Чем вулканы похожи на реактивные двигатели

НаукаНаука

Сверхзвуковые флейты Гефеста

Николай Цыгикало

Кратер вулкана Везувий, Италия

Везувий в Италии — один из самых известных в мире вулканов. Сложение его конуса хорошо изучено, и многочисленные туристы осматривают кратер, прогуливаясь по самому краю кромки. Кратер представляет собой пропасть с почти вертикальными, слегка расходящимися кверху стенками. Можно взглянуть на него иначе. С точки зрения газодинамики перед нами вулканическое сопло.

Сопло — это структура, создающая струю истечения. Кратер и его канал извергают с большим давлением и температурой вулканические газы и пары, насыщенные минеральной взвесью. С такой большой плотностью энергии газ не течет пассивно и неизменно; он совершает работу. Это и образование минеральной взвеси, и взламывание пластов породы, и разброс твердого материала. При удачном стечении условий (готовый канал, слабое минеральное наполнение газов) много энергии парогазовой смеси может идти на разгон извергаемой струи.

Для этого нужна особая геометрия канала, делающая такой разгон высокоэффективным. У многих кратеров стенки почти отвесные, с расширением кверху — узкие воронки, идущие со дна кратера. Если под самым узким местом такого канала есть лежащее глубже расширение, то при достаточной энергии газов эта форма может работать соплом Лаваля, создавая сверхзвуковой поток.

Близким газодинамическим аналогом вулканического сопла выступает ракетный двигатель на твердом топливе. Температуры горения ряда твердых топлив (смесевых порохов без металлов в своем составе) невысоки, пара тысяч градусов. Их газы содержат мелкодисперсную минеральную взвесь продуктов сгорания. Очень похожую на минеральные пепловые компоненты вулканических газов, при схожих давлениях и температурах.

Канал вулкана начинается в магматическом котле. В верхней части котла иногда возникает газовая подушка, запертая кратерной пробкой. Температура смеси паров и газов достигает 1500–1800°C, давление - десятков атмосфер. По этим параметрам вулканические газы совпадают с газами ракетного двигателя с низкими температурами горения. После взрыва пробки освобожденные газы образуют поток с разгоном до сверхзвука, если есть сужение-расширение канала. Из кратера выходит сверхзвуковая струя.

Сопла бывают разными

Сопла Лаваля имеют разную геометрию, подчиняясь общему закону наличия талии. Внутреннее сужение — это возможность перехода потока в канале с дозвука в сверхзвук. В самом узком месте установится скорость звука. Разделив проточную часть на дозвуковую и сверхзвуковую.

Чем больше давление и температура перед соплом, тем больше расширяется газ и разгоняется поток. Расширение газа идет главным образом в сверхзвуковой части канала. Степень расширения — это отношение площадей выходного сечения (среза) и самого узкого (критического) сечения сопла. Например, в двигателях РД-107 и РД-108 первой ступени РН «Союз», возящей космонавтов, степень расширения 16. Для такого расширения давление в камере сгорания РД-107 держат на уровне 60 атмосфер. Что далеко не предел — в камерах бывают и две-три сотни атмосфер. Поэтому в двигателях мощных ракет самое узкое место выглядит осиной талией перед широкой юбкой сверхзвуковой части сопла.

Есть сверхзвуковые сопла с гораздо меньшим давлением. Это сопла авиационных форсажных двигателей боевых самолетов. Давление перед соплом лишь несколько атмосфер, поэтому степень его расширения невелика, порядка 2. В усиленном режиме (форсаже) перед соплом сжигают добавочные порции топлива. Газ нагревают на +1000°C, накачивая теплом. И сопло выдает усиленный сверхзвуковой поток, с ростом тяги почти вдвое. Геометрия кратера может быть близка к форме такого авиационного сопла с малым сужением и расширением. А параметры газа перед соплом двигателя схожи с вулканическими: температура 1700°C, давление 5–6 атмосфер.

Сверхзвуковые струи реальных извержений

Современные наблюдения фиксируют разные сверхзвуковые события в извержениях. Большую долю составляют ударные волны от взрывов, то есть движущиеся со сверхзвуковой скоростью колебания давления. В других случаях возникает сверхзвуковой газовый поток.

