La composizione chimica dei gas emessi dai vulcani, utilizzati per monitorare i cambiamenti nell'attività vulcanica, può cambiare a seconda delle dimensioni delle bolle di gas che salgono in superficie, e si riferiscono al modo in cui eruttano. I risultati, pubblicato sulla rivista Geoscienze naturali , potrebbe essere utilizzato per migliorare la previsione delle minacce poste da alcuni vulcani.

Un team di scienziati, tra cui un vulcanologo e matematico dell'Università di Cambridge, scoperto il fenomeno attraverso osservazioni dettagliate delle emissioni di gas dal vulcano K?lauea alle Hawaii.

In molti vulcani in tutto il mondo, le emissioni di gas sono monitorate regolarmente per aiutare a prevedere le eruzioni. I cambiamenti nella produzione o nelle proporzioni di diversi gas, come l'anidride carbonica e l'anidride solforosa, possono annunciare cambiamenti nell'attività di un vulcano. I vulcanologi hanno ritenuto che questi cambiamenti chimici riflettano l'ascesa e la caduta del magma nella crosta terrestre, ma la nuova ricerca rivela che la composizione dei gas vulcanici dipende anche dalle dimensioni delle bolle di gas che salgono in superficie.

Fino a quando l'ultima spettacolare eruzione ha aperto fessure sul fianco del vulcano, K?lauea ha tenuto un vasto lago di lava nel suo cratere sommitale. Il comportamento di questo lago di lava alternava fasi di 'spruzzi' infuocati alimentati da grandi bolle di gas che esplodevano attraverso il magma, e rilascio di gas più delicato, accompagnato da un movimento lento e costante della lava.

Nel passato, i gas vulcanici sono stati campionati direttamente da bocche e aperture fumanti chiamate fumarole. Ma questo non è possibile per le emissioni di un lago di lava, 200 metri di diametro, e sul fondo di un cratere dai fianchi ripidi. Anziché, il team ha utilizzato uno spettrometro a infrarossi, che viene impiegato per il monitoraggio di routine del vulcano dai coautori dello studio, Jeff Sutton e Tamar Elias dell'Hawaiian Volcano Observatory (US Geological Survey).

Il dispositivo era situato sul bordo del cratere, indicò il lago di lava, e le composizioni di gas registrate nell'atmosfera ogni pochi secondi. Le emissioni di gas carboniosi e solforati sono state misurate durante le fasi di attività sia vigorosa che mite.

Ogni singola misurazione è stata utilizzata per calcolare la temperatura del gas vulcanico. Ciò che ha immediatamente colpito gli scienziati è che le temperature del gas variavano da 1150 gradi Celsius, la temperatura della lava, fino a circa 900 gradi Celsius. "A questa temperatura, la lava si congelerebbe, " ha detto l'autore principale Dr. Clive Oppenheimer, dal Dipartimento di Geografia di Cambridge. "All'inizio, non riuscivamo a capire come i gas potessero emergere molto più freddi della lava fusa che si riversava nel lago".

L'indizio di questo enigma è venuto dalla variazione nelle temperature del gas calcolate:erano alte quando il lago di lava era placido, e basso quando gorgogliava furiosamente. "Ci siamo resi conto che potrebbe essere a causa delle dimensioni delle bolle di gas, ", ha affermato il coautore, il professor Andy Woods, Direttore del BP Institute di Cambridge. "Le bolle più grandi salgono più velocemente attraverso il magma e si espandono rapidamente quando la pressione si riduce, proprio come le bolle che salgono in un bicchiere di bibita gassata; il gas si raffredda a causa dell'espansione." Le bolle più grandi si formano quando le bolle più piccole si scontrano e si fondono.

Woods e Oppenheimer hanno sviluppato un modello matematico per spiegare il processo, che ha mostrato un'ottima corrispondenza con le osservazioni.

Ma c'era ancora un'altra sorprendente scoperta dalle osservazioni del gas dalle Hawaii. Oltre ad essere più cool, le emissioni delle grandi bolle di gas erano più ossidate del previsto:avevano proporzioni più elevate di anidride carbonica rispetto al monossido di carbonio.

Si ritiene generalmente che l'equilibrio chimico dei gas vulcanici come l'anidride carbonica e il monossido di carbonio (o anidride solforosa e idrogeno solforato) sia controllato dalla chimica del magma liquido circostante, ma ciò che le nuove scoperte hanno mostrato è che quando le bolle diventano abbastanza grandi, la maggior parte del gas all'interno segue il proprio percorso chimico mentre il gas si raffredda.

Il rapporto tra anidride carbonica e monossido di carbonio quando il lago di lava era nel suo stato più energetico era sei volte superiore rispetto alla fase più stabile. Gli scienziati suggeriscono che questo effetto dovrebbe essere preso in considerazione quando le misurazioni del gas vengono utilizzate per prevedere grandi cambiamenti nell'attività vulcanica.

"Le misurazioni del gas sono fondamentali per il nostro monitoraggio e la valutazione dei pericoli; affinare la nostra comprensione di come si comporta il magma sotto il vulcano ci consente di interpretare meglio le nostre osservazioni, ", ha affermato la co-autrice Tamar Elias dell'Hawaiian Volcano Observatory.

E c'è un'altra implicazione di questa scoperta, non per le eruzioni di oggi, ma per l'evoluzione dell'atmosfera terrestre miliardi di anni fa. "Le emissioni vulcaniche nel profondo passato della Terra potrebbero aver reso l'atmosfera più ossidante di quanto pensassimo, " ha detto il co-autore Bruno Scaillet. "Un'atmosfera più ricca di ossigeno avrebbe facilitato l'emergere e la vitalità della vita sulla terra, generando uno strato di ozono, che protegge dai dannosi raggi ultravioletti del sole."