¿Qué sucede cuando la lava y el agua se encuentran? Los experimentos explosivos con lava artificial están ayudando a responder esta importante pregunta.

Al cocinar lotes de 10 galones de roca fundida e inyectarlos con agua, los científicos están arrojando luz sobre la física básica de las interacciones lava-agua, que son comunes en la naturaleza pero poco entendidos.

El proyecto, a largo plazo, estudio en curso dirigido por la Universidad de Buffalo, publicó sus primeros resultados el 10 de diciembre en el Revista de investigación geofísica (JGR):Tierra sólida .

Los científicos advierten que la cantidad de pruebas hasta ahora es pequeña, por lo que el equipo deberá realizar más experimentos para sacar conclusiones firmes.

La investigación muestra que los encuentros de lava y agua a veces pueden generar explosiones espontáneas cuando hay al menos alrededor de un pie de roca fundida por encima del punto de mezcla. En principio, estudios a menor escala que utilizaron aproximadamente el valor de lava de una taza de café, Los científicos de Alemania descubrieron que necesitaban aplicar un estímulo independiente —en esencia, pinchar el agua dentro de la lava— para desencadenar una explosión.

Los resultados informados en JGR:Tierra sólida también señalan algunas tendencias preliminares, mostrando que en una serie de pruebas, más grande Las reacciones más brillantes tendían a ocurrir cuando el agua entraba más rápidamente y cuando la lava se mantenía en recipientes más altos. (El equipo realizó un total de 12 experimentos en los que las velocidades de inyección de agua oscilaron entre 6 y 30 pies por segundo, y en el que la lava se guardaba en cajas de acero aisladas que tenían una altura de entre 8 y 18 pulgadas).

"Si piensas en una erupción volcánica, hay fuerzas poderosas en el trabajo, y no es una cosa suave "dice el investigador principal Ingo Sonder, Doctor., Investigador científico del Centro de Estudios de Geopeligros de la UB. "Nuestros experimentos están analizando la física básica de lo que sucede cuando el agua queda atrapada dentro de la roca fundida".

Sonder discutirá los hallazgos en una conferencia de prensa en la Reunión de Otoño de la AGU 2018 hoy, Lunes, 10 de diciembre a las 4 p.m. Hora del Este en la habitación Shaw / LeDroit Park en el nivel M3 del hotel Marriott Marquis, 901 Massachusetts Ave NW, Washington, DC 20001. Esta conferencia de prensa también se transmitirá en vivo en la página web de eventos de prensa de AGU y se archivará una grabación de la conferencia de prensa en el canal de YouTube de AGU. Los reporteros interesados ​​en transmitir la conferencia de prensa y participar de forma remota deben ir a la página Webstreaming en el sitio web del Centro de Medios de la Reunión de Otoño de 2018.

Sonder también presentará un póster sobre esta investigación el martes, 11 de diciembre de 1:40-6 p.m. Hora del Este en el Centro de Convenciones Walter E. Washington, Pasillo A-C, en la sesión V23J.

El estudio fue financiado por la National Science Foundation.

Además de Sonder, Los coautores de la UB incluyeron a Andrew G. Harp, Doctor., quien contribuyó al proyecto como Ph.D. en geología de la UB. candidato y ahora es profesor de ciencias geológicas y ambientales en la Universidad Estatal de California, Chico; Alison Graettinger, Doctor., quien contribuyó al proyecto como investigador postdoctoral en geología de la UB y ahora es profesor asistente de geociencias en la Universidad de Missouri-Kansas City; Pranabendu Moitra, Doctor., quien contribuyó al proyecto como investigador postdoctoral en geología de la UB y ahora es investigador asociado postdoctoral en el Laboratorio Lunar y Planetario de la Universidad de Arizona; y Greg Valentine, Doctor., catedrático de geología en la Facultad de Artes y Ciencias de la UB y director del Centro de Estudios de Geopeligros de la UB. Ralf Büttner, Doctor., y Bernd Zimanowski, Doctor., de la Universität Würzburg en Alemania también contribuyó.

Comprender los encuentros de agua de lava en volcanes reales

En naturaleza, la presencia de agua puede hacer que la actividad volcánica sea más peligrosa, como durante las pasadas erupciones del Kilauea de Hawai y el Eyjafjallajökull de Islandia. Pero en otros casos, la reacción entre los dos materiales es moderada.

Sonder quiere entender por qué:"A veces, cuando la lava se encuentra con el agua, ves enorme actividad explosiva. Otros tiempos, no hay explosión, y la lava puede simplemente enfriarse y formar algunas formas interesantes. Lo que estamos haciendo es intentar conocer las condiciones que provocan las reacciones más violentas ".

Finalmente, Los hallazgos del proyecto a largo plazo podrían mejorar la capacidad de los científicos para evaluar el riesgo de que los volcanes cerca del hielo, lagos Los océanos y las fuentes de agua subterráneas representan para las personas que viven en las comunidades circundantes.

"La investigación aún se encuentra en las primeras etapas, así que tenemos varios años de trabajo por delante antes de que podamos ver toda la gama y combinación de factores que influyen en lo que sucede cuando la lava o el magma se encuentran con el agua. "dice Valentine, coautor del estudio y director del Centro de Estudios de Geopeligros de la UB.

"Sin embargo, todo lo que hacemos es con la intención de marcar la diferencia en el mundo real, ", dice." Comprender los procesos básicos que tienen que ver con los volcanes nos ayudará en última instancia a realizar mejores predicciones cuando se trata de erupciones ".

Experimentos volcánicos a gran escala

Las interacciones lava-agua están asociadas con un fenómeno conocido como interacción de refrigerante de combustible fundido, en el que un combustible líquido (una fuente de calor) reacciona violentamente con un refrigerante líquido. Gran parte del trabajo experimental en este campo se ha realizado en el contexto de la seguridad industrial, con un enfoque en la comprensión de los peligros potenciales en las plantas de energía nuclear y los sitios de producción de metales.

Los experimentos de agua de lava se basan en investigaciones previas en esta área, mientras se concentra en la roca fundida.

El trabajo se lleva a cabo en la estación de campo Geohazards de la UB en Ashford, Nueva York, unas 40 millas al sur de Buffalo. Dirigido por el Centro de Estudios de Geopeligros de la UB, la instalación ofrece a los científicos un lugar para realizar experimentos a gran escala que simulan procesos volcánicos y otros peligros. En estas pruebas, los investigadores pueden controlar las condiciones de una manera que no es posible en un volcán real, dictando por ejemplo, la forma de la columna de lava y la velocidad a la que el agua se dispara hacia ella.

Para hacer lava Los científicos vierten roca basáltica en un horno de inducción de alta potencia. Lo calientan durante unas 4 horas. Cuando la mezcla alcance un 2 al rojo vivo, 400 grados Fahrenheit, se vierte en una caja de acero aislada y se inyecta con dos o tres chorros de agua.

Luego, un martillo introduce un émbolo en la mezcla para ayudar a estimular una explosión. (En algunos casos, si había suficiente roca fundida por encima del punto de inyección, una intensa reacción comenzó antes de que cayera el martillo).

Además de identificar algunas tendencias preliminares, el estudio publicado da fe de la amplia variedad de procesos físicos que pueden ocurrir cuando la lava y el agua se encuentran.

"La respuesta del sistema a la inyección de agua varió de leve a procesos dominados por evaporación, en el que solo se expulsó un poco de masa fundida del recipiente junto con algo de vapor, a reacciones más fuertes con chorros de vapor visibles, y con dominios de fusión expulsados ​​a varios metros de altura, "escribieron los científicos en JGR:Tierra sólida .

¿Rompiendo la película de vapor?

El estudio no examinó por qué la altura de la caja y la velocidad de inyección de agua se correspondían con las mayores explosiones. Pero Sonder, quien tiene experiencia en geociencias y física, ofrece algunos pensamientos.

Explica que cuando una gota de agua queda atrapada por una sustancia mucho más caliente, los bordes exteriores del agua se vaporizan, formando una película protectora que envuelve el resto del agua como una burbuja, limitando la transferencia de calor al agua y evitando que hierva. Esto se llama efecto Leidenfrost.

Pero cuando se inyecta agua rápidamente en una alta columna de lava, el agua, que es aproximadamente tres veces más liviana que la lava, se acelerará hacia arriba y se mezclará con la roca fundida más rápidamente. Esto puede hacer que la película de vapor se desestabilice, Sonder dice. En esta situación, el agua desprotegida se expandiría rápidamente en volumen a medida que se calentaba, imponiendo altas tensiones sobre la lava, él dice. ¿El resultado? Una violenta explosión.

A diferencia de, cuando el agua se inyecta lentamente en charcos de lava menos profundos, la película protectora de vapor puede contener, o el agua puede alcanzar la superficie de la lava o escapar como vapor antes de que ocurra una explosión, Sonder dice.

Espera explorar estas teorías a través de experimentos futuros:"No se ha trabajado mucho en este campo, " él dice, "por lo que incluso algunos de estos procesos básicos no se comprenden bien".