火山の噴火のレベルのグレードについて

トンガで火山が大噴火したわけですが、火山の噴火についてグレードがあるのでしょうか。
私の自分の研究上、火山の噴火で生じた圧縮空気の影響を調べています。シミュレーションモデルなどを使うわけですが、噴火のその地点で空気の圧縮がどれくらいの振幅でどれくらいの時間継続したのかを知りたいと思います。空気の圧縮による波（地震波の縦波P波の伝播の空気版）であり、遠方での気象計測によって気圧変動が報告されています。それに応じた津波（気圧変動が発生させた津波）も報告されています。
そのため、トンガの噴火のその時点での圧縮空気の諸元が必要になります（シミュレーションにおける境界条件）。そのような情報は何もないかもしれませんが、そうすると少なくとも火山噴火のグレードというかレベルが参考になるかもしれないと思っています。もし火山の噴火の圧縮空気の諸元がないとしたら、気圧計測データから噴火の方を推定する逆解析になってしまい、不得意なものになってしまいます。
よろしくお願いします。

No.5 回答者： yos1912 回答日時： 2022/02/07 11:49

はっきりとした根拠がないと理解した上でお読みください。

　トンガの噴火で爆発圧が３０００気圧とするのは大きすぎるような気がします。マグマ溜まりの最深部での圧力に相当します。もう一桁くらい小さいのではと思っています。
　噴出(ガス)速度は６００m/sと書かれていたような気がします。完全に音速を超えています。国内でのちょっと大きめの噴火でも噴出物の速度が３００m/sという測定もあります。固形物の速度うぃさしているのならガス速度は音速を超えていそうです。
　そもそも強力な衝撃波が発生するのは、噴出物の速度が音速を超えたためではないかと考えています。前方の空気が急速に圧縮されてもその情報を前方に伝えることができません。普通の飛行体だと側方に逃すことができますが、爆発では球面状に広がるのでそれもできません。爆発から時間が経つと拡大速度が次第に落ちていき、音速を割ったとたんに一気に衝撃波として開放されます。トンガではこれが起こったのではないかと推測しています。
　トンガの場合、噴火のようすを見る限りでは単発だったように見えます。クラカタウの噴火は誰も見ていないのでわかりませんが、３０００気圧としてもそれになるまでや収束するまで多少時間がかかったというのもありそうです。
　空中に１トン程度のものが浮遊するかということですが、火山灰や火山弾といったものがそういう働きをするということがないでしょうか。爆風を押さえるように作用しそうです。量でいえば１トンというレベルをはるかに超えていそうです。プリニー式噴火では先に噴出した火山灰が後から昇ってくる火山灰の上昇を妨げます。火山灰が大量に混じった空気なら雪崩や火砕流のような粉体流として扱わないといけないのかも知れません。

この回答へのお礼

回答ありがとうございます。物理量（圧力・速度）については推測の域を出ないものが多いんだろうと思います。そのため数値計算をベースにしたキャリブレーションでやっていくしかないと考えています。試行錯誤ということですから、その分、報告書とか論文が長くなるということですかね。
１つどうかなと思うことがあるのですが、音波に関連して超音波、衝撃波などの名称の違いがあり、物理が違うのか？とう疑問がありました。量の大小、数式の項の捨象の有無といった違いであり、根本原理はほぼ同じではないかと思っています。※超音波について数値的な定義がやや不確定的ではと思います。
ところで、私が求めていた回答を別に探すことができました。火山爆発指数Volcanic Explosivity Index, VEIというものです。トンガはレベル６だそうです。これでも音圧の明確な定量化には至りませんが、大雑把なスケーリングはできるようです。

お礼日時：2022/02/23 09:39

No.4 回答者： yos1912 回答日時： 2022/02/03 20:46

この質問があった直後に、空振についての情報、特に爆発力に関係するものがないか探していました。

いくつか見つけられたのですが、それがどこだったのかわからなくなっています。気象庁関連の中だったような気がしています。
　見つけた中で、総合的に書かれているものは次のものかな。
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jasj/40/12/ …
　ここには、クラカタウの噴火の爆発圧が３０００気圧と書かれています。先に回答したものよりも３桁ほど大きいようです。
　波形のことが問題になっていますが、火山性微動(マグマの上昇によって起こる)との関係を書いたものもあったのですが、見つけられていません。
　最近こんなことをいっている人もいるようです。
https://www.npr.org/2022/01/18/1073800454/nasa-s …