Шум его очень похож на звук авиационного форсажа и ракетного двигателя. И это не просто метафора. При извержении африканского вулкана Набро в Эритрее 12 июня 2011 года шум его струи записывался и сравнивался со звуком реактивной струи. Как пишут исследователи, «были выбраны данные испытаний реактивного двигателя самолета F/A-18E Super Hornet и ракетного двигателя GEM-60. Данные F/A-18E взяты из теста, в котором закрепленный самолет работал на форсаже, записи делались конденсаторным микрофоном Bruel and Kjaer 4938 диаметром 6,35 мм. GEM-60 — твердотопливная ракета, используемая в качестве ускорителя для ракеты-носителя Delta IV, со средней тягой в вакууме 83 тонны. Ракета имеет длину 16,2 м и сопло диаметром 1,52 м. Данные ускорителя GEM-60 записаны микрофоном GRAS 6,35 мм 40BD». Сравнение спектра звучания показало высокую степень сходства, подтверждая общую сверхзвуковую природу источника звука.

В России акустику извержений исследуют давно, на базе многочисленных камчатских вулканов; информация растет по мере наблюдений. Микробарографические данные позволили смоделировать и описать (П. П. Фирстов, 1996) динамику известного мощного извержения Шивелуча 11 ноября 1964 года. Тогда снесло больше кубического километра породы, возник кратер размером в пару километров. Автор не раз наблюдал след этого плинианского извержения в виде черно-бурого слоя пемзы шириной с ладонь, видный на стенках шурфов в десятке километров от кратера. Всякий, кто в шурф у подножий заглянет, сам наберет и подарит кому-то — пемзой оттуда орудует в бане личный состав измерительных пунктов.

Сопло Лаваля в авиационном двигателе: работа двигателей самолета F-15 в форсажном режиме
Жидкостный ракетный двигатель РД-107А ракеты-носителя «Союз»

Вулкан создает сопло Лаваля

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Поэт Императорской гвардии Поэт Императорской гвардии

Поэты-эмигранты возвращались в Россию стихами. Но иным и того не довелось

Дилетант
Спутник Sentinel-5 по выбросам газа предсказал маленькое извержение вулкана за 40 минут до его начала Спутник Sentinel-5 по выбросам газа предсказал маленькое извержение вулкана за 40 минут до его начала

Перед взрывом вулкан Вакаари утроил выбросы диоксида серы

N+1
Недосып разрушает мозг: как отсутствие сна увеличивает риск развития Альцгеймера и что с этим делать Недосып разрушает мозг: как отсутствие сна увеличивает риск развития Альцгеймера и что с этим делать

Короткий сон — одна из причин болезни Альцгеймера

VC.RU
«Значит, ураган» Максима Семеляка: проза снаружи всех измерений «Значит, ураган» Максима Семеляка: проза снаружи всех измерений

«Значит, ураган» — биография, или серия эссе, или роман о Егоре Летове

РБК
Гиперкарнавал: какой получилась «Круэлла» Крэйга Гиллеспи Гиперкарнавал: какой получилась «Круэлла» Крэйга Гиллеспи

Почему в мире «Круэллы» Крэйга Гиллеспи хочется провести больше двух часов

РБК
Правда ли, что 150 лет — предел продолжительности жизни Правда ли, что 150 лет — предел продолжительности жизни

Есть ли у нашей жизни фундаментальный биологический предел?

Популярная механика
Подводные археологи впервые нашли в Сингапурском проливе следы старых кораблекрушений Подводные археологи впервые нашли в Сингапурском проливе следы старых кораблекрушений

Возле острова Педра-Бранка обнаружены затонувшие торговые корабли XIV-XVIII вв

N+1
Times Square-то тикает, или почему так мало женщин-музыкантов Times Square-то тикает, или почему так мало женщин-музыкантов

В музыкальном мире соотношение мужчин и женщин составляет 80% против 20%

ЖАРА Magazine
Атомный кран приподнял графеновый слой Атомный кран приподнял графеновый слой

При сильной связи зонд способен приподнимать и отпускать графеновый слой

N+1
Левински, Абедин, Дэвис-Фарель. Три стажерки Белого дома. Отрывок из книги Карин Тюиль «Дела человеческие» Левински, Абедин, Дэвис-Фарель. Три стажерки Белого дома. Отрывок из книги Карин Тюиль «Дела человеческие»

