Wybuchy wulkanów należą do najgroźniejszych katastrof naturalnych. Próbując przewidywać, kiedy może on nastąpić, naukowcy w ostatnich latach wykorzystywali zdjęcia satelitarne, dane dotyczące trzęsień ziemi oraz GPS, pozwalający wykrywać deformacje gruntu w pobliżu aktywnych wulkanów. Techniki te nie pozwalają jednak dostatecznie dokładnie lokalizować głębokości, na której gromadzi się magma.

Jak wykazali naukowcy z Cornell University, analizując mikroskopijne ilości bogatych w dwutlenek węgla płynów, zamkniętych w schłodzonych kryształach wulkanicznych, można określić z dokładnością do stu metrów, jak głęboko zalega magma. Wiedza ta powinna pozwolić na precyzyjniejsze przewidywanie erupcji.

"Podstawowym pytaniem jest: gdzie magma jest magazynowana w skorupie ziemskiej i płaszczu" – powiedział główny autor publikacji (DOI: 10.1126/sciadv.ade7641) Esteban Gazel, profesor inżynierii w Cornell Engineering. - "Ta lokalizacja ma znaczenie, ponieważ można ocenić ryzyko erupcji, wskazując konkretne położenie magmy, zamiast innych sygnałów, takich jak dostarczene przez system hydrotermalny wulkanu".

Jak podkreślił Gazel, niezbędne są szybkość i precyzja. "Pokazujemy ogromny potencjał tej ulepszonej techniki pod względem jej szybkości i niespotykanej dokładności" – powiedział. - "Możemy wygenerować dane w ciągu kilku dni od przybycia próbek z miejsca ich pobrania, co zapewnia lepsze wyniki w czasie zbliżonym do rzeczywistego".

Podczas wydarzeń wulkanicznych magma dociera do powierzchni Ziemi jako lawa, co w zależności od ilości zawartego w niej gazu może mieć charakter wybuchowy. Wyrzucony z krateru i opadły drobnoziarnisty materiał - zwany tefrą - można zebrać i szybko ocenić.

Gazel i jego doktorantka Kyle Dayton, pierwsza autorka artykułu, oparli się na danych zebranych podczas erupcji wulkanu Cumbre Vieja na wyspie La Palma w roku 2021. Wykorzystali wtrącenia płynów bogatych w dwutlenek węgla uwięzionych w kryształach oliwinu, aby precyzyjnie wskazać głębokość. Ilość dwutlenku węgla w tych wtrąceniach zależy od ciśnienia w otoczeniu powstającego kryształu.

Parametry płynów można szybko zmierzyć za pomocą skalibrowanego instrumentu do spektroskopii ramanowskiej, aby określić – w przeliczeniu na kilometry – jak głęboko zalegała magma i jak głęboki jest jej zbiornik.

Szczególnie precyzyjne metody spektroskopii ramanowskiej zostały opracowane w laboratorium Gazela. "Poprawiliśmy precyzję o rząd wielkości, z kilometrów - na metry" - powiedział profesor - "Ale także rozdzielczość przestrzenną pomiarów inkluzji: od dziesiątek mikronów do jednego mikrona w porównaniu z wcześniej dostępnymi technikami mikrotermometrii".

Po pięciu dekadach uśpienia otworzyły się nowe ujścia lawy w wulkanie Cumbre Vieja na La Palmie na Wyspach Kanaryjskich i 19 września 2021 zaczęły się erupcję. Kilka tygodni później Gazel i Dayton dołączyli do małego, elitarnego zespołu międzynarodowych naukowców w celu zbadania wulkanu.

Badania na Wyspach Kanaryjskich doprowadziły Gazela i Dayton do przeszukania tefry w celu znalezienia kryształów, które z kolei dostarczają danych do ulepszenia modeli i prognoz erupcji.

"Gdy te wulkaniczne kryształy rosną, od czasu do czasu przypadkowo zatrzymują małe bąbelki płynnego dwutlenku węgla" – powiedziała Dayton. - "Te kryształy wydostają się na powierzchnię Ziemi podczas erupcji wulkanu, a my przeszukujemy tefrę i szukamy kryształów zawierających płynne inkluzje. Dzięki nim możemy odkryć niektóre wulkaniczne sekrety głębin Ziemi, aby lepiej zrozumieć i przygotować się na przyszłe erupcje".(PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ zan/