10 Minute
O echipă de cercetători a descoperit un declanșator surprinzător în conductele vulcanice: forțele de forfecare care „frământă” magma și generează bule de gaz cu mult înainte ca presiunea să scadă. Acest mecanism oferă o explicație pentru motivul pentru care unele erupții bogate în volatili rămân relativ line, în timp ce altele devin explozive. Mai jos explicăm ce înseamnă această descoperire pentru înțelegerea hazardelor vulcanice, ce teste de laborator și modele numerice au folosit cercetătorii și ce implicații practice are pentru monitorizarea vulcanologică și gestionarea riscurilor.
Cercetările recente arată că magmele vulcanice pot genera bule de gaz nu doar prin scăderea presiunii în timpul ascensiunii, ci și prin acțiunea forțelor interne de forfecare care „frământă” masa topită. Aceste bule induse de forfecare pot avea două efecte contrastante: pot declanșa o accelerare explozivă sau, dimpotrivă, pot crea căi de scăpare pentru gaze care atenuează o erupție altfel violentă.
Rethinking bubble formation: more than a pressure story
Timp de decenii, explicația clasică pentru formarea bulelor în magmă a fost decomprimarea. Pe măsură ce magma urcă spre suprafață, presiunea externă scade și gazele dizolvate exsolvă, într-un mod analog modului în care dioxidul de carbon iese dintr-o sticlă de șampanie deschisă. Când se formează un volum mare de bule, magma devine mai puțin densă, își mărește flotabilitatea, accelerează și se poate fragmenta într-o erupție explozivă.
Cu toate acestea, observațiile de teren au arătat de mult timp excepții de la această regulă simplă. Anumiți vulcani cu magme vâscoase și bogate în gaze — condiții care teoretic favorizează erupțiile violente — au produs în unele cazuri curgeri lente, vâscoase, de lavă. Exemple istorice, cum sunt Mount St. Helens în Statele Unite și vulcanul Quizapu din Chile, ilustrează că conținutul de gaz singur nu explică întotdeauna comportamentul eruptiv.
Noua cercetare adaugă un ingredient esențial la ecuație: forfecarea internă. Când magma curge printr-un conduct, viteza de curgere este mai mare în centru și mai mică în apropierea pereților, ceea ce generează un gradient de viteză. Acest gradient produce tensiuni de forfecare în masă topită care, după cum demonstrează acum experimentele și modelele, pot induce direct nuclearea și creșterea bulelor.
Lab experiments and numerical models: watching bubbles form under shear
Pentru a vizualiza și cuantifica acest efect, echipa de cercetare a construit un analog controlat în laborator. Cercetătorii au folosit un fluid vâscos care imită proprietățile topiturilor silicatice și l-au saturat cu dioxid de carbon. Apoi au impus forfecare prin deplasarea fluidului față de limitări rigide, simulând alunecarea magmei pe pereții conductei vulcanice. Această abordare permite investigarea nucleării de bule în condiții statice de presiune, dar dinamice de forfecare.
Pe măsură ce rata de forfecare a depășit un prag critic, bulele au apărut brusc — fără nicio variație detectabilă a presiunii. Nuclearea a avut loc preferențial în apropierea pereților, acolo unde ratele de forfecare erau cele mai mari și unde gradientul de viteză este accentuat. Observațiile din laborator au arătat, de asemenea, un efect catalizator: bulele deja formate perturbă câmpul de viteză și de presiune local, facilitând nuclearea suplimentară în vecinătate și favorizând formarea de clustere de bule.
Modelele numerice au făcut legătura între scala de laborator și dimensiunile naturale ale conductelor vulcanice. Simulările au folosit instrumente de tip computational fluid dynamics (CFD) pentru fluxuri multifazice, incluzând termodinamica exsolvării gazelor, tensiunea superficială, vâscozitate non‑Nouveau și interacțiunea bolii cu pereții. Rezultatele au indicat că nuclearea indusă de forfecare este cea mai eficientă acolo unde magma vâscoasă curge împotriva pereților conductei, generând un model stratificat de bule și canale de gaz. Când aceste bule coalează, ele pot forma canale continue care permit scurgerea gazului înainte ca magma să ajungă la suprafață.
Combinând experimentele de laborator cu simulările, cercetătorii au putut estima praguri critice pentru rata de forfecare, numere capilare și tensiuni de forfecare la care nuclearea devine probabilă. Acești parametri sunt legați de vâscozitatea topiturii, de conținutul inițial de volatili (CO2, H2O, SO2), de tensiunea superficială a amestecului și de prezența fazelor solide (cristale) care pot servi ca site‑uri heterogene de nucleație.
Olivier Bachmann, profesor de vulcanologie și petrologie magmatică la ETH Zurich și coautor al lucrării, sintetizează schimbarea de paradigmă: forfecarea poate genera bule chiar și în absența decomprimării. Această perspectivă reconfigurează modul în care oamenii de știință înțeleg momentul degazării și dinamica erupției, subliniind rolul mecanicii fluidelor în procesele magmatice.
Why shear can make an eruption calm—or suddenly violent
Mecanismul nou identificat explică două comportamente aparent contradictorii ale vulcanilor și oferă o punte conceptuală între observațiile de teren și datele experimentale.
- Degazare timpurie și erupții mai blânde: În magmele bogate în gaze, forfecarea poate iniția creșterea și coalescența bulelor adânc în conduct. Aceste bule se pot conecta pentru a forma căi de scăpare — canale de degazare — care ventilează gazul treptat. Rezultatul poate fi o degajare semnificativă a presiunii înainte de ascensiunea rapidă, ceea ce favorizează efuziunea lavei în locul fragmentării violente.
