Skip to main content

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

Article Category

Article available in the folowing languages:

Nowe informacje na temat aktywności wulkanicznej poprawią przewidywanie ryzyka

Mający niedawno miejsce wybuch wulkanu La Palma dowiódł, że dostępna wiedza na temat ruchu magmy w skorupie ziemskiej jest bardzo ograniczona. Zespół projektu DYNAVOLC pomaga w rozwoju prognozowania za pomocą danych dotyczących zmian właściwości przepływu magmy, które już znajdują zastosowanie w modelowaniu.

Bezpieczeństwo

Do wybuchu wulkanu dochodzi, gdy magma staje się termodynamicznie niestabilna, co powoduje zmianę jej tekstury i przepływu. Zmiany te nazywane są „reologicznymi strefami przejściowymi”. Niczym napój gazowany po wstrząśnięciu i otwarciu puszki, magma pieni się w wyniku utraty lotnych składników (głównie wody, dwutlenku węgla i dwutlenku siarki). Po dotarciu na powierzchnię i ochłodzeniu krystalizuje się, staje się bardziej lepka, a gdy przestaje płynąć, zastyga. Niestety, wiedza ta nie wystarcza do modelowania prawdopodobnej trajektorii aktywności magmy. Zespół projektu DYNAVOLC opracował metody generowania pierwszych map reologicznych pozwalających na scharakteryzowanie właściwości przepływu lawy w warunkach rzeczywistych. Rezultaty wspieranego przez program działań „Maria Skłodowska-Curie” projektu zostaną wykorzystane do opracowania modeli numerycznych, co zwiększy dokładność prognozowania aktywności wulkanicznej. „Uzyskane przez nas informacje na temat kinetyki »stref przejściowych« magmy mogą poprawić prognozowanie zagrożenia, a także pomóc w opracowaniu nowych procesów produkcyjnych”, mówi Stephan Kolzenburg, pracownik naukowy na Uniwersytecie Ludwika i Maksymiliana w Monachium będącym gospodarzem projektu. Odkrycia naukowców zostały opublikowane i już są wykorzystywane przez organy odpowiedzialne za ochronę ludności, takie jak Narodowy Instytut Geofizyki i Wulkanologii (strona w języku włoskim) we Włoszech. Wyniki projektu DYNAVOLC zainspirowały także serię innych projektów badawczych na świecie.

„Strefy przejściowe” magmy

Zespół projektu DYNAVOLC skupiał się na dwóch kluczowych strefach przejściowych magmy: krystalizacji w bazalt, podczas której lawa zastyga po wydostaniu się na powierzchnię Ziemi, i spienianie, w wyniku którego powstaje skała wulkaniczna zwana ryolitem. „Chcieliśmy zmierzyć zmieniające się właściwości naturalnych próbek w bardzo wysokich temperaturach, jakie panują w warunkach wulkanicznych, podczas ściskania i skręcania płynnej skały, a to nie lada wyzwanie!”, wyjaśnia Kolzenburg. Do monitorowania stopionych próbek w temperaturach od 600 do 1 500 stopni Celsjusza zespół wykorzystał pojemniki ze stopu platyny i rodu pokryte odporną na wysokie temperatury powłoką ceramiczną. Większość elementów zostało wykonanych specjalnie z myślą o tym projekcie. Pierwsze pomiary krystalizacji stopionego bazaltu zostały wykonane w realistycznych warunkach dla przepływu lawy. Badanie składało się z bardzo dokładnych pomiarów momentu siły w atmosferze pozbawionej tlenu, czyli w warunkach, w jakich lawa wulkaniczna wydostaje się z Ziemi, przy jednoczesnej stałej utracie ciepła, co imitowało stygnięcie lawy. Zgromadzone dane pozwoliły na opracowanie numerycznego narzędzia do określania momentu, w którym lawa przestaje płynąć. Po zamknięciu laboratoriów w związku z pandemią COVID-19 Kolzenburg musiał wymyślić własny sposób na przeprowadzenie badania kinetyki stopionego ryolitu. „COVID wymusił na mnie kreatywne myślenie. Korzystając z zasobów projektu i swojej wiedzy na temat mechaniki, którą zdobyłem podczas pracy w serwisie rowerowym, zbudowałem w garażu własną aparaturę”, dodaje Kolzenburg. Spienianie odpowiada za eksplozywne erupcje wulkaniczne. Wcześniej badano je tylko w zamkniętych środowiskach eksperymentalnych, a obrazy z czujników i kamer sprawdzane były później. Aparatura Kolzenburga – kamera monitorująca próbki przez okno ze szkła kwarcowego – pozwala na obserwację w czasie rzeczywistym, przy wyższym tempie ogrzewania i schładzania niż wcześniej. Opublikowano już pierwszy zestaw danych.

Ograniczanie ryzyka i korzyści dla przemysłu

Komisja Europejska uwzględniła ryzyko, jakie stanowią erupcje wulkaniczne, w sprawozdaniu dotyczącym ryzyka z 2020 r. i podkreśliła, że lepsze strategie zapobiegania katastrofom i systemy reagowania kryzysowego wymagają skuteczniejszej oceny zagrożenia naturalnego. To jednak nie jedyne zastosowania ustaleń projektu. Produkcja pianek z włókna szklanego i ceramiki szklanej mających wiele zastosowań, od blatów kuchennych po zwierciadła teleskopów, od uszczelek po materiały do izolacji, także wymaga szczegółowej wiedzy na temat dynamiki stopionego materiału. Zgromadzone przez zespół projektu DYNAVOLC informacje na temat charakterystyki przepływu stopów krzemianowych mogą pomóc w rozwoju przemysłowych procesów produkcyjnych. „Nasze ustalenia przygotowują grunt pod przyszłe badania w zakresie składu wulkanicznego na Ziemi, a także na innych planetach. Dwoje moich studentów już rozpoczęło badania w tej dziedzinie”, mówi Kolzenburg.

Słowa kluczowe

DYNAVOLC, wulkan, La Palma, erupcja, magma, ryzyko, zagrożenie, geofizyka, prognozowanie, koronawirus

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania