Tűz, víz, jég GLECCSER ALATTI VULKÁNKITŐRÉS

Az izlandi „jeges árvíz”, a jökulhlaup súlyos természeti csapás, egyszersmind különleges természeti jelenség, mi több, idegenforgalmi látványosság. (Az ÉT 1995. évi 32 és 35. számában Juhász Árpád számolt be róla.) Leggyakrabban jég alatti vulkánkitörés indítja el az eseménysorozatot, s a jelenség magyarázatához, lefolyásának előrejelzéséhez komoly fizikai meggondolásokra van szükség. Így esett, hogy – „hazai problémaként” – néhány jökulhlaup-számítást az idei fizikusi diákolimpia versenyfeladataként tűztek ki. Cikkünk a magyar csapat tanár vezetőjének képes „szakmai beszámolója” diákolimpikonjaink sikeres munkájáról és egy valóságos „beszakadó kitörés”-ről, amely egyébként éppen két éve, 1996 őszén következett be a Vatnajökull gleccser mélyén.

A kiömlő láva megolvasztja maga körül a jeget. Az így képződő víz térfogata kisebb, mint az elolvadt jégé, hiszen a jég közismert tulajdonsága, hogy sűrűsége kisebb a vízénél. Tehát a láva felett üreg keletkezne, ha az üreg feletti jégréteg (hatalmas súlya miatt) meg nem süllyedne, kitöltve a térfogatkülönbséget, a felszínen pedig egy horpadás jön létre. Megszoktuk, hogy vulkánkitöréskor valamilyen pozitív anyagmozgást (hegyek, szigetek kiemelkedését, füst és korom kiáramlását, kövek kirepülését, lávaömlést) észlelhetünk, nem pedig negatív felszíni változást, ezért érezhetjük igen meglepőnek a jégmezőn kialakuló óriási horpadást. A diákolimpián a versenyzőknek a horpadás méretéből kellett a mélyben rejtetten feltörő láva mennyiségére következtetniük, s ezt a magyar diákok sikeresen meg is tették. Az olimpián a verseny két fordulója után az 1996-os izlandi vulkánkitörésről és későbbi következményeiről igen érdekes, nagy sikerű előadást tartott Magnús Tumi Gudmundsson geofizikus, az Izlandi Egyetem professzora. A kitörés a szigetország legnagyobb gleccsere, a Vatnajökull alatt történt. Az izlandi gleccserek csak részben hasonlók kontinensünkön levő társaikhoz: nemcsak lassú jégfolyamok egy-egy meredek völgyben, hanem egész hegységeket (Izlandon természetesen vulkanikus hegyeket) is beborítanak. Az Izland délkeleti részén levő Vatnajökull hatalmas hegység, amelyet teljes egészében sima jégsapka fed. Az átlagosan 100 kilométer átmérőjű jégmező, szabálytalan alakú, szabdalt, meredek csúcsokkal, mély völgyekkel tarkított, a jég vastagsága pedig 300 és 1000 méter között változik az alatta levő geológiai formációk magasságától függően (térkép) A továbbiakban lényegében Gudmundsson professzor előadását követjük az események leírásakor. 1996. szeptember 29-én a Richter-skála szerinti 5-ös méretű földrengést észleltek a Vatnajökull gleccser jégsapkája alatti térségben, majd sorozatos kisebb erősségű rengések következtek. Szeptember 30-án, röviddel éjfél előtt vulkanikus tevékenység megindulására utaló talajremegést figyeltek meg. A következő nap (október 1-jén) az időjárás kedvezett a megfigyeléseknek, így többé-kevésbé folyamatos légi megfigyelést végezhettek a kitörés térségében. Kiderült, hogy a jégsapka felszínén horpadás alakult ki, s ennek átmérője és mélysége is folyamatosan növekedett. A horpadás végül is 100 méteres mélységű és 1 kilométeres átmérőjű lett (1. kép) . A horpadás helyén a jég gyakorlatilag függőlegesen mozgott lefelé, ezért alakultak ki repedések a megsüllyedt terület körül (2. kép). A hatalmas méreteket jól érzékelteti a kép jobb felső sarkában látható kis repülőgép és annak árnyéka.

Nemzetközi Fizikai Diákolimpia (Rejkjavik, Izland) Víz a jégmező alatt. A jégmező szilárd talajon helyezkedik el, függőleges vastagsága néhány kilométer, vízszintes kiterjedése többször tíz vagy száz kilométer. A feladatban a jég olvadását tanulmányozzuk és azt, hogy miként viselkedik a víz a 0 Celsius-fokos hőmérsékletű jégtömb alatt. Felhasználható adatok: a víz sűrűsége, a jég sűrűsége, a jég fajhője, a jég olvadáshője, a kőzet és a magma sűrűsége, a kőzet és a magma fajhője, a kőzet és a magma olvadáshője, a földfelületen kilépő átlagos hőáramsűrűség és a jég olvadáspontja. Részfeladat (b). Egy vízszintes talajon elhelyezkedő, nagy kiterjedésű jégtábla kezdetben 2 kilométer vastag. Ekkor a jég gyors megolvadása révén egy 1 kilométer vastag, 1 kilométer sugarú, kúp alakú víztömeg alakul ki. Vezesd le képletekkel a jégtábla felső felületének alakját! Részfeladat (d). Egy nemzetközi kutatócsoport expedíciói évente megvizsgálják az Antarktisz 0 Celsius-fok hőmérsékletű jégtakaróját. Ennek felszíne normálisan egy vízszintes felületű, kiterjedt jégréteg. De most egy mély, kráterszerű mélyedésre bukkantak, ami olyan, mint egy fordított kúp, amelynek legnagyobb h bemélyedése 100 méter és r sugara 500 méter. Tapasztalataikat megbeszélve a kutatók arra a következtetésre jutnak, hogy a jég alatt kisebb vulkánkitörés történhetett. Egy kevés olvadt magma benyomult a jégréteg aljába, ott megdermedt és lehűlt, eközben bizonyos mennyiségű jeget megolvasztott. A kutatók megpróbálják megbecsülni a behatolt magma térfogatát, hogy megértsék, miből lett a megolvadt víz. Kiszámítandó 1.: a jégtakaró alatt kialakult vízkúp tetőpontjának magassága a jégtábla alapjának eredeti szintjéhez képest, 2. a magmabehatolás magassága, 3. a keletkezett víz teljes tömege.

