Откриха странна връзка между мехурчетата в кафето и изригванията на вулкани

Физическото движение на магмата, течаща през подземни канали, създава газови балончета само чрез механично напрежение – същият механизъм ги кара да се появяват, когато разбъркваме кафе или разклащаме бутилка сода

Много хора просто не могат да се събудят сутрин без кафе. Но какво е общото между ароматната ободряваща напитка и спящите вулкани? Изненадващо, физичните процеси в нея и лавата всъщност са доста сходни, поне що се отнася до мехурчетата, установиха учени. 

Те открили, че образуването на мехурчета в издигащата се магма следва част от същото явление като образуването на мехурчетата в разбъркано кафе или отворено шампанско. Откритието разширява стандартния модел на образуване на вулканични мехурчета, от който вулканологията се ръководи от 50-те години на миналия век и би могъл да подобри прогнозирането на изригванията. 

За първи път изследователи от университета “Клермон Оверн” и Федералния технологичен институт в Цюрих демонстрираха, че в пренаситена с газ магма физическият акт на протичане и завихряне през подземни канали може да предизвика образуване на мехурчета чрез механично напрежение – дори без по-нататъшно намаляване на налягането. Това се случва,

когато вискозните течности изпитват механични сили от самото движение

Когато магмата се издига през вулканичните канали, течността изпитва интензивни сили на срязване, докато преминава покрай скални стени и се завърта около препятствия. Тези механични сили осигуряват достатъчно енергия, за да предизвикат образуването на мехурчета в магмата, вече натоварена с разтворени газове като водна пара и въглероден диоксид, подобно на начина, по който разбъркването създава мехурчета в кафето.

Откритието е резултат от лабораторни експерименти, използващи нагрята полимерна течност, наситена с въглероден диоксид, разкрива научното издание “Стaди файндс”. Изследователите поставили течността върху въртяща се платформа вътре в реометър – устройствo, което прецизно контролира и измерва вискозния поток. С постепенното увеличаване на скоростта на въртене мехурчета внезапно се появили във външните области, където напрежението на срязване било най-високо.

Множество видове мехурчета се образували при различни нива на напрежение, като някои се появявали в самата течност, а други се образували върху твърди повърхности или близо до предварително образувани мехурчета. Моделът бил постоянен: по-високото начално пренасищане с въглероден диоксид изисквало по-ниско напрежение на срязване, за да се предизвика нуклеация (зародишообразуване на мехурчета).

Забележителното в това откритие е отклонението му от конвенционалния фокус, коментират специалистите. От 50-те години на миналия век вулканолозите разглеждат образуването на мехурчета предимно през призмата на намаляващото налягане. С издигането на магмата към повърхността намаленото налягане кара разтворените газове да излизат от разтвора, образувайки мехурчета. Учените са използвали тази рамка, за да анализират текстурите на вулканичните скали и да оценяват колко бързо магмата се е издигнала, преди да изригне.

Новите експерименти разкриват, че механичната енергия от течащата магма също допринася значително за образуването на мехурчета. При сегашното проучване учените разработили математически модел, показващ, че напрежението на срязване и промените в налягането допринасят почти еднакво за преодоляване на енергийната бариера, необходима за образуването на мехурчета.

Но защо мехурчетата са важни за вулканичното поведение? Защото образуването и растежът им фундаментално контролират поведението на магмата по време на изригвания. Повече мехурчета означават по-ниска плътност, което влияе върху това

колко бързо се издига магмата

Мехурчетата също така драстично променят вискозитета на магмата и определят дали газовете излизат постепенно, или се натрупват до експлозивни нива.

Съвременните методи за оценка на скоростта на издигане на магмата разчитат на броенето на мехурчета във вулканични скални проби. Учените приемат, че тези мехурчета са се образували само поради намаляване на налягането, след което изчисляват колко бързо трябва да е спаднало то, за да се получи наблюдаваният брой балончета. Но ако напрежението на срязване също задейства образуването им, тези изчисления биха могли да се окажат погрешни.

