Іоносферні ефекти ударної хвилі, згенерованої вибухом вулкану Тонга 15 січня 2022 р.
Анотація
Актуальність. Вулкани належать до високоенергетичних джерел, здатних викликати значні збурення у всіх підсистемах системи Земля – атмосфера – іоносфера – магнітосфера (ЗАІМ). Видатною подією стався вибух вулкану Хунга – Тонга – Хунга – Хаапай (далі коротко Тонга) 15 січня 2022 р. Вибух викликав: помірний землетрус із магнітудою 5.8, генерацію двох типів цунамі зі швидкостями ~ 200 та 315 м/с та висотою, що поступово зменшувалася від 90 м над кратером підводного вулкану до 2–3 дм на відстані ~ 20 Мм; спектр хвиль у атмосфері (вибухової, хвилі Лемба, атмосферної гравітаційної, інфразвуку, звуку); появу іоносферної «діри»; хвильові процеси у іоносфері зі швидкістю від ~ 250 м/с до ~ 1000 м/с; електризацію частинок у вулканічному струмені та плюмі; суттєве зростання обʼємної густини електричного заряду, його розділення, збільшення густини атмосферного струму, збурення глобального електричного кола; генерацію чисельних (до 20000 хв–1) блискавок у плюмі, електромагнітне випромінювання яких збурило температуру та концентрацію електронів у нижній іоносфері, поширилося вздовж магнітних силових ліній до магнітосфери та радіаційного поясу, викликаючи висипання високоенергійних частинок із радіаційного поясу. Вибух вулкану Тонга викликав цілий комплекс фізичних процесів у системі ЗАІМ. Актуальним є дослідження варіацій повного електронного вмісту (ПЕВ) та параметрів рухомих іоносферних збурень, викликаних вибухом вулкану Тонга 15 січня 2022 р.
Метою цієї роботи є аналіз часових аперіодичних і квазіперіодичних варіацій ПЕВ, згенерованих потужним вибухом вулкану Тонга 15 січня 2022 р., та оцінка їхніх параметрів.
Методи і методологія. Для аналізу іоносферних збурень, викликаних вибухом вулкану Тонга, використано дані трансіоносферного зондування на основі GPS-технологій. За даними вимірювань псевдодальностей розраховувався ПЕВ в іоносфері у вертикальному стовпі. Сумарна похибка складала близько 0.1 TECU.
Результати. Аналіз часових варіацій ПЕВ для станцій, віддалених від епіцентру вибуху вулкану на відстань близько 500–4400 км, показав наступне. Спостерігалося три групи збурень у іоносфері, час запізнювання яких збільшувався при збільшенні відстані від епіцентру. Цим збуренням відповідали три групи горизонтальних удаваних швидкостей: ~ 1000 м/с та дещо більше, ~ 350–700 м/с та 270–330 м/с. Ці швидкості повʼязані з вибуховою хвилею, атмосферною гравітаційною хвилею та хвилею Лемба. Доведено, що дефіцит ПЕВ (іоносферна «діра»), викликаний саме вибухом вулкану, оскільки час запізнювання по відношенню до моменту вибуху та час існування «діри» зростали при збільшенні відстані від епіцентру вибуху. Величина виявлених ефектів суттєво залежала від місця дислокації станції, положення екваторіальної іонізаційної аномалії, часу доби, освітленості іоносфери тощо. Зменшення ПЕВ сягало 10–15 TECU, а відносне зменшення – 25–60%. Хвильові збурення зазвичай мали період 10–15 хв та амплітуду 0.5–1 TECU.
Висновки. Ударна хвиля, згенерована вибухом вулкану Тонга, викликала в іоносфері аперіодичні та квазіперіодичні збурення.
Завантаження
Посилання
The Encyclopedia of Volcanoes, 2nd ed. (Academic, London, 2015).
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-385938-9.00063-8
Chernogor LF. Physical effects of the January 15, 2022, powerful Tonga volcano explosion in the Earth – atmosphere – ionosphere – magnetosphere system. Space science and technology. 2022. (In press).