Négypercenként egy atombomba
A vulkánkitörés ereje másnap, október 2-án át is törte a kráter feletti jégréteget. Az 500 méter magas, forró, fekete hamufelhőt a hideg levegő felhajtóereje 3000 méteres magasságba emelte (3. kép). A lávaömlés október közepéig tartott, egy vulkáni eredetű egyenes törésvonal mentén további horpadások keletkeztek, a kráter feletti felhő színe egyre fehérebb lett, s ekkorra már körülbelül 10 kilométeres magasságot ért el (4. kép).

Későbbi számítások szerint a kitörés első két hetében a vulkán olyan nagy mennyiségű energiát adott át a környezetének, mintha négypercenként egy-egy hirosimai bomba robbant volna a tűzhányó kráterében! Ennek a legnagyobb része a gleccser jegét olvasztotta, így hatalmas menynyiségű, 3 köbkilométer térfogatú, 3 milliárd tonna tömegű víz keletkezett. (Balatonunk víztérfogata nagyjában 2 köbkilométer! – A szerk.)
Ez az óriási mennyiségű víz a vulkánkitörés közelében kialakuló hatalmas kalderában gyűlt össze: egy tó a gleccserjég alatt. A vizet borító jég szintje már október 1-jére 10-15 méterrel emelkedett, s ez a következő napokban is folytatódott. A gleccserjég ugyanis csapdában tartja a vizet, legalábbis addig, amíg a víz nyomása meg nem nő annyira, hogy kiszabadul jégbörtönéből. Előre tudható: ez az áttörés óriási árvizet okoz. Az ilyen gleccserárvizekre az izlandi nyelvben külön szó létezik: jökulhlaup. Gyakori jelenség ez a jégvilágban. Nemcsak vulkánkitörések okozhatják, hanem az Izlandon megszokott geotermikus melegvizek is. Ezért
a szigeten igen gyakoriak a gleccserárvizek, tízévente két-három jökulhlaup alakul ki. Az 1996-os árvíz azonban igen nagy és rendkívül pusztító volt, 1938 óta a legnagyobb, akkor 4,5 köbkilométer víz szabadult el.
A hatalmas mennyiségű víz kiszabadulását ez alkalommal sokkal hamarabbra várták, mint ahogy valójában bekövetkezett. A gleccser még néhány hétig azután is magába zárta a vizet, amikor a sztatikus erőkön alapuló számítások szerint a víz szintje már túllépte a kritikus határt. November 4-én este fél tízkor erős remegést (jégrengést) észleltek a gleccsertó felől. Megtörtént a jéggát átszakadása, és a tó három nap alatt (november 7-éig) csaknem teljesen kiürült, vízszintje 165 méterrel (!) csökkent.

Pusztító jeges ár
A gleccsernek a Skeiőarársandur-síkságot elérő nyúlványából november 5-én délelőtt 11 óra előtt kezdett kiömleni a víz. Az 5. képen déli 12 órakor láthatjuk a végső „roham”-ra várakozó vizet. A meginduló özön egy órával később már elsodorta egy 380 méter hosszú híd keleti felét (6. kép). Ekkor az áradás másodpercenként 5000 köbméter vizet szállított, s a vízhozam másnap (november 6-án) késő este érte el maximumát, 45 000 köbméter/szekundumot. (A Jangce torkolati vízhozama 30 000, a dunai középvíz 2000.) Addigra az előbb említett híd már teljesen eltűnt.
A gleccserárvíz a síkságon november 5-én délelőtt először egy 3–5 méter magas, gyorsan rohanó vízhullám formájában jelent meg, majd a pusztító víz mennyisége fokozatosan növekedett. A hőmérséklete 3–5 Celsius-fok körüli volt, színe a nagy mennyiségű vulkáni por és hamu miatt sötétfekete. Sziklákat és sötétre színeződött jégtömböket sodort magával, a jégtömbök némelyike elérte a 10–15 méteres magasságot és az 1000 tonnás tömeget is. Az áradás szétszórta ezeket a sziklákat és jégtömböket az 50 kilométer széles síkságon. A tengerbe hozzávetőlegesen 100 millió tonna vulkáni eredetű anyag és agyag került.

Veszélyes turistalátványosság
A következő nyárra az áradás helye turistalátványossággá vált. A látogatók szívesen fényképeztették magukat a homokba süllyedt jégtömbök előtt, amelyek még nem olvadtak el teljesen (7. kép). Az olvadó jégtömbből származó víz a finom homokba folyik, telített homok-víz keverék jön létre, s a jégtömb mélyen belesüllyed. Veszélyes homokcsapdák alakulhatnak így ki. Látszólag közönséges fekete homokkal teli gödör ez, ám ha egy követ beledobunk, az azonnal elsüllyed. A figyelmeztető tábláknak köszönhetően manapság már nincsenek balesetek, a század első felében azonban az ilyen homokcsapdák embereket és lovakat is elnyeltek.