In alto sopra il Mar Tirreno d'Italia, al largo della costa settentrionale della Sicilia, 13 studenti siedono in cima al vulcano Stromboli mentre erutta. Ash cade sulle loro spalle e fa ping-ping-ping sui loro caschi. La terra sotto i loro piedi trema.

"Una cosa è leggere e parlare di pericolosità sismica e vulcanica; un'altra è sperimentarla, " disse la geofisica Tiziana Vanorio, un assistente professore alla School of Earth di Stanford, Scienze energetiche e ambientali (Stanford Earth). "Volevo condividere questo con loro."

Il viaggio verso Stromboli era iniziato il giorno prima nella città natale di Vanorio, Pozzuoli, una colorata città portuale fondata dai greci e poi occupata dai romani, al centro di una caldera vulcanica, o depressione, conosciuti come Campi Flegrei. Vanorio, i 13 studenti e due docenti associati sono saliti su un aliscafo a Napoli e hanno navigato verso sud attraverso le profonde acque blu del Tirreno per quasi quattro ore tranquille prima di avvistare il fumo, vapore e gas sbuffanti dal cono di Stromboli.

Raggiungere la cima si sarebbe rivelato più arduo:una salita di cinque ore su ripidi pendii di cenere e roccia. La sedimentologa Nora Nieminski, un ricercatore post-dottorato alla Stanford Earth e un istruttore ospite durante il viaggio, corse avanti per girare filmati con i droni che in seguito avrebbe aiutato gli studenti a manipolare per creare modelli 3D del vulcano. Ma il resto del gruppo camminava senza fretta. A metà della cima, si fermarono a riposare vicino a una cicatrice scura sul fianco settentrionale del vulcano noto come Sciara del Fuoco, dove il vulcano è crollato su se stesso.

Dionne Thomas, '20, uno studente in viaggio che si sta laureando in ingegneria chimica, ricorda di annusare sporco e cenere, vedendo il Mar Tirreno che riflette il lavaggio del cielo del tardo pomeriggio di arancio e blu, e contando i minuti tra piccole esplosioni di lava da un pendio della caldera. Mentre si accorgeva del peso della stanchezza per la lunga salita, lei disse, "Mi sentivo davvero forte."

Thomas e gli altri 12 studenti del viaggio hanno visitato Stromboli nell'ambito di un seminario di tre settimane nel sud Italia incentrato sui vulcani, l'archeologia e la scienza del calcestruzzo romano:un materiale eccezionalmente durevole che può contenere intuizioni per materiali futuri più sostenibili o addirittura adatti alla costruzione di habitat su Marte.

Offerto attraverso il Bing Overseas Studies Program di Stanford, il seminario è un'occasione per tracciare connessioni viscerali tra scienza e storia, e per ottenere una migliore comprensione della Terra lungo la strada.

Laboratorio della natura

La provincia napoletana, nell'Italia meridionale, è un luogo ideale per immergersi nella scienza dei pericoli naturali e nel modo in cui hanno giocato nella vita quotidiana e nell'innovazione nel corso di migliaia di anni. Densamente popolata e costellata di dozzine di vulcani, la regione si classifica come una delle più pericolose sulla Terra. Al largo si trovano le rovine di un porto romano e di una villa imperiale, affondata come Atlantide a causa dei disordini nella crosta terrestre. "Non molti posti sulla Terra sperimentano questo tipo di sismicità e vulcanismo, pur essendo una città antica e funzionando come una società moderna, — disse Vanorio. — È questo il bello del luogo.

Alla base delle escursioni del seminario e delle lezioni giornaliere di geofisica, le proprietà del calcestruzzo romano e la modellazione 3D da immagini di droni è stato un esercizio più ampio per trovare connessioni tra diversi campi di studio. Non è un caso che gli studenti scelti per partecipare al seminario rappresentassero una vasta gamma di major, compresa l'informatica, fisica, classici, ingegneria chimica e scienze politiche.

"Ci sono ancora domande scientifiche a cui non sappiamo rispondere, " disse Vanorio, che scoprirono processi naturali profondi nel sottosuolo dei Campi Flegrei che rispecchiano quelli del cemento romano, e ha utilizzato testi storici per far luce sui punti di forza e le caratteristiche dei materiali sia vulcanici che ingegnerizzati. "Più sfruttiamo la conoscenza in diverse discipline, più siamo in grado di affrontare e risolvere questi problemi."

Per Amara McCune, BS '18, che ha partecipato a un precedente seminario in regione condotto da Vanorio nel 2016, la mescolanza della geofisica con le immersioni nella cultura della regione si è rivelata un potente mix. "La combinazione unica di conoscere Pompei, sollevamento vulcanico e Roma pur essendo in loco, ascoltare le guide locali e fare in modo che esperti archeologici e geologici indichino le caratteristiche di un luogo fatto per un'esperienza di apprendimento incredibilmente ricca, " lei disse.

Ora inseguendo un dottorato di ricerca. in fisica, McCune ha affermato che il seminario nel sud Italia ha contribuito ad ampliare il suo pensiero su come applicare la sua laurea. "Mi ha reso più aperto a diversi campi e desideroso di imparare la storia e le complessità del mondo naturale che ci circonda, " lei disse.

