Le bolle microscopiche possono raccontare storie sulle più grandi eruzioni vulcaniche della Terra e i geologi della Rice University e dell'Università del Texas ad Austin hanno scoperto che alcune di queste storie sono scritte in nanoparticelle.

In uno studio ad accesso aperto pubblicato online in Comunicazioni sulla natura , Sahand Hajimirza e Helge Gonnermann di Rice e James Gardner di UT Austin hanno risposto a una domanda di vecchia data sulle eruzioni vulcaniche esplosive come quelle del Monte Sant'Elena nel 1980, il monte Pinatubo delle Filippine nel 1991 o il monte Chaitén del Cile nel 2008.

I geoscienziati hanno cercato a lungo di utilizzare minuscole bolle nella lava eruttata e nella cenere per ricostruire alcune delle condizioni, come il calore e la pressione, che si verificano in queste potenti eruzioni. Ma c'è stata una storica disconnessione tra i modelli numerici che prevedono quante bolle si formeranno e le quantità effettive di bolle misurate nelle rocce eruttate.

Hajimirza, Gonnermann e Gardner hanno lavorato per più di cinque anni per riconciliare queste differenze per le eruzioni pliniane. Chiamato in onore di Plinio il Giovane, l'autore romano che descrisse l'eruzione che distrusse Pompei nel 79 d.C., Le eruzioni pliniane sono alcuni degli eventi vulcanici più intensi e distruttivi.

"L'intensità dell'eruzione si riferisce sia alla quantità di magma eruttato che alla velocità con cui esce, " disse Hajimirza, un ricercatore post-dottorato ed ex dottorato di ricerca. studente nel laboratorio di Gonnermann al Dipartimento della Terra di Rice, Scienze ambientali e planetarie. "L'intensità tipica delle eruzioni pliniane varia da circa 10 milioni di chilogrammi al secondo a 10 miliardi di chilogrammi al secondo. Ciò equivale a 5, Da 000 a 5 milioni di pickup al secondo".

Un modo in cui gli scienziati possono misurare la velocità del magma in aumento è studiando le bolle microscopiche nella lava eruttata e nella cenere. Come bollicine nello champagne stappato, le bolle di magma sono create da una rapida diminuzione della pressione. Nel magma, ciò provoca la fuoriuscita dell'acqua disciolta sotto forma di bolle di gas.

"Mentre il magma sale, la sua pressione diminuisce, "Hajimirza ha detto. "Ad un certo punto, raggiunge una pressione alla quale l'acqua è satura, e un'ulteriore decompressione provoca la sovrasaturazione e la formazione di bolle."

Quando l'acqua fuoriesce sotto forma di bolle, la roccia fusa diventa meno satura. Ma se il magma continua a salire, la diminuzione della pressione aumenta la saturazione.

"Questo feedback determina quante bolle si formano, " disse Hajimirza. "Più velocemente il magma sale, maggiore è la velocità di decompressione e la pressione di sovrasaturazione, e più abbondanti sono le bolle nucleate."

Nelle eruzioni pliniane, così tanto magma sale così velocemente che il numero di bolle è impressionante. Quando il Monte Sant'Elena eruttò il 18 maggio, 1980, Per esempio, ha vomitato più di un chilometro cubo di roccia e cenere in nove ore, e c'erano circa un milione di miliardi di bolle in ogni metro cubo di quel materiale eruttato.

"Le bolle totali sarebbero circa un settillion, " Hajimirza ha detto. "Questo è uno seguito da 24 zeri, o circa 1, 000 volte di più di tutti i granelli di sabbia su tutte le spiagge della Terra."

Nel suo dottorato di ricerca studi, Hajimirza ha sviluppato un modello predittivo per la formazione di bolle e ha lavorato con Gardner per testare il modello negli esperimenti all'UT Austin. Il nuovo studio si basa su quel lavoro esaminando come i cristalli di magnetite non più grandi di pochi miliardesimi di metro potrebbero cambiare il modo in cui si formano le bolle a varie profondità.

"Quando le bolle si nucleano, possono formarsi in un liquido, che chiamiamo nucleazione omogenea, oppure possono nuclearsi su una superficie solida, che chiamiamo eterogeneo, " Hajimirza ha detto. "Un esempio di vita quotidiana sarebbe far bollire una pentola d'acqua. Quando si formano delle bolle sul fondo della pentola, piuttosto che nell'acqua liquida, questa è nucleazione eterogenea."

Le bolle dal fondo della pentola sono spesso le prime a formarsi, perché la nucleazione eterogenea e omogenea inizia tipicamente a temperature diverse. Nel magma in aumento, la formazione di bolle eterogenee inizia prima, a livelli di sovrasaturazione inferiori. E le superfici dove le bolle nucleano sono spesso su minuscoli cristalli.

"Quanto facilitano la nucleazione dipende dal tipo di cristalli, " Hajimirza ha detto. "Magnetiti, in particolare, sono i più efficaci».

Nello studio, Hajimirza, Gonnermann e Gardner hanno incorporato la nucleazione mediata dalla magnetite in modelli numerici di formazione di bolle e hanno scoperto che i modelli producevano risultati che concordavano con i dati osservativi delle eruzioni pliniane.

Hajimirza ha detto che le magnetiti sono probabilmente presenti in tutto il magma pliniano. E mentre la ricerca precedente su non ha rivelato abbastanza magnetite per spiegare tutte le bolle osservate, studi precedenti potrebbero aver perso piccoli nanocristalli che sarebbero stati rivelati solo con la microscopia elettronica a trasmissione, una tecnica usata raramente che solo ora sta diventando più ampiamente disponibile.

Per scoprire se è così, Hajimirza, Gonnermann e Gardner hanno chiesto una "ricerca sistematica di nanoliti di magnetite" nel materiale delle eruzioni pliniane. Ciò fornirebbe dati osservativi per definire meglio il ruolo delle magnetiti e della nucleazione eterogenea nella formazione delle bolle, e potrebbe portare a modelli migliori e previsioni vulcaniche migliori.

"La previsione delle eruzioni è un obiettivo a lungo termine per i vulcanologi, ma è impegnativo perché non possiamo osservare direttamente i processi sotto la superficie, " disse Hajimirza. "Una delle grandi sfide della scienza dei vulcani, come delineato dalle Accademie Nazionali nel 2017, sta migliorando la previsione delle eruzioni attraverso una migliore integrazione dei dati osservativi che abbiamo con i modelli quantitativi, come quello che abbiamo sviluppato per questo studio."