Hoog boven de Tyrreense Zee van Italië, voor de noordkust van Sicilië, 13 studenten zitten bovenop de Stromboli-vulkaan terwijl deze uitbarst. Ash valt op hun schouders en ping-ping-pings hun helmen. De grond onder hun voeten beeft.

"Het is één ding om te lezen en te praten over seismisch en vulkanisch gevaar; het is iets anders om het te ervaren, " zei geofysicus Tiziana Vanorio, een assistent-professor in Stanford's School of Earth, Energie- en milieuwetenschappen (Stanford Earth). "Ik wilde dit met hen delen."

De reis naar Stromboli was de dag ervoor begonnen in Vanorio's geboorteplaats, Pozzuoli, een kleurrijke havenstad gesticht door de Grieken en later bezet door de Romeinen, in het midden van een vulkanische caldera, of depressie, bekend als Campi Flegrei. Vanorio, de 13 studenten en twee docenten gingen aan boord van een draagvleugelboot in Napels en voeren bijna vier stille uren naar het zuiden over het diepblauwe water van de Tyrrheense Zee voordat ze rook in het oog kregen, stoom en gassen puffend uit de kegel van Stromboli.

Het bereiken van de top zou moeilijker blijken te zijn - een klim van vijf uur op steile hellingen van as en rots. Sedimentoloog Nora Nieminski, een postdoctoraal onderzoeker aan Stanford Earth en een gastdocent tijdens de reis, sprintte vooruit om dronebeelden te maken die ze later zou helpen de studenten te manipuleren om 3D-modellen van de vulkaan te maken. Maar de rest van de groep liep zonder haast. Halverwege naar de top, ze stopten om uit te rusten bij een donker litteken op de noordflank van de vulkaan, bekend als de Sciara del Fuoco, waar de vulkaan op zichzelf is ingestort.

Dionne Thomas, '20, een student op reis die chemische technologie studeert, herinnert zich het ruiken van vuil en as, de Tyrrheense Zee zien die de oranje en blauwe kleuren van de lucht in de late namiddag weerspiegelt, en de minuten aftellen tussen kleine uitbarstingen van lava van een opwaartse caldera. Terwijl ze het gewicht van de uitputting van de lange klim opmerkte, ze zei, "Ik voelde me heel sterk."

Thomas en de 12 andere studenten op de reis bezochten Stromboli als onderdeel van een drie weken durend seminar in Zuid-Italië gericht op vulkanen, archeologie en de wetenschap van Romeins beton - een uitzonderlijk duurzaam materiaal dat inzichten kan bevatten voor toekomstige materialen die duurzamer zijn of zelfs geschikt zijn voor het bouwen van habitats op Mars.

Aangeboden via Stanford's Bing Overseas Studies Program, het seminar is een kans om viscerale verbanden te leggen tussen wetenschap en geschiedenis, en om onderweg een beter begrip van de aarde te krijgen.

Het laboratorium van de natuur

De Napolitaanse provincie in Zuid-Italië is een ideale plek om een ​​duik te nemen in de wetenschap van natuurlijke gevaren en hoe deze duizenden jaren lang een rol hebben gespeeld in het dagelijks leven en innovatie. Dichtbevolkt en bezaaid met tientallen vulkanen, de regio geldt als een van de gevaarlijkste ter wereld. De ruïnes van een Romeinse haven en de villa van een keizer zijn voor de kust te vinden, verzonken als Atlantis als gevolg van onrust in de aardkorst. "Niet veel plaatsen op aarde ervaren dit soort seismische activiteit en vulkanisme, terwijl het een oude stad is en functioneert als een moderne samenleving, ' zei Vanorio. 'Dat is het mooie van de plek.'

Onderliggend aan de excursies van het seminar en de dagelijkse lessen in geofysica, de eigenschappen van Romeins beton en 3D-modellering van dronebeelden was een grotere oefening in het vinden van verbanden tussen verschillende vakgebieden. Het is geen toeval dat studenten die aan het seminar deelnamen, een breed scala aan majors vertegenwoordigden, inclusief informatica, natuurkunde, klassiekers, chemische technologie en politieke wetenschappen.

