Πόσο υγρή είναι αυτή η λάβα;

Μια νέα συσκευή βοηθά τους επιστήμονες να μετρήσουν το ιξώδες της λάβας κατά τη διάρκεια ενεργών ροών.

Ένας επιστήμονας με ασημί κοστούμι εισάγει έναν μακρύ μεταλλικό σωλήνα σε λαμπερή πορτοκαλί λάβα και σκούρο γκρι βράχο.

Σε μια επιτόπια δοκιμή του νέου τους διεισδυτικού μετρητή, ερευνητές του Πανεπιστημίου στο Μπάφαλο συγκέντρωσαν δεδομένα ιξώδους από ροές λάβας στην έκρηξη του ηφαιστείου Litli-Hrútur στην Ισλανδία. Από τον Μάρτιν Χάρις.

Πέρυσι, επιστήμονες και φοιτητές από το Πανεπιστήμιο στο Μπάφαλο φόρεσαν προστατευτικές αλουμινένιες στολές και έφτασαν πολύ κοντά στο λιωμένο υλικό που εκτοξεύτηκε από το ηφαίστειο Litli-Hrútur της Ισλανδίας .

«Ακούγεται σαν μια μπουλντόζα με σπασμένο γυαλί να έρχεται στο δρόμο σας», είπε ο ηφαιστειολόγος Stephan Kolzenburg .

Ενώ οι περισσότεροι άνθρωποι θα απέφευγαν να φτάσουν οπουδήποτε κοντά σε ένα ηφαίστειο, η ομάδα είχε έναν σημαντικό λόγο να βρίσκεται εκεί: να δοκιμάσει μια ολοκαίνουργια συσκευή, ένα διαπερατόμετρο που μετρά το ιξώδες της λάβας. Μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Review of Scientific Instruments συζητά το διεισδυτικό μέτρο και τα δεδομένα από την πρώτη χρήση του στο πεδίο - πληροφορίες που δεν είχαν συλλεχθεί ποτέ από μια ενεργή ροή λάβας.

Περιορισμοί Εργαστηριακής Λάβας

Η λάβα είναι ένα μείγμα τριών φάσεων: λιωμένος βράχος, φυσαλίδες ή αέριο που περιέχεται στο τήγμα και κρυστάλλους, ή στερεοποιημένα και ψυχόμενα υλικά. Η γνώση του ιξώδους της λάβας είναι το κλειδί για την καλύτερη κατανόηση του πόσο γρήγορα ρέει. Η λάβα υψηλότερου ιξώδους είναι παχιά και κολλώδης. Η λάβα χαμηλότερου ιξώδους κινείται περισσότερο σαν υγρό ή «ποτάμι φωτιάς».

Η σύνθεση και το ιξώδες της λάβας ποικίλλουν όχι μόνο μεταξύ των ηφαιστείων, αλλά και με διαφορετικά χαρακτηριστικά σε ένα μόνο ηφαίστειο, δήλωσε ο Άλαν Γουίτινγκτον , ένας ηφαιστειολόγος που δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη. Για παράδειγμα, «η καυτή λάβα είναι γενικά πολύ ρευστή», εξήγησε. «Καθώς η λάβα κρυώνει, γίνεται πολύ, πολύ κολλώδης».

Εξαιτίας αυτής της πολυπλοκότητας - για να μην αναφέρουμε τους κινδύνους να βρίσκεσαι τόσο κοντά σε απρόβλεπτο υλικό πάνω από 1.000°C - τα πειράματα για τη μέτρηση του ιξώδους της λάβας έχουν περιοριστεί. Προηγούμενες μελέτες πεδίου ιξώδους και συσκευές αποκάλυψαν πληροφορίες για τη λάβα μόνο σε ένα συγκεκριμένο μέρος και χρόνο.

Οι περισσότερες έρευνες για το ιξώδες της λάβας γίνονται σε εργαστηριακό περιβάλλον όπου οι επιστήμονες μπορούν να δημιουργήσουν τη δική τους λάβα. Αν και αυτό το είδος πειράματος παρέχει σημαντικές πληροφορίες για το πώς μπορεί να συμπεριφέρεται η λάβα στη φύση, παραμένει μια πολύ ελεγχόμενη προσπάθεια.

«Μπορούμε να λιώσουμε ξανά πετρώματα που βρίσκουμε και στη συνέχεια να μειώσουμε τη θερμοκρασία στο εργαστήριο και θα αρχίσουν να κρυσταλλώνονται», εξήγησε ο Kolzenburg, ένας από τους συγγραφείς της πρόσφατης μελέτης. Ωστόσο, επειδή αυτά τα πειράματα εκτελούνται σε ατμοσφαιρική πίεση, πτητικές ουσίες όπως τα αέρια θα δημιουργήσουν φυσαλίδες που διαλύονται, «και ακριβώς όπως ένα κουτάκι αναψυκτικού σκάει μετά από μερικές ώρες, θα εξαφανιστεί. Δεν μπορούμε να συγκρατήσουμε πτητικά στο εργαστήριο», είπε.

