Неочаквана връзка: Как мехурчетата в кафето разкриват тайни за вулканите

Учени откриха изненадваща паралелност между образуването на мехурчета в сутрешното кафе и газовите балончета в магмата. Това откритие може да промени разбирането ни за вулканичните изригвания. Механизмът е сходен: физическото движение създава газови балончета чрез механично напрежение. Това се случва, когато разбъркваме кафе или разклащаме бутилка сода.

Изследване на университета „Клермон Оверн“ и Федералния технологичен институт в Цюрих разкрива нов аспект. Те демонстрираха, че протичането и завихрянето на магмата през подземни канали може да предизвика образуване на мехурчета. Това става дори без намаляване на налягането. Откритието разширява стандартния модел, валиден от 50-те години на миналия век. То може значително да подобри прогнозирането на изригванията.

Когато магмата се издига, тя изпитва интензивни сили на срязване. Тези сили възникват при движението ѝ покрай скални стени и около препятствия. Те осигуряват достатъчно енергия за образуване на мехурчета. Това е подобно на създаването на мехурчета при разбъркване на кафе. Лабораторни експерименти с нагрята полимерна течност, наситена с въглероден диоксид, потвърдиха това. Учените наблюдавали внезапна поява на мехурчета при увеличаване на скоростта на въртене на платформата. По-високото пренасищане с въглероден диоксид изисква по-ниско напрежение за нуклеация.

Досега вулканолозите разглеждаха образуването на мехурчета основно през призмата на намаляващото налягане. С издигането на магмата, спадът на налягането кара разтворените газове да излизат. Новите експерименти показват, че механичната енергия от течащата магма също допринася значително. Разработен е математически модел. Той показва, че напрежението на срязване и промените в налягането допринасят почти еднакво.

Значението на мехурчетата за вулканичното поведение е огромно. Тяхното образуване и растеж контролират поведението на магмата при изригвания. Повече мехурчета означават по-ниска плътност. Това влияе на скоростта, с която магмата се издига. Мехурчетата драстично променят и вискозитета на магмата. Те определят дали газовете излизат постепенно или се натрупват до експлозивни нива. Ако тези газови мехурчета растат дълбоко във вулканичния канал, те могат да се комбинират. Така образуват канали за дегазиране. Тогава газът излиза по-рано и магмата изтича спокойно.

Настоящите методи за оценка на скоростта на издигане на магмата разчитат на броя на мехурчетата. Приема се, че те се образуват само поради намаляване на налягането. Но ако напрежението на срязване също предизвиква образуването им, тези изчисления може да са неточни. Експлозивността на изригването зависи от броя и момента на образуване на мехурчетата. Това се сравнява с бутилка шампанско: при отваряне налягането спада и въглеродният диоксид образува мехурчета, които избутват течността навън.

Това обяснение обаче е непълно. Лава от някои вулкани, като връх Сейнт Хелънс или чилийския Кизапу, понякога е изтичала плавно. Това се е случило въпреки силно експлозивна магма с високо съдържание на газ. Новото проучване, публикувано в сп. „Сайънс“, предоставя обяснение.

„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.

Учените разработиха специален експеримент. Те задвижиха вискозна течност, наподобяваща стопена скала, наситена с въглероден диоксид. Когато силите надхвърлиха определен праг, внезапно се образуваха газови мехурчета. Комбинирани с компютърни симулации, тези наблюдения показват, че ефектът е особено вероятен. Той възниква в области, където вискозна магма тече по стените на канал. Там тя изпитва силни сили на срязване. Това по същество „меси“ разтопената скала, произвеждайки газови мехурчета.

През последните 24-48 часа няма конкретни нови научни публикации по темата. Въпреки това, учени от университета “Клермон Оверн” и Федералния технологичен институт в Цюрих продължават да разработват по-прецизни модели. Те интегрират механичните сили на срязване в магмата. Това ново разбиране може да обясни различния характер на изригванията. То е ключово за по-ефективно управление на риска и защита на населението.

По-добрите модели за движението на магмата и образуването на мехурчета са жизненоважни.

„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.

Това може да доведе до по-точни прогнози. Ще се знае дали един вулкан ще изригне експлозивно, или ефузивно. Новото изследване прецизира прогнозите. То помага да се разбере дали лавата ще се стича бавно по склоновете, или ще има мощна експлозия.