"Er zijn nog steeds wetenschappelijke vragen die we niet weten te beantwoorden, " zei Vanorio, die diep in de ondergrond van Campi Flegrei natuurlijke processen ontdekte die die in Romeins beton weerspiegelen, en heeft historische teksten gebruikt om licht te werpen op de sterke punten en de kenmerken van zowel vulkanische als technische materialen. "Hoe meer we kennis benutten over verschillende disciplines, hoe meer we die problemen kunnen aanpakken en oplossen."

Voor Amara McCune, BS '18, die in 2016 deelnam aan een eerder seminar in de regio onder leiding van Vanorio, de vermenging van geofysica met duiken in de cultuur van de regio bleek een krachtige mix. "De unieke combinatie van leren over Pompeii, vulkanische verheffing en Rome terwijl je ter plaatse bent, horen van lokale gidsen en archeologische en geologische experts laten wijzen op kenmerken van een locatie die is gemaakt voor een ongelooflijk rijke leerervaring, " ze zei.

Nu het nastreven van een Ph.D. in de natuurkunde, McCune zei dat het seminar in Zuid-Italië haar hielp om na te denken over hoe ze haar diploma zou kunnen toepassen. "Het maakte me meer open voor verschillende gebieden en enthousiast om de geschiedenis en fijne kneepjes van de natuurlijke wereld om ons heen te leren, " ze zei.

Tijdens de meest recente reis, duisternis viel als de groep, duizelig in afwachting van de krachtige uitbarstingen van de vulkaan, vestigde zich rond de rand van Stromboli. "Het explodeert hevig en zonder waarschuwing - deze grote, luide knalexplosies gevolgd door gloeiende as die de lucht in vliegt, " legde Dulcie Head uit, een onderwijsassistent op de reis en een Ph.D. student geofysica.

Tegen deze tijd, de studenten konden de as die om hen heen wervelde zien als meer dan vulkanisch vuil. Ze wisten dat soortgelijke as een belangrijk ingrediënt was geweest bij de bouw van het amfitheater, haven en oude markt in Pozzuoli, en zelfs het Pantheon in Rome, met zijn enorme, ongewapende koepel - de grootste in de antieke wereld.

"Pozzuoli is mogelijk de plaats waar Romeinen, door naar de natuur te kijken, werden geïnspireerd om een ​​iconisch materiaal te maken, " Zei Vanorio. Ze ontwikkelden een recept voor beton dat duizenden jaren meegaat met behulp van vulkanische as, limoen, kleine vulkanische rotsen en water, terwijl modern beton vaak binnen 50 jaar afbrokkelt.

Boven op Stromboli, die wetenschappers nauwlettend in de gaten houden voor veiligheid, de studenten hadden ook genoeg aardwetenschappen in hun hoofd om de vulkaan zelf als een natuurlijk laboratorium te zien. "Deze vulkaan produceert letterlijk nieuwe stenen terwijl we hier zitten. Hij gooit ze naar ons, " legde Head uit. "Het is opwindend om zo'n actief proces te zien, waar een natuurlijke gebeurtenis ook nieuwe materialen oplevert."

De groep stuiterde en gleed over een pad op de hellingen van de vulkaan, terwijl ze gasmaskers droegen om hun longen te beschermen tegen as en zand dat door hun voeten omhoog werd geschopt. Terug in hun hotel aan de voet van het eiland, ze pelden hun maskers af en spoelden Stromboli's afval weg. Later, de groep leerde hoe ze het traject en de snelheid van de boogvormige asprojectielen van de vulkaan konden berekenen met software voor het volgen van deeltjes.

"Dit was een manier voor ons om time-lapse-beelden te gebruiken, " zei Vanorio. "Ik wilde studenten van Aardwetenschappen, van de klassiekers, en ingenieurs om te leren hoe deze tool te gebruiken, omdat we merken dat we dit soort beelden steeds vaker gebruiken – vaak vastgelegd door drones – of het nu gaat om het analyseren van ontoegankelijke ontsluitingen van rotsen of het in kaart brengen van uitgestrekte oude sites of een gebouw."

