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Transitions in Rheology and Volatile Dynamics of Magmas: Mapping the Window to Explosive Volcanism

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Nuove intuizioni sul comportamento vulcanico per previsioni migliori

La recente eruzione vulcanica di La Palma ha evidenziato la persistente mancanza di conoscenza del movimento del magma all’interno della crosta terrestre. Il progetto DYNAVOLC si impegna a far progredire le previsioni attraverso i dati, incluse le novità mondiali, sui cambiamenti nelle proprietà del flusso di magma, fornendo già un contributo alla modellizzazione.

Sicurezza

I vulcani eruttano quando il magma fuso raggiunge uno stato termodinamicamente volatile che provoca un cambiamento della consistenza e del comportamento del flusso. Questi cambiamenti sono noti come «zone di transizione reologica». Proprio come avviene con l’apertura di una lattina contenente una bevanda gassata che è stata agitata, il magma produce schiuma attraverso la perdita di componenti volatili (in gran parte acqua, anidride carbonica e anidride solforosa). Quando raggiunge la superficie e si raffredda, il magma cristallizza, diventando più viscoso e infine solidificandosi quando smette di scorrere. Sfortunatamente, questa conoscenza non è sufficiente per modellizzare la probabile traiettoria dell’attività. Il progetto DYNAVOLC ha sviluppato metodi per generare le prime mappe reologiche, che caratterizzano le proprietà del flusso di lava in condizioni reali. I risultati del progetto, che è stato supportato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, daranno forma a modelli numerici, rendendo più accurate le previsioni sull’attività vulcanica. «Le nostre conoscenze sulla cinetica delle “zone di transizione” del magma possono migliorare la previsione dei rischi, ma anche contribuire a sviluppare nuovi processi di produzione», afferma Stephan Kolzenburg, borsista presso l’Università Ludwig Maximilian di Monaco di Baviera, ospite del progetto. I risultati del progetto sono già stati pubblicati e stanno iniziando a essere adottati dalle autorità di protezione civile, quali l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia in Italia. I risultati di DYNAVOLC hanno anche dato vita a una serie di progetti di ricerca globali.

«Zone di transizione» magmatiche

DYNAVOLC si è concentrato su due zone critiche di transizione del magma: cristallizzazione in basalto, dove la lava si solidifica mentre scorre sulla superficie terrestre, e formazione di schiuma (vescicolazione) di roccia vulcanica nota come riolite. «Volevamo misurare le proprietà mutevoli dei campioni naturali alle temperature molto elevate delle condizioni vulcaniche, comprimendo e torcendo la roccia liquida: un compito ingegneristico davvero difficile!» spiega Kolzenburg. Per monitorare i campioni fusi a temperature comprese tra 600 e 1 500 gradi Celsius, il team ha utilizzato contenitori in lega di platino-rodio con ceramiche ad alta temperatura, con gran parte dell’allestimento personalizzato. Il team ha effettuato le prime misurazioni della cristallizzazione della fusione basaltica in condizioni realistiche per il flusso di lava. Il compito sperimentale prevedeva misurazioni del momento molto sensibili in un’atmosfera priva di ossigeno, la condizione in cui le lave eruttano dalla Terra, subendo al contempo una perdita di calore costante, imitando il raffreddamento della lava. I dati hanno portato alla creazione di uno strumento numerico per prevedere il punto in cui la lava smette di scorrere. La pandemia di COVID-19 ha provocato la chiusura dei laboratori in cui doveva essere studiata la cinetica della vescicolazione delle lave riolitiche, per cui Kolzenburg è stato costretto a improvvisare. «La COVID mi ha costretto a diventare creativo. Utilizzando le risorse del progetto e applicando le mie competenze meccaniche, risalenti al periodo in cui ho lavorato in un’officina di riparazione di biciclette, ho costruito un apparato nel mio garage», aggiunge Kolzenburg. La vescicolazione è la forza trainante delle eruzioni vulcaniche esplosive e in precedenza era stata studiata solo in ambienti sperimentali chiusi, con un successivo controllo delle immagini provenienti da sensori o da telecamere. L’apparato di Kolzenburg, una telecamera che monitora i campioni attraverso una finestra di vetro al quarzo, ha consentito l’osservazione in tempo reale, a velocità di riscaldamento e raffreddamento molto più elevate rispetto a quelle ottenute in precedenza. Il primo set di dati è già stato pubblicato.

Benefici per la riduzione del rischio e per l’industria

La Commissione Europea ha riconosciuto il rischio posto dalle eruzioni vulcaniche in una relazione sul rischio del 2020, evidenziando il miglioramento della valutazione della pericolosità naturale come un passo verso una migliore prevenzione delle catastrofi e piani di emergenza. Inoltre, la produzione di schiume di vetro e vetroceramica per una vasta gamma di applicazioni, dai piani di cottura agli specchi dei telescopi, dalle guarnizioni all’isolamento, richiede una conoscenza dettagliata della dinamica della fusione di tali materiali. La comprensione di DYNAVOLC delle caratteristiche di flusso dei silicati fusi potrebbe aiutare a far progredire i processi di produzione industriale. «Le nostre intuizioni contribuiscono a preparare il terreno per decenni di ricerca nella vasta gamma di composizioni vulcaniche sulla Terra e persino su altri pianeti. Due dei miei studenti hanno già dato inizio a questa ricerca», afferma Kolzenburg.

Parole chiave

DYNAVOLC, vulcano, La Palma, eruzione, magma, rischio, pericolosità, geofisica, previsione, coronavirus

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