Durante l'ultimo viaggio, l'oscurità scese mentre il gruppo, vertiginoso in previsione delle potenti eruzioni del vulcano, si stabilì intorno all'orlo di Stromboli. "Esplode violentemente e senza preavviso - questi grandi, forti esplosioni seguite da cenere incandescente che vola in aria, " ha spiegato Dulcie Head, un assistente didattico durante il viaggio e un dottorato di ricerca. studente di geofisica.

Ormai, gli studenti potevano vedere la cenere che vorticava intorno a loro come qualcosa di più che terra vulcanica. Sapevano che una simile cenere era stata un ingrediente chiave nella costruzione dell'anfiteatro, porto e antico mercato di Pozzuoli, e anche il Pantheon a Roma, con la sua mole, cupola non rinforzata – la più grande del mondo antico.

"Pozzuoli è forse il luogo dove i romani, guardando la natura, sono stati ispirati a creare un materiale iconico, " Ha detto Vanorio. Hanno sviluppato una ricetta per il calcestruzzo che dura da migliaia di anni utilizzando ceneri vulcaniche, lime, minuscole rocce vulcaniche e acqua, mentre il cemento moderno spesso si sbriciola entro 50 anni.

In cima a Stromboli, che gli scienziati monitorano attentamente per la sicurezza, gli studenti avevano anche abbastanza scienze della Terra nelle loro teste per vedere il vulcano stesso come un laboratorio naturale. "Questo vulcano sta letteralmente producendo nuove rocce mentre siamo seduti qui. Ce le sta lanciando contro, " ha spiegato Head. "È emozionante vedere un processo così attivo, dove un evento naturale produce anche nuovi materiali."

Il gruppo è rimbalzato e scivolato lungo un sentiero sulle pendici del vulcano indossando maschere antigas per proteggere i polmoni dalla cenere e dalla sabbia sollevate dai loro piedi. Di ritorno al loro hotel ai piedi dell'isola, si sono tolti le maschere e hanno lavato via i detriti di Stromboli. Dopo, il gruppo ha imparato a calcolare la traiettoria e la velocità dei proiettili di cenere ad arco del vulcano con un software di tracciamento delle particelle.

"Questo era un modo per noi di utilizzare le immagini time-lapse, " Disse Vanorio. "Volevo studenti di Scienze della Terra, dai classici, e ingegneri per imparare a utilizzare questo strumento perché ci troviamo a utilizzare sempre più questo tipo di immagini, spesso catturate da droni, che si tratti di analizzare affioramenti di rocce inaccessibili o mappare vasti siti antichi o un edificio".

Quelli che potevano sembrare calcoli astratti hanno assunto maggiore risonanza alla luce dell'incontro ravvicinato del gruppo con l'eruzione. "Non dimenticherò mai le scintille luminose dell'eruzione contro la notte oscura, " ha detto Sylvia Choo, '20, che si sta laureando in classici e biologia. "È stato incredibile sperimentare la grande forza della natura."

Città antica

Circa 150 miglia attraverso il fresco Tirreno, all'interno della caldera dei Campi Flegrei o "Campi Ardenti", si trova nel centro di Pozzuoli. In questa città nota a molti italiani come la città natale di Sophia Loren, le rovine di un mercato romano sono un hub per le connessioni interdisciplinari.

Pozzuoli si siede su un irrequieto, Una striscia di costa grande quanto Manhattan, dove l'odore di uova marce di zolfo lacera l'aria. Cratere della Solfatara, casa di Vulcano, il dio romano del fuoco, gorgoglia ai margini della città. E appena in mare aperto, sculture, terme, una villa, mosaici piastrellati luminosi e altre rovine archeologiche riposano a più di 30 piedi sotto il livello del mare, vittime del cedimento della caldera.

Vicino al moderno lungomare di Pozzuoli, tre colonne stanno tra le rovine del vecchio mercato, o Macellum. Gli studenti sapevano dai loro studi nel campus in primavera che il trio di marmo ha tenuto un record di 2000 anni di subsidenza a lungo termine e brevi periodi di sollevamento. Così, quando le colonne sono apparse in vista quando il gruppo è sceso per la prima volta dalla residenza della villa, esclamarono diversi studenti, "Oh, Sono là!"

Riunirsi vicino alle colonne per una conferenza di Vanorio mentre il ronzio di Nieminski ronzava sopra di loro, potevano vedere bande di minuscoli fori praticati dai cosiddetti mitili "mangiapietra", molluschi marini che perforavano su e giù le colonne mentre l'ascesa e la caduta della caldera cambiavano la quantità di strutture che si estendevano sopra la linea di galleggiamento. "Hanno letteralmente segnato la storia, " ha detto Cho.

Utilizzando le competenze sviluppate nei seminari on-campus guidati da Nieminski, gli studenti hanno potuto analizzare la storia al Macellum e in altri siti con un tocco più leggero. Hanno costruito modelli 3D del mercato dalle immagini dei droni di Nieminski e li hanno manipolati con un software per prendere misurazioni e rispondere a domande scientifiche di loro ideazione.

