Le bolle portano al disastro
Perché i vulcanologi sono interessati alle bolle di vapore? Perché si accumulano in una camera magmatica sotto un vulcano e lo rendono pronto per un'eruzione. Le ricerche all'ETH di Zurigo e al Georgia Institute of Technology hanno ora scoperto come le bolle possono accumularsi nel magma.
Nel 1816 l'estate non si materializzò in Europa centrale. La gente soffriva la fame. Un anno prima, il vulcano Tambora aveva eruttato in Indonesia. Il vulcano aveva emesso grandi quantità di cenere e zolfo nell'atmosfera. Queste particelle bloccavano la luce del sole e quindi raffreddavano il clima. Anche in Svizzera ciò ha avuto gravi ripercussioni sul Paese e sulla popolazione.
I vulcanologi hanno ora un'idea abbastanza precisa del perché supervulcani come il Tambora non solo sono molto esplosivi, ma anche perché rilasciano così tanto zolfo: Le bolle di gas possono accumularsi nello strato superiore di una camera magmatica a pochi chilometri sotto la superficie terrestre. In questo modo si forma una pressione che viene improvvisamente rilasciata dall'eruzione vulcanica. Queste bolle contengono principalmente vapore acqueo, ma anche zolfo.
"Queste eruzioni dai vulcani possono essere enormi e portano un'enorme quantità di cenere e zolfo in superficie e in atmosfera", spiega Andrea Parmigiani, postdoc presso l'Istituto di geochimica e petrologia dell'ETH di Zurigo. "Anche se sappiamo da tempo che le bolle di gas svolgono un ruolo importante in questo processo, siamo stati in grado di fare solo ipotesi su come si accumulano nelle camere magmatiche".
Insieme ad altri scienziati dell'ETH di Zurigo e del Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), il ricercatore ha quindi studiato il comportamento delle bolle utilizzando un modello al computer. Gli scienziati hanno effettuato calcoli teorici ed esperimenti di laboratorio e, in particolare, hanno studiato come le bolle si muovono verso l'alto negli strati ricchi e poveri di cristalli della camera magmatica. In molti sistemi vulcanici, la camera magmatica è costituita principalmente da due zone: Uno strato superiore costituito da fuso viscoso e povero di cristalli e uno strato inferiore ricco di cristalli e pori.
Le superbolle serpeggiano in un labirinto
All'inizio del progetto, Parmigiani e Christian Huber del Georgia Tech e Olivier Bachmann dell'ETH avevano ipotizzato che la risalita delle bolle sarebbe stata molto rallentata nelle zone ricche di cristalli del bacino magmatico. Nelle zone povere di cristalli, invece, le bolle dovrebbero salire più velocemente. "Invece, abbiamo scoperto che le bolle salgono più velocemente nelle zone ricche di cristalli se anche la percentuale di volatili è elevata. Al contrario, si accumulano nelle sezioni della camera magmatica sovrastanti, ricche di melma", spiega Parmigiani.
Se la percentuale di bolle nei pori dello strato ricco di cristalli aumenta, le singole piccole bolle si uniscono per formare canali simili a dita. Queste prendono velocità e spostano la fusione altamente viscosa presente nello spazio dei pori. Questi canali a forma di dito consentono al gas contenuto di salire più rapidamente. Tuttavia, le bolle devono riempire almeno il 10-15% dello spazio dei pori. "Se questi canali di vapore non si formano, le singole bolle rimangono intrappolate meccanicamente", spiega il ricercatore.
Quando i canali simili a dita raggiungono il confine della massa fusa povera di cristalli, si staccano singole bolle sferiche. Sebbene queste continuino a salire in superficie, la loro velocità di spostamento diminuisce con l'aumentare delle bolle. Il motivo è che ogni bolla spinge un'onda d'arco di fuso viscoso davanti a sé e la allontana. Se la bolla vicina raggiunge l'area di questo flusso di fusione all'indietro, viene rallentata.
I colleghi di Parmigiani, Salah Faroughi e Christian Huber, sono riusciti a dimostrare questo processo in un esperimento di laboratorio al Georgia Tech. Hanno utilizzato bolle d'acqua che si sollevano in una soluzione di silicone viscoso.
Le bolle creano alta pressione
"Questo meccanismo permette a un gran numero di bolle di gas di accumularsi nella massa fusa povera di cristalli sotto il tetto della camera magmatica. Questo porta alla sovrappressione della camera", spiega Parmigiani. E poiché le bolle contengono anche zolfo, anche questo si arricchisce. Questo spiega perché un vulcano di questo tipo emette più zolfo di quanto ci si aspetterebbe in base alla composizione della roccia.
Tuttavia, non è ancora chiaro cosa questo significhi per l'esplosività di un particolare vulcano. "Questo studio si concentra sui fondamenti del flusso di gas in una camera magmatica. Un'applicazione pratica diretta, come la previsione del comportamento di un vulcano, rimane oggetto di ricerche future", afferma il ricercatore.
I modelli al computer non rappresentano l'intera camera magmatica, ma solo una minuscola sezione di essa: un cuboide di pochi centimetri cubici con un confine netto tra gli strati a basso e ad alto cristallo. Per calcolare questo piccolo volume, Parmigiani ha utilizzato supercalcolatori ad alte prestazioni come l'Euler Cluster dell'ETH di Zurigo e un supercomputer del Centro nazionale svizzero di supercalcolo (CSCS) di Lugano. Il software utilizzato da Parmigiani proviene dalla libreria open source pagina esternaPalabos,che sta sviluppando ulteriormente in collaborazione con i ricercatori dell'Università di Ginevra. "Questo software è particolarmente adatto a questo tipo di simulazione", spiega il fisico.
Riferimento alla letteratura
Parmigiani A, Faroughi S, Huber C, Bachmann O, Su Y: Bubble accumulation and its role in the evolution of magma reservoir in the upper crust. Nature, 13 aprile 2016. doi: pagina esterna10.1038/nature17401pagina esterna