На 15 януари 2022 г. се случи рядко геоложко събитие. В отдалечената тихоокеанска страна Тонга – архипелаг в Океания – имаше мощно подводно изригване на активния вулкан Хунга Тонга-Хунга Хаапай: https://bntnews.bg/news/izrigvaneto-na-vulkana-v-tonga-nai-moshtnoto-ot-30-godini-video-1181889news.html . То се случва около 8:30 ч. българско време.

Изригването е довело до образуване на вълна цунами в Тихи океан: https://www.youtube.com/watch?v=etVdMBjAVm0 (примерна симулация на разпространението на цунами в Тихи океан. Не се отнася точно за изригването на вулкана в Тонга на 15 януари, но илюстрира добре процеса на разпространение). Бурното изригване под вода води и до създаване на шокова въздушна вълна, която се разпространява по цялото земно кълбо. Тя е видима на изображения от метеорологичен спътник в инфрачервената част на електромагнитния спектър: https://www.youtube.com/watch?v=15hqIVeAUvA&t=4s. 

Шоковата въздушна вълна е регистрирана в записите от измервателни уреди за атмосферно налягане по целия свят – например в съседна Гърция: http://www.bta.bg/bg/c/BA/id/2555111 . Тя е била регистрирана и в станциите на НИМХ. От няколко години НИМХ разполага с автоматични уреди за измерване на влажността на въздуха, както и други основни метеорологични елементи като температура и атмосферно налягане, в много от оперативните си станции – фигура 1. В Централната метеорологична станция на НИМХ в София има и други по-прецизни уреди. Данните за налягане се записват на всяка минута, което позволява проследяване на развитието на процеси с кратко време на живот или бързо преминаващи  процеси.

Фигура 1. Оперативни станции на НИМХ с автоматични уреди за измерване на влажност и температура на въздуха и атмосферно налягане

Преминаването на шоковата атмосферна вълна, предизвикана от изригването на вулкана в Тонга, през конкретно място – метеорологична станция – е именно такъв бърз процес, случващ се за сравнително кратко време. То се реализира като рязък скок на атмосферното налягане, последван от рязък спад, след което се възстановява нормалният му ход. Продължителността на това смущение в България е около 1 час. На фигура 2 е представен ходът на налягането според един от уредите в Централната метеорологична станция в София за периода от 8:30 ч. на 15 януари до 13:00 ч. на 17 януари 2022 г. На фона на нормалния ход на налягането (червена линия) се виждат три интервала с рязък скок и спад на налягането с амплитуда от около 2 hPa (хектопаскала). Първият започва около 21:40 ч. на 15 януари. Вторият започва около 2:15 ч. на 16 януари, а третият – около 9:20 ч. на 17 януари.

На фигура 3 е показан участък от графиката от фигура 2 за времето от 20:30 ч. на 15 януари до 4:00 ч. на 16 януари, където се виждат с по-големи детайли първите два скока на налягането.

Фигура 2.Ход на атмосферното налягане (hPa) в София за периода от 8:30 ч. на 15 януари до 13:00 ч. на 17 януари 2022 г. Тъмно синя линия - ход на налягането с честота на записа 1 минута; червена линия - пълзящо средно за един час.

Фигура 3.Ход на атмосферното налягане (hPa) с честота на записа 1 минута в София за периода от 20:30 ч. на 15 януари до 4:00 ч. на 16 януари 2022 г.

