Ai tempi in cui stava lavorando al suo dottorato di ricerca. in geofisica presso l'Università di Chicago negli anni '80, Un giorno Dork Sahagian si è preso una pausa dallo studio dei flussi di lava per partecipare a una lezione su come si formano le gocce di pioggia nelle nuvole.

Ciò che ha appreso gli ha dato una nuova prospettiva sulla lava e lo ha ispirato a sviluppare un nuovo metodo per stimare l'elevazione storica delle superfici terrestri della Terra.

"Alla lezione, "dice Sahagian, che ora è professore di scienze della terra e dell'ambiente a Lehigh, "un fisico atmosferico ha mostrato come le gocce di pioggia più grandi cadono più velocemente perché hanno un rapporto volume-superficie maggiore e quindi una velocità terminale più elevata rispetto alle gocce di pioggia più piccole.

"A causa di ciò, le gocce più grandi raggiungono le gocce più piccole e si fondono con esse. Le gocce di pioggia poi crescono di grandezza, causando l'aumento della distribuzione delle dimensioni."

Al tempo, Sahagian stava studiando le vescicole, o bolle d'aria, che restano sospesi nelle colate indurite di lava basaltica, una forma altamente fluida di roccia fusa eruttata dai vulcani. Le vescicole si formano e sono intrappolate negli strati superiore e inferiore della colata lavica; lo strato intermedio, l'ultimo a solidificarsi, rimane senza bolle.

La conferenza del fisico ha portato a un momento Eureka per Sahagian.

"Ho capovolto i cieli, per così dire, " ricorda. "Ho immaginato le bolle di lava più grandi che scorrevano verso l'alto, come le bollicine dello champagne o della soda, e raggiungendo le bolle più piccole e poi fondendosi e risalendo ancora più velocemente."

Gli strati superiore e inferiore della lava, Sahagian assunse, dovrebbe contenere all'incirca le stesse dimensioni di bolle e la stessa distribuzione delle dimensioni delle bolle. Ha fatto alcuni calcoli matematici e ha scritto un modello che descrive l'aumento, crescita e coalescenza di bolle in una colata lavica.

"Ma poi un giorno mi sono reso conto che la distribuzione delle dimensioni delle bolle nella parte superiore del flusso dovrebbe differire dalla distribuzione in fondo anche se la lava proviene dallo stesso magma vulcanico, " ha detto. "Questo perché in alto, le bolle sono sottoposte solo alla pressione atmosferica, mentre in fondo, sono soggetti alla pressione atmosferica e alla pressione idrostatica del peso della lava sopra".

Così, Ragionò Sahagian, calcolando il rapporto tra la dimensione delle bolle modali negli strati superiore e inferiore della lava, e mettendolo in relazione con lo spessore e l'età della colata lavica, poteva determinare la pressione atmosferica che prevaleva quando la lava si trovava, o indurito nella sua posizione finale. (La dimensione modale è l'intervallo di dimensioni con la più grande popolazione di bolle.)

"In altre parole, i rapporti dei volumi delle bolle dovrebbero essere uguali al rapporto delle pressioni. Se possiamo misurare i volumi delle bolle e lo spessore della lava, possiamo risolvere per la pressione atmosferica."

E dato che la pressione atmosferica diminuisce in funzione dell'aumento dell'elevazione, Sahagian ha inoltre dedotto che dovrebbe essere possibile determinare a quale altezza si trovava la lava.

Diversi anni dopo, sahagiano, a questo punto un membro della facoltà dell'Ohio State University, diretto alle Hawaii per testare la formula nei flussi di lava basaltica che si erano induriti durante l'eruzione del 1959 del vulcano Mauna Loa.

"In caso di dubbio, " lui dice, "vai alle Hawaii".

Sahagian e il suo studente, Joe Maus, dimensioni e distribuzione delle bolle misurate in campioni prelevati dalla base del Mauna Loa a livello del mare e dalla sua sommità a 12, 000 piedi di elevazione. Per evitare risultati distorti, hanno campionato solo semplicemente in posizione, colate laviche ben conservate ed esposte che non erano state alterate, attraverso l'inflazione o il drenaggio, dopo che le parti superiore e inferiore delle colate si erano solidificate.

"Abbiamo fatto molte ricerche prima di trovare il giusto tipo di flusso, " Ha detto Sahagian. "Volevamo assicurarci che la vescicolarità che abbiamo misurato fosse veramente una funzione della posizione stratigrafica nel flusso".

I ricercatori hanno calcolato il rapporto tra la dimensione media delle bolle negli strati superiore e inferiore della lava alla base del Mauna Loa e quindi hanno determinato lo stesso rapporto per la lava alla sommità del vulcano. La differenza tra i due rapporti era significativa, e corrispondeva grosso modo alla differenza di pressione atmosferica tra la sommità e la base del Mauna Loa. Sahagian e Maus hanno riportato i loro risultati sulla rivista Nature nel 1994 in un articolo intitolato "La vescicolarità basaltica come misura della pressione atmosferica e della paleoelevazione".

"Se la pressione atmosferica al livello del mare è nota (o presunta), " scrissero, "Le distribuzioni delle dimensioni delle vescicole nei flussi di basalto possono quindi essere utilizzate come indicatore della paleoelevazione della postazione. L'analisi della distribuzione delle dimensioni delle vescicole di campioni di basalto raccolti dalla sommità e dalla base del vulcano Mauna Loa alle Hawaii [mostra] che la tecnica fornisce stime di pressione ambientale che ha fornito stime di elevazione con una risoluzione di circa 400 metri."

