Forskere brygger lava og sprænger den i luften for bedre at forstå vulkaner

Hvad sker der, når lava og vand mødes? Eksplosive eksperimenter med menneskeskabt lava er med til at besvare dette vigtige spørgsmål.

Ved at koge 10-gallon partier af smeltet sten og injicere dem med vand, videnskabsmænd kaster lys over den grundlæggende fysik af lava-vand interaktioner, som er almindelige i naturen, men dårligt forstået.

Projektet - et langsigtet, igangværende undersøgelse ledet af University at Buffalo-offentliggjorde sine første resultater den 10. december i Journal of Geophysical Research (JGR):Solid Earth .

Forskerne advarer om, at antallet af test indtil videre er lille, så holdet bliver nødt til at udføre flere eksperimenter for at drage sikre konklusioner.

Forskningen viser, at lava-vand møder nogle gange kan generere spontane eksplosioner, når der er mindst omkring en fod af smeltet sten over blandingspunktet. I tidligere, mindre undersøgelser, der brugte omkring en kaffekops værdi af lava, videnskabsmænd i Tyskland fandt ud af, at de var nødt til at anvende en uafhængig stimulus - i det væsentlige prikke vandet i lavaen - for at udløse en eksplosion.

Resultaterne rapporteret i JGR:Solid Earth også pege på nogle foreløbige tendenser, viser, at i en række tests, større, mere strålende reaktioner havde en tendens til at opstå, når vandet strømmede hurtigere ind, og når lava blev holdt i højere beholdere. (Holdet kørte i alt 12 eksperimenter, hvor vandinjektionshastigheder varierede fra omkring 6 til 30 fod i sekundet, og hvor lava blev holdt i isolerede stålkasser, der varierede i højden fra omkring 8 til 18 tommer.)

"Hvis du tænker på et vulkanudbrud, der er stærke kræfter i gang, og det er ikke en blid ting, " siger hovedefterforsker Ingo Sonder, Ph.D., forsker i Center for Geohazards Studies ved UB. "Vores eksperimenter ser på den grundlæggende fysik af, hvad der sker, når vand bliver fanget inde i smeltet sten."

Sonder vil diskutere resultaterne på en pressekonference på 2018 AGU Fall Meeting i dag, Mandag, 10. december kl.16. Eastern Time på værelset Shaw/LeDroit Park på niveau M3 på Marriott Marquis-hotellet, 901 Massachusetts Ave NW, Washington, DC 20001. Denne pressekonference vil også blive streamet live på AGUs hjemmeside for pressebegivenheder, og en optagelse af pressekonferencen vil blive arkiveret på AGU's YouTube-kanal. Journalister, der er interesserede i at streame pressekonferencen og deltage eksternt, bør gå til Webstreaming-siden på 2018 Fall Meeting Media Center-webstedet.

Sonder vil også præsentere en plakat om denne forskning på tirsdag, 11. december fra klokken 13.40-18. Eastern Time i Walter E. Washington Convention Center, Hal A-C, i session V23J.

Undersøgelsen blev finansieret af National Science Foundation.

Ud over Sonder, UB medforfattere inkluderede Andrew G. Harp, Ph.D., der bidrog til projektet som UB geologi Ph.D. kandidat og er nu underviser i geologiske og miljøvidenskabelige videnskaber ved California State University, Chico; Alison Graettinger, Ph.D., der bidrog til projektet som postdoc-forsker i geologi ved UB og nu er assisterende professor i geovidenskab ved University of Missouri-Kansas City; Pranabendu Moitra, Ph.D., der bidrog til projektet som postdoc-forsker i geologi ved UB og nu er postdoktor i Lunar and Planetary Laboratory ved University of Arizona; og Greg Valentine, Ph.D., professor i geologi ved UB College of Arts and Sciences og direktør for Center for Geohazards Studies ved UB. Ralf Büttner, Ph.D., og Bernd Zimanowski, Ph.D., fra Universität Würzburg i Tyskland bidrog også.

Forståelse af lava-vand møder ved rigtige vulkaner

I naturen, tilstedeværelsen af ​​vand kan gøre vulkansk aktivitet farligere, såsom under tidligere udbrud af Hawaiis Kilauea og Islands Eyjafjallajökull. Men i andre tilfælde, reaktionen mellem de to materialer er afdæmpet.

Sonder ønsker at forstå hvorfor:"Nogle gange, når lava støder på vand, du ser enorme, eksplosiv aktivitet. Andre gange, der er ingen eksplosion, og lavaen kan bare køle ned og danne nogle interessante former. Det, vi gør, er at forsøge at lære om de forhold, der forårsager de mest voldsomme reaktioner."

