vulkaner, arkæologi og romersk betons hemmeligheder

Højt over Italiens Tyrrhenske Hav, ud for Siciliens nordkyst, 13 elever sidder på toppen af ​​Stromboli-vulkanen, da den går i udbrud. Ask falder på deres skuldre og ping-ping-pinger deres hjelme. Jorden under deres fødder ryster.

"Det er én ting at læse og tale om seismisk og vulkansk fare; det er en anden ting at opleve det, " sagde geofysiker Tiziana Vanorio, en assisterende professor ved Stanford's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab (Stanford Earth). "Jeg ville dele dette med dem."

Rejsen til Stromboli var begyndt dagen før i Vanorios hjemby, Pozzuoli, en farverig havneby grundlagt af grækerne og senere besat af romerne, i midten af ​​en vulkansk caldera, eller depression, kendt som Campi Flegrei. Vanorio, de 13 studerende og to lærerkolleger gik ombord på en hydrofoilbåd i Napoli og sejlede sydpå over Tyrrhenernes dybblå vand i næsten fire stille timer, før de fik øje på røg, damp og gasser, der puster fra Strombolis kegle.

At nå toppen ville vise sig at være mere besværligt - en fem timers stigning op ad stejle skråninger af aske og sten. Sedimentolog Nora Nieminski, en postdoc-forsker ved Stanford Earth og en gæsteinstruktør på turen, sprintede frem for at skyde drone-optagelser, som hun senere ville hjælpe eleverne med at manipulere for at skabe 3-D-modeller af vulkanen. Men resten af ​​gruppen gik uden hastværk. Halvvejs til toppen, de stoppede for at hvile i nærheden af ​​et mørkt ar på vulkanens nordlige flanke kendt som Sciara del Fuoco, hvor vulkanen er kollapset om sig selv.

Dionne Thomas, '20, en elev på turen, som er med som hovedfag i kemiteknik, husker at lugte snavs og aske, at se det tyrrhenske hav afspejle himlens sene eftermiddagsvask af orange og blå, og tæller minutterne ned mellem små lavaudbrud fra en caldera-opstigning. Mens hun bemærkede vægten af ​​udmattelse fra den lange stigning, hun sagde, "Jeg følte mig virkelig stærk."

Thomas og de 12 andre studerende på turen besøgte Stromboli som en del af et tre-ugers seminar i det sydlige Italien med fokus på vulkaner, arkæologi og videnskaben om romersk beton – et usædvanligt holdbart materiale, der kan rumme indsigt i fremtidige materialer, der er mere bæredygtige eller endda egnede til at bygge levesteder på Mars.

Tilbydes gennem Stanfords Bing Overseas Studies Program, seminaret er en mulighed for at trække viscerale forbindelser mellem videnskab og historie, og for at få en bedre forståelse af Jorden undervejs.

Naturens laboratorium

Den napolitanske provins i det sydlige Italien er et ideelt sted at dykke ned i videnskaben om naturfarer, og hvordan de har spillet ind i dagligdagen og innovation gennem tusinder af år. Tæt befolket og krydret med snesevis af vulkaner, regionen rangerer som en af ​​de mest farlige på Jorden. Ruinerne af en romersk havn og en kejservilla kan findes offshore, sunket som Atlantis som følge af uroligheder i jordskorpen. "Ikke mange steder på Jorden oplever denne form for seismicitet og vulkanisme, mens den er en gammel by og fungerer som et moderne samfund, " sagde Vanorio. "Det er det smukke ved stedet."

Underliggende seminarets udflugter og daglige lektioner i geofysik, egenskaberne ved romersk beton og 3-D modellering fra dronebilleder var en større øvelse i at finde sammenhænge mellem forskellige studieretninger. Det er ikke tilfældigt, at studerende valgt til at deltage i seminaret repræsenterede en bred vifte af hovedfag, herunder datalogi, fysik, klassikere, kemiteknik og statskundskab.

"Der er stadig videnskabelige spørgsmål, som vi ikke ved, hvordan vi skal besvare, " sagde Vanorio, der opdagede naturlige processer dybt i undergrunden af ​​Campi Flegrei, der afspejler dem i romersk beton, og har brugt historiske tekster til at kaste lys over styrker og karakteristika ved både vulkanske og konstruerede materialer. "Jo mere vi udnytter viden på tværs af forskellige discipliner, jo mere vi kan adressere og løse disse problemer."

For Amara McCune, BS '18, som deltog i et tidligere seminar i regionen ledet af Vanorio i 2016, sammenblandingen af ​​geofysik med dyk ind i regionens kultur viste sig at være en stærk blanding. "Den unikke kombination af at lære om Pompeji, vulkansk løft og Rom, mens du er på stedet, at høre fra lokale guider og få arkæologiske og geologiske eksperter til at pege på træk ved et sted, der er skabt til en utrolig rig læringsoplevelse, " hun sagde.