Фрагмент из романа Карин Тюиль о судебном разбирательстве в эпоху #MeToo

СНОБ
Вольфганг Черни: «Очень хочу поработать с животными на съемках. У них совершенно другая энергия» Вольфганг Черни: «Очень хочу поработать с животными на съемках. У них совершенно другая энергия»

Вольфганг Черни — о том, как выучил русский и о роли в «Красном призраке»

Grazia
5 стоящих книг о науке сна, которые вам стоит прочесть 5 стоящих книг о науке сна, которые вам стоит прочесть

Полноценный сон — один из главных факторов здоровой и счастливой жизни

Популярная механика
Еда — это медитация Еда — это медитация

Легкая и чистая диета, апофеоз осознанности

Tatler
Как выглядят жены звездных стендаперов: Абрамова, Щербакова, Романова и других Как выглядят жены звездных стендаперов: Абрамова, Щербакова, Романова и других

Как выглядят супруги популярных российских стендаперов

Cosmopolitan
От свайпа до свадьбы От свайпа до свадьбы

Эксперт: как правильно составить анкету в Tinder

Men’s Health
Успеть всё и даже больше: самые богатые и знаменитые женщины — многодетные мамы Успеть всё и даже больше: самые богатые и знаменитые женщины — многодетные мамы

Успешные многодетные мамы — кто они и чем занимаются?

Cosmopolitan
Небольшие дозы веселящего газа помогли при депрессии Небольшие дозы веселящего газа помогли при депрессии

Однократное применение веселящего газа улучшает состояние больных депрессией

N+1
«Нет смысла соревноваться с диктаторами в красноречии» «Нет смысла соревноваться с диктаторами в красноречии»

Мел Брукс о том, почему нужно смеяться

Weekend
Форменное безумие: лучшие фильмы про психбольницы Форменное безумие: лучшие фильмы про психбольницы

Фильмы про психбольных, больницы и психические расстройства

Cosmopolitan
Как провести отпуск в стиле slow life, где главное — еда Как провести отпуск в стиле slow life, где главное — еда

Сегодня еда становится самоцелью и причиной посетить тот или иной регион

РБК
Блэкаут, безумные Дни благодарения и Блэкаут, безумные Дни благодарения и

Топ лучших эпизодов сериала "Друзья", которые никогда не надоест пересматривать

Esquire
История одной фотографии: моряк целует медсестру на Таймс-сквер История одной фотографии: моряк целует медсестру на Таймс-сквер

Кто были те люди, которые попали на легендарную фотографию Альфреда Эйзенштадта

Maxim
Очаровательные сорванцы! Забавные кадры Елизаветы II c королевскими детьми Очаровательные сорванцы! Забавные кадры Елизаветы II c королевскими детьми

Елизавета II обожает находиться в компании внуков и правнуков

Cosmopolitan
Как наладить обмен веществ Как наладить обмен веществ

Улучшить метаболизм сложно, но можно

Cosmopolitan
5 неожиданных примеров работы, на которую требуются обнаженные девушки 5 неожиданных примеров работы, на которую требуются обнаженные девушки

Натуристы и нудисты в веб-дизайне, клининге и даже психоаналитике

Maxim
8 (по)потрясных латиноамериканских песен 8 (по)потрясных латиноамериканских песен

Эти песни были посланы свыше, чтобы ты смог скоротать начало лета под них

Maxim
Лучшие книги для мужчин, которые решили взять быка за рога Лучшие книги для мужчин, которые решили взять быка за рога

Книги, которые превратят застенчивого юношу в уверенного в себе мужчину

Популярная механика
Слишком жарко: самые красивые и горячие парочки из сериалов Слишком жарко: самые красивые и горячие парочки из сериалов

Мы вспомнили самые красивые, трогательные и милые пары из сериалов

Cosmopolitan
Героини Голливуда: кто и зачем атакует гламур в массовой культуре Героини Голливуда: кто и зачем атакует гламур в массовой культуре

Что Голливуд делает для нормализации женского лица и тела и что с этим не так?

РБК
Возьми с собой в отпуск: 10 легких сериалов для летних вечеров Возьми с собой в отпуск: 10 легких сериалов для летних вечеров

Собрали для вас «чемоданчик» сериалов на лето

Cosmopolitan
Открыть в приложении