Størrelsen betyder noget - hvis du er en boble af vulkansk gas

Den kemiske sammensætning af gasser, der udsendes fra vulkaner - som bruges til at overvåge ændringer i vulkansk aktivitet - kan ændre sig afhængigt af størrelsen af ​​gasboblerne, der stiger til overfladen, og forholde sig til den måde, de bryder ud på. Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet Natur Geovidenskab , kunne bruges til at forbedre prognosen for trusler fra visse vulkaner.

Et team af forskere, inklusive en vulkanolog og matematiker fra University of Cambridge, opdagede fænomenet gennem detaljerede observationer af gasudledninger fra vulkanen K?lauea på Hawaii.

Ved mange vulkaner rundt om i verden, gasemissioner overvåges rutinemæssigt for at hjælpe med at forudsige udbrud. Ændringer i produktionen eller proportionerne af forskellige gasser - såsom kuldioxid og svovldioxid - kan varsle om ændringer i en vulkans aktivitet. Vulkanologer har overvejet, at disse kemiske ændringer afspejler stigningen og faldet af magma i jordskorpen, men den nye forskning afslører, at sammensætningen af ​​vulkanske gasser også afhænger af størrelsen af ​​de gasbobler, der stiger op til overfladen.

Indtil det seneste spektakulære udbrud åbnede sprækker på flanken af ​​vulkanen, K?lauea holdt en stor lavasø i sit topkrater. Denne lavasøs adfærd vekslede mellem faser af flammende 'sprøjt' drevet af store gasbobler, der sprængte gennem magmaen, og mere skånsom gasudslip, ledsaget af langsom og stabil bevægelse af lavaen.

I fortiden, vulkanske gasser er blevet udtaget direkte fra dampende åbninger og åbninger kaldet fumaroler. Men dette er ikke muligt for emissionerne fra en lavasø, 200 meter på tværs, og i bunden af ​​et stejlsidet krater. I stedet, holdet brugte et infrarødt spektrometer, som bruges til rutinemæssig vulkanovervågning af medforfattere til undersøgelsen, Jeff Sutton og Tamar Elias fra Hawaiian Volcano Observatory (US Geological Survey).

Enheden var placeret på kanten af ​​krateret, pegede på lavasøen, og registrerede gassammensætninger i atmosfæren med få sekunders mellemrum. Emissionerne af kulstof- og svovlholdige gasser blev målt i både den kraftige og milde aktivitetsfase.

Hver enkelt måling blev brugt til at beregne temperaturen af ​​den vulkanske gas. Det, der umiddelbart slog forskerne, var, at gastemperaturerne varierede fra 1150 grader Celsius - lavaens temperatur - ned til omkring 900 grader Celsius. "Ved denne temperatur, lavaen ville fryse, " sagde hovedforfatter Dr. Clive Oppenheimer, fra Cambridges Institut for Geografi. "Først vi kunne ikke forstå, hvordan gasserne kunne komme meget koldere frem end den smeltede lava, der skvulpede i søen."

Ledetråden til dette puslespil kom fra variationen i de beregnede gastemperaturer - de var høje, da lavasøen var rolig, og lavt, når det boblede rasende. "Vi indså, at det kunne være på grund af størrelsen af ​​gasboblerne, " sagde medforfatter professor Andy Woods, Direktør for Cambridges BP Institute. "Større bobler stiger hurtigere gennem magmaen og udvider sig hurtigt, når trykket reduceres, ligesom bobler der rejser sig i et glas sodavand; gassen afkøles på grund af udvidelsen." Større bobler dannes, når mindre bobler støder ind i hinanden og smelter sammen.

Woods og Oppenheimer udviklede en matematisk model til at redegøre for processen, som viste en meget god overensstemmelse med observationerne.

Men der var endnu et overraskende fund fra gasobservationerne fra Hawaii. Udover at være køligere, emissionerne fra de store gasbobler var mere oxiderede end forventet – de havde større andel af kuldioxid i forhold til kulilte.

Den kemiske balance af vulkanske gasser såsom kuldioxid og kulilte (eller svovldioxid og svovlbrinte) menes generelt at være styret af kemien i den omgivende flydende magma, men hvad de nye resultater viste er, at når boblerne bliver store nok, det meste af gassen indeni følger sin egen kemiske vej, når gassen afkøles.

Forholdet mellem kuldioxid og kulilte, når lavasøen var i sin mest energiske tilstand, var seks gange højere end under den mest stabile fase. Forskerne foreslår, at denne effekt bør tages i betragtning, når gasmålinger bruges til at forudsige store ændringer i vulkansk aktivitet.

"Gasmålinger er afgørende for vores overvågning og farevurdering; at forfine vores forståelse af, hvordan magma opfører sig under vulkanen, giver os mulighed for bedre at fortolke vores observationer, " sagde medforfatter Tamar Elias fra Hawaiian Volcano Observatory.

Og der er en anden implikation af denne opdagelse – ikke for udbrud i dag, men for udviklingen af ​​Jordens atmosfære for milliarder af år siden. "Vulkanemissioner i Jordens dybe fortid kan have gjort atmosfæren mere oxiderende, end vi troede, " sagde medforfatter Bruno Scaillet. "En mere iltrig atmosfære ville have lettet fremkomsten og levedygtigheden af ​​liv på landjorden, ved at danne et ozonlag, som skærmer mod skadelige ultraviolette stråler fra solen."