Forfølger nu en ph.d. i fysik, McCune sagde, at seminaret i det sydlige Italien var med til at udvide hendes tænkning om, hvordan hun kunne anvende sin grad. "Det gjorde mig mere åben over for forskellige områder og ivrig efter at lære historien og forviklingerne i den naturlige verden omkring os, " hun sagde.

Under den seneste tur, mørket faldt på, da gruppen, svimmel i forventning om vulkanens kraftige udbrud, slog sig ned omkring Strombolis rand. "Det eksploderer voldsomt og uden varsel – disse store, høje brageksplosioner efterfulgt af glødende aske, der flyver op i luften, " forklarede Dulcie Head, en undervisningsassistent på turen og en ph.d. studerende i geofysik.

På dette tidspunkt, eleverne kunne se asken hvirvle rundt om dem som mere end vulkansk snavs. De vidste, at lignende aske havde været en nøgleingrediens i opførelsen af ​​amfiteatret, havn og gammel markedsplads i Pozzuoli, og endda Pantheon i Rom, med sin massive, uforstærket kuppel - den største i den antikke verden.

"Pozzuoli er muligvis stedet, hvor romerne, ved at se på naturen, blev inspireret til at lave et ikonisk materiale, " sagde Vanorio. De udviklede en opskrift på beton, der holder i tusinder af år ved hjælp af vulkansk aske, Citron, små vulkanske sten og vand, mens moderne beton ofte smuldrer inden for 50 år.

På toppen af ​​Stromboli, som videnskabsmænd nøje overvåger for sikkerhed, eleverne havde også nok jordvidenskab til at kværne gennem deres hoveder til at se selve vulkanen som et naturligt laboratorium. "Denne vulkan producerer bogstaveligt talt nye sten, mens vi sidder her. Den kaster dem efter os, " Head forklarede. "Det er spændende at se en så aktiv proces, hvor en naturlig begivenhed også producerer nye materialer."

Gruppen hoppede og gled ned ad en sti på vulkanens skråninger iført gasmasker for at beskytte deres lunger mod aske og sand, der blev sparket op af deres fødder. Tilbage på deres hotel ved foden af ​​øen, de pillede deres masker af og vaskede Strombolis affald væk. Senere, gruppen lærte, hvordan man beregner banen og hastigheden af ​​vulkanens bueformede askeprojektiler med partikelsporingssoftware.

"Dette var en måde for os at bruge time-lapse billeder, " sagde Vanorio. "Jeg ville have elever fra geovidenskab, fra klassikerne, og ingeniører for at lære at bruge dette værktøj, fordi vi finder os selv i at bruge den slags billeder mere og mere – ofte fanget af drone – uanset om det er for at analysere utilgængelige klippefremspring eller kortlægge store gamle steder eller en bygning."

Hvad der kunne have virket som abstrakte beregninger, fik større resonans i lyset af gruppens tætte møde med udbruddet. "Jeg vil aldrig glemme de lyse gnister fra udbruddet mod den mørke nat, " sagde Sylvia Choo, '20, som har hovedfag i klassikere og biologi. "Det var utroligt at opleve naturens store kraft."

Gammel by

Omkring 150 miles på tværs af det kølige Tyrrhenske, inden for Campi Flegrei-calderaen eller "Burning Fields" ligger i centrum af Pozzuoli. I denne by, der er bedst kendt af mange italienere som Sophia Lorens fødested, ruinerne af en romersk markedsplads er et knudepunkt for tværfaglige forbindelser.

Pozzuoli sidder på en rastløs, En kyststrækning på størrelse med Manhattan, hvor duften af ​​rådne æg af svovl binder luften. Solfatara krater, Vulcans hjem, den romerske ildgud, gurgler i udkanten af ​​byen. Og lige ud for kysten, skulpturer, termiske bade, en villa, lyse flisebelagte mosaikker og andre arkæologiske ruiner hviler mere end 30 fod under havets overflade, ofre for calderaens nedsynkning.

I nærheden af ​​Pozzuolis moderne havnefront, tre søjler står midt i ruinerne af den gamle markedsplads, eller macellum. De studerende vidste fra deres studier på campus i foråret, at marmortrioen havde en 2000-årig rekord med langvarig nedsynkning og korte perioder med løft. Så da søjlerne kom til syne, da gruppen første gang gik ned fra deres villabolig, flere elever udbrød, "Åh, der er de!"

Samling tæt på søjlerne til et foredrag fra Vanorio, mens Nieminskis drone summede over hovedet, de kunne se bånd af små huller boret af såkaldte "stenædende" muslinger – marine bløddyr, der borede op og ned ad søjlerne, mens calderaens stigning og fald ændrede, hvor meget af strukturerne, der strækker sig over vandlinjen. "De satte bogstaveligt talt et præg på historien, " sagde Choo.

Brug af færdigheder udviklet i seminarer på campus ledet af Nieminski, eleverne var i stand til at analysere historien på Macellum og andre steder med et lettere touch. De byggede 3D-modeller af markedspladsen ud fra Nieminskis dronebilleder og manipulerede dem med software til at tage målinger og besvare videnskabelige spørgsmål efter deres egen udformning.