　火山の噴火の爆発は、先に書いた水蒸気爆発の他に、マグマ中に含まれている揮発物質によって起こるものがあります。上昇してきたことによって圧力が下がり、分離して泡となります。この時にマグマの粘性が大きければいつまでのマグマの中に残されます。それが地表近くにやってきた時に、一斉に膨らんではじけます。炭酸飲料の栓を開けると一気に泡が噴きだしてきますが、これと同じような噴火だと爆発が連続的になります。これだと、単純なパルス的な波形ではなくなりそうです。
　キラウエアは、マグマの粘性が小さいので、マグマが火口近くまで上昇してきた時には揮発成分は抜けきっていて大きな爆発はほとんど起こりません。そのために、溶岩が流れている近くまで行っても、爆発で飛ばされてくる噴出物がないので、すぐそばで観察することができます。といっても、溶岩が流れてくる端っこの方だけで火口近くまでいけるわけではありません。いくら爆発が少ないといっても少しはあります。石や溶岩が飛んできて危険です。

この回答へのお礼

詳細な回答まことにありがとうございます。火山に関しては全く手がかりがなく、試行錯誤していました。3000気圧の空気は状態方程式で計算すると密度が普通の数千倍（トンのレベル）のオーダーで高くなり、空気の変位（速度）も音速レベルを超えてしまいそうです。状態方程式の過程が成り立っていないかもと思います。計算時間ステップを10^(-7)程度に短くしても計算が不安定になってしまいました。圧力を落とした計算にするか、速度（風速というか空気の変位）を境界条件にするとまだマシな計算結果になるのですが。火山の圧力は3000気圧であり、その状態が1分ぐらい継続したというような仮定は厳しすぎでしょうか。1トン程度のものが空中に1分浮遊するということになってしまうのですが。そんなものかもとも思いますが。3000気圧の状態から一瞬で減衰する波形だったらどうかなとは思います。

お礼日時：2022/02/07 05:16

No.3 回答者： yos1912 回答日時： 2022/01/31 21:00

実際に火山を研究していたわけではないので、詳しいことはわかりかねますが、火山に対しての一般的な知識から考えられることを述べてることにします。

お役に立ちますかどうか。

　先に回答したとおり、噴火の規模と火山爆発の規模は全く別物と見ていいと思ってください。その上で、爆発の規模がエネルギー量として報告された例があるようですが、それ以上の事については何もわかりません。
　噴火口すぐ近くで、空振を測定しているというのはないと思っています。津波などと同じように、各地の観測記録を解析して、発生源の情報(津波でしたら海底地形の変形がどのように起こったか)を求めるしかないと思います。火山の場合でしたら、発生源が移動することはないので(雲仙の火砕流は例外です)少しは単純かなという気がします。

　別の方法で、考えてみることにします｡圧力が必要ということです。一般的な火山噴火では、上昇してきたマグマの熱で(水が蒸発して)周囲の圧力が高くなります。これが周囲の岩盤が押さえ込む力よりも大きくなったときに爆発を起こして噴火が始まるとされています。
　このことからすると、噴火に伴う圧力の大きさは、岩盤の持つ圧力、言い換えれば岩盤の重みと考えてもいいでしょう。岩盤が厚くなってくると耐久力は知れていますし、噴火の直前にはある程度破壊されています。
　一般的な事例で考えます。伊豆大島に波浮港という窪地があります。これは火山の爆発で吹き飛ばされてできたもので爆裂火口(マール)と呼ばれているものに属しています。
　窪地の深さは８０ｍ位です。底に海水が入っていますが、その深さは周辺に堆積する噴出物と相殺されるとして、８０ｍが爆発源の深さと推定します。この深さでの岩盤の圧力は、岩石の比重から４ｍで１気圧大きくなるとして、２０気圧くらいになります。２ＭＰaです。爆発の勢いはどれくらいが必要なのかわかりませんが、これだと小さいですか。噴火口の直径は３００ｍあります。噴火口内の圧縮空気が拡散するのに要する時間から波長は見積もれないですか。

　磐梯山は、同じ噴火でも山全体を吹き飛ばしたといわれています。実際には、爆発の勢いで山体が持ち上げられ、不安定になった土砂が山麓になだれ落ちてきたのが実際に起こった現象です。この時に持ち上げられた岩盤の厚みは数百ｍはありそうです、波浮港の噴火に比べて一桁大きくなりそうです。

