Wat gebeurt er als lava en water elkaar ontmoeten? Explosieve experimenten met door de mens gemaakte lava helpen om deze belangrijke vraag te beantwoorden.

Door 10 gallon batches gesmolten gesteente te koken en ze te injecteren met water, wetenschappers werpen licht op de basisfysica van interacties tussen lava en water, die van nature veel voorkomen, maar slecht worden begrepen.

Het project - een langetermijn, lopende studie onder leiding van de Universiteit van Buffalo - publiceerde de eerste resultaten op 10 december in de Journal of Geophysical Research (JGR):Solid Earth .

De wetenschappers waarschuwen dat het aantal tests tot nu toe klein is, dus het team zal meer experimenten moeten uitvoeren om stevige conclusies te trekken.

Het onderzoek toont aan dat ontmoetingen met lava en water soms spontane explosies kunnen veroorzaken als er zich minstens 30 cm gesmolten gesteente boven het mengpunt bevindt. vroeger, kleinere studies die ongeveer de hoeveelheid lava van een koffiekopje gebruikten, wetenschappers in Duitsland ontdekten dat ze een onafhankelijke stimulus moesten toepassen - in wezen het water in de lava prikken - om een ​​explosie te veroorzaken.

De resultaten gerapporteerd in JGR:vaste aarde wijzen ook op enkele voorlopige trends, waaruit blijkt dat in een reeks tests, groter, meer briljante reacties hadden de neiging om op te treden wanneer water sneller naar binnen stroomde en wanneer lava in hogere containers werd gehouden. (Het team voerde in totaal 12 experimenten uit waarbij de waterinjectiesnelheden varieerden van ongeveer 6 tot 30 voet per seconde, en waarin lava werd vastgehouden in geïsoleerde stalen dozen die in hoogte varieerden van ongeveer 8 tot 18 inch.)

"Als je denkt aan een vulkaanuitbarsting, er zijn machtige krachten aan het werk, en het is niet zachtaardig, ", zegt hoofdonderzoeker Ingo Sonder, doctoraat, onderzoeker in het Centre for Geohazards Studies van de UB. "Onze experimenten kijken naar de basisfysica van wat er gebeurt als water vast komt te zitten in gesmolten gesteente."

Sonder zal de bevindingen vandaag bespreken in een persconferentie op de AGU Fall Meeting 2018, Maandag, 10 december om 16.00 uur Eastern Time in kamer Shaw/LeDroit Park op niveau M3 van het Marriott Marquis hotel, 901 Massachusetts Ave NW, Washington, DC 20001. Deze persconferentie zal ook live worden gestreamd op de webpagina van AGU-persevenementen en een opname van de persconferentie zal worden gearchiveerd op het YouTube-kanaal van AGU. Verslaggevers die geïnteresseerd zijn in het streamen van de persconferentie en op afstand willen deelnemen, moeten naar de pagina Webstreaming gaan op de 2018 Fall Meeting Media Center-website.

Sonder presenteert dinsdag ook een poster over dit onderzoek, 11 december van 13:40-18 uur Eastern Time in het Walter E. Washington Convention Center, Hal A-C, in sessie V23J.

Het onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation.

Naast Sonderen, UB-co-auteurs waren onder meer Andrew G. Harp, doctoraat, die aan het project heeft bijgedragen als UB geologie Ph.D. kandidaat en is nu docent geologische en milieuwetenschappen aan de California State University, Chico; Alison Grättinger, doctoraat, die aan het project heeft bijgedragen als postdoctoraal onderzoeker geologie van de UB en nu een assistent-professor geowetenschappen is aan de Universiteit van Missouri-Kansas City; Pranabendu Moitra, doctoraat, die aan het project heeft bijgedragen als postdoctoraal onderzoeker geologie van de UB en nu een postdoctoraal onderzoeksmedewerker is in het Lunar and Planetary Laboratory van de Universiteit van Arizona; en Greg Valentijn, doctoraat, hoogleraar geologie aan het UB College of Arts and Sciences en directeur van het Centre for Geohazards Studies aan de UB. Ralf Büttner, doctoraat, en Bernd Zimanowski, doctoraat, van de Universität Würzburg in Duitsland droeg ook bij.

Inzicht in lava-water-ontmoetingen bij echte vulkanen

In de natuur, de aanwezigheid van water kan vulkanische activiteit gevaarlijker maken, zoals tijdens eerdere uitbarstingen van de Kilauea in Hawaï en de Eyjafjallajökull in IJsland. Maar in andere gevallen, de reactie tussen de twee materialen wordt gedempt.

Sonder wil begrijpen waarom:"Soms, wanneer lava in contact komt met water, je ziet enorm, explosieve activiteit. Andere tijden, er is geen explosie, en de lava kan gewoon afkoelen en een aantal interessante vormen vormen. Wat we doen is proberen te leren over de omstandigheden die de meest gewelddadige reacties veroorzaken."