Thomas, for eksempel, undersøgt de forskellige materialer i søjlerne for at forstå, hvordan vejrlig og vandtryk nedefra udspillede sig over tid. Projektet, hun sagde, lod hende væve viden fra kemiteknik sammen, fysik og matematik, samt geofysiktimerne fra seminaret. "Efter dette seminar, Jeg er endnu mere overbevist om, at mange felter kan overlappe hinanden, " hun sagde.

Urolig jord

Op- og nedture er en del af livet i Pozzuoli. I begyndelsen af ​​1980'erne, jorden steg mere end 6 fod på bare to år, en alarmerende stigningstakt, der omformede byen, at forlade havnen for lavvandet til at lægge til, og tvinge til at flytte skoler og butikker.

Den stigende havbund udløste også nok jordskælv til at bede om evakuering af næsten 40, 000 mennesker – inklusive Vanorio, dengang teenager – i to år fra 1982. "Alle var bekymrede, " sagde hun. "Folk forventede et udbrud, og vi var virkelig bekymrede over den seismiske fare. Husene blev ikke eftermonteret seismisk."

Men som seminarstuderende lærte gennem forelæsninger og oplæsninger denne sommer, episoden tippede Stanford-forskere til en usædvanlig sejhed i klippen her. Andre vulkanske calderaer, som Yellowstone eller Long Valley, beliggende øst for Yosemite National Park, har tendens til at frigive den energi, der er akkumuleret fra hævning ret hurtigt gennem jordskælv. "Disse calderaer oplever opløftning og så næsten med det samme, seismisk aktivitet starter, " Forklarede Vanorio. "Klipperne deformeres, og så knækker de."

I Pozzuoli, jordskælv begyndte ikke før Campi Flegrei-calderaen var deformeret med næsten 3 fod. "Spørgsmålet fra et stenfysisk synspunkt har været, hvilken slags sten i undergrunden er i stand til at optage så store belastninger uden øjeblikkeligt at revne?" Stenen, der dækker denne caldera, det viser sig, indeholder fibrøse mineraler, der afspejler dem i romersk beton, der tillader det at strække og bøje, før det svigter under stress.

På markedspladsen, Vanorio påpegede også, at holdbarheden af ​​romersk beton kan ses i dele af de gamle vægge, hvor murstenene lavet af tuf – en slags vulkansk sten – eroderet væk for længe siden, men mørtlen lavet med vulkansk aske og kalk er stadig tilbage. "I sidste ende, disse gamle steder er lavet af jordmaterialer, der nedbrydes og ændrer sig over tid, " sagde Vanorio. "Vi kan bruge stenfysik til at forstå disse materialer og lære at bevare dem bedre."

At leve med naturlige farer

Den ikoniske kegle af Mount Vesuvius rejser sig mindre end 15 miles vest for Pozzuoli. Dens udbrud i 79 e.Kr. er bedst kendt for at ødelægge Pompeji, men den samme begivenhed begravede også Herculaneum, en badeby, der ligger på den komplekse stratovulkans vestlige base.

Eleverne brugte en formiddag på at gå gennem byens smalle gader, bemærker elementer i hverdagen, der er uhyggeligt bevaret af den overophedede pyroklastiske strøm af aske, smeltet sten, mudder og gas:trækister og skabe, malerier, den brændte trædør til et arbejdsværelse.

Som hovedfag i klassikere, Choo havde nogle ideer om, hvordan livet var i romertiden, før hun begyndte på seminaret. "Men det var fascinerende at se de steder, de plejede at bo, gå og socialisere, " hun sagde.

Forlader Herculaneum om eftermiddagen, gruppen stak ind i en bus på vej mod Vesuv, kilden til byens ødelæggelse. Ligesom Campi Flegrei og Stromboli, Vesuv sidder langs en tektonisk grænse, hvor den afrikanske plade glider ned under den eurasiske plade. En rift i den afrikanske plade tillader varme at sive gennem jordskorpen, gradvist at smelte sten og opbygge tryk under Vesuv, som er gået i udbrud mere end 50 gange siden 79 e.Kr. – senest i 1944.

Fra bussens afleveringssted, et fodspor førte gruppen op mod vulkanens rand og derefter ned til en lavvandet hylde i krateret. På toppen, mere end 4, 000 fod over havets overflade, luften var kølig, og eleverne kunne se bjerge, bølgende bakker og byer i det fjerne. Lysegrønne firben fløj over de rustfarvede klipper, fumaroler strømmede svovlduftende damp, og Nieminskis drone sejlede over krateret, mens eleverne lyttede til en lokal guide, der beskriver de 400's indre virke og historie, 000 år gammel vulkan.

Thomas remembers looking down at the sea and clouds. "I felt as if I was on top of the world, " she said. "That was the most elated I've ever been in life. It made me feel like I was experiencing to the fullest what life has to offer."