　同じようにして、圧力の最大値を見積もってみます。地球深部から上昇してきたマグマは、火山の下でマグマ溜まりを作ります。この時に、マグマに含まれていた揮発成分が徐々に分離していきマグマの圧力を高めていきます。これが上部の岩盤を押し上げて噴火すれば、かなりの圧力を持つ噴火となります。これが上限になりそうです。カルデラ噴火と呼ばれるものは、これに近いのではと考えています。

　爆裂火口を作る噴火や磐梯山の噴火は単発的な噴火です(どちらも水蒸気爆発といいます)。これに対してプリニー式噴火というのがあります。連続的に火山灰を上空にふきあげる噴火です。爆発が休みなく起こっている状態です。これは空振の波形に影響してきそうです。

　以上に述べたことは思いつきです。考える上での目安になるかなとは思っています。

この回答へのお礼

回答ありがとうございました。今回頂いた情報等を軸に少しづづ値を変えて手探りで調べてみることはできそうです。今どきは何とかネット内に報告書とか論文を見出すこともできますが、事例研究的で普遍化に向けた整理まで至っていない感じでした。爆発力の算定ということなのでTNTの何キロトンとかそういうものに置き換えらえていてそれに応じた圧力波形があるんじゃないだろうか思っていたところです。
ところで噴火といっても例えばハワイのキラウウェア火山などは溶岩が流れ出ている様子の近接写真がありますが、あれは噴火といっても爆発ではないということになるのでしょうか。

お礼日時：2022/02/03 17:16

No.2 回答者： yos1912 回答日時： 2022/01/28 18:48

質問文からは、どの程度の知識をお持ちなのか判断できませんので、単純に火山噴火で関係する事柄のみお答えします。

　火山は山によってどのように噴火するかは様々です。マグマ水蒸気爆発といって山体を吹き飛ばすような爆発的な噴火をする火山もあれば、延々と溶岩を流し続ける火山もあります。前者では大きな空振が瞬間的に発生し、ガラスを割るなどの被害が生じます。このようなこともありますから(他の理由もあります)、火山では必ずといっていいほど空振計を設置しています。
　ところで、火山の噴火のレベルですが、基本的にはマグマの噴出量によって決定していますから、その値が空振の大きさと関係するとは考えられません。むしろ、空振の大きさから噴火がＴＮＴに換算してどれくらいだったかということが経験則によって求められているようです。これについては火山学会のＱ＆Ａに書かれていることしかわかりません。
　こちらです→http://www.kazan.or.jp/J/QA/topic/topic39.html

　火山の近くだとサージと呼ばれる小石混じりの爆風が吹き荒れていることがあるというのわかっています。これについてはデータがあるのかどうかも疑問です。遠くから見たようすと堆積物のようすから状況が推定しているように見えます。火砕流もこのサージの一種になります。

　トンガの場合は、気圧変動が大きかったために普通の気圧計で測定できたこと、ひまわり８の画像に衝撃波が伝播するようすが写っていることによって報道されるようになったものと考えられます。

　空振のデータは一般には発表されていないようです。データの入手は各観測所と仲良くなることくらいしかなさそうです。

この回答へのお礼

回答ありがとうございます。私は火山の知識は中学校の火山の噴火の分類図があったことを記憶している程度です。コニーデ型とかですかね。

一方で数値計算という立場に立ってこの火山をモデル化して計算シミュレーションにかけることはできると思っています。モデルとして出てくる量は空気の圧力、空気の変位、空気密度です。この3つに関して時空間に分布させて計算するので、火山の位置での圧力・空気の変位・密度を与えていく必要がありますが、密度は圧力から状態方程式（これが変更を受けると厳しくなりますが）で決まるので必要なものは圧力ですね。今回、計測事例が過去にないほどの規模だったということですが、数値計算を行う上では数値は青天井と思っていいのでいくらでも対応します。現象を10の-5乗秒間隔で状況の変化を見ることもできます。計算を実行するため必要なものは基本的には圧力条件です。プラウドマン共鳴による津波の生成は既往モデルの範囲では至極簡単であり問題なしです。