Κατασκευάζοντας ένα καλύτερο διαπερατόμετρο

Λόγω των περιορισμών του εργαστηρίου -και για τον έλεγχο των δεδομένων που συγκεντρώθηκαν από προηγούμενα πειράματα τεχνητής λάβας- χρειάστηκε ένα νέο εργαλείο για τη μέτρηση του ιξώδους της λάβας στο πεδίο. Οι μαθητές συνεργάστηκαν με μηχανικούς του Πανεπιστημίου στο Μπάφαλο για την κατασκευή πρωτοτύπων. «Ο στόχος ήταν να έχουμε μια συσκευή χειρός που θα μπορούσε να μετρήσει το ιξώδες ενός υλικού σε σχετικά μεγάλο όγκο», δήλωσε ο Martin Harris , Ph.D. υποψήφιος και κύριος συγγραφέας της πρόσφατης μελέτης.

Μόλις ήταν ευχαριστημένοι με ένα σχέδιο για το διαπερατόμετρό τους - μια συσκευή από ανοξείδωτο χάλυβα που είχε σχήμα σαν μακρύ σφουγγάρι ζιζανίων - το δοκίμασαν σε ουσίες διαφορετικού ιξώδους: «Silly Putty, τζελ όπως αυτό που θα μπορούσαμε να πάρουμε στα χέρια μας», είπε. Χάρις.

Το διαπερατόμετρο έπρεπε να είναι αρκετά μακρύ ώστε ο χρήστης να μπορεί να σταθεί σε κοντινή αλλά ασφαλή απόσταση, και αρκετά φορητό ώστε να το χειρίζονται ερευνητές διαφορετικών μεγεθών και σωματικών δυνάμεων. Δεν θα έπρεπε να λιώσει μόλις άγγιξε τη λάβα.

«Τελικά, οι ίδιες οι μετρήσεις δεν διαρκούν τόσο πολύ. Είστε μέσα για ίσως 30 δευτερόλεπτα και μπορείτε να κάνετε ένα βήμα πίσω και να το χαμηλώσετε και να ξεκουραστείτε λίγο και μετά να πάτε ξανά. Δεν είναι κάτι που πρέπει να κρατηθεί για 10 λεπτά πραγματικά έντονης δύναμης», είπε ο Χάρις.

Το νέο διαπερατόμετρο λάβας λειτουργεί μετρώντας την ποσότητα δύναμης που χρειάζεται το εργαλείο για να ωθηθεί σε ένα υλικό, καθώς και πόσο χρόνο χρειάζεται για να φτάσει σε ένα συγκεκριμένο βάθος. Αυτές οι δύο ιδιότητες, η δύναμη και η μετατόπιση, καθορίζουν το ιξώδες του περιβάλλοντος υλικού. Η ίδια η συσκευή αποτελείται από έναν μακρύ σωλήνα συνδεδεμένο σε ένα μετρητή που μετρά τη θλιπτική δύναμη. Στην κορυφή του σωλήνα, μια δεύτερη μεταλλική ράβδος τρέχει κατά μήκος μιας τροχιάς ρουλεμάν για τη μέτρηση της μετατόπισης.

Η δοκιμή

Οι μετρήσεις που καταγράφηκαν στην Ισλανδία πέρυσι έδειξαν ένα ευρύ φάσμα ιξώδους λάβας, από 300 έως 34.000 πασκάλ-δευτερόλεπτα , που σημαίνει ότι κάποια λάβα ήταν πιο ρευστή και κάποια πιο κολλώδης, σε ένα εύρος θερμοκρασιών από 1.148°C έως 1.165°C.

«Το ενδιαφέρον για μένα είναι πόσο μεταβλητή μπορεί να είναι η ροή καθώς αρχίζεις να ψάχνεις μέσα της», είπε ο Whittington. «Νομίζω ότι υπάρχουν πολλά να μάθουμε. Το διαπερατόμετρο λάβας είναι ένα εξαιρετικό συμπλήρωμα της προσέγγισης τηλεπισκόπησης και εργαστηριακού πειράματος που έχουμε αυτή τη στιγμή. Δεν αντικαθιστά κανένα από τα δύο. Αλλά θα παράγει πολλά υπέροχα νέα δεδομένα».

Το επόμενο βήμα για τον Χάρις και την ομάδα από το Μπάφαλο είναι να συνεργαστούν με παρατηρητήρια ηφαιστείων σε όλο τον κόσμο, όπως ένα στο νησί La Réunion , και να εκπαιδεύσουν άλλους ερευνητές πώς να χρησιμοποιούν το όργανο. «Αυτό θα διευκολύνει τελικά περισσότερες παγκόσμιες μελέτες και σύνολα δεδομένων για το ιξώδες της λάβας - μια καλύτερη κατανόηση του ιξώδους της καθώς βγαίνει από το έδαφος. Ο μόνος τρόπος που μπορεί να γίνει είναι εάν περισσότεροι άνθρωποι χρησιμοποιούν αυτά τα όργανα».

Γεωδίφης με πληροφορίες από eos.org

Owen, R. (2024), How liquid is that lava?, Eos, 105, https://doi.org/10.1029/2024EO240293. Published on 12 July 2024

https://eos.org/articles/how-liquid-is-that-lava