Chernogor LF, Shevelev MB. A statistical study of the explosive waves launched by the Tonga super-volcano on January 15, 2022. Space science and technology. 2022. (In press).
Chernogor LF. Effects of the Tonga volcano explosion on January 15, 2022. International Conference “Astronomy and Space Physics in the Kyiv University” in part of the World Science Day for Peace and Development. October 18 – 21, 2022. Kyiv, Ukraine. Book of Abstracts. P. 12-13.
Chernogor LF. Electrical Effects of the Tonga Volcano Unique Explosion on January 15, 2022. International Conference “Astronomy and Space Physics in the Kyiv University” in part of the World Science Day for Peace and Development. October 18 – 21, 2022. Kyiv, Ukraine. Book of Abstracts. P. 79-80.
Chernogor LF. Magnetospheric Effects That Accompanied the Explosion of the Tonga Volcano on January 15, 2022. International Conference “Astronomy and Space Physics in the Kyiv University” in part of the World Science Day for Peace and Development. October 18 – 21, 2022. Kyiv, Ukraine. Book of Abstracts. P. 81-82.
Chernogor LF. Magnetic Effects of the Unique Explosion of the Tonga Volcano. International Conference “Astronomy and Space Physics in the Kyiv University” in part of the World Science Day for Peace and Development. October 18 – 21, 2022. Kyiv, Ukraine. Book of Abstracts. P. 89-90.
Chernogor LF. The Tonga super-volcano explosion as a subject of applied physics. International Scientific Conference “Electronics and Applied Physics”, APHYS 2022. 18-22 October, 2022. Kyiv, Ukraine. P. 130-131.
Chernogor LF, Mylovanov YB, Dorohov VL. Ionospheric Effects accompanying the January 15, 2022 Tonga Volcano Explosion. International Conference “Astronomy and Space Physics in the Kyiv University” in part of the World Science Day for Peace and Development. October 18 – 21, 2022. Kyiv, Ukraine. Book of Abstracts. P. 83-84.
Chernogor LF, Shevelev MB. Statistical characteristics of atmospheric waves, generated by the explosion of the Tonga volcano on January 15, 2022. International Conference “Astronomy and Space Physics in the Kyiv University” in part of the World Science Day for Peace and Development. October 18 – 21, 2022. Kyiv, Ukraine. Book of Abstracts. P. 85-86.
Cheng K, Huang Y-N. Ionospheric disturbances observed during the period of Mount Pinatubo eruptions in June 1991. J. Geophys. Res. 1992;97(A11):16995-17004. https://doi.org/10.1029/92JA01462
Dautermann T, Calais E, Mattioli GS. Global Positioning System detection and energy estimation of the ionospheric wave caused by the 13 July 2003 explosion of the Soufrière Hills Volcano, Montserrat. J. Geophys. Res. 2009;114:B02202. https://doi.org/10.1029/2008JB005722
Dautermann T, Calais E, Lognonn´e P, Mattioli G. Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling after the 2003 Explosive eruption of the Soufriere Hills Volcano, Montserrat. Geophys. J. Int. 2009;179(3):1537-1546. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2009.04390.x
Heki K. Explosion energy of the 2004 eruption of the Asama Volcano, central Japan, inferred from ionospheric disturbances. Geophys. Res. Lett. 2006;33:L14303. https://doi.org/10.1029/2006GL026249
Igarashi K, Kainuma S, Nishimuta I, Okamoto S, Kuroiwa H, Tanaka T, Ogawa T. Ionospheric and atmospheric disturbances around Japan caused by the eruption of Mount Pinatubo on 15 June 1991. J. Atmos. and Terr. Phys. 1994;56(9):1227-1234.
