным ни сегодня, ни в будущем. Все дело в слабости гравитационного взаимодействия — оно на 40 порядков (!) уступает электрическому. Чтобы создать достаточно сильную для регистрации гравитационную волну, нужно заставить двигаться с околосветовыми скоростями очень большие массы, сравнимые с массой звезд — вот такой «звук» смогут уловить специальные «уши»-детекторы.

Гравитационные волны при слиянии черных дыр. Трехмерная модель, рассчитанная на компьютере NASA «Колумбия» (10 тыcяч процессоров) 

Звезды, дыры, инфляция

Звезды могут испускать гравитационные волны двумя способами: при несимметричных пульсациях и при обращении двух звезд вокруг общего центра под действием взаимного тяготения. Но обычные звезды, вроде нашего Солнца , слишком большие и «рыхлые» для эффективного испускания гравитационных волн. Иное дело — нейтронные звезды . Их вещество плотнее атомного ядра, и при массе больше солнечной они имеют радиус около 10 километров. Очень тесная двойная система нейтронных звезд делает сотни оборотов в секунду, а скорость движения при этом достигает трети скорости света! Еще более мощными источниками этих волн будут двойные черные дыры — они еще компактнее, а массы у них больше, чем у нейтронных звезд. Источником гравитационных волн могут быть и быстровращающиеся одиночные нейтронные звезды. Оказывается, если нейтронную звезду раскрутить до 1 000 оборотов в секунду, она теряет осевую симметрию, а вращающееся несимметричное тело излучает гравитационные волны. Короткие, но сильные всплески гравиитационных волн, вероятно, возникают при взрывах сверхновых, которые тоже происходят несимметрично.

Но самым интересным источником гравитационного излучения должны быть космологические процессы. Сразу после «рождения» Вселенной плотность и температура вещества были фантастически велики, а двигалось оно с околосветовыми скоростями, интенсивно испуская гравитационные волны. Причем в этом процессе участвовало все вещество Вселенной. Если зарегистрировать реликтовые гравитационные волны, мы увидим, как рождалась наша Вселенная, узнаем, пережила ли она стадию инфляции (ускоренного расширения) и как она протекала.

Гравитационные волны

В общей теории относительности Эйнштейна (ОТО) пространство «чувствует» присутствие массивных тел и искривляется в их окрестностях. Движение самих тел напоминает хождение по батуту: упругая поверхность прогибается сильнее всего в том месте, куда мы ставим ногу, когда же мы двигаемся дальше — поверхность распрямляется. Быстрые перемещения массивных тел порождают волны пространства, которые, преодолев тысячи, миллионы, миллиарды световых лет, вызывают едва уловимые колебания предметов на Земле. Возьмем покоящееся массивное тело, быстро переместим на некоторое расстояние в сторону. Пока тело покоилось, все объекты во Вселенной ощущали направленную к нему силу притяжения. При сдвиге направления сил меняются, но другие тела «почувствуют» это не сразу: любое возмущение распространяется не быстрее света в вакууме. Чем дальше находятся эти тела, тем больше нужно времени. Вернем массивное тело в исходное положение — вдогонку первому возмущению побежит второе, возвращающее все на свои места. Получается, что далекие тела еще не почувствовали изменений, для близких все уже вернулось в первоначальное состояние, и только в узкой области поле тяготения отличается от исходного. Эта область представляет собой сферический слой, удаляющийся от нашего источника тяготения со скоростью света. Причем возмущения в этом слое — свободные. Что бы мы ни делали с телом-источником, невозможно повлиять на ушедшее от него возмущение гравитационного поля. По сути, это и есть гравитационная волна. Вселенная совершенно прозрачна для волн гравитации. Они могли бы стать идеальным средством ее исследования, поскольку совершенно не взаимодействуют с веществом по дороге. Но по этой же причине они практически неуловимы. И все же за 40 лет безрезультатной пока охоты ученые придумали методы, которые позволяют надеяться на успех в течение ближайшего десятилетия. Для наблюдателя гравитационная волна представляет возмущение приливных сил. Проходя между двумя телами, она заставляет их еле уловимо сближаться и удаляться с определенной частотой. Соединим пружиной два грузика. Такая система имеет некоторую собственную частоту колебаний. Если она совпадет с частотой волны, возникнет резонанс, усиливающий колебания, и его, возможно, удастся зафиксировать. В реальных экспериментах используют не грузы на пружинке, а алюминиевые цилиндры длиной несколько метров и толщиной около метра, у которых имеется не одна, а целый спектр частот. В других детекторах устанавливаются массивные зеркала, расстояние между которыми измеряется лазером.