Las burbujas microscópicas pueden contar historias sobre las erupciones volcánicas más grandes de la Tierra y los geocientíficos de la Universidad Rice y la Universidad de Texas en Austin han descubierto que algunas de esas historias están escritas en nanopartículas.

En un estudio de acceso abierto publicado en línea en Comunicaciones de la naturaleza , Sahand Hajimirza y ​​Helge Gonnermann de Rice y James Gardner de UT Austin respondieron una pregunta de larga data sobre erupciones volcánicas explosivas como las del Monte St. Helens en 1980, el monte Pinatubo de Filipinas en 1991 o el monte Chaitén de Chile en 2008.

Los geocientíficos han buscado durante mucho tiempo usar pequeñas burbujas en lava y cenizas en erupción para reconstruir algunas de las condiciones, como el calor y la presión, que ocurren en estas poderosas erupciones. Pero ha habido una desconexión histórica entre los modelos numéricos que predicen cuántas burbujas se formarán y las cantidades reales de burbujas medidas en las rocas en erupción.

Hajimirza, Gonnermann y Gardner trabajaron durante más de cinco años para reconciliar esas diferencias para las erupciones plinianas. Nombrado en honor a Plinio el Joven, el autor romano que describió la erupción que destruyó Pompeya en el 79 d.C., Las erupciones plinianas son algunos de los eventos volcánicos más intensos y destructivos.

"La intensidad de la erupción se refiere tanto a la cantidad de magma que hace erupción como a la rapidez con la que sale, "dijo Hajimirza, investigador postdoctoral y ex Ph.D. estudiante en el laboratorio de Gonnermann en el Departamento de Tierra de Rice, Ciencias ambientales y planetarias. "La intensidad típica de las erupciones plinianas varía de unos 10 millones de kilogramos por segundo a 10 mil millones de kilogramos por segundo. Eso es equivalente a 5, 000 a 5 millones de camionetas pickup por segundo ".

Una forma en que los científicos pueden medir la velocidad del magma en ascenso es mediante el estudio de burbujas microscópicas en lava y cenizas erupcionadas. Como burbujas en champán descorchado, Las burbujas de magma se crean mediante una rápida disminución de la presión. En magma, esto hace que el agua disuelta se escape en forma de burbujas de gas.

"A medida que el magma asciende, su presión disminuye, "Hajimirza dijo." En algún momento, alcanza una presión a la que el agua está saturada, y una mayor descompresión provoca sobresaturación y la formación de burbujas ".

Como el agua se escapa en forma de burbujas, la roca fundida se vuelve menos saturada. Pero si el magma sigue subiendo, disminuir la presión aumenta la saturación.

"Esta retroalimentación determina cuántas burbujas se forman, "Hajimirza dijo." Cuanto más rápido sube el magma, cuanto mayor sea la velocidad de descompresión y la presión de sobresaturación, y más abundantes las burbujas nucleadas ".

En erupciones plinianas, tanto magma se eleva tan rápido que el número de burbujas es asombroso. Cuando el monte St. Helens entró en erupción el 18 de mayo, 1980, por ejemplo, arrojó más de un kilómetro cúbico de roca y ceniza en nueve horas, y había alrededor de un millón de billones de burbujas en cada metro cúbico de ese material en erupción.

"El total de burbujas rondaría un septillón, "Hajimirza dijo." Eso es un uno seguido de 24 ceros, o alrededor de 1, 000 veces más que todos los granos de arena de todas las playas de la Tierra ".

En su Ph.D. estudios, Hajimirza desarrolló un modelo predictivo para la formación de burbujas y trabajó con Gardner para probar el modelo en experimentos en UT Austin. El nuevo estudio se basa en ese trabajo al examinar cómo los cristales de magnetita no mayores a unas pocas mil millonésimas de metro podrían cambiar la forma en que se forman las burbujas a varias profundidades.

"Cuando las burbujas se nuclean, se pueden formar en líquido, que llamamos nucleación homogénea, o pueden nuclearse sobre una superficie sólida, lo que llamamos heterogéneo, "Hajimirza dijo." Un ejemplo de la vida diaria sería hervir una olla de agua. Cuando se forman burbujas en el fondo de la olla, en lugar de en el agua líquida, eso es nucleación heterogénea ".

Las burbujas del fondo de la olla suelen ser las primeras en formarse, porque la nucleación heterogénea y homogénea normalmente comienza a diferentes temperaturas. En magma ascendente, la formación de burbujas heterogéneas comienza antes, a niveles de sobresaturación más bajos. Y las superficies donde se nuclean las burbujas a menudo se encuentran en cristales diminutos.

"Cuánto facilitan la nucleación depende del tipo de cristales, "Hajimirza dijo." Magnetitas, en particular, son los más efectivos ".

En el estudio, Hajimirza, Gonnermann y Gardner incorporaron la nucleación mediada por magnetita en modelos numéricos de formación de burbujas y encontraron que los modelos producían resultados que coincidían con los datos de observación de las erupciones plinianas.

Hajimirza dijo que es probable que haya magnetitas presentes en todo el magma pliniano. Y aunque la investigación anterior no ha revelado suficientes magnetitas para dar cuenta de todas las burbujas observadas, Es posible que estudios anteriores hayan pasado por alto pequeños nanocristales que solo se revelarían con microscopía electrónica de transmisión, una técnica que se utiliza raramente y que sólo ahora está cada vez más disponible.

Para saber si ese es el caso, Hajimirza, Gonnermann y Gardner pidieron una "búsqueda sistemática de nanolitos de magnetita" en el material de las erupciones plinianas. Eso proporcionaría datos de observación para definir mejor el papel de las magnetitas y la nucleación heterogénea en la formación de burbujas, y podría conducir a mejores modelos y pronósticos volcánicos mejorados.

"La previsión de erupciones es un objetivo a largo plazo para los vulcanólogos, pero es un desafío porque no podemos observar directamente los procesos del subsuelo, ", dijo Hajimirza." Uno de los grandes desafíos de la ciencia de los volcanes, según lo descrito por las Academias Nacionales en 2017, está mejorando el pronóstico de erupciones mediante una mejor integración de los datos de observación que tenemos con los modelos cuantitativos, como el que desarrollamos para este estudio ".