Οι επιστήμονες αποκαλύπτουν τον κρυφό μηχανισμό πίσω από τις ηφαιστειακές εκρήξεις

Οι επιστήμονες βρήκαν ότι οι εσωτερικές δυνάμεις διάτμησης στο ανερχόμενο μάγμα μπορούν να σχηματίσουν φυσαλίδες αερίου πολύ πριν η πίεση μειωθεί.

Η ένταση μιας ηφαιστειακής έκρηξης διαμορφώνεται από το πόσες φυσαλίδες αερίου αναπτύσσονται στο μάγμα και σε ποιο σημείο εμφανίζονται. Μέχρι πρόσφατα, οι επιστήμονες πίστευαν ότι οι περισσότερες φυσαλίδες σχηματίζονταν κυρίως όταν το ανερχόμενο μάγμα βίωνε πτώση της πίεσης του περιβάλλοντος.

Σε μεγαλύτερα βάθη, η υψηλότερη πίεση διατηρεί τα αέρια

διαλυμένα, αλλά μόλις μειωθεί η πίεση, αυτά τα αέρια διαχωρίζονται και δημιουργούν φυσαλίδες. Καθώς ο αριθμός των φυσαλίδων αυξάνεται, το μάγμα γίνεται λιγότερο πυκνό και κινείται προς τα πάνω πιο γρήγορα, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει τη θραύση του και την έκρηξή του.

Μπορεί να γίνει μια απλή σύγκριση με ένα μπουκάλι σαμπάνια.  Όσο το μπουκάλι είναι σφραγισμένο και υπό πίεση, το διοξείδιο του άνθρακα παραμένει διαλυμένο στο υγρό.  Το άνοιγμα του μπουκαλιού μειώνει την πίεση, επιτρέποντας στο αέριο να σχηματίσει φυσαλίδες. Αυτές οι φυσαλίδες ανασηκώνουν το υγρό προς το λαιμό του μπουκαλιού και μπορεί να το εκτοξεύσουν με δύναμη.

Αυτή η άποψη, ωστόσο, δεν αποκαλύπτει όλη την ιστορία – διότι ορισμένα ηφαίστεια, συμπεριλαμβανομένου του Όρους Αγίας Ελένης (Mount St. Helens) στην Ουάσιγκτον των ΗΠΑ και του Quizapu της Χιλής, έχουν περιστασιακά απελευθερώσει λάβα ήπια, ακόμη και όταν το μάγμα περιείχε μεγάλες ποσότητες αερίου ικανές να προκαλέσουν μια ισχυρή έκρηξη.

Μια διεθνής ερευνητική ομάδα που περιλαμβάνει έναν επιστήμονα από το ETH Ζυρίχης πρότεινε τώρα έναν νέο τρόπο για να κατανοήσουμε αυτό το μακροχρόνιο μυστήριο.

Η διάτμηση ως νέος παράγοντας

Σε μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Science, η ομάδα αναφέρει ότι φυσαλίδες μπορούν επίσης να εμφανιστούν στο ανερχόμενο μάγμα όταν αυτό υπόκειται σε δυνάμεις διάτμησης, όχι μόνο όταν μειώνεται η πίεση. Όταν αυτές οι φυσαλίδες αναπτύσσονται σε βαθύτερα μέρη του ηφαιστειακού αγωγού, μπορούν να συγχωνευθούν και να δημιουργήσουν διόδους που επιτρέπουν στο αέριο να διαφύγει. Εάν το αέριο απελευθερωθεί νωρίς μέσω αυτών των καναλιών, το μάγμα μπορεί να φτάσει στην επιφάνεια με μια πολύ πιο ήρεμη ροή.

Μπορούμε να φανταστούμε τις δυνάμεις διάτμησης στο μάγμα ως το ανακάτεμα ενός βάζου με μέλι: το μέλι κινείται πιο γρήγορα εκεί που ανακατεύεται με το κουτάλι. Στην άκρη του βάζου, όπου η τριβή είναι μεγαλύτερη, κινείται πιο αργά. Μια παρόμοια διαδικασία λαμβάνει χώρα στους ηφαιστειακούς αγωγούς: το μάγμα κινείται πιο αργά στην άκρη του αγωγού, όπου η τριβή είναι μεγαλύτερη, απ’ ό,τι στο εσωτερικό του. Αυτό ουσιαστικά «ζυμώνει» το λιωμένο πέτρωμα, παράγοντας φυσαλίδες αερίου.

«Τα πειράματά μας έδειξαν ότι η κίνηση μέσα στο μάγμα λόγω δυνάμεων διάτμησης είναι επαρκής για τον σχηματισμό φυσαλίδων αερίου – ακόμη και χωρίς πτώση της πίεσης», εξηγεί ο Olivier Bachmann, Καθηγητής Ηφαιστειολογίας και Μαγματικής Πετρολογίας στο ETH Ζυρίχης και ένας από τους συγγραφείς.`  Τα πειράματα των ερευνητών δείχνουν ότι οι φυσαλίδες σχηματίζονται κυρίως κοντά στα άκρα του αγωγού, όπου οι δυνάμεις διάτμησης είναι ισχυρότερες.  Οι υπάρχουσες φυσαλίδες ενισχύουν περαιτέρω αυτό το φαινόμενο. «Όσο περισσότερο αέριο περιέχει το μάγμα, τόσο λιγότερη διάτμηση χρειάζεται για τον σχηματισμό και την ανάπτυξη φυσαλίδων», λέει ο Bachmann.

