Cosa succede quando lava e acqua si incontrano? Esperimenti esplosivi con lava artificiale stanno aiutando a rispondere a questa importante domanda.

Cucinando lotti da 10 galloni di roccia fusa e iniettandoli con acqua, gli scienziati stanno facendo luce sulla fisica di base delle interazioni tra lava e acqua, che sono comuni in natura ma poco conosciuti.

Il progetto, a lungo termine, studio in corso condotto dall'Università di Buffalo, ha pubblicato i suoi primi risultati il ​​10 dicembre nel Journal of Geophysical Research (JGR):Solid Earth .

Gli scienziati avvertono che il numero di test finora è piccolo, quindi il team dovrà condurre più esperimenti per trarre conclusioni definitive.

La ricerca mostra che gli incontri con l'acqua di lava a volte possono generare esplosioni spontanee quando c'è almeno un piede di roccia fusa sopra il punto di miscelazione. In precedenza, studi su scala ridotta che hanno utilizzato circa la quantità di lava di una tazza di caffè, scienziati in Germania hanno scoperto che avevano bisogno di applicare uno stimolo indipendente, in sostanza pungendo l'acqua all'interno della lava, per innescare un'esplosione.

I risultati riportati in JGR:Solid Earth indicano anche alcune tendenze preliminari, dimostrando che in una serie di prove, più grandi, reazioni più brillanti tendevano a verificarsi quando l'acqua scorreva più rapidamente e quando la lava veniva trattenuta in contenitori più alti. (Il team ha eseguito un totale di 12 esperimenti in cui la velocità di iniezione dell'acqua variava da circa 6 a 30 piedi al secondo, e in cui la lava era contenuta in scatole d'acciaio isolate che variavano in altezza da circa 8 a 18 pollici.)

"Se pensi a un'eruzione vulcanica, ci sono forze potenti all'opera, e non è una cosa gentile, "dice l'investigatore capo Ingo Sonder, dottorato di ricerca, ricercatore presso il Center for Geohazards Studies presso UB. "I nostri esperimenti stanno esaminando la fisica di base di ciò che accade quando l'acqua rimane intrappolata all'interno della roccia fusa".

Sonder discuterà oggi i risultati in una conferenza stampa all'AGU Fall Meeting 2018, Lunedì, 10 dicembre alle 16:00 Eastern Time nella stanza Shaw/LeDroit Park al livello M3 dell'hotel Marriott Marquis, 901 Massachusetts Avenue a nord-ovest, Washington, DC 20001. Questa conferenza stampa sarà anche trasmessa in diretta sulla pagina web degli eventi stampa di AGU e una registrazione della conferenza stampa sarà archiviata sul canale YouTube di AGU. I giornalisti interessati allo streaming della conferenza stampa e alla partecipazione in remoto dovrebbero visitare la pagina Webstreaming sul sito Web del 2018 Fall Meeting Media Center.

Martedì Sonder presenterà anche un poster su questa ricerca, 11 dicembre dalle 13:40 alle 18:00 Eastern Time nel Walter E. Washington Convention Center, Sala A-C, nella sessione V23J.

Lo studio è stato finanziato dalla National Science Foundation.

Oltre a Sonder, I coautori di UB includevano Andrew G. Harp, dottorato di ricerca, che ha contribuito al progetto come dottore di ricerca in geologia UB. candidato ed è ora docente di scienze geologiche e ambientali presso la California State University, ciccio; Alison Graettinger, dottorato di ricerca, che ha contribuito al progetto come ricercatore post-dottorato in geologia UB ed è ora assistente professore di geoscienze presso l'Università del Missouri-Kansas City; Pranabendu Moitra, dottorato di ricerca, che ha contribuito al progetto come ricercatore post-dottorato in geologia UB ed è ora associato di ricerca post-dottorato presso il Lunar and Planetary Laboratory dell'Università dell'Arizona; e Greg Valentino, dottorato di ricerca, professore di geologia presso l'UB College of Arts and Sciences e direttore del Center for Geohazards Studies presso UB. Ralf Buttner, dottorato di ricerca, e Bernd Zimanowski, dottorato di ricerca, ha contribuito anche l'Università di Würzburg in Germania.

Comprendere gli incontri di lava-acqua nei veri vulcani

In natura, la presenza di acqua può rendere più pericolosa l'attività vulcanica, come durante le passate eruzioni del Kilauea delle Hawaii e dell'Eyjafjallajökull dell'Islanda. Ma in altri casi, la reazione tra i due materiali è attenuata.

Sonder vuole capire perché:"A volte, quando la lava incontra l'acqua, vedi enorme, attività esplosiva. Altri tempi, non c'è esplosione, e la lava potrebbe semplicemente raffreddarsi e formare alcune forme interessanti. Quello che stiamo facendo è cercare di conoscere le condizioni che causano le reazioni più violente".