Какво е обяснението на това явление? София и България като цяло се намират на около 17 000 km от Тонга и мястото на изригване на вулкана – първоизточник на шоковата въздушна вълна. Най-късата дъга на земната сфера, свързваща Тонга и България, преминава през Северна Азия и влиза в България от североизток – фигура 4. Скоростта, с която се разпространява такава шокова вълна във въздух, е скоростта на звука – 343 m/s при стандартни атмосферни условия – температура 20 °С. Звукова вълна би изминала разстоянието от 17000 km за около 13.7 часа. Вулканът в Тонга изригва около 8:30 ч. българско време. Първото смущение на налягането в София в 21:40 ч. е около 13 часа по-⁠късно. Първият фронт на вълната е пристигнал в София от североизток. Шоковата вълна, генерирана в Тонга, се разпространява във всички посоки по земното кълбо. Следователно би било естествено да се очаква, че през България ще премине и втори фронт на вълната, пристигащ от противоположната посока – югозапад. Това е факт в София около 2:15 ч. на 16 януари или около 4.5 часа след първия шок. Противоположната вълна от югозапад е трябвало да измине от Тонга до България разстояние от около 23 000 km. Със скоростта на звука това става за около 18.5 часа, което е близо до интервала време от изригването на вулкана до времето на настъпване на второто смущение в София.

Фигура 4. Начало в Тонга (ляво) и край в България (дясно) на най-късата дъга, свързваща двете страни. Източник – google earth https://earth.google.com/ .

Как бихме могли да обясним наличието на третото смущение към 9:20 ч. на 17 януари? Първата шокова вълна, след като е преминала през София към 21:40 ч. на 15 януари, продължава свободното си разпространение на югозапад, прави пълна обиколка на земното кълбо, навлиза отново в България от североизток и достига София. Обиколката на Земята е около 40 000 km – разстояние, което се изминава със скоростта на звука за около 32.5 часа. Времето на настъпване на третото смущение на налягането в София – в 9:20 ч. на 17 януари – е около 35.5 часа след първото.

Вижда се, че има разлики от теоретично изчисленото време за разпространение на шоковата вълна и реално регистрираното. Трябва да се има предвид, че изчисленията са само ориентировъчни със закръглени стойности на разстоянията. Скоростта на звука във въздух също не е постоянна величина и зависи от температурата. Стандартната скорост от 343 m/s е валидна при температура 20 °С. При температура 0 °С скоростта на звука е около 331 m/s. Други фактори, които биха повлияли на разпространението на шоковата вълна по дългия ѝ път от Тонга до България, са процеси на отражение от земната повърхност или рефракция от по-горни слоеве на атмосферата.

В по-големи по територия страни като САЩ или Япония вълновият процес може да се наблюдава пространствено в данните от автоматични уреди за измерване на налягането, разположени нагъсто в цялата страна. В България също се наблюдава, но тя е малка страна и времето за преминаването на вълната със скоростта на звука от североизточния до югозападния ѝ ъгъл – разстояние от около 450 km – би отнело само около 22 минути и илюстрирането му на карта е затруднено спрямо такова за по-големи страни. Затова е избрано този процес на преминаване на шоковите вълни през страната да бъде илюстриран с данни от две отдалечени станции: в Шабла – една от най-североизточните станции на НИМХ и в Сандански – една от най-югозападните. На фигура 5 е показан ход на налягането на тези две станции. Сандански е на по-голяма надморска височина от Шабла и при нормални условия атмосферното налягане там е с около 20 hPa по-⁠ниско от това в Шабла. На графиката на фигура 5 налягането в Сандански е повишено с 18 hPa, за да може по-лесно да бъде сравнявано визуално на една и съща фигура с налягането в Шабла. Вижда се, че първият шок настъпва в Сандански около 20 минути по-късно от Шабла – времето за което звукова вълна, навлязла в България от североизток, би изминала разстоянието до Сандански. Вторият шок настъпва в Сандански по-рано от Шабла и причината за това е, че Сандански първи посреща противоположния фронт на шоковата вълна, пристигнал в България от югозапад.

Фигура 5. Ход на налягането (hPa) в Шабла и Сандански (+18 hPa) за времето от 21:00 ч. на 15 януари до 3:30 ч. на 16 януари 2022 г.

Националният институт по метеорология и хидрология е националната хидрометеорологична служба на България. През последните години в НИМХ се извършва модернизация на измервателните уреди в мрежата от метеорологични и хидрологични станции. Благодарение на това НИМХ разполага със записи на атмосферното налягане, с които да могат да бъдат илюстрирани ефектите в страната на мощното изригване на вулкана в Тонга – рядко геоложко събитие.