Sues un gran avance para la vulcanología. Un equipo de investigadores franceses acaba de descubrir un nuevo mecanismo en el origen de las erupciones volcánicas: el corte del magma. Este descubrimiento podría mejorar la predicción de las consecuencias de las erupciones y, al mismo tiempo, la protección de las poblaciones que viven cerca de volcanes activos. el punto cuestionó Olivier Roche, director de investigación del Instituto de Investigación para el Desarrollo (IRD) y autor principal del estudio publicado en la revista Ciencia.
El punto: ¿Puedes contarnos qué descubriste y cómo cambia nuestra comprensión de cómo funcionan los volcanes?
Olivier Roche: Los vulcanólogos saben desde hace mucho tiempo que el proceso de formación de burbujas de gas en los magmas, llamado nucleación, es la fuerza impulsora detrás de las erupciones volcánicas. Un poco como abrir una botella de bebida demasiado rápido. Antes de abrir la botella estaba bajo presión y las moléculas de gas estaban disueltas en el líquido. Cuando se quita la tapa la presión disminuye y las moléculas de gas se unen formando burbujas embrionarias que luego crecerán.
Esto es lo que sucede durante una erupción volcánica: cuando el magma asciende desde un depósito de magma hacia la superficie a través de un conducto volcánico, la presión disminuye y se crea un fenómeno de nucleación. Estas burbujas son muy importantes porque aligerarán el magma, facilitarán su ascenso y permitirán el desarrollo de una sobrepresión que provocará la erupción.
Hasta ahora y desde los primeros trabajos de vulcanología física a finales de los años 50, todo el mundo suponía que la nucleación de las burbujas era esencialmente provocada por esta descompresión. Queríamos probar otra hipótesis, porque pensamos que podría haber otro mecanismo que desempeña un papel al menos igual de importante.
Nuestro razonamiento fue el siguiente: la teoría nos dice que la diferencia de presión entre una microburbuja y el líquido ambiental es una fuente de energía mecánica que hace crecer la burbuja. Leyendo este trabajo teórico nos dijimos que conocíamos otra fuente de energía mecánica: la cizalladura, que se produce cuando el magma está en movimiento y hay diferencias de velocidad.
Por ejemplo, en un conducto volcánico que conecta un depósito de magma en lo profundo del cráter del volcán, cuando el magma asciende, la velocidad es muy alta en el centro del conducto, pero casi nula en los bordes debido a la fricción. Esta diferencia de velocidad crea una cizalladura dentro del magma, y este movimiento del líquido viscoso ejerce una fuerza sobre las paredes de las burbujas que probablemente las ayuda a crecer.
Mis colegas y yo buscamos ejemplos en la vida cotidiana que respaldaran esta hipótesis. Tomemos el ejemplo de una botella de refresco: una vez abierta demasiado rápido, todo se sale. Si esperas unas horas con el tapón abierto no se formarán más burbujas. Pero si cogemos la botella y la agitamos, vemos aparecer de nuevo las burbujas. Al mezclar, aportamos energía mecánica al sistema. Esta observación diaria apoyó nuestra hipótesis. Quedaba por demostrarlo.
Gracias a nuestros experimentos de laboratorio, logramos este objetivo: pudimos observar directamente la formación de burbujas bajo el efecto de cizallamiento en un líquido sobresaturado con gas. De este modo, hemos demostrado que el cizallamiento puede desencadenar la nucleación de burbujas en los magmas.
Este descubrimiento aclara fenómenos contraintuitivos para los que los vulcanólogos hasta ahora no tenían explicación. Un magma no rico en gas disuelto, que a priori daría lugar a una erupción efusiva, puede volverse explosivo bajo el efecto de cizallamiento. Y viceversa, es posible que los magmas muy viscosos y muy ricos en gas, de los que se espera una erupción muy explosiva, al final no exploten y se emitan silenciosamente en forma de cúpula. Si la nucleación es muy eficiente y la coalescencia de las burbujas crea canales de desgasificación conectados a la superficie, lo que destruiría el potencial explosivo de la erupción.
¿Cómo consiguieron demostrar la existencia de este mecanismo en los volcanes?