Infine, i risultati del progetto a lungo termine potrebbero migliorare la capacità degli scienziati di valutare il rischio che i vulcani si avvicinino al ghiaccio, laghi, gli oceani e le fonti d'acqua sotterranee rappresentano per le persone che vivono nelle comunità circostanti.

"La ricerca è ancora nelle primissime fasi, quindi abbiamo diversi anni di lavoro davanti a noi prima di poter esaminare l'intera gamma e combinazione di fattori che influenzano ciò che accade quando la lava o il magma incontrano l'acqua, "dice Valentino, coautore dello studio e direttore del Center for Geohazards Studies presso UB.

"Però, tutto ciò che facciamo è con l'intenzione di fare la differenza nel mondo reale, ", dice. "Comprendere i processi di base che hanno a che fare con i vulcani alla fine ci aiuterà a fare previsioni migliori quando si tratta di eruzioni".

Esperimenti vulcanici su larga scala

Le interazioni lava-acqua sono associate a un fenomeno noto come interazione del liquido refrigerante del combustibile fuso, in cui un combustibile liquido (una fonte di calore) reagisce violentemente con un liquido di raffreddamento. Gran parte del lavoro sperimentale in questo campo è stato svolto nel contesto della sicurezza industriale, con un focus sulla comprensione dei potenziali pericoli nelle centrali nucleari e nei siti di produzione dei metalli.

Gli esperimenti sull'acqua di lava si basano su ricerche precedenti in quest'area, mentre si concentra sulla roccia fusa.

Il lavoro si svolge presso la Geohazards Field Station di UB ad Ashford, New York, circa 40 miglia a sud di Buffalo. Gestito dall'UB Center for Geohazards Studies, la struttura offre agli scienziati un luogo per condurre esperimenti su larga scala che simulano processi vulcanici e altri pericoli. In questi test, i ricercatori possono controllare le condizioni in un modo che non è possibile in un vero vulcano, dettare, Per esempio, la forma della colonna di lava e la velocità con cui l'acqua vi si riversa.

Per fare la lava, gli scienziati scaricano roccia basaltica in un forno a induzione ad alta potenza. Lo scaldano per circa 4 ore. Quando la miscela raggiunge un 2 rovente, 400 gradi Fahrenheit, viene versato in una cassetta di acciaio coibentata e iniettato con due o tre getti d'acqua.

Quindi, un martello spinge uno stantuffo nel mix per aiutare a stimolare un'esplosione. (In alcuni casi, se era presente una quantità sufficiente di roccia fusa al di sopra del punto di iniezione, un'intensa reazione è iniziata prima che il martello cadesse).

Oltre a individuare alcune tendenze preliminari, lo studio pubblicato attesta l'ampia varietà di processi fisici che possono verificarsi quando lava e acqua si incontrano.

"La risposta del sistema all'iniezione di acqua variava da lieve, processi dominati dall'evaporazione, in cui solo un po' di fusione è stata espulsa dal contenitore insieme a un po' di vapore, a reazioni più forti con getti di vapore visibili, e con domini di fusione espulsi a diversi metri di altezza, " hanno scritto gli scienziati in JGR:Solid Earth .

Rompere il film di vapore?

Lo studio non ha esaminato il motivo per cui l'altezza della scatola e la velocità di iniezione dell'acqua corrispondevano alle esplosioni più grandi. Ma Sonder, chi ha un background in geoscienze e fisica, offre alcune riflessioni.

Spiega che quando una goccia d'acqua viene intrappolata da una sostanza molto più calda, i bordi esterni dell'acqua vaporizzano, formando un film protettivo che avvolge il resto dell'acqua come una bolla, limitando il trasferimento di calore nell'acqua e impedendone l'ebollizione. Questo è chiamato effetto Leidenfrost.

Ma quando l'acqua viene iniettata rapidamente in un'alta colonna di lava, l'acqua, che è circa tre volte più leggera della lava, accelererà verso l'alto e si mescolerà più rapidamente con la roccia fusa. Ciò può causare la destabilizzazione del film di vapore, dice Sonder. In questa situazione, l'acqua non protetta si espanderebbe rapidamente di volume mentre si riscaldava, imponendo forti sollecitazioni sulla lava, lui dice. Il risultato? Una violenta esplosione.

In contrasto, quando l'acqua viene iniettata lentamente in pozze di lava meno profonde, il film protettivo di vapore può trattenere, oppure l'acqua può raggiungere la superficie della lava o fuoriuscire sotto forma di vapore prima che si verifichi un'esplosione, dice Sonder.

Spera di esplorare queste teorie attraverso esperimenti futuri:"Non è stato fatto molto lavoro in questo campo, " lui dice, "quindi anche alcuni di questi processi di base non sono davvero ben compresi".