Opady piroklastyczne powstają z materiału wyrzuconego podczas erupcji wulkanicznej, transportowanego w atmosferze, a następnie osadzanego pod wpływem grawitacji. Materiał może być przenoszony w zawieszeniu w chmurze erupcyjnej albo poruszać się po torze balistycznym. Tefra może opadać zarówno na powierzchnię lądu, jak i do mórz, jezior i innych zbiorników wodnych.
Materiał piroklastyczny klasyfikuje się przede wszystkim według wielkości ziaren. Popiół wulkaniczny ma średnicę poniżej 2 mm, lapille – od 2 do 64 mm, natomiast fragmenty większe niż 64 mm określa się jako bomby wulkaniczne, jeśli zostały wyrzucone w stanie plastycznym, lub bloki, jeśli były już zestalone.
Zasięg poszczególnych frakcji jest bardzo różny. Największe fragmenty spadają zazwyczaj w pobliżu wulkanu, natomiast najdrobniejszy popiół może być transportowany przez wiatr setki, a nawet tysiące kilometrów.
Dokąd poleci chmura popiołu?
Rozprzestrzenianie tefry zależy nie tylko od siły erupcji i wysokości kolumny, ale również od wielkości ziaren, prędkości i kierunku wiatru na różnych wysokościach, wilgotności atmosfery oraz czasu trwania erupcji. Nie należy przy tym wskazywać jednego przedziału wysokości, np. 4–13 km, jako szczególnie istotnego dla wszystkich erupcji. Wysokość tropopauzy zmienia się w zależności od szerokości geograficznej i pory roku, a duże kolumny erupcyjne mogą znacznie ją przekraczać.
Kierunek wiatrów na wysokości, na której znajduje się chmura, decyduje w dużym stopniu o tym, gdzie powstanie pokrywa tefry. Dlatego podczas tej samej erupcji miejscowość znajdująca się kilkadziesiąt kilometrów od wulkanu może zostać zasypana grubą warstwą popiołu, podczas gdy inny obszar w podobnej odległości, ale po przeciwnej stronie wulkanu, może pozostać niemal nietknięty. Wraz z odległością od źródła pokrywa tefry zazwyczaj staje się cieńsza i drobniej uziarniona.
Czy popiół wulkaniczny może okrążyć Ziemię?
Najdrobniejsze cząstki mogą być transportowane na ogromne odległości. W przypadku największych erupcji część materiału oraz gazy wulkaniczne docierają nawet do stratosfery.
Trzeba jednak rozróżnić dwa zjawiska. Popiół wulkaniczny może być transportowany bardzo daleko, ale stosunkowo szybko opada. Znacznie dłużej pozostają w stratosferze aerozole siarczanowe, powstające przede wszystkim z wyemitowanego przez wulkan dwutlenku siarki. To właśnie one, a nie sam popiół, odpowiadają za większość globalnego wpływu dużych erupcji na klimat. Aerozole rozpraszają część promieniowania słonecznego, ograniczając ilość energii docierającej do powierzchni Ziemi.
Krakatau – erupcja, którą zauważył cały świat
Jednym z najsłynniejszych przykładów była katastrofalna erupcja Krakatau w Indonezji w 1883 roku. Kolumna erupcyjna osiągnęła wysokość kilkudziesięciu kilometrów, a produkty erupcji przedostały się wysoko do atmosfery. W kolejnych tygodniach aerozole wulkaniczne rozprzestrzeniły się wokół Ziemi. Skutkiem były m.in. niezwykle intensywne czerwone i pomarańczowe zachody Słońca obserwowane przez wiele miesięcy w różnych częściach świata. Erupcja przyczyniła się również do przejściowego ochłodzenia klimatu.
Nie należy jednak przypisywać tego efektu przede wszystkim globalnemu rozprzestrzenieniu popiołu ani podawać prostego związku „0,5°C przez pięć lat”. Za dłużej utrzymujące się oddziaływanie klimatyczne odpowiadały przede wszystkim aerozole siarczanowe, a wielkość i czas ochłodzenia różniły się w zależności od regionu i analizowanego zbioru danych.
Bomby wulkaniczne nie lecą tysiące kilometrów
Zupełnie inaczej zachowują się największe fragmenty materiału. Bomby i bloki wulkaniczne są wyrzucane z krateru i poruszają się przede wszystkim po torach balistycznych. Ze względu na swoje rozmiary szybko spadają na powierzchnię i stanowią zagrożenie głównie w bezpośrednim otoczeniu czynnego wulkanu. Mogą ważyć od kilku kilogramów do wielu ton. Ich uderzenie może niszczyć budynki, pojazdy i infrastrukturę oraz powodować śmiertelne obrażenia.
Nie wszystkie duże fragmenty wyrzucone z wulkanu są jednak bombami. Bombą nazywamy fragment magmy wyrzucony w stanie stopionym lub częściowo stopionym, który przybiera kształt podczas lotu. Blok jest natomiast fragmentem już zestalonej skały.
Lapille zajmują pozycję pośrednią – większe fragmenty opadają stosunkowo blisko wulkanu, natomiast drobniejsze mogą być przenoszone przez kolumnę erupcyjną znacznie dalej.
Czy opad piroklastyczny jest gorący?
Opad tefry jest zazwyczaj znacznie chłodniejszy od spływów piroklastycznych. Drobne cząstki mają dużą powierzchnię w stosunku do objętości, dlatego podczas transportu przez atmosferę szybko tracą ciepło. W dużej odległości od wulkanu popiół docierający do powierzchni może być już chłodny.