Wat had kunnen lijken op abstracte berekeningen, kreeg meer weerklank in het licht van de close-up ontmoeting van de groep met de uitbarsting. "Ik zal nooit de heldere vonken van de uitbarsting tegen de donkere nacht vergeten, " zei Sylvia Choo, '20, die als hoofdvak klassiek en biologie studeert. "Het was ongelooflijk om de grote kracht van de natuur te ervaren."

Oude stad

Zo'n 150 mijl over het koele Tyrrheense, binnen de Campi Flegrei of "Burning Fields" caldera, ligt het centrum van Pozzuoli. In deze stad die bij veel Italianen het meest bekend is als de geboorteplaats van Sophia Loren, de ruïnes van een Romeinse marktplaats zijn een knooppunt voor interdisciplinaire verbindingen.

Pozzuoli zit op een rusteloos, Een stuk kust ter grootte van Manhattan waar de geur van rotte eieren van zwavel de lucht doordringt. Solfatara-krater, thuis van Vulcanus, de Romeinse god van het vuur, gorgelt aan de rand van de stad. En net voor de kust, sculpturen, thermale baden, een villa, heldere tegelmozaïeken en andere archeologische ruïnes liggen meer dan 10 meter onder zeeniveau, slachtoffers van de verzakking van de caldera.

In de buurt van de moderne waterkant van Pozzuoli, drie zuilen staan ​​te midden van de ruïnes van de oude marktplaats, of Macellum. De studenten wisten van hun studie op de campus in het voorjaar dat het marmertrio 2000 jaar lang een record had van langdurige bodemdaling en korte periodes van opstijging. Dus toen de zuilen in zicht kwamen toen de groep voor het eerst naar beneden liep vanuit hun villawoning, riepen verschillende studenten, "Oh, daar zijn ze!"

Dicht bij de kolommen verzamelen voor een lezing van Vanorio terwijl Nieminski's drone boven haar zoemde, ze konden banden met kleine gaatjes zien die waren geboord door zogenaamde "steeneters" -mosselen - mariene weekdieren die op en neer door de kolommen boorden terwijl de opkomst en ondergang van de caldera veranderde hoeveel van de structuren zich boven de waterlijn uitstrekten. "Ze hebben letterlijk een stempel gedrukt op de geschiedenis, ' zei Cho.

Met behulp van vaardigheden die zijn ontwikkeld in seminars op de campus onder leiding van Nieminski, de studenten konden de geschiedenis van het Macellum en andere sites met een lichtere aanraking analyseren. Ze bouwden 3D-modellen van de markt van Nieminski's dronebeelden en manipuleerden ze met software om metingen te doen en wetenschappelijke vragen te beantwoorden die ze zelf bedacht hadden.

Tomas, bijvoorbeeld, onderzocht de verschillende materialen in de kolommen om te begrijpen hoe verwering en waterdruk van onderaf zich in de loop van de tijd hebben ontwikkeld. Het project, ze zei, stelde haar in staat kennis uit de chemische technologie te verweven, natuurkunde en wiskunde, evenals de geofysicalessen van het seminar. "Na dit seminarie Ik ben er nog meer van overtuigd dat veel velden elkaar kunnen overlappen, " ze zei.

Rusteloze aarde

Ups en downs maken deel uit van het leven in Pozzuoli. In het begin van de jaren tachtig, de grond steeg meer dan 2 meter in slechts twee jaar, een alarmerend tempo van opleving die de stad hervormde, de haven te ondiep verlaten om aan te meren en de verplaatsing van scholen en winkels afdwingen.

De stijgende zeebodem veroorzaakte ook genoeg aardbevingen om de evacuatie van bijna 40, 000 mensen – waaronder Vanorio, toen een tiener – voor twee jaar, te beginnen in 1982. "Iedereen maakte zich zorgen, "zei ze. "Mensen verwachtten een uitbarsting, en we waren echt bezorgd over het seismische gevaar. De huizen zijn niet seismisch achteraf ingebouwd."

