Forskning finder, at små bobler fortæller historier om store vulkanudbrud

Mikroskopiske bobler kan fortælle historier om Jordens største vulkanudbrud, og geovidenskabsmænd fra Rice University og University of Texas i Austin har opdaget, at nogle af disse historier er skrevet i nanopartikler.

I en undersøgelse med åben adgang offentliggjort online i Naturkommunikation , Rice's Sahand Hajimirza og Helge Gonnermann og UT Austin's James Gardner besvarede et mangeårigt spørgsmål om eksplosive vulkanudbrud som dem ved Mount St. Helens i 1980, Filippinernes Mount Pinatubo i 1991 eller Chiles Mount Chaitén i 2008.

Geovidenskabsmænd har længe søgt at bruge små bobler i udbrudt lava og aske til at rekonstruere nogle af forholdene, som varme og tryk, der opstår i disse kraftige udbrud. Men der har været en historisk afbrydelse mellem numeriske modeller, der forudsiger, hvor mange bobler der vil dannes, og de faktiske mængder af bobler målt i udbrudte sten.

Hajimirza, Gonnermann og Gardner arbejdede i mere end fem år for at forene disse forskelle for Plinianske udbrud. Opkaldt til ære for Plinius den Yngre, den romerske forfatter, der beskrev udbruddet, der ødelagde Pompeji i 79 e.Kr. Plinian-udbrud er nogle af de mest intense og ødelæggende vulkanske begivenheder.

"Udbrudsintensitet refererer til både mængden af ​​magma, der er udbrudt, og hvor hurtigt det kommer ud, " sagde Hajimirza, en postdoc og tidligere ph.d. studerende i Gonnermanns laboratorium ved Rice's Department of Earth, Miljø- og planetvidenskab. "Den typiske intensitet af Plinian-udbrud varierer fra omkring 10 millioner kilo i sekundet til 10 milliarder kilo i sekundet. Det svarer til 5, 000 til 5 millioner pickup trucks i sekundet."

En måde, forskerne kan måle hastigheden af ​​stigende magma på, er ved at studere mikroskopiske bobler i udbrudt lava og aske. Som bobler i champagne uden prop, magmabobler skabes af et hurtigt fald i trykket. I magma, dette får opløst vand til at undslippe i form af gasbobler.

"Når magma stiger, dets tryk falder, " sagde Hajimirza. "På et tidspunkt, det når et tryk, hvorved vandet er mættet, og yderligere dekompression forårsager overmætning og dannelse af bobler."

Når vandet slipper ud i form af bobler, den smeltede sten bliver mindre mættet. Men hvis magmaen fortsætter med at stige, faldende tryk øger mætning.

"Denne feedback bestemmer, hvor mange bobler der dannes, " sagde Hajimirza. "Jo hurtigere magmaen stiger, jo højere dekompressionshastighed og overmætningstryk, og jo mere rigelige er kerneboblerne."

I Plinianske udbrud, så meget magma stiger så hurtigt, at antallet af bobler er svimlende. Da Mount St. Helens brød ud den 18. maj, 1980, for eksempel, den spyede mere end en kubikkilometer sten og aske på ni timer, og der var omkring en million milliarder bobler i hver kubikmeter af det udbrudte materiale.

"De samlede bobler ville være omkring en septillion, " sagde Hajimirza. "Det er en et efterfulgt af 24 nuller, eller omkring 1, 000 gange mere end alle sandkornene på alle Jordens strande."

I sin ph.d. studier, Hajimirza udviklede en forudsigelig model for bobledannelse og arbejdede sammen med Gardner om at teste modellen i eksperimenter ved UT Austin. Den nye undersøgelse bygger på dette arbejde ved at undersøge, hvordan magnetitkrystaller, der ikke er større end et par milliardtedele af en meter, kan ændre, hvordan bobler dannes i forskellige dybder.

"Når bobler danner kerne, de kan dannes i væske, som vi kalder homogen kernedannelse, eller de kan danne kerne på en fast overflade, som vi kalder heterogen, " sagde Hajimirza. "Et dagligdags eksempel ville være at koge en gryde med vand. Når der dannes bobler i bunden af ​​gryden, snarere end i det flydende vand, det er heterogen kernedannelse."

Bobler fra bunden af ​​gryden er ofte de første, der dannes, fordi heterogen og homogen kernedannelse typisk begynder ved forskellige temperaturer. I stigende magma, heterogen bobledannelse begynder tidligere, ved lavere overmætningsniveauer. Og overfladerne, hvor bobler dannes, er ofte på små krystaller.

"Hvor meget de letter kernedannelse afhænger af typen af ​​krystaller, " sagde Hajimirza. "Magnetitter, i særdeleshed, er de mest effektive."

I undersøgelsen, Hajimirza, Gonnermann og Gardner inkorporerede magnetit-medieret kernedannelse i numeriske modeller for bobledannelse og fandt, at modellerne producerede resultater, der stemte overens med observationsdata fra Plinianske udbrud.

Hajimirza sagde, at magnetitter sandsynligvis er til stede i al Plinian magma. Og mens tidligere forskning om ikke har afsløret nok magnetitter til at tage højde for alle observerede bobler, tidligere undersøgelser kan have savnet små nanokrystaller, der kun ville blive afsløret med transmissionselektronmikroskopi, en sjældent brugt teknik, der først nu bliver mere bredt tilgængelig.

For at finde ud af, om det er tilfældet, Hajimirza, Gonnermann og Gardner opfordrede til en "systematisk søgning efter magnetitnanolitter" i materiale fra Plinianske udbrud. Det ville give observationsdata til bedre at definere rollen af ​​magnetitter og heterogen kernedannelse i bobledannelse, og kunne føre til bedre modeller og forbedrede vulkanudsigter.

"Forudsigelse af udbrud er et langsigtet mål for vulkanologer, men det er udfordrende, fordi vi ikke direkte kan observere underjordiske processer, " sagde Hajimirza. "En af vulkanvidenskabens store udfordringer, som skitseret af National Academies i 2017, forbedrer udbrudsprognosen ved bedre integration af de observationsdata, vi har, med de kvantitative modeller, som den, vi udviklede til denne undersøgelse."