Експлозивността на вулканичното изригване зависи от това колко газови мехурчета се образуват в магмата – и кога. Досега се смяташе, че газовите мехурчета се образуват предимно когато околното налягане спадне, докато магмата се издига. Газовете, които са били разтворени в магмата в по-ниските слоеве поради по-високото налягане, излизат, когато налягането спадне и образуват мехурчета. Колкото повече са те в магмата, толкова по-лека става тя и толкова по-бързо се издига. Това може да доведе до нейното разкъсване, което води до експлозивно изригване.

Този процес може да се сравни с бутилка шампанско: докато бутилката е затворена и следователно под налягане, въглеродният диоксид остава в разтвора. Когато коркът се извади от бутилката, налягането спада и въглеродният диоксид образува мехурчета. Те издърпват течността нагоре със себе си и я карат да се разпръсне експлозивно от бутилката.

Това обяснение обаче е непълно, защото лавата от някои вулкани, като например връх Сейнт Хелънс в щата Вашингтон, САЩ, или чилийския вулкан Кизапу, понякога е изтичала плавно въпреки наличието на силно експлозивна магма с високо съдържание на газ. Сега изследователският екип предоставя ново обяснение на тази загадка, която дълго време озадачаваше вулканолозите.

Проучването, публикувано в сп. “Сайънс” под заглавие “Зародиш на мехурчета в магми, индуциран от срязване”, посочва, че плътността на броя на мехурчетата би трябвало да отразява комбинираните ефекти както на напрежението на срязване, така и на декомпресията. Ако тези газови мехурчета растат дълбоко във вулканичния канал, те могат да се комбинират помежду си и по този начин

да образуват канали за дегазиране

Тогава газът може да излезе на ранен етап и магмата изтича спокойно. 

Можем да си представим силите на срязване в магмата като разбъркване на буркан с мед: медът се движи по-бързо там, където се разбърква с лъжица, онагледяват учените чрез поредното сравнение с храни и напитки. На ръба на буркана, където триенето е по-голямо, той се движи по-бавно. Подобен процес протича и във вулканичните канали: магмата се движи по-бавно на ръба на канала, където триенето е най-голямо, отколкото във вътрешността. Това по същество меси разтопената скала, произвеждайки газови мехурчета.

“Нашите експерименти показаха, че движението в магмата, дължащо се на срязващи сили, е достатъчно, за да се образуват газови мехурчета – дори без спад на налягането”, обяснява Оливие Бахман, професор по вулканология в технологичния институт в Цюрих и един от съавторите. 

За да визуализират процесите във вулкан, изследователите разработили специален експеримент: те взели вискозна течност, наподобяваща разтопена скала, и я наситили с въглероден диоксид. След това наблюдавали какво се случва, ако лавоподобната течност се задвижи от сили на срязване. Веднага щом силите надминали определен праг, в течността внезапно се образували газови мехурчета. 

Учените комбинирали тези наблюдения с компютърни симулации на вулканични изригвания. По този начин те показали, че ефектът е особено вероятно да се появи в области, където вискозна магма тече по стените на канал и следователно изпитва силни сили на срязване.

С работата си швейцарците предоставят жизненоважно ново парче от пъзела, когато става въпрос за по-добро разбиране на процесите, протичащи във вулканите, и по-прецизна оценка на това как вулканите ще изригват. “За да предвидим по-добре потенциала на опасност от вулканите, трябва да актуализираме нашите модели на вулкани и да вземем предвид силите на срязване в каналите”, казва Бахман.

По-добри модели за това как се движи магмата и как се образуват мехурчетата биха могли да доведат до по-точни прогнози за това дали един неспокоен вулкан ще изригне експлозивно, или ефузивно (с образуване на лава, но без експлозия), посочват още учените.

Новото изследване прецизира прогнозите дали един вулкан ще изригне с експлозивно, или лавата ще се стича по-бавно по склоновете.