Tommaso, Per esempio, ha esaminato i diversi materiali nelle colonne per capire come si sono verificati nel tempo gli agenti atmosferici e la pressione dell'acqua dal basso. Il progetto, lei disse, le ha permesso di intrecciare le conoscenze dell'ingegneria chimica, fisica e matematica, così come le lezioni di geofisica del seminario. "Dopo questo seminario, Sono ancora più convinto che molti campi possano sovrapporsi, " lei disse.

Terra inquieta

Alti e bassi fanno parte del tessuto della vita a Pozzuoli. All'inizio degli anni '80, il terreno si è alzato di più di 6 piedi in soli due anni, un allarmante tasso di elevazione che ha rimodellato la città, lasciando il porto troppo basso per attraccare e costringendo al trasferimento di scuole e negozi.

L'innalzamento del fondale marino ha anche innescato abbastanza terremoti da richiedere l'evacuazione di quasi 40 persone, 000 persone – tra cui Vanorio, poi adolescente – per due anni a partire dal 1982. “Tutti erano preoccupati, " ha detto. "La gente si aspettava un'eruzione, ed eravamo davvero preoccupati per il rischio sismico. Le case non sono state ristrutturate sismicamente".

Ma come gli studenti del seminario hanno imparato attraverso lezioni e letture questa estate, l'episodio ha informato gli scienziati di Stanford di un'insolita durezza nella roccia qui. Altre caldere vulcaniche, come Yellowstone o la Lunga Valle, situato ad est del Parco Nazionale di Yosemite, tendono a rilasciare abbastanza presto l'energia accumulata dal sollevamento attraverso i terremoti. "Quelle caldere si sollevano e poi quasi immediatamente, inizia l'attività sismica, — spiegò Vanorio. — Le rocce si deformano e poi si fratturano.

A Pozzuoli, i terremoti non sono iniziati fino a quando la caldera dei Campi Flegrei non si è deformata di quasi 3 piedi. "La domanda da un punto di vista della fisica delle rocce è stata, che tipo di rocce nel sottosuolo sono in grado di sopportare una sollecitazione così grande senza rompersi immediatamente?" La roccia che ricopre questa caldera, si scopre, contiene minerali fibrosi che rispecchiano quelli del calcestruzzo romano che gli consentono di allungarsi e piegarsi prima di cedere sotto sforzo.

Al mercato, Vanorio ha anche sottolineato che la durabilità del calcestruzzo romano è visibile in sezioni delle antiche mura dove i mattoni di tufo - una sorta di roccia vulcanica - si sono erosi molto tempo fa, ma rimane ancora la malta fatta con cenere vulcanica e calce. "Alla fine del giorno, questi antichi siti sono fatti di materiali terrestri che si degradano e cambiano nel tempo, " Disse Vanorio. "Possiamo usare la fisica delle rocce per capire quei materiali e imparare a preservarli meglio".

Vivere con i rischi naturali

L'iconico cono del Vesuvio sorge a meno di 15 miglia a ovest di Pozzuoli. La sua eruzione nel 79 d.C. è nota soprattutto per aver distrutto Pompei, ma lo stesso evento seppellì anche Ercolano, una località balneare arroccata sulla base occidentale del complesso stratovulcano.

Gli studenti hanno trascorso una mattinata passeggiando per i vicoli del paese, notando elementi della vita quotidiana misteriosamente preservati dal flusso piroclastico surriscaldato di cenere, roccia fusa, fango e gas:cassapanche e armadi in legno, quadri, la porta di legno bruciata di uno studio.

Come un classico maggiore, Choo aveva alcune idee su come fosse la vita in epoca romana prima di intraprendere il seminario. "Ma era affascinante vedere i luoghi in cui vivevano, camminare e socializzare, " lei disse.

Lasciando Ercolano alle spalle nel pomeriggio, il gruppo si ammassò su un autobus diretto al Vesuvio, la fonte della distruzione della città. Come Campi Flegrei e Stromboli, Il Vesuvio si trova lungo un confine tettonico, dove la placca africana sta scivolando sotto la placca euroasiatica. Uno strappo nella placca africana permette al calore di filtrare attraverso la crosta terrestre, sciogliendo gradualmente la roccia e aumentando la pressione sotto il Vesuvio, che ha eruttato più di 50 volte dal 79 d.C., l'ultima nel 1944.

Dalla fermata dell'autobus, un sentiero a piedi condusse il gruppo verso l'orlo del vulcano e poi giù fino a una piattaforma poco profonda nel cratere. In cima, più di 4, 000 piedi sopra il livello del mare, l'aria era fresca, e gli studenti potevano vedere le montagne, dolci colline e città in lontananza. Lucertole verde brillante svolazzavano sulle rocce color ruggine, fumaroles streamed sulfur-scented steam and Nieminski's drone canvassed the crater as the students listened to a local guide describe the inner workings and history of the 400, 000-year-old volcano.

Thomas remembers looking down at the sea and clouds. "I felt as if I was on top of the world, " she said. "That was the most elated I've ever been in life. It made me feel like I was experiencing to the fullest what life has to offer."