Como un sistema volcánico es muy complejo, especialmente debido a las altas presiones y temperaturas, llevamos a cabo los llamados experimentos analógicos en el laboratorio, es decir, utilizando materiales que no son naturales pero que tienen un comportamiento similar.
LEER TAMBIÉN Microcristales, la memoria viva de los volcanesComo análogo del magma, tomamos un material llamado óxido de polietileno, que fundimos a sólo 80°C, una temperatura mucho más baja que la temperatura de un volcán. Saturamos este líquido con CO2 en lugar de vapor de agua, como en el caso de los volcanes, porque nuestro líquido tenía más afinidad con este gas.
Luego insertamos una muestra en un reómetro, un dispositivo capaz de medir el comportamiento de los líquidos, y cortamos la muestra. Concretamente, rotamos la muestra entre dos placas: una estática y la otra moviéndose hacia adelante y hacia atrás, creando así velocidades diferenciales. Una de las placas era transparente, lo que nos permitió observar directamente las burbujas que aparecen y luego crecen bajo el efecto del cizallamiento.
Repitiendo los experimentos y variando las propiedades del líquido y, sobre todo, el contenido de gas, pudimos incluso definir una ley que vincula la fuerza que se debe aplicar para desencadenar la nucleación con la cantidad de gas presente en el líquido. Cuanto más gas contiene el líquido, menos fuerza cortante se necesita para crear burbujas. Y viceversa, cuanto menor sea la cantidad de gas disuelto, mayor será la fuerza a aplicar para generar las burbujas.
Nos llevó casi tres años, porque primero teníamos que encontrar el material adecuado: un líquido con una viscosidad óptima, es decir, que fluyera bien pero no con demasiada facilidad, de lo contrario se habría escurrido antes de que pudiéramos cerrar el reómetro. El segundo desafío fue desarrollar un método para saturar este líquido con CO2.
Lo hicimos construyendo pequeñas cámaras de presión: colocamos el líquido en una campana de presión conectada a un tanque de CO.2 que se inyecta durante más de quince horas. Como CO2 está bajo presión, entra gradualmente en el líquido. Y obviamente luego tuvimos que realizar los experimentos variando los parámetros y repitiéndolos para asegurar la reproducibilidad de los resultados.
¿Cuáles son las consecuencias concretas de su descubrimiento para la predicción de erupciones volcánicas y la protección de las poblaciones que viven cerca de volcanes activos?
De hecho, este es el objetivo a largo plazo de toda nuestra investigación en vulcanología. Si bien predecir erupciones sigue siendo muy difícil, cada vez somos mejores en predecir sus consecuencias. Para anticiparlos es necesario simular fenómenos volcánicos: coladas de lava, columnas de lava, nubes de fuego. Tenemos las herramientas para hacerlo. Con un modelo digital podemos predecir qué zonas se verán afectadas por productos eruptivos y saber si son zonas habitadas o no. Esto es esencial para la gestión de riesgos y la protección de la población. Y aquí es donde nuestro resultado entra en juego.
Para ejecutar estos modelos primero debemos comprender y simular lo que sucede aguas arriba, en el conducto volcánico: cómo fluye el magma y cómo se forman las burbujas. Gracias a nuestros resultados, ahora sabemos que debemos tener en cuenta no sólo la descompresión del magma, sino también el efecto de cizallamiento para simular la formación de burbujas.
Esto nos permitirá predecir, de forma más realista, dónde y cuándo se formarán las burbujas, qué volumen ocuparán -lo que nos dirá si el estilo eruptivo será efusivo o explosivo- y a qué velocidad se mezclará el magma en el cráter. Y es esta información la que podemos utilizar en modelos que simulen fenómenos volcánicos.
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Para nosotros, el siguiente paso será diseñar nuevos experimentos en los que podamos desencadenar la formación de burbujas mediante cizallamiento o descompresión, para acercarnos aún más a un sistema volcánico real. Este es un nuevo desafío, porque aún no tenemos un dispositivo para variar la presión.
También planeamos hacer experimentos en los que agregamos partículas al líquido que simularán cristales en el magma, porque sabemos que las burbujas se forman más fácilmente si hay una superficie sólida, como en una botella de refresco donde se forman burbujas a lo largo de la pared. Luego intentaremos cuantificar el cizallamiento necesario en este caso para desencadenar la nucleación.
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