W pobliżu miejsca erupcji sytuacja może wyglądać inaczej. Grube, szybko zdeponowane nagromadzenia materiału mogą zachować wysoką temperaturę.
Popiół – niewielki, ale bardzo niebezpieczny
Popiół wulkaniczny nie przypomina miękkiego popiołu pozostającego po spaleniu drewna. Składa się z drobnych, ostrych fragmentów szkliwa wulkanicznego, kryształów i skał, dlatego jest materiałem silnie abrazyjnym. Może uszkadzać maszyny, pojazdy, turbiny, urządzenia elektroniczne i instalacje przemysłowe. Dostaje się do systemów wentylacyjnych i filtrów, zanieczyszcza wodę oraz utrudnia funkcjonowanie oczyszczalni i sieci wodociągowych. Może również ograniczać widoczność niemal do zera, a zalegając na drogach zmniejszać przyczepność.
Drobny popiół może pozostawać problemem długo po zakończeniu erupcji. Wiatr oraz ruch pojazdów ponownie unoszą zdeponowane cząstki do atmosfery – proces ten nazywa się resuspensją.
Popiół wulkaniczny stanowi szczególne zagrożenie dla lotnictwa. Drobne cząstki mogą dostać się do silników odrzutowych. W ich gorących częściach szkliwo wulkaniczne może się topić, a następnie osadzać na elementach turbiny. Może to zakłócić przepływ powietrza, doprowadzić do utraty ciągu, a w skrajnym przypadku nawet do wyłączenia silnika.
Popiół działa również jak materiał ścierny – uszkadza szyby kokpitu, powierzchnie samolotu i elementy silników. Może zatkać czujniki ciśnienia wykorzystywane do określania parametrów lotu oraz zanieczyszczać instalacje pokładowe.
Znane są przypadki, gdy samoloty po wleceniu w chmurę popiołu czasowo traciły ciąg wszystkich silników, choć załogom udało się później ponownie je uruchomić.
W kwietniu i maju 2010 roku islandzki Eyjafjallajökull pokazał, że nawet stosunkowo umiarkowana pod względem wielkości erupcja może wywołać ogromne konsekwencje gospodarcze. Drobny popiół został wyniesiony do atmosfery, a układ wiatrów skierował chmurę nad gęsto uczęszczaną europejską przestrzeń powietrzną. W kolejnych dniach w dużej części Europy zamykano lub ograniczano ruch lotniczy. Odwołano ponad 100 tysięcy lotów, a zakłócenia dotknęły miliony pasażerów.
Wpływ popiołu na zdrowie zależy przede wszystkim od wielkości cząstek, ich składu mineralnego i chemicznego, stężenia w powietrzu oraz czasu ekspozycji. Drobne cząstki mogą przedostawać się głęboko do układu oddechowego. Najczęstszymi skutkami krótkotrwałego narażenia są podrażnienie nosa i gardła, kaszel oraz nasilenie objawów u osób cierpiących na astmę i inne choroby układu oddechowego. Popiół może również drażnić oczy i skórę.
Fluor – niewidzialne zagrożenie dla zwierząt
Powierzchnie świeżych cząstek popiołu mogą być pokryte rozpuszczalnymi związkami powstałymi z gazów wulkanicznych. Szczególnie niebezpieczny dla zwierząt gospodarskich może być fluor. Po opadnięciu popiołu związki fluoru mogą zanieczyścić trawę i wodę. Zwierzęta zjadające skażoną roślinność mogą przyjąć toksyczne dawki pierwiastka, prowadzące do ostrego zatrucia, a przy długotrwałym narażeniu – do fluorozy.
Problem ten jest szczególnie dobrze znany na Islandii. Po erupcji Hekli w 1970 roku obserwowano zatrucia zwierząt na terenach pokrytych tefrą. Podobne zjawiska występowały również podczas innych islandzkich erupcji.
Kilka centymetrów popiołu może zawalić dach
Jednym z najpoważniejszych zagrożeń podczas intensywnego opadu tefry jest jej ciężar. Suchy popiół ma znaczną gęstość, a obciążenie dachu rośnie wraz z grubością warstwy. Szczególnie niebezpieczna sytuacja powstaje podczas opadów deszczu, ponieważ woda zatrzymywana w porach osadu zwiększa jego masę.
Najbardziej narażone są budynki o słabej konstrukcji oraz dachy o niewielkim nachyleniu, z których tefra nie może się łatwo zsunąć.
Popiół może być problemem jeszcze długo po erupcji
Kiedy ustaje opad, zagrożenie nie znika. Tefra zalegająca na stokach może być ponownie unoszona przez wiatr, zanieczyszczać wodę i niszczyć urządzenia. Intensywne deszcze mogą z kolei uruchomić luźny materiał i doprowadzić do powstawania laharów, czyli gwałtownych przepływów mieszaniny wody i materiału skalnego.
Z drugiej strony osady piroklastyczne są niezwykle cenne dla geologów. Warstwa tefry powstała podczas jednej krótkiej erupcji może pokryć ogromny obszar niemal jednocześnie. Jeżeli można ją zidentyfikować w różnych stanowiskach, staje się znakomitym poziomem pozwalającym korelować i datować osady. Metodę wykorzystującą charakterystyczne warstwy popiołów do łączenia zapisów geologicznych i archeologicznych określa się mianem tefrochronologii.
