Novo istraživanje pokazuje da superzagrevanje magme — zagrevanje iznad temperature kristalizacije — može dugo odlagati formiranje kristala, ponekad više od osam sati. Eksperimenti na uzorcima iz erupcije Tajogaite 2021. i snimci sa Diamond Light Source otkrili su da takva magma ostaje fluidnija, može brže da se uzdigne i izazove eksplozivne erupcije sa stopama do ~40.000 kg/s. U suprotnom, rana kristalizacija povećava viskoznost i vodi mirnijim tokovima lave, pa bi uvođenje termalne istorije u modele moglo poboljšati procenu vulkanskih opasnosti.
Superzagrejana magma može izazvati eksplozivne erupcije — novo istraživanje objašnjava zašto
Scientists discover how superheated magma changes eruption behavior by delaying crystal formation deep underground. (CREDIT: Shutterstock)
Vulkani često deluju slično na površini, ali se mogu ponašati potpuno različito: neki ispuštaju spore, stabilne tokove lave, dok drugi eksplodiraju i izbacuju pepeo i rastopljene stene visoko u vazduh. Novo istraživanje ukazuje na skriveni termalni proces unutar magme — tzv. superzagrevanje — koji može objasniti zašto dolazi do ovih suprotnih ponašanja.
Međunarodni tim predvođen naučnicima sa University of Manchester identificirao je kako istorija zagrevanja utiče na razvoj magme neposredno pre erupcije. Studija se fokusirala na uzorke iz erupcije Tajogaite 2021. na ostrvu La Palma, a eksperimenti su izvedeni uz pomoć naprednih snimajućih tehnika na Diamond Light Source.
Experimental conditions for in situ and ex situ view experiments. (CREDIT: Nature Communications)
Kako superzagrevanje menja magmu
Magmu ispod površine ne čini samo rastopljena stena: ona sadrži kristale i gasne mehuriće koji zajedno određuju njena strujanja i ponašanje pri erupciji. Kristali povećavaju viskoznost — čine masu gušćom i otpornijom na protok — pa utiču na to da li gasovi lako pobegnu ili ostanu zarobljeni i podignu pritisak.
Superzagrevanje nastaje kada se magma podigne ili primi toplotni impuls tako da njena temperatura pređe tačku pri kojoj se kristali obično formiraju. Istraživanje pokazuje da takvo superzagrevanje može rastvoriti postojeća kristalna „semena” i ujednačiti rastopljenu masu, što znatno odlaže ponovno formiranje kristala.
Calorimetry spectra showing crystallisation peaks in glasses. (CREDIT: Nature Communications)
Eksperimenti i glavni rezultati
U laboratorijskim uslovima tim je uporedio dva temperaturna puta: jedan uobičajeni hlađenje i drugi u kojem je magma bila prethodno podvrgnuta snažnom superzagrevanju. Dok je u normalnom uzorku nukleacija kristala počela za ~20 minuta, u superzagrejanoj magmi početak rasta kristala bio je odložen više od osam sati.
"Do sada nismo u potpunosti razumeli dinamiku rasta kristala u magmama koje su pre uspona primile injekciju superzagrevanja", rekla je dr Barbara Bonechi, glavna autorka studije.
Posledica dugog nukleacionog kašnjenja je da magma ostaje fluidnija duže vreme, što omogućava brži uspon iz dubine pre nego što se kristali ponovo pojave. Kada se kristali konačno formiraju u takvim uslovima, često nastaju manje brojni, ali veći kristali — jer postoji manje nukleacionih mesta i manje međusobne konkurencije za rast.
Nucleation and growth rate as function of time and undercooling. (CREDIT: Nature Communications)
Modeli uspona i implikacije za erupcije
Istraživači su zatim koristili računarske modele kako bi simulirali uspon magme kroz koru. U scenariju sa snažnim superzagrevanjem, magma se brzo podigla do površine (u modelu ~30 minuta), zadržavši nisku viskoznost i dovodeći do visokih stopa erupcije — red veličine ~40.000 kg/s — što odgovara eksplozivnim događajima poput laminarnih fontana lave.
U scenariju bez značajnog superzagrevanja, rana kristalizacija je povećala viskoznost, usporila uspon (više od 11 sati u modelu) i omogućila sporije otpuštanje gasova, što rezultira mirnijim, tečnim tokovima lave.
Numerical results for the 2021 Tajogaite eruption reference test case. (CREDIT: Nature Communications)
Modeli se dobro poklapaju sa zapažanjima tokom erupcije Tajogaite, gde su zabeležene varijacije u stopama erupcije od oko 1.400 do 30.000 kg/s — što sugeriše da su različite „porcije” magme imale različitu termalnu istoriju.
Zašto je ovo važno
Studija naglašava da, pored hemije magme, sadržaja gasova i promena pritiska, pre-eruptivna termalna istorija i kinetika kristalizacije mogu biti ključni faktori koji određuju stil erupcije. Prepoznavanje superzagrejane magme u monitoringu moglo bi ukazati na veći rizik od brzog uspona i eksplozivnih izbijanja, što bi omogućilo pravovremene upozoravajuće mere i planove evakuacije.
Rad je objavljen u časopisu Nature Communications. Kombinacija laboratorijskih eksperimenata, naprednog snimanja i modelovanja pruža jasniji uvid u skrivene procese koji oblikuju ponašanje vulkana.
Pomozite nam da budemo bolji.
