Pequeñas burbujas cuentan las historias de las erupciones volcánicas

En un estudio de acceso abierto publicado en línea en Nature Communications, Sahand Hajimirza y Helge Gonnermann de Rice y James Gardner de UT Austin respondieron una pregunta de larga data sobre erupciones volcánicas explosivas como las del Monte St. Helens en 1980, el Monte Pinatubo de Filipinas en 1991 o Cerro Chaitén de Chile en 2008.

Los geocientíficos han buscado durante mucho tiempo usar pequeñas burbujas en la lava y cenizas erupcionadas para reconstruir algunas de las condiciones, como el calor y la presión, que ocurren en estas poderosas erupciones. Pero ha habido una desconexión histórica entre los modelos numéricos que predicen cuántas burbujas se formarán y las cantidades reales de burbujas medidas en las rocas en erupción.

Hajimirza, Gonnermann y Gardner trabajaron durante más de cinco años para reconciliar esas diferencias para las erupciones plinianas. Nombrado en honor a Plinio el Joven, el autor romano que describió la erupción que destruyó Pompeya en el año 79 d.C., las erupciones plinianas son algunos de los eventos volcánicos más intensos y destructivos.

"La intensidad de la erupción se refiere tanto a la cantidad de magma que ha estallado como a la rapidez con que sale", dijo Hajimirza, investigador postdoctoral y ex Ph.D. estudiante en el laboratorio de Gonnermann en el Departamento de Ciencias de la Tierra, Ambientales y Planetarias de Rice. "La intensidad típica de las erupciones plinianas varía de unos 10 millones de kilogramos por segundo a 10 mil millones de kilogramos por segundo. Eso equivale a 5.000 a 5 millones de camionetas pickup por segundo".

Al igual que las burbujas en el champán descorchado, las burbujas de magma se crean mediante una rápida disminución de la presión. En el magma, esto hace que el agua disuelta se escape en forma de burbujas de gas.

"A medida que aumenta el magma, su presión disminuye", dijo Hajimirza. "En algún momento, alcanza una presión a la que el agua se satura y una mayor descompresión provoca sobresaturación y la formación de burbujas".

A medida que el agua se escapa en forma de burbujas, la roca fundida se vuelve menos saturada. Pero si el magma continúa aumentando, la presión decreciente aumenta la saturación.

"Esta retroalimentación determina cuántas burbujas se forman", dijo Hajimirza. "Cuanto más rápido se eleva el magma, mayor es la velocidad de descompresión y la presión de sobresaturación, y más abundantes son las burbujas nucleadas".

En las erupciones plinianas, tanto magma se eleva tan rápido que el número de burbujas es asombroso. Cuando el monte St. Helens entró en erupción el 18 de mayo de 1980, por ejemplo, arrojó más de un kilómetro cúbico de roca y ceniza en nueve horas, y había alrededor de un millón de billones de burbujas en cada metro cúbico de ese material en erupción.

"El total de burbujas rondaría un septillón", dijo Hajimirza. "Eso es un uno seguido de 24 ceros, o alrededor de 1000 veces más que todos los granos de arena en todas las playas de la Tierra".

En su Ph.D. estudios, Hajimirza desarrolló un modelo predictivo para la formación de burbujas y trabajó con Gardner para probar el modelo en experimentos en UT Austin. El nuevo estudio se basa en ese trabajo al examinar cómo los cristales de magnetita no mayores a unas pocas mil millonésimas de metro podrían cambiar la forma en que se forman las burbujas a varias profundidades.

"Cuando las burbujas se nuclean, pueden formarse en líquido, lo que llamamos nucleación homogénea, o pueden nuclearse en una superficie sólida, que llamamos heterogénea", dijo Hajimirza. "Un ejemplo de la vida diaria sería hervir una olla con agua. Cuando se forman burbujas en el fondo de la olla, en lugar de en el agua líquida, eso es una nucleación heterogénea".

Las burbujas del fondo de la olla suelen ser las primeras en formarse, porque la nucleación heterogénea y homogénea suele comenzar a diferentes temperaturas. En el magma ascendente, la formación de burbujas heterogéneas comienza antes, a niveles de sobresaturación más bajos. Y las superficies donde se nuclean las burbujas a menudo se encuentran en cristales diminutos.

"Cuánto facilitan la nucleación depende del tipo de cristales", dijo Hajimirza. "Las magnetitas, en particular, son las más efectivas".

En el estudio, Hajimirza, Gonnermann y Gardner incorporaron la nucleación mediada por magnetita en modelos numéricos de formación de burbujas y encontraron que los modelos producían resultados que coincidían con los datos de observación de las erupciones plinianas.

Hajimirza dijo que es probable que haya magnetitas en todo el magma pliniano. Y aunque la investigación anterior no ha revelado suficientes magnetitas para dar cuenta de todas las burbujas observadas, los estudios anteriores pueden haber pasado por alto pequeños nanocristales que solo se revelarían con microscopía electrónica de transmisión, una técnica raramente utilizada que solo ahora se está volviendo más ampliamente disponible.

Para averiguar si ese es el caso, Hajimirza, Gonnermann y Gardner pidieron una "búsqueda sistemática de nanolitos de magnetita" en el material de las erupciones plinianas. Eso proporcionaría datos de observación para definir mejor el papel de las magnetitas y la nucleación heterogénea en la formación de burbujas, y podría conducir a mejores modelos y pronósticos volcánicos mejorados.

"El pronóstico de erupciones es un objetivo a largo plazo para los vulcanólogos, pero es un desafío porque no podemos observar directamente los procesos del subsuelo", dijo Hajimirza. "Uno de los grandes desafíos de la ciencia de los volcanes, como lo describieron las Academias Nacionales en 2017, es mejorar el pronóstico de erupciones mediante una mejor integración de los datos de observación que tenemos con los modelos cuantitativos, como el que desarrollamos para este estudio".

Referencia

Reconciling bubble nucleation in explosive eruptions with geospeedometers. Sahand Hajimirza, Helge M. Gonnermann & James E. Gardner. Nature Communications volume 12, Article number: 283 (2021)
https://www.nature.com/article...