Johnson JB. Generation and propagation of infrasonic airwaves from volcanic explosions. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2003;121(1-2):1-14. https://doi.org/10.1016/S0377-0273(02)00408-0
Liu CH, Klostermeyer J, Yeh KC, Jones TB, Robinson T, Holt O, Leitinger R, Ogawa T, Sinno K, Kato S, Ogawa T, Bedard AJ, Kersley L. Global dynamic responses of the atmosphere to the eruption of Mount St. Helens on May 18, 1980. J. Geophys. Res. 1982;87(A8):6281-6290. https://doi.org/10.1029/JA087iA08p06281
Roberts DH, Klobuchar JA, Fougere PF, Hendrickson DH. A large-amplitude traveling ionospheric disturbance produced by the May 18, 1980, explosion of Mount St. Helens. J. Geophys. Res. 1982;87(A8):6291-6301. https://doi.org/10.1029/JA087iA08p06291
Rozhnoi A, Hayakawa M, Solovieva M, Hobara Y, Fedun V. Ionospheric effects of the Mt. Kirishima volcanic eruption as seen from subionospheric VLF observations. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2014;107:54-59. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2013.10.014
Shults K, Astafyeva E, Adourian S. Ionospheric detection and localization of volcano eruptions on the example of the April 2015 Calbuco events. J. Geophys. Res. Space Physics. 2016;121:10,303-10,315, https://doi.org/10.1002/2016JA023382
The Encyclopedia of Volcanoes (Second Edition). Academic Press; 2015. 1421 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-385938-9.00063-8
Nakashima Y, Heki K, Takeo A, Cahyadi MN, Aditiya A, Yoshizawa K. Atmospheric resonant oscillations by the 2014 eruption of the Kelud volcano, Indonesia, observed with the ionospheric total electron contents and seismic signals. Earth and Planetary Science Letters. 2016;434:112-116. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2015.11.029
Kulichkov SN, Chunchuzov IP, Popov OE, Gorchakov GI, Mishenin AA, Perepelkin VG, Bush GA, Skorokhod AI, Vinogradov YuA, Semutnikova EG, Šepic J, Medvedev IP, Gushchin RA, Kopeikin VM, Belikov IB, Gubanova DP, Karpov AV, Tikhonov AV. Acoustic-Gravity Lamb Waves from the Eruption of the Hunga-Tonga-Hunga-Hapai Volcano, Its Energy Release and Impact on Aerosol Concentrations and Tsunami. Pure and Applied Geophysics. 2022;179:1533-1548. https://doi.org/10.1007/s00024-022-03046-4
Poli P, Shapiro NM. Rapid Characterization of Large Volcanic Eruptions: Measuring the Impulse of the Hunga Tonga Ha’apai Explosion From Teleseismic Waves. Geophysical Research Letters. 2022;49(8):e2022GL098123.
Carvajal M, Sepúlveda I, Gubler A, Garreaud R. Worldwide signature of the 2022 Tonga volcanic tsunami. Geophysical Research Letters. 2022;49(6):e2022GL098153. https://doi.org/10.1029/2022GL098153
Imamura F, Suppasri A, Arikawa T, Koshimura S, Satake K, Tanioka Y. Preliminary Observations and Impact in Japan of the Tsunami Caused by the Tonga Volcanic Eruption on January 15, 2022. Pure and Applied Geophysics. 2022;179:1549-1560. https://doi.org/10.1007/s00024-022-03058-0
Kubota T, Saito T, Nishida K. Global fast-traveling tsunamis driven by atmospheric Lamb waves on the 2022 Tonga eruption. Science. 2022;377(6601):91-94. https://doi.org/10.1126/science.abo4364