Γιατί τα εκρηκτικά ηφαίστεια μερικές φορές δεν εκρήγνυνται

Σύμφωνα με τα νέα ευρήματα, το μάγμα με χαμηλή περιεκτικότητα σε αέριο που φαίνεται να μην είναι εκρηκτικό, θα μπορούσε παρ’ όλα αυτά να οδηγήσει σε μια ισχυρή έκρηξη εάν σχηματιστεί μεγάλος αριθμός φυσαλίδων λόγω έντονης διάτμησης και το μάγμα, ως εκ τούτου, εκτοξευθεί γρήγορα προς τα πάνω.

Αντίθετα, οι δυνάμεις διάτμησης μπορούν επίσης να προκαλέσουν την ανάπτυξη και τη συνένωση φυσαλίδων σε πρώιμο στάδιο σε μάγμα πλούσιο σε αέρια και δυνητικά εκρηκτικό, οδηγώντας στον σχηματισμό καναλιών απαέρωσης στο μάγμα που μειώνουν την πίεση του αερίου. «Μπορούμε επομένως να εξηγήσουμε γιατί ορισμένα ιξώδη μάγματα ρέουν ήπια αντί να εκρήγνυνται, παρά την υψηλή περιεκτικότητά τους σε αέρια – ένα μυστήριο που μας προβλημάτιζε εδώ και πολύ καιρό», λέει ο Bachmann.

Ένα παράδειγμα είναι η έκρηξη του Όρους Αγίας Ελένης (Mount St. Helens) το 1980. Παρόλο που το μάγμα ήταν πλούσιο σε αέρια και επομένως δυνητικά εκρηκτικό, η έκρηξη ξεκίνησε με την εμφάνιση μιας πολύ αργής ροής λάβας μέσα στον ηφαιστειακό κώνο. Οι ισχυρές δυνάμεις διάτμησης που ασκούσαν πίεση στο μάγμα παρήγαγαν πρόσθετες φυσαλίδες αερίου που αρχικά επέτρεψαν την απελευθέρωση αερίου. Μόνο όταν μια κατολίσθηση άνοιξε περαιτέρω τον ηφαιστειακό αεραγωγό και υπήρξε μια ταχεία πτώση της πίεσης, το ηφαίστειο εξερράγη. Τα αποτελέσματα της μελέτης υποδηλώνουν ότι πολλά ηφαίστεια με ιξώδες μάγμα επιτρέπουν στα αέρια να διαφεύγουν πιο αποτελεσματικά από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.

Ειδικό εργαστηριακό πείραμα

Προκειμένου να οπτικοποιήσουν τις διεργασίες στο εσωτερικό ενός ηφαιστείου, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα ειδικό πείραμα: πήραν ένα ιξώδες υγρό που έμοιαζε με λιωμένο πέτρωμα και το διαπότισαν με αέριο διοξείδιο του άνθρακα.  Στη συνέχεια παρατήρησαν τι συμβαίνει αν το υγρό που έμοιαζε με λάβα τίθεται σε κίνηση λόγω δυνάμεων διάτμησης. Μόλις οι δυνάμεις διάτμησης ξεπέρασαν ένα ορισμένο όριο, σχηματίστηκαν ξαφνικά φυσαλίδες αερίου στο υγρό.

Όσο υψηλότερος ήταν ο αρχικός κορεσμός αερίου, τόσο λιγότερη διάτμηση χρειαζόταν για τον σχηματισμό περαιτέρω φυσαλίδων αερίου. Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι η παρουσία υφιστάμενων φυσαλίδων ευνοούσε τον σχηματισμό περαιτέρω φυσαλίδων στο άμεσο περιβάλλον τους.

Οι ερευνητές συνδύασαν αυτές τις παρατηρήσεις με προσομοιώσεις ηφαιστειακών εκρήξεων σε υπολογιστή.  Με αυτόν τον τρόπο, έδειξαν ότι το φαινόμενο είναι ιδιαίτερα πιθανό να συμβεί σε περιοχές όπου το ιξώδες μάγμα ρέει κατά μήκος των τοιχωμάτων ενός αγωγού και, ως εκ τούτου, υφίσταται ισχυρές δυνάμεις διάτμησης. Με το έργο τους, οι ερευνητές παρέχουν ένα ζωτικό νέο κομμάτι στο παζλ όσον αφορά την καλύτερη κατανόηση των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα μέσα σε ενεργά ηφαίστεια και, πιο συγκεκριμένα, την ακριβέστερη εκτίμηση του τρόπου με τον οποίο θα εκραγούν.

 

«Για να προβλέψουμε καλύτερα τον κίνδυνο των ηφαιστείων, πρέπει να ενημερώσουμε τα μοντέλα ηφαιστείων μας και να λάβουμε υπόψη τις δυνάμεις διάτμησης στους αγωγούς», λέει ένας από τους συγγραφείς της μελέτης, ο  Bachmann.

Από το enikos