"Eravamo entusiasti di questo, " dice Sahagian. "Non c'erano davvero dei buoni paleoaltimetri geologici per dirti quanto fosse alto un elemento terrestre a meno che non fosse al livello del mare. Potremmo misurare la profondità dell'acqua meglio di quanto potessimo misurare l'elevazione.

"Ma ora avevo ricavato un paleoaltimetro da una banale formula matematica, e ha funzionato".

Sahagian ha poi portato la sua nuova tecnica sull'altopiano del Colorado, che copre vaste porzioni dello Utah, Colorado, Arizona e Nuovo Messico. Gli scienziati che utilizzavano metodi diversi per misurare l'aumento geologicamente recente dell'altopiano erano giunti a conclusioni apparentemente contraddittorie su quando, e quindi perché, si stava verificando il sollevamento.

"Abbiamo cercato di risolvere una disputa tra coloro che dicevano che si trattava di un sollevamento recente e quelli che dicevano che era antico. Si è scoperto che entrambi i gruppi avevano ragione. L'altopiano si sta elevando da almeno 30 milioni di anni, ma si sta elevando più velocemente in negli ultimi cinque-dieci milioni di anni rispetto a prima."

Più recentemente, Sahagian ha viaggiato fino alle montagne Hangay della Mongolia centrale per affrontare un altro enigma geologico:come è nata una regione relativamente alta:l'Hangay è un altopiano con picchi che raggiungono i 13, 000 piedi di altitudine:si verificano in un interno continentale dove le elevazioni sono generalmente basse? Anche, gli Hangay si trovano vicino alle principali zone di rift che si stanno allungando e che potrebbero avere un effetto di appiattimento sulla topografia.

Sahagian e il suo collaboratore, Alex Proussevitch dell'Università del New Hampshire e già dell'Accademia delle scienze siberiana a Novosibirsk, Russia, fanno parte di un team interdisciplinare di due dozzine di ricercatori che ha trascorso sette anni a studiare l'Hangay con una sovvenzione della National Science Foundation. Il team comprende i membri della facoltà di Lehigh Peter Zeitler, un geocronologo, Anne Meltzer, un sismologo, e Bruce Idleman, un ricercatore senior. I ricercatori sperano di far luce sulla storia geologica della Terra e sulle connessioni che collegano la deformazione continentale, lo sviluppo della topografia e del clima globale.

In Mongolia, il primo ordine del giorno per Sahagian e Proussevitch e i loro colleghi era quello di cercare campioni di ben esposti, lava inalterata il cui spessore poteva essere misurato con precisione. Poiché le montagne di Hangay sono una regione dalla topografia accidentata con poche strade e poche o nessuna infrastruttura, il gruppo si è ritenuto fortunato a trovare un autista di lingua russa con un furgone fuoristrada.

"Abbiamo fatto molte ricerche in giro e raccolto campioni, " dice Sahagian. "Abbiamo cercato di assicurarci che questi siti di lava avessero una buona esposizione e che potessimo vedere la parte superiore e inferiore di un flusso di lava. Abbiamo girato per tutto l'Altopiano di Hangay e le zone limitrofe, compreso il deserto del Gobi, dove c'erano anche colate laviche."

Il gruppo ha raccolto campioni di carotaggi da 1 pollice di diametro. Gli esemplari sono stati datati da Zeitler e dai suoi studenti nel laboratorio di geocronologia di Lehigh e hanno scoperto che avevano un'età compresa tra 100, 000 anni a 3-4 milioni di anni a 9,5 milioni di anni.

"Siamo stati fortunati ad avere una buona distribuzione delle età, "dice Sahagian.

I ricercatori hanno poi utilizzato la tomografia computerizzata a raggi X ad alta risoluzione per misurare le dimensioni e le distribuzioni delle bolle negli strati superiore e inferiore di ciascun campione di lava. Hanno quindi determinato il rapporto delle dimensioni medie delle vescicole tra gli strati e, successivamente, la pressione atmosferica al momento della collocazione.

Il gruppo ha riportato i suoi risultati lo scorso anno in un articolo nel Giornale di Geologia intitolato "Sollevamento del Mongola centrale registrato in basalto vescicolare". La sua conclusione principale:le montagne di Hangay sono aumentate in elevazione di circa 1 chilometro, più o meno qualche centinaio di metri, negli ultimi 10 milioni di anni. Quando si è verificato questo sollevamento, e se è successo tutto in una volta, gradualmente o a singhiozzo, deve ancora essere determinato.

Sahagian dice che c'è ancora molto lavoro da fare nelle montagne di Hangay.

"Questo è uno dei nostri primi risultati. Sono state suggerite molte ipotesi diverse sul motivo per cui la regione di Hangay è alta e perché è edificante. Speriamo di testarle e sviluppare un'ipotesi nostra. Stiamo aspettando il risultati del lavoro sismico che ci diranno di più sulla struttura profonda del mantello e della litosfera superiore e inferiore.

"Ma per quanto riguarda il nostro lavoro sulla vescicolarità basaltica, il nostro risultato è robusto. Un chilometro in 10 milioni di anni non è un tasso anormale di sollevamento. È molto coerente con ciò che gli altri stanno trovando. Come interpretiamo quel risultato? Questa è l'immagine più grande, e deve ancora essere risolto".