火山での噴火口での圧力増大量（あるいは振幅）の目安と波形（これは望むべくもないと思いますが、日本での大気の計測波形があります）の非常識ではない範囲を知りたいと思っています。噴火の継続時間はどうなのでしょうか。火山噴火の時の高圧力が時間とともに平常に戻る、あるいは、圧力の波によって圧力の減少も生じるかもです。

このような事情なのでグレードってどれくらいですか（それによって圧力偏差が出そう）とか、そもそも火山の噴火のグレードってあるんですか？とお尋ねしました。

お礼日時：2022/01/30 10:45

No.1 回答者： g27anato 回答日時： 2022/01/27 14:49

「圧縮空気」…ですか？

個人の研究における圧縮空気に関する解釈自体が、研究内容を知らない第三者には理解不能です。

日本のトンガ津波の原因を単なる「噴火」と捉えたら一切理解できない筈です。
「噴火に伴う爆発(又は爆発に相当する一瞬の膨張)により発生した衝撃波の空中伝播」という捉え方が必要となる筈です。
…単なる「空気の圧縮」ではなく、火山本体から発生した「瞬時の膨張」による筈。

加えて、音波のように波として振幅で捉えるには「爆発による(一瞬の)膨張と収縮から発生する圧力変動」という時間的な解釈も全く違う筈です。

地震p波は固体中の伝播であり、空中伝播は流体中の伝播なので、
…これも捉え方に違いが有る筈です。

日本の波も便宜的に「津波」と表現されたけど、
潮汐に伴う波の高さに衝撃波の伝播した空振による海面変動なので、
…地震や海底噴火や山体崩壊に伴う通常の津波とは全く違う解釈が必要です。

今回のトンガ噴火は観測体制が想定してない規模と形態であり、現状でのグレード判断は無理な筈です。

逆解析も天文学並のデータ投入が必要なので、不得意ならなおさら難しくなります。

気象衛星の画像から判断するに、核爆弾の数個分に相当する規模であり、
それだけの大規模爆発を計測したデータは当然ながら無いので、
今後のデータ収集と様々な要素を組み合わせた、専門的な分析と解釈と判断を待つ事になります。

…「自分の研究」を自称するなら一定程度の専門知識は持ってるでしょうから、
この回答の意味を少なくとも半分程度は理解できるかと思います。

この回答へのお礼

回答ありがとうございます。
火山の現場では空気の瞬間的な膨張と収縮が生じたということですが、実際は噴火が何度も連続して生じているのだろうと思います（映像）。
その様子を同定することはほぼ無理と思います(計算結果によるキャリブレーションしかないかと思います)。今回は過去に計測事例がないほどのものだったということですね。過去の計測事例に係数をかけて増幅させてみて気圧波形の振幅と比較するということかなと思いますが。

火山の場所での空気の変動波形をいろいろ仮定して調べてみるわけですが、計算という面からみると、必要な量は爆発の速度(m/s)（＝空気の変位）か圧力の振幅(Pa)ということになります。火山の位置での速度の振幅とか圧力の振幅の値があると計算を進めることができます。火山による熱エネルギーは捨象します。"衝撃的な瞬時膨張"ということですが、膨張とは空気の変位ですが、膨張する理由は背後に火山による高圧空気（土砂や岩石塊も含む）があって空気塊を押すからだと思います。その圧力がだいたいどの程度なのだろうかということです。核爆弾の中心での圧力ってことにもなるかもですが。

実際に計測されているものは、海面の津波波形（火山からの直達ではなくプラウドマン共鳴）と世界各地の大気の圧力波形です。日本各地で計測された圧力変動の時系列はしっかり約340m/sで通過していることがわかります（教科書に出てくるようなきれいな伝播）。また孤立的な音波ではなく、周期が30分ぐらいだったようです。それに対応する波形を火山で与えればよい、ということになりますが、振幅が不明なので大体のオーダーを知りたいと思いました。火山もいろいろ、ということでしょうが、誤差1000％（真値の10倍）ぐらいで分かればいいかなと思っています。現時点で全く未知の値なので（私にとって）。

音波の伝播（線形・非線形どちらも）、海面上の気圧変動による津波の生成と伝播というものがシステムとしてセットになっているのであとは境界条件としての噴火による衝撃波条件だけなのですが。その意味ではトンガでなくてもいいのです。そのためにグレードをおたずねしたわけですが、規格外だったようですね。

お礼日時：2022/01/30 10:10