Ramírez-Herrera MT, Coca O, Vargas-Espinosa V. Tsunami Effects on the Coast of Mexico by the Hunga Tonga-Hunga Ha’apai Volcano Eruption, Tonga. Pure and Applied Geophysics. 2022;179:1117-1137. https://doi.org/10.1007/s00024-022-03017-9
Tanioka Y, Yamanaka Y, Nakagaki T. Characteristics of the deep sea tsunami excited offshore Japan due to the air wave from the 2022 Tonga eruption. Earth, Planets and Space. 2022;74:61. https://doi.org/10.1186/s40623-022-01614-5
Terry JP, Goff J, Winspear N, Bongolan VP, Fisher S. Tonga volcanic eruption and tsunami, January 2022: globally the most significant opportunity to observe an explosive and tsunamigenic submarine eruption since AD 1883 Krakatau. Geoscience Letters. 2022;9:24. https://doi.org/10.1186/s40562-022-00232-z
Amores A, Monserrat S, Marcos M, Argüeso D, Villalonga J, Jordà G, Gomis D. Numerical Simulation of Atmospheric Lamb Waves Generated by the 2022 Hunga-Tonga Volcanic Eruption. Geophysical Research Letters. 2022;49(6):e2022GL098240. https://doi.org/10.1029/2022GL098240
Burt S. Multiple airwaves crossing Britain and Ireland following the eruption of Hunga Tonga–Hunga Ha’apai on 15 January 2022. Weather. Special Issue: The January 2022 eruption of Hunga Tonga-Hunga Ha’apai. 2022;77(3):76-81. https://doi.org/10.1002/wea.4182
Chen C-H, Zhang X, Sun Y-Y, Wang F, Liu T-C, Lin C-Y, Gao Y, Lyu J, Jin X, Zhao X, Cheng X, Zhang P, Chen Q, Zhang D, Mao Z, Liu J-Y. Individual Wave Propagations in Ionosphere and Troposphere Triggered by the Hunga Tonga-Hunga Ha’apai Underwater Volcano Eruption on 15 January 2022. Remote Sensing. 2022;14(9):2179. https://doi.org/10.3390/rs14092179
Lin J-T, Rajesh PK, Lin CCH, Chou M-Y, Liu J-Y, Yue J, Hsiao T-Y, Tsai H-F, Chao H-M, Kung M-M. Rapid Conjugate Appearance of the Giant Ionospheric Lamb Wave Signatures in the Northern Hemisphere After Hunga-Tonga Volcano Eruptions. Geophysical Research Letters. 2022;49(8):e2022GL098222. https://doi.org/10.1029/2022GL098222
Matoza RS, Fee D, Assink JD, Iezzi AM, Green DN, Kim K, Toney L, Lecocq T, Krishnamoorthy S, Lalande JM, Nishida K, Gee KL, Haney MM, Ortiz HD, Brissaud Q, Martire L, Rolland L, Vergados P, Nippress A, Park J, Shani-Kadmiel S, Witsil A, Arrowsmith S, Caudron C, Watada S, Perttu AB, Taisne B, Mialle P, Le Pichon A, Vergoz J, Hupe P, Blom PS, Waxler R, De Angelis S, Snively JB, Ringler AT, Anthony RE, Jolly AD, Kilgour G, Averbuch G, Ripepe M, Ichihara M, Arciniega-Ceballos A, Astafyeva E, Ceranna L, Cevuard S, Che I-Y, De Negri R, Ebeling CW, Evers LG, Franco-Marin LE, Gabrielson TB, Hafner K, Harrison RG, Komjathy A, Lacanna G, Lyons J, Macpherson KA, Marchetti E, McKee KF, Mellors RJ, Mendo-Pérez G, Mikesell TD, Munaibari E, Oyola-Merced M, Park I, Pilger C, Ramos C, Ruiz MC, Sabatini R, Schwaiger HF, Tailpied D, Talmadge C, Vidot J, Webster J, Wilson DC. Atmospheric waves and global seismoacoustic observations of the January 2022 Hunga eruption, Tonga. Science. 2022;377(6601):95-100. https://doi.org/10.1126/science.abo7063
