Новый сценарий опасности на Везувии: смертельное тепловое воздействие оторвавшихся облаков пепла в 79 году н. э. в Геркулануме

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5622 (2023) Цитировать эту статью

3826 Доступов

288 Альтметрика

Подробности о метриках

Потоки разбавленной пирокластической плотности способны вызвать огромные разрушения и смертность вокруг вулканов, а температура является решающим параметром при оценке их смертоносной силы. Анализ отражения карбонизированной древесины из древнего Геркуланума позволил по-новому реконструировать тепловые явления, которые повлияли на здания и людей во время извержения Везувия в 79 году нашей эры. Здесь мы показываем, что первый PDC, вошедший в город, представлял собой кратковременный всплеск облака пепла с температурой 555–495 °C, способный вызвать мгновенную смерть людей, оставив при этом на земле лишь несколько дециметров пепла, что мы и показали. интерпретировать как отделенный от токов высокой концентрации. Последующие пирокластические потоки, которые постепенно похоронили город, представляли собой в основном PDC с более высокой концентрацией и более низкими температурами, от 465 до 390 и 350–315 ° C. Древесный уголь оказался единственным средством, способным регистрировать многочисленные эфемерные экстремальные тепловые явления, таким образом впервые раскрывая реальное тепловое воздействие извержения 79 года н. э. Летальное воздействие, задокументированное для разбавленного PDC, образующегося во время древних и недавних извержений вулканов, позволяет предположить, что такая опасность заслуживает большего внимания на Везувии и в других местах, особенно недооцененная опасность, связанная с выбросами горячих облаков отдельного пепла, которые, хотя и кратковременны, могут подвергать здания сильному нагреву. ущерб и гибель людей.

Потоки разбавленной пирокластической плотности являются одними из наиболее смертоносных вулканических явлений. Это сильно турбулентные приземные пирокластические течения (PDC), которые могут либо возникать в жерлах в виде разбавленных волн (особенно во время фреатомагматических извержений), либо они могут быть связаны с высококонцентрированными, ограниченными долинами базальными подводными течениями, от которых они могут отделяться и двигаться независимо. даже на пересеченной местности, что делает их пути крайне непредсказуемыми1,2,3. Разбавленные PDC ответственны за некоторые из самых смертоносных вулканических катастроф, например, произошедшие 8 мая 1902 года в Сен-Пьере, Мартиника, когда почти 30 000 человек были мгновенно убиты4,5,6, или 15 сентября 1991 года на горе Унзен, Япония. , в результате которого погибло 44 человека7,8, или 5 ноября 2010 г. в Мерапи, Индонезия, где погибло более 200 человек9,10.

Основные факторы, вызывающие несчастные случаи и травмы от разбавленных ПДК, возникают в результате сочетания (1) ожогов из-за их высоких температур11,12,13,14,15,16,17, (2) динамического давления4,6; (3) травмы кислыми газами18, (4) асфиксия от вдыхания пепла14,19.

Из-за своей низкой плотности и турбулентности разбавленные ПДК склонны к быстрому смешиванию с окружающим воздухом, быстро рассеивая свою первоначальную температуру, так что редко разбавленные ПДК связаны с высокими температурами. Напротив, разбавленные PDC, окутывающие потоки с высокой концентрацией, известные как выбросы облаков пепла2,3, могут поддерживать очень высокие температуры, пока они сочетаются с базальными потоками с высокой концентрацией23, которые вместо этого являются термически консервативными20,21,22 и которые непрерывно переносят вверх как масса, так и тепловая энергия11,23. Это означает, что если и где происходит отрыв облака пепла из-за топографических эффектов (например, 2,3), даже на отдаленных участках (например, 14,24), их начальная температура может быть такой же высокой, как и исходная базальная высокая концентрация. текущий.

Однако однажды оторвавшиеся разреженные и турбулентные облака пепла представляют собой кратковременные явления, которые очень часто оставляют на земле лишь несколько сантиметров пепла перед взлетом, с очень небольшим потенциалом сохранения в геологической летописи, если только они не будут немедленно и консервативно захоронены другими отложения одного и того же извержения (например, обваловые и/или неэрозионные отложения ПК). Небольшой природоохранный потенциал привел к ограниченному числу исследований подобных отложений и связанных с ними явлений1,2,3,5,6,7,25,26,27,28 и, возможно, к недооценке опасности нагонов облаков пепла. особенно их теплового воздействия.

