Microscopische bubbels kunnen verhalen vertellen over de grootste vulkaanuitbarstingen op aarde en geowetenschappers van de Rice University en de University of Texas in Austin hebben ontdekt dat sommige van die verhalen in nanodeeltjes zijn geschreven.

In een open access-studie die online is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , Sahand Hajimirza en Helge Gonnermann van Rice en James Gardner van UT Austin beantwoordden een al lang bestaande vraag over explosieve vulkaanuitbarstingen zoals die op Mount St. Helens in 1980, de berg Pinatubo in de Filippijnen in 1991 of de berg Chaitén in Chili in 2008.

Geowetenschappers hebben lang geprobeerd om kleine belletjes in uitbarstende lava en as te gebruiken om enkele van de omstandigheden te reconstrueren, zoals hitte en druk, die optreden bij deze krachtige uitbarstingen. Maar er is een historische discrepantie geweest tussen numerieke modellen die voorspellen hoeveel bubbels zich zullen vormen en de werkelijke hoeveelheden bubbels gemeten in uitbarstende rotsen.

Hajimirza, Gonnermann en Gardner werkten meer dan vijf jaar om die verschillen voor Pliniaanse uitbarstingen te verzoenen. Genoemd ter ere van Plinius de Jongere, de Romeinse auteur die de uitbarsting beschreef die Pompeii in 79 na Christus verwoestte, Pliniaanse uitbarstingen zijn enkele van de meest intense en destructieve vulkanische gebeurtenissen.

"De intensiteit van de uitbarsting verwijst naar zowel de hoeveelheid magma die is uitgebarsten als hoe snel het naar buiten komt, " zei Hajimirza, een postdoctoraal onderzoeker en voormalig Ph.D. student in Gonnermann's lab bij Rice's Department of Earth, Milieu- en planetaire wetenschappen. "De typische intensiteit van Pliniaanse uitbarstingen varieert van ongeveer 10 miljoen kilogram per seconde tot 10 miljard kilogram per seconde. Dat komt overeen met 5, 000 tot 5 miljoen pick-up trucks per seconde."

Een manier waarop wetenschappers de snelheid van opkomend magma kunnen meten, is door microscopisch kleine bellen in uitbarstende lava en as te bestuderen. Als bubbels in ontkurkte champagne, magmabellen ontstaan ​​door een snelle afname van de druk. in magma, hierdoor ontsnapt opgelost water in de vorm van gasbellen.

"Als magma stijgt, de druk neemt af, " zei Hajimirza. "Op een gegeven moment, het bereikt een druk waarbij water verzadigd is, en verdere decompressie veroorzaakt oververzadiging en de vorming van bellen."

Als water ontsnapt in de vorm van bellen, het gesmolten gesteente wordt minder verzadigd. Maar als het magma blijft stijgen, afnemende druk verhoogt de verzadiging.

"Deze feedback bepaalt hoeveel bubbels zich vormen, " zei Hajimirza. "Hoe sneller het magma stijgt, hoe hoger de decompressiesnelheid en oververzadigingsdruk, en hoe overvloediger de genucleëerde bellen."

Bij Pliniaanse uitbarstingen, zoveel magma stijgt zo snel dat het aantal bellen onthutsend is. Toen Mount St. Helens op 18 mei uitbarstte, 1980, bijvoorbeeld, het spuwde meer dan een kubieke kilometer steen en as in negen uur, en er waren ongeveer een miljoen miljard bellen in elke kubieke meter van dat uitgebarsten materiaal.

"De totale bubbels zouden ongeveer een septiljoen zijn, " zei Hajimirza. "Dat is een één gevolgd door 24 nullen, of ongeveer 1, 000 keer meer dan alle zandkorrels op alle stranden van de aarde."

In zijn Ph.D. studie, Hajimirza ontwikkelde een voorspellend model voor bellenvorming en werkte samen met Gardner om het model te testen in experimenten aan de UT Austin. De nieuwe studie bouwt voort op dat werk door te onderzoeken hoe magnetietkristallen die niet groter zijn dan een paar miljardsten van een meter, de vorming van bellen op verschillende diepten kunnen veranderen.

"Als bellen kiemen, ze kunnen zich in vloeistof vormen, die we homogene nucleatie noemen, of ze kunnen kiemen op een vast oppervlak, die we heterogeen noemen, " zei Hajimirza. "Een voorbeeld uit het dagelijks leven is het koken van een pot water. Wanneer er zich belletjes vormen op de bodem van de pot, in plaats van in het vloeibare water, dat is heterogene kiemvorming."

Bellen uit de bodem van de pot zijn vaak de eerste die zich vormen, omdat heterogene en homogene kiemvorming typisch begint bij verschillende temperaturen. In opkomend magma, heterogene bellenvorming begint eerder, bij lagere oververzadigingsniveaus. En de oppervlakken waar bellen kiemen zijn vaak op kleine kristallen.

"Hoeveel ze nucleatie vergemakkelijken, hangt af van het type kristallen, ' zei Hajimirza. 'Magnetieten, vooral, zijn het meest effectief."

In de studie, Hajimirza, Gonnermann en Gardner namen door magnetiet gemedieerde kiemvorming op in numerieke modellen van belvorming en ontdekten dat de modellen resultaten opleverden die overeenkwamen met waarnemingsgegevens van Pliniaanse uitbarstingen.

Hajimirza zei dat magnetieten waarschijnlijk aanwezig zijn in alle Pliniaanse magma. En hoewel eerder onderzoek naar niet genoeg magnetieten heeft onthuld om alle waargenomen bellen te verklaren, eerdere studies hebben mogelijk kleine nanokristallen gemist die alleen zouden worden onthuld met transmissie-elektronenmicroscopie, een zelden gebruikte techniek die nu pas breder beschikbaar wordt.

Om erachter te komen of dat het geval is, Hajimirza, Gonnermann en Gardner riepen op tot een "systematische zoektocht naar magnetiet nanolieten" in materiaal van Pliniaanse uitbarstingen. Dat zou observatiegegevens opleveren om de rol van magnetieten en heterogene nucleatie bij bellenvorming beter te definiëren, en zou kunnen leiden tot betere modellen en verbeterde vulkanische voorspellingen.

"Het voorspellen van uitbarstingen is een langetermijndoel voor vulkanologen, maar het is een uitdaging omdat we ondergrondse processen niet direct kunnen observeren, " zei Hajimirza. "Een van de grote uitdagingen van de vulkaanwetenschap, zoals uiteengezet door de Nationale Academies in 2017, verbetert de uitbarstingsvoorspelling door een betere integratie van de waarnemingsgegevens die we hebben met de kwantitatieve modellen, zoals degene die we voor deze studie hebben ontwikkeld."