Maar zoals seminarstudenten deze zomer leerden door middel van lezingen en lezingen, de aflevering tipte Stanford-wetenschappers naar een ongewone taaiheid in de rots hier. Andere vulkanische caldera's, zoals Yellowstone of de Long Valley, gelegen ten oosten van Yosemite National Park, hebben de neiging om de energie die door aardbevingen is verzameld vrij snel vrij te geven. "Die caldera's worden opgetild en dan bijna onmiddellijk, seismische activiteit begint, ' legde Vanorio uit. 'De rotsen vervormen en dan breken ze.'

In Pozzuoli, aardbevingen begonnen pas toen de Campi Flegrei-caldera bijna 3 voet was vervormd. "De vraag vanuit het oogpunt van de rotsfysica was:wat voor soort rotsen in de ondergrond kunnen zo'n grote spanning opvangen zonder meteen te barsten?" De rots die deze caldera bedekt, het blijkt, bevat vezelachtige mineralen die een afspiegeling zijn van die in Romeins beton, waardoor het kan uitrekken en buigen voordat het bezwijkt onder stress.

Op de markt, Vanorio wees er ook op dat de duurzaamheid van Romeins beton te zien is in delen van de oude muren waar de bakstenen van tufsteen - een soort vulkanisch gesteente - lang geleden zijn geërodeerd, maar de mortel gemaakt met vulkanische as en kalk is nog steeds aanwezig. "Aan het einde van de dag, deze oude vindplaatsen zijn gemaakt van aardse materialen die in de loop van de tijd degraderen en veranderen, "Zei Vanorio. "We kunnen rotsfysica gebruiken om die materialen te begrijpen en te leren ze beter te bewaren."

Leven met natuurlijke gevaren

De iconische kegel van de Vesuvius rijst op minder dan 24 kilometer ten westen van Pozzuoli. De uitbarsting in 79 na Christus is vooral bekend vanwege de vernietiging van Pompeii, maar dezelfde gebeurtenis begroef ook Herculaneum, een badplaats gelegen op de westelijke basis van de complexe stratovulkaan.

De studenten brachten een ochtend door met wandelen door de smalle straatjes van de stad, elementen van het dagelijks leven opmerken die griezelig bewaard zijn gebleven door de oververhitte pyroclastische asstroom, gesmolten steen, modder en gas:houten kisten en kasten, schilderijen, de verbrande houten deur naar een studeerkamer.

Als master klassieke Choo had enkele ideeën over hoe het leven in de Romeinse tijd was voordat ze aan het seminar begon. "Maar het was fascinerend om te zien waar ze vroeger woonden, wandelen en socializen, " ze zei.

's Middags Herculaneum achterlatend, de groep stapte in een bus op weg naar de Vesuvius, de bron van de vernietiging van de stad. Zoals Campi Flegrei en Stromboli, Vesuvius ligt langs een tektonische grens, waar de Afrikaanse plaat onder de Euraziatische plaat schuift. Een scheur in de Afrikaanse plaat laat warmte door de aardkorst sijpelen, geleidelijk smeltend gesteente en druk opbouwend onder de Vesuvius, die meer dan 50 keer is uitgebarsten sinds 79 na Christus - meest recentelijk in 1944.

Vanaf het opstappunt voor de bus, een voetpad leidde de groep omhoog naar de rand van de vulkaan en vervolgens naar een ondiepe plank in de krater. Op de top, meer dan 4, 000 voet boven zeeniveau, de lucht was koel, en de studenten konden bergen zien, rolling hills and cities in the distance. Bright green lizards skittered over the rust-colored rocks, fumaroles streamed sulfur-scented steam and Nieminski's drone canvassed the crater as the students listened to a local guide describe the inner workings and history of the 400, 000-year-old volcano.

Thomas remembers looking down at the sea and clouds. "I felt as if I was on top of the world, " she said. "That was the most elated I've ever been in life. It made me feel like I was experiencing to the fullest what life has to offer."