450 °C) and lower (down to < 240 °C) temperature outliers have also been documented13,17,36,37, the latter especially where PCs interacted with edifices, either intact or collapsed, and seawater. However, none of the above-mentioned studies and methods have directly targeted the temperature of the poorly preserved early diluted PDCs that entered Herculaneum, instantly killed the people and barely buried their corpses13,14,15,16./p> 550 °C event was later followed by the succession of PCs which finally buried the town under 20 m thick volcanic deposits (Fig. 1e). These later flows were characterized by lower temperatures as testified by the presence of multiple modes within the same charcoal sample from which we inferred at least two carbonization events at temperatures ranging from 390 to 465 °C and from 315 to 350 °C, respectively. The lower temperatures of these later events can be explained by the progressive involvement of ground water during the course of the eruption (see phreatomagmatic phase31; Fig. 1e)./p> 550 °C short lived diluted PDC event leaving only a thin ash layer on the ground, and later followed by the deposition of lower temperature but thicker pyroclastic deposits, allows to understand the conditions for the formation and preservation of a vitrified brain recently discovered within a victim's skull in the Collegium Augustalium17. The transformation into glass of fresh cerebral tissue in a hot environment is only possible if two conditions are met: (1) the heating event is short-lived, so that the tissue is not fully vaporized15, and (2) once the diluted PDC has vanished, the body is not fully entombed in a hot deposit, a necessary condition to allow the very rapid cooling required to attain vitrification17,66. This allows to recognize that S1 was an ephemeral, extremely hot, dilute event, and that a sufficient time interval occurred for the fast cooling of the body still partly exposed to air before the following PCs progressively entered and covered the town. The lower temperature of these later PC deposits explains the preservation of the vitrified brain, as well as of the high reflectance values within polymodal distributions. If subsequent PC were at higher temperatures, the vitrified brain would have been reheated above the glass transition temperature and gone lost in its neuronal ultrastructure, which is instead integrally preserved32, as well as the charcoal fragments would had been totally reset at higher, unimodal Ro values./p> 550 °C by high reflectance values in polymodal charcoal datasets, whereas all other paleo-thermal data from the rest of the pyroclastic sequence indicate lower temperatures of diachronic processes related to the later burial of the town34,36,37,65,66./p>> 550 °C) source of the ash cloud. (c) B–B′ longitudinal reconstruction (not to scale) of the S1 ash cloud engulfing the city at T > 550 °C and its interaction with seawater along the pre-eruptive shoreline, rapidly slowing the velocity and reducing the temperature (350–400 °C)./p> 550 °C ash-cloud temperature measured upstream at the Collegium Augustalium and the Decumanus Maximus. The scattered preservation of bone collagen does not appear to be evidence of a low temperature of the ash cloud surge as claimed by some author33, but it seems to be related to the amount of heat transfer the victims' bodies and bones were exposed to during the short-lived ash cloud event. Actually, the greater or lesser extent of heat effects on the skeleton, or even on a single bone element, has been shown to be closely related to the lesser or greater crowding of victims inside the Fornici, and also amount of fleshy mass present in different anatomical districts, even at the level of a single bone15,16. However, the persistence of proteins such as collagen and other organic components of bones at Herculaneum is most likely independent by exposure to more or less intense heat but can be rather correlated to the burial environment in which the victims’ skeletons were embedded until their discovery after about 2000 years70. At Herculaneum, after sudden death and rapid thermally induced soft tissue vanishing, the skeletons were buried in an alkaline, anoxic soil permanently waterlogged70, environment able to inhibit chemical changes from microbial attack71,72 thus allowing long-term survival of organic matter in the bone./p> 500 °C, leaving almost no deposit but killing the people there13,14. The interaction of the ash cloud surge and seawater caused the surge inflation and the settling of cooled ash immediately after, which then embedded the skeletons of the people already killed instantly by the extreme heat (Fig. 3b A–A′ profile). This interpretation explains the apparent disagreement of recorded temperatures at the seashore and also the difference in thickness of S1, which is maximum 20 cm thick in town, whereas it reaches 50 cm along the pre-eruption coast (up to 150 cm in the Fornici according to30), where deposition was controlled by the slowed and cooled water-mixed ash cloud./p>

2.3.CO;2" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1130%2F0016-7606%281990%29102%3C1038%3ATADOAP%3E2.3.CO%3B2" aria-label="Article reference 1" data-doi="10.1130/0016-7606(1990)1022.3.CO;2"Article ADS Google Scholar /p>

2.0.CO;2" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1130%2F0091-7613%281980%298%3C472%3ADOSPMB%3E2.0.CO%3B2" aria-label="Article reference 4" data-doi="10.1130/0091-7613(1980)82.0.CO;2"Article ADS Google Scholar /p>

2.0.CO;2" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1130%2F0016-7606%281987%2999%3C303%3ATVICHA%3E2.0.CO%3B2" aria-label="Article reference 45" data-doi="10.1130/0016-7606(1987)992.0.CO;2"Article ADS Google Scholar /p>