Til sidst, resultater fra det langsigtede projekt kan forbedre forskernes evne til at vurdere risikoen for, at vulkaner nær is, søer, oceaner og underjordiske vandkilder udgør for mennesker, der bor i omkringliggende samfund.

"Forskningen er stadig i de meget tidlige stadier, så vi har flere års arbejde foran os, før vi kan se på hele rækken og kombinationen af ​​faktorer, der påvirker, hvad der sker, når lava eller magma støder på vand. " siger Valentine, studiemedforfatter og leder af Center for Geohazards Studies ved UB.

"Imidlertid, alt, hvad vi gør, er med den hensigt at gøre en forskel i den virkelige verden, " siger han. "Forståelse af grundlæggende processer, der har at gøre med vulkaner, vil i sidste ende hjælpe os med at lave bedre prognosekald, når det kommer til udbrud."

Vulkanforsøg i stor skala

Lava-vand interaktioner er forbundet med et fænomen kendt som en kølevæskeinteraktion med smeltet brændstof, hvor et flydende brændstof (en varmekilde) reagerer voldsomt med et flydende kølemiddel. Meget af det eksperimentelle arbejde på dette område er blevet udført i forbindelse med industriel sikkerhed, med fokus på at forstå potentielle farer i atomkraftværker og metalproduktionssteder.

Lava-vand-eksperimenterne bygger på tidligere forskning på dette område, mens der fokuseres på smeltet sten.

Arbejdet foregår på UB's Geohazards Field Station i Ashford, New York, omkring 40 miles syd for Buffalo. Drives af UB Center for Geohazards Studies, anlægget giver forskere et sted at udføre store eksperimenter, der simulerer vulkanske processer og andre farer. I disse tests, forskere kan kontrollere forholdene på en måde, som ikke er mulig ved en rigtig vulkan, diktere, for eksempel, lavasøjlens form og den hastighed, hvormed vandet skyder ind i den.

At lave lava, forskere dumper basaltisk sten i en kraftig induktionsovn. De varmer det op i cirka 4 timer. Når blandingen når en rødglødende 2, 400 grader Fahrenheit, det hældes i en isoleret stålkasse og injiceres med to eller tre vandstråler.

Derefter, en hammer driver et stempel ind i blandingen for at hjælpe med at stimulere en eksplosion. (I nogle tilfælde, hvis nok smeltet sten var til stede over injektionspunktet, en intens reaktion begyndte før hammeren faldt).

Ud over at identificere nogle foreløbige tendenser, den offentliggjorte undersøgelse vidner om den brede vifte af fysiske processer, der kan opstå, når lava og vand mødes.

"Systemets reaktion på vandinjektion varierede fra mild, fordampningsdominerede processer, hvor kun en lille smule smelte blev kastet ud af beholderen sammen med noget damp, til stærkere reaktioner med synlige dampstråler, og med smeltedomæner udstødt til flere meters højde, " skrev forskerne i JGR:Solid Earth .

Bryder du dampfilmen?

Undersøgelsen undersøgte ikke, hvorfor kassehøjde og vandinjektionshastighed svarede til de største eksplosioner. Men Sønder, hvis har en baggrund i geovidenskab og fysik, giver nogle tanker.

Han forklarer, at når en klat vand fanges af et meget varmere stof, de ydre kanter af vandet fordamper, danner en beskyttende film, der omslutter resten af ​​vandet som en boble, begrænser varmeoverførslen til vandet og forhindrer det i at koge. Dette kaldes Leidenfrost-effekten.

Men når vand sprøjtes hurtigt ind i en høj lavasøjle, vandet - som er omkring tre gange lettere end lavaen - vil hastighede opad og blandes hurtigere med den smeltede sten. Dette kan få dampfilmen til at destabilisere, siger Sønder. I denne situation, det ubeskyttede vand ville udvide sig hurtigt i volumen, når det varmes op, påfører lavaen høj belastning, han siger. Resultatet? En voldsom eksplosion.

I modsætning, når vandet langsomt sprøjtes ind i lavvandede lavabassiner, den beskyttende dampfilm kan holde, eller vandet kan nå lavaens overflade eller undslippe som damp, før der sker en eksplosion, siger Sønder.

Han håber at udforske disse teorier gennem fremtidige eksperimenter:"Der er ikke lavet meget arbejde på dette felt, " han siger, "så selv nogle af disse grundlæggende processer er virkelig ikke godt forstået."