Hvad gør vulkaner farlige?

Springvand af lava, lugt af giftige gasser, sure faner af fordampet havvand og tæpper af aske:det er blot nogle få af de farer, som vulkaner har leveret i de seneste uger, med Guatemalas Fuego-vulkan og Hawaiis Kilauea-vulkan, der hver producerer sit kraftigste udbrud i årtier.

Snesevis af mennesker er døde, og tusinder flere er blevet evakueret i området omkring Fuego som følge af dets udbrud den 3. juni. Ligesom Kilauea, som i begyndelsen af ​​maj 2018 begyndte en voldsom episode i et udbrud, der har varet i næsten 35 år, Fuego var næppe i ro før denne seneste eksplosion. Den spyr ofte lava og aske flere gange på et år og kan have mange små udbrud på en enkelt dag.

Men denne gang var Fuego-udbruddet anderledes. Skaden kom hurtigt og kraftigt i en kaotisk blanding af sten, gas og aske kendt som en pyroklastisk strøm - skaber scener af ødelæggelse, der ikke minder meget om billederne af krybende lava, der er dukket op fra Kilauea. Kontrasten giver en påmindelse om, at måderne, hvorpå vulkaner bliver farlige, kan være lige så forskellige som de steder og samfund, hvor de buldrer til live.

Stanford University geologer Gail Mahood (emerita) og Don Lowe, professorer i geologiske videnskaber ved School of Earth, Energi- og miljøvidenskab, har begge studeret vulkaner tæt på. De diskuterede overraskende mysterier, der er tilbage for videnskabsmænd omkring vulkanske farer, hvad og hvordan forskere kan lære af Fuego og andre vulkaner, efter at asken har lagt sig, og noget af videnskaben bag vulkanske trusler.

Hvilke forskelle fik Fuego til at bryde så voldsomt ud sammenlignet med Kilauea?

DON LOWE:Vi har lige set i Guatemala denne lille by begravet i varm aske. Udbrud i Amerika har en tendens til at producere enorme mængder aske, støv, murbrokker og kantede blokke, og vulkanerne har ofte høje, stejle kogler. Tætte skyer af varm aske og murbrokker buldrer ned ad de skråninger som godstog og tager bare fart, mens de kører. Regn og storme kan mobilisere løse murbrokker på disse stejle skråninger og skabe kolde affaldsstrømme. Hawaii-vulkaner har en tendens til at bryde ud med mindre voldsomme floder og lavafontæner.

GAIL MAHOOD:Alle vulkaner i Mellemamerika og i Cascades i Nordamerika er forskellige fra Hawaii ved, at de er relateret til subduktionszoner, steder, hvor en plade klemmer sig ind under en anden. De er meget mere eksplosive, dels fordi magmaer, de bryder ud, har mere vand opløst i sig - op til 10 gange så meget som i Hawaii-vulkaner.

Tænk på magma som en flaske champagne. Når du popper toppen, man sænker trykket og den CO2-gas, der var opløst i champagnen, danner bobler og kommer ud.

Vand, CO2, svovlgasser, fluor og klor opløses i magma, når det opbevares under højt tryk dybt inde i Jorden. Men hvis magma stiger hurtigt, disse flygtige elementer kommer ud af opløsning i bobler, der vokser så hurtigt, at boblevæggene knækker. Det er som et magmaskum, der går i stykker og bare flyver fra hinanden.

Magmas på Hawaii kan have vand, der kun udgør en halv vægtprocent. Hvis du har 4 eller 6 procent vand i en magma, som vi ser i Mellemamerika, du har så meget større potentiale for eksplosive udbrud.

Vulkaner i subduktionszoner har også mere tyktflydende, klæbrigere magmaer, som giver mere modstand i takt med at boblerne vokser. Som resultat, trykket inde i boblerne kan blive meget højere. Så der er flere bobler, der knækker på grund af mere vand, og når boblerne endelig går i stykker, de gør det med større kraft.

Hvordan opstår pyroklastiske strømme efter udbruddet af en vulkan som Fuego i Guatemala?

MAHOOD:Disse kan dannes direkte fra et eksplosivt udbrud, eller de kan dannes af lava, der kommer ud og køler lidt, sætter sig fast og fylder udluftningen. Så er der måske et jordskælv, eller ny magma skubber den nedefra, og at lava, der tilstopper udluftningen, kommer ud i en kaskade af varme blokke. De fortsætter med at bruse og producere aske. Folk omkring Fuego bliver stort set dræbt af pyroklastiske strømme.

Du har studeret, hvordan vulkaner kan udløse farlige strømme af ikke kun lava og aske, men også tyk, tyktflydende blandinger af partikler og vand kendt som affaldsstrømme. Kan du beskrive et eksempel på, hvordan denne type flow begynder, og hvad kan man gøre for at minimere skader, når det først er i gang?

LOWE:I 1985, affaldsstrømme efter udbruddet af vulkanen Nevado del Ruiz i Colombia dræbte omkring 20, 000 mennesker i en by kaldet Armero, 60 kilometer (37 miles) ned ad bakke. Disse strømme opstod når varm aske, som de ting, der kommer ud af Fuego, landede på en gletsjer omkring toppen. En mindre pust af aske smeltede kun en lille del af den gletsjer og sendte enorme mængder vand fossende ned ad kløfter.

Vi lærte ved at se på ældre aflejringer i vejafskæringer omkring denne by, at dette havde været en almindelig proces tidligere. Alle de elementer var der, som burde have fået en planlægger til at erkende, at dette ikke var et godt sted for en by. Bedre geologiske undersøgelser ville have vist, at området tidligere havde lidt mange lignende katastrofer. Faktisk, farekort oprettet i månederne før udbruddet viste, at Armero ville være i vejen for enhver mudderstrøm (en type affaldsstrøm) udløst af vulkanen. Men disse kort var ikke bredt udbredt.

Vi forstår stadig ikke helt, hvordan affaldsstrømme fungerer, eller hvordan nogle af dem kan rejse så langt over meget lave skråninger. En lovende teori er, at vand bliver suget ind under hovedstrømmen som vandplaning på dine dæk. En anden teori centrerer sig om, hvordan partikler interagerer i strømmen. Bærer de bare lidt passivt i væsken? Måske opfører partikler i en affaldsstrøm sig som gasmolekyler i en ballon – de kolliderer med hinanden, udøve pres og hjælpe med at holde sig suspenderet.

Disse detaljer er vigtige for at forstå, hvor langt affaldsstrømme kan gå, hvor mange ting de kan bære, hvor hurtigt de dannes – som alle er relevante for, om du bygger byer omkring vulkaner, beslutte, hvor langt væk de skal være, og vurdere faren for bygder og landsbyer, der allerede er der.

Katastrofeembedsmænd i Guatemala har sagt, at Fuegos udbrud den 3. juni påvirkede mere end 1 million mennesker. Hvordan er dette sammenlignet med nogle af de største udbrud i historien?

MAHOOD:Dette er ikke et stort udbrud af fantasien. Et af de store problemer i Guatemala og mange andre steder – i Indonesien og Filippinerne, for eksempel – er den store befolkning pakket på og omkring vulkaner af denne type. Moderat små udbrud kan dræbe mange mennesker.

Fuego er en meget aktiv vulkan. Formentlig, hvad der sker denne gang er, at det har været lidt mere eksplosivt end normalt, så disse pyroklastiske strømme er på vej længere ned ad vulkanen. I stedet for at gå ned ad flankerne af den spidse, kegleformet vulkan og en slags forsvinden, de kommer ud i flankerne og vælter ud i landsbyer.

Er det muligt at forudse, om og hvornår et givet udbrud vil medføre denne type fare?

MAHOOD:Vi kan ofte forudsige, at der er et udbrud på vej. Det, der er sværere at forudsige, er den nøjagtige karakter af udbruddet og tidspunktet for debut.

For at kortlægge vulkanske farer, vulkanologer går i marken og kortlægger fodsporene fra et udbrud:aske, der faldt højt i luften, aflejringer fra pyroklastiske og affaldsstrømme, og lava. Ask kan dække titusindvis af kvadratkilometer, men partiklerne er kolde, når de lander, så de er kun katastrofale tæt på vulkanens udluftning, hvor de kan være tykke nok til at falde tagene sammen.

Tilbage i laboratoriet, vi bruger kulstof- eller argon-datering til at lære om, hvor hyppige hver type udbrud har været tidligere. I stigende grad, vi analyserer også krystaller, der voksede i magmaen før et udbrud. De fungerer som små optegnere af temperatur, tryk og gasindhold, så de kan hjælpe os med at rekonstruere opstigningen af ​​magmaen og dens opbevaringsforhold.

Bedst af alt er, om disse analyser kan integreres med geofysiske undersøgelser af seismicitet eller deformation omkring vulkanen. Fuego er svær at observere, fordi det er stærkt skovklædt, og når du først kommer til toppen er det dækket af skyer. Geofysikere er blevet meget gode til at forudsige udbrud ved Kilauea på Hawaii og Mount St. Helens i Washington, fordi de har set så mange udbrud. Vi kender udmærket tegnene på, at magma bevæger sig gennem skorpen ved Kilauea:toppen tømmes, og jordskælv ændrer stil på en bestemt måde. Det eneste, der ikke er sikkert, er, hvornår et udbrud som det igangværende ved Kilauea skal stoppe.

Er der nogen måde at tilpasse sig truslerne fra vulkanudbrud?

LOWE:Vi har bosat områder uden stor bekymring for naturkatastrofer og farer. Imidlertid, når en katastrofe indtræffer, vi skal forsøge at begrænse den fremtidige vækst i det område og på steder, der står over for lignende risici. Vi ser måske ikke et virkeligt katastrofalt udbrud i vores liv. Men i vores børns eller børnebørns liv, der vil uundgåeligt være udbrud, der udsletter store befolkningscentre. Vi skal indse, hvor vigtigt det er at se længere ud i fremtiden end blot i morgen.