Kilauea, un famoso vulcano hawaiano, erutta lava e cenere basaltica che ha alte concentrazioni di fluoro. Credito:M. Patrick, USGS
I contaminanti delle eruzioni vulcaniche lisciviano nell'acqua a velocità diverse a seconda della forma delle particelle di cenere vulcanica, secondo una nuova ricerca che potrebbe migliorare la capacità degli scienziati di prevedere il rischio per la qualità dell'acqua nelle regioni vulcanicamente attive.
La cenere vulcanica è costituita da frammenti microscopici di magma solidificato spinti da eruzioni vulcaniche. Quando un vulcano erutta, la cenere può percorrere grandi distanze. A breve termine, la cenere può contaminare la vegetazione, acque superficiali, suoli e acque sotterranee con metalli pesanti come il rame, cadmio e arsenico e contaminanti non metallici come il fluoro.
Questi contaminanti possono entrare nella catena alimentare in un processo noto come bioaccumulo. Il bioaccumulo si verifica quando gli organismi ingeriscono e immagazzinano contaminanti che non possono metabolizzare. Questi contaminanti possono diventare più concentrati mentre risalgono la catena alimentare, avvelenando il bestiame e l'uomo. Il bioaccumulo di metalli pesanti può causare alcuni tumori, mentre il bioaccumulo di non metalli come il fluoro può causare danni scheletrici.
Un nuovo studio sulla rivista GeoHealth dell'AGU rileva che la superficie delle particelle di cenere controlla la velocità con cui la cenere rilascia i contaminanti nell'acqua. Più bolle ha una particella, o più è porosa, più grande è la sua superficie. La cenere con più bolle viene rilasciata più velocemente, perché ha più superficie per la permeazione dell'acqua.
I risultati suggeriscono che la struttura delle particelle può influenzare la qualità dell'acqua, migliorare la capacità dei geologi di prevedere come gli ambienti potrebbero rispondere alle esplosioni vulcaniche. Comprendere come i tipi di cenere influenzano il modo in cui i contaminanti si dissolvono nell'acqua consente agli scienziati di prevedere i rischi per la salute imposti dalla contaminazione dell'acqua nelle regioni con frequenti fenomeni di vulcanismo, secondo gli autori dello studio.
L'immagine a sinistra è cenere andesitica del vulcano Turrialba. La sua elevata porosità gli conferisce una superficie maggiore. L'immagine a destra è cenere basaltica da Kilauea. Il suo aspetto liscio e sferico mostra la sua ridotta superficie. Credito:AGU
"Le prime due ore sono quando l'acqua è più contaminata e in seguito i tassi di lisciviazione diminuiscono. Tuttavia, il lungo termine, eruzioni ripetute possono portare a bioaccumulo, " ha detto Candace Wygel, un geologo che ha condotto la ricerca mentre era studente laureato alla Lehigh University di Betlemme, Pennsylvania. Wygel, ora geologo presso Roux Environmental Engineering and Geology D.P.C. a New York, New York, è l'autore principale del nuovo articolo.
Misurazione della concentrazione delle bolle
Precedenti studi sulla cenere vulcanica presumevano che ogni particella fosse uniformemente sferica e compatta. Questo metodo non tiene conto della porosità di alcuni tipi di cenere. Per esempio, particelle di cenere andesitica, un tipo di cenere vulcanica con cristalli a grana media e contenuto di silice medio, può avere molte bolle microscopiche. Ogni bolla aumenta la superficie del campione di cenere. Più acqua può toccare il campione e dissolvere i suoi contaminanti.
Inoltre, diversi tipi di cenere vulcanica hanno concentrazioni uniche di elementi e contaminanti. cenere basaltica, un tipo di cenere vulcanica a basso contenuto di silice, contiene più metalli delle ceneri andesitiche. Però, poiché la cenere andesitica ha più bolle, liscivia ciò che ha più velocemente. Gli scienziati sapevano che la composizione chimica influenzava la lisciviazione della cenere vulcanica, ma Wygel e i suoi colleghi sospettano che anche la struttura delle particelle influisca sul tasso di lisciviazione delle ceneri.
"Volevamo vedere come la morfologia della cenere influisse sulla lisciviazione nell'ambiente, " ha detto Wygel.
Nel nuovo studio, i ricercatori hanno raccolto campioni da quattro vulcani delle Hawaii, Costa Rica, Alaska e Islanda. Ogni vulcano eruttò principalmente cenere basaltica o andesitica. I ricercatori hanno misurato la superficie totale di ciascun campione e hanno tenuto conto delle bolle all'interno della cenere. Hanno scoperto che i campioni avevano aree superficiali circa tre volte più grandi rispetto a quando venivano misurati con il metodo geometrico standard.
Hanno scoperto che le particelle di cenere con aree superficiali più grandi hanno lisciviato i metalli più velocemente. In sette giorni, l'acqua ha eroso le particelle, riducendo le loro aree superficiali e modificando i loro tassi di lisciviazione. I ricercatori hanno effettuato misurazioni della superficie in diversi punti nel tempo per osservare come i tassi di lisciviazione delle ceneri cambiassero a causa dell'erosione dell'acqua.
La cenere andesitica del vulcano costaricano Turrialba ha avuto il più alto tasso di lisciviazione, attribuito alla sua alta concentrazione di bolle. La cenere di Turrialba inizialmente ha dilavato i contaminanti più velocemente. Però, cenere basaltica del vulcano hawaiano, Kilauea, ha lisciviato le maggiori concentrazioni di metalli. I risultati suggeriscono che il tasso di lisciviazione delle ceneri e la composizione chimica influenzino gli ambienti in tandem.