- Acelerare explozivă indusă de forfecare: În mod invers, o magmă care pare să conțină puțin gaz la primă vedere poate totuși să devină explozivă dacă forfecarea intensă generează rapid un volum mare de bule. Creșterea bruscă a fracției de bulă reduce densitatea magmei, poate crește viteza de ascensiune și poate conduce la fragmentare mecanică, rezultând o erupție explozivă neașteptată.
Cazurile istorice ilustrează ambele traiectorii. În timpul erupției din 1980 a muntelui St. Helens, o depunere inițială lentă de lavă vâscoasă în cratru a permis degazarea locală a sistemului. Doar după ce o alunecare de teren a deschis rapid orificiul și a produs o decomprimare bruscă, erupția a trecut la o fază catastrofală explozivă. În alte situații, canale de degazare formate înainte de ascensiunea finală au permis o eliberare progresivă a gazelor, rezultând curgeri eficiente de lavă și impact localizat.
Implicații pentru monitorizare și evaluarea hazardelor
Includerea dinamicii bulelor induse de forfecare în modelele vulcanice poate îmbunătăți semnificativ predicțiile referitoare la stilul și momentul erupției. Monitorizarea tradițională se concentrează pe fluxul de gaze, seismicități, deformări ale solului și alte proxy‑uri asociate degazării prin decomprimare. Totuși, forfecarea este dependentă de geometria conductei, vâscozitatea magmei și rata de curgere — parametri care pot varia rapid și care nu sunt întotdeauna capturați de observabilele curente.
Actualizarea simulărilor numerice de erupție pentru a include nuclearea indusă de forfecare va ajuta oamenii de știință să evalueze dacă un anumit vulcan este mai probabil să evacueze gazul discret sau să accelereze spre un eveniment exploziv. Aceasta are consecințe practice pentru planificarea evacuărilor, siguranța zborurilor (pericolele cenușii), gestionarea infrastructurii și cartografierea riscurilor pe termen lung.
Pe plan operațional, detectarea regimurilor de curgere favorabile degazării prin forfecare poate necesita integrarea unor noi observabile. Schimbări fine în semnăturile seismice (tremorul vulcanic sau microseismicitățile asociate mișcărilor interne), variații subtile ale fluxului de gaze, anomalii în semnalele infrasonice și semnale de deformare de mică amplitudine măsurate cu instrumentație de mare rezoluție pot fi indicii utile.
Technology and future studies
Lucrările viitoare vor asocia experimentele de reologie din laborator cu imagistică de înaltă rezoluție a conductelor și cu monitorizare în timp real mai bună. Progrese în teledetecție, analiza infrasunetelor, sisteme de fibre optice pentru măsurarea torsiunii și întinderii (distributed acoustic sensing și distributed strain sensing) pot contribui la detectarea regimurilor de flux în care degazarea indusă de forfecare este probabilă. În paralel, experimentele de laborator folosind compoziții de topitură naturale și volatili multipli (CO2, H2O, SO2) vor rafina pragurile de formare a bulelor sub forfecare și vor determina rolul cristalelor și al particulelor solide ca nucleatori heterogeni.
De asemenea este importantă dezvoltarea modelelor numerice multifazice care includ interacțiuni micro‑ și macrosclice: transportul de masă, nuclearea de fază, creșterea și coalescența bulelor, efectele reologice ale fracției de bule (pseudoplasticitate, dilatație), și interacțiunea acestor procese cu structura internă a sistemului magmatic (cum ar fi camere magmatice multiple, intruziuni și heterogenități). O mai bună integrare între modelare, experimente și observații de teren va permite estimări probabilistice ale scenariilor eruptive și îmbunătățirea avertizărilor timpurii.
Expert Insight
„Această descoperire umple un punct mort în modul în care interpretăm comportamentul vulcanic,” spune Dr. Maya Reynolds, vulcanolog care colaborează cu agenții de monitorizare. „Forfecarea schimbă timpul și locul în care bulele cresc în interiorul unui conduct. Asta poate face diferența între o curgere de lavă care permite populațiilor să rămână aproape de vulcan și o erupție explozivă surpriză care impune evacuări în masă. Includerea forfecării în modelele predictive ar putea face avertizările timpurii mai fiabile.”
Pe lângă îmbunătățirea modelelor de hazard, acest rezultat reamintește că procesele interne ale Pământului reflectă adesea o interacțiune complexă între fizica chimică și mecanica fluidelor. O schimbare aparent subtilă în modul în care topitura curge poate declanșa cascada de fenomene care modifică radical comportamentul eruptiv.
Pe măsură ce echipele de cercetare extind experimentele de laborator, rafinează simulările și cuplează rezultatele cu măsurători de teren, știința vulcanică va obține un set mai bogat de instrumente pentru a anticipa următoarea erupție. Până atunci, mesajul este clar: presiunea nu este singurul arbitru al nașterii bulelor — mișcarea internă a magmei contează la fel de mult. Înțelegerea proceselor de nucleație a bulelor sub acțiunea forfecării, împreună cu caracterizarea proprietăților reologice ale magmei și a geometriei conductelor, rămâne o prioritate pentru reducerea riscurilor vulcanice și pentru adaptarea strategiei de monitorizare la semnăturile fizice ale fluxului magmatic.
Sursa: scitechdaily
Lasă un Comentariu