Eventueel, bevindingen van het langetermijnproject kunnen het vermogen van wetenschappers verbeteren om het risico te beoordelen dat vulkanen in de buurt van ijs, meren, oceanen en ondergrondse waterbronnen vormen voor mensen die in omliggende gemeenschappen wonen.

"Het onderzoek staat nog in de kinderschoenen, dus we hebben nog een aantal jaren werk voor de boeg voordat we het hele scala en de combinatie van factoren kunnen bekijken die van invloed zijn op wat er gebeurt als lava of magma in contact komt met water, "zegt Valentijn, studie co-auteur en directeur van het Center for Geohazards Studies aan de UB.

"Echter, alles wat we doen is met de bedoeling een verschil te maken in de echte wereld, "zegt hij. "Het begrijpen van basisprocessen die te maken hebben met vulkanen zal ons uiteindelijk helpen om betere voorspellingen te doen als het gaat om uitbarstingen."

Grootschalige vulkanische experimenten

Lava-water interacties worden geassocieerd met een fenomeen dat bekend staat als een gesmolten brandstof koelvloeistof interactie, waarin een vloeibare brandstof (een warmtebron) heftig reageert met een vloeibaar koelmiddel. Veel van het experimentele werk op dit gebied is gedaan in de context van industriële veiligheid, met een focus op het begrijpen van potentiële gevaren in kerncentrales en metaalproductielocaties.

De lava-water-experimenten bouwen voort op eerder onderzoek op dit gebied, terwijl u zich concentreert op gesmolten gesteente.

Het werk vindt plaats op UB's Geohazards Field Station in Ashford, New York, ongeveer 40 mijl ten zuiden van Buffalo. Gerund door het UB Center for Geohazards Studies, de faciliteit geeft wetenschappers een plek om grootschalige experimenten uit te voeren die vulkanische processen en andere gevaren simuleren. Bij deze testen onderzoekers kunnen de omstandigheden beheersen op een manier die niet mogelijk is bij een echte vulkaan, dicteren, bijvoorbeeld, de vorm van de lavakolom en de snelheid waarmee water erin schiet.

Om lava te maken, wetenschappers dumpen basaltgesteente in een krachtige inductieoven. Ze warmen het ongeveer 4 uur op. Wanneer het mengsel een gloeiend hete 2 bereikt, 400 graden Fahrenheit, het wordt in een geïsoleerde stalen doos gegoten en met twee of drie waterstralen geïnjecteerd.

Vervolgens, een hamer drijft een plunjer in de mix om een ​​explosie te stimuleren. (In sommige gevallen, als er voldoende gesmolten gesteente aanwezig was boven het injectiepunt, een intense reactie begon voordat de hamer viel).

Naast het identificeren van enkele voorlopige trends, de gepubliceerde studie getuigt van de grote verscheidenheid aan fysieke processen die kunnen optreden wanneer lava en water elkaar ontmoeten.

"De reactie van het systeem op waterinjectie varieerde van mild, door verdamping gedomineerde processen, waarin slechts een klein beetje smelt naast wat stoom uit de container werd geworpen, tot sterkere reacties met zichtbare stoomstralen, en met smeltdomeinen die tot enkele meters hoogte worden uitgeworpen, " schreven de wetenschappers in JGR:vaste aarde .

De dampfilm doorbreken?

De studie onderzocht niet waarom de hoogte van de doos en de snelheid van de waterinjectie overeenkwamen met de grootste explosies. Maar Sonder, die een achtergrond heeft in geowetenschappen en natuurkunde, biedt enkele gedachten.

Hij legt uit dat wanneer een klodder water wordt vastgehouden door een veel hetere substantie, de buitenranden van het water verdampen, vormt een beschermende film die de rest van het water als een bel omhult, warmteoverdracht naar het water te beperken en te voorkomen dat het gaat koken. Dit wordt het Leidenfrost-effect genoemd.

Maar wanneer water snel in een hoge lavakolom wordt geïnjecteerd, het water - dat ongeveer drie keer lichter is dan de lava - zal sneller omhoog gaan en zich sneller vermengen met het gesmolten gesteente. Hierdoor kan de dampfilm destabiliseren, zegt Sonderen. In deze situatie, het onbeschermde water zou snel in volume uitzetten als het opwarmde, het opleggen van hoge spanningen op de lava, hij zegt. Het resultaat? Een gewelddadige explosie.

In tegenstelling tot, wanneer water langzaam in ondiepere lavapoelen wordt geïnjecteerd, de beschermende dampfilm kan vasthouden, of het water kan het oppervlak van de lava bereiken of als stoom ontsnappen voordat er een explosie plaatsvindt, zegt Sonderen.

Hij hoopt deze theorieën te onderzoeken door middel van toekomstige experimenten:"Er is niet veel werk gedaan op dit gebied, " hij zegt, "Dus zelfs sommige van deze basisprocessen worden echt niet goed begrepen."