Matoza RS, Fee D, Assink JD, Iezzi AM, Green DN, Kim K, Toney L, Lecocq T, Krishnamoorthy S, Lalande JM, Nishida K, Gee KL, Haney MM, Ortiz HD, Brissaud Q, Martire L, Rolland L, Vergados P, Nippress A, Park J, Shani-Kadmiel S, Witsil A, Arrowsmith S, Caudron C, Watada S, Perttu AB, Taisne B, Mialle P, Le Pichon A, Vergoz J, Hupe P, Blom PS, Waxler R, De Angelis S, Snively JB, Ringler AT, Anthony RE, Jolly AD, Kilgour G, Averbuch G, Ripepe M, Ichihara M, Arciniega-Ceballos A, Astafyeva E, Ceranna L, Cevuard S, Che I-Y, De Negri R, Ebeling CW, Evers LG, Franco-Marin LE, Gabrielson TB, Hafner K, Harrison RG, Komjathy A, Lacanna G, Lyons J, Macpherson KA, Marchetti E, McKee KF, Mellors RJ, Mendo-Pérez G, Mikesell TD, Munaibari E, Oyola-Merced M, Park I, Pilger C, Ramos C, Ruiz MC, Sabatini R, Schwaiger HF, Tailpied D, Talmadge C, Vidot J, Webster J, Wilson DC. Supplementary Materials for Atmospheric waves and global seismoacoustic observations of the January 2022 Hunga eruption, Tonga. Science. 2022. 377, № 6601. https://doi.org/10.1126/science.abo7063
Otsuka S. Visualizing Lamb waves from a volcanic eruption using meteorological satellite Himawari-8. Geophysical Research Letters. 2022;49(8):e2022GL098324. https://doi.org/10.1029/2022GL098324
Aa E, Zhang S-R, Wang W, Erickson PJ, Qian L, Eastes R, Harding BJ, Immel TJ, Karan DK, Daniell RE, Coster AJ, Goncharenko LP, Vierinen J, Cai X, Spicher A. Pronounced Suppression and X-Pattern Merging of Equatorial Ionization Anomalies After the 2022 Tonga Volcano Eruption. Journal of Geophysical Research: Space Physics. 2022;127(6):e2022JA030527. https://doi.org/10.1029/2022JA030527
Astafyeva E, Maletckii B, Mikesell TD, Munaibari E, Ravanelli M, Coisson P, Manta F, Rolland L. The 15 January 2022 Hunga Tonga eruption history as inferred from ionospheric observations. Geophysical Research Letters. 2022;49(10):e2022GL098827. https://doi.org/10.1029/2022GL098827
Themens DR, Watson C, Žagar N, Vasylkevych S, Elvidge S, McCaffrey A, Prikryl P, Reid B, Wood A, Jayachandran PT. Global propagation of ionospheric disturbances associated with the 2022 Tonga volcanic eruption. Geophysical Research Letters. 2022;49(7):e2022GL098158. https://doi.org/10.1029/2022GL098158
Zhang S-R, Vierinen J, Aa E, Goncharenko LP, Erickson PJ, Rideout W, Coster AJ, Spicher A. 2022 Tonga Volcanic Eruption Induced Global Propagation of Ionospheric Disturbances via Lamb Waves. Frontiers in Astronomy and Space Sciences. 2022;9:871275. https://doi.org/10.3389/fspas.2022.871275
Aa E, Zhang S-R, Erickson PJ, Vierinen J, Coster AJ, Goncharenko LP, Spicher A, Rideout W. Significant Ionospheric Hole and Equatorial Plasma Bubbles After the 2022 Tonga Volcano Eruption. Geophysical Research Letters. 2022;20(7):e2022SW003101. https://doi.org/10.1029/2022SW003101
Yuen DA, Scruggs MA, Spera FJ, Zheng Y, Hu H, McNutt SR, Thompson G, Mandli K, Keller BR, Wei SS, Peng Z, Zhou Z, Mulargia F, Tanioka Y. Under the surface: Pressure-induced planetary-scale waves, volcanic lightning, and gaseous clouds caused by the submarine eruption of Hunga Tonga-Hunga Ha’apai volcano. Earthquake Research Advances. 2022;2(3):100134. https://doi.org/10.1016/j.eqrea.2022.100134
