هل تريد أن ينفجر بركان؟ فقط أضف الحرارة

بالعربي/ في المرة القادمة التي يتم فيها تقديم مشروب كولا مسطح ، اعجب أصدقاءك بلغة البركان. اشكو للنادل من أن مشروبك “قد نفد من المواد المتطايرة”. بعد ذلك ، اقترح أنه إذا تم تسخين الكولا ، فقد تنخفض قابليتها للذوبان ، مما يحفز نمو الفقاعات ، مما يؤدي إلى تحسين المذاق و / أو “اندلاع انتيابي”. 

إذا استمروا في الاستماع ، أخبرهم أن هذا ما يحدث في البراكين. أظهر مقال جديد نُشر في مجلة Nature مؤخرًا “التأثير الحاسم للتغيرات الحرارية في الصهارة المتزايدة” – بمعنى أن التغيرات في درجات الحرارة التي لم يتم تقديرها سابقًا يبدو أنها تتحكم في حدوث الانفجارات وانفجارها. 

كابوم

تندلع البراكين بشكل متفجر عندما تصل الصهارة المشحونة بالغاز إلى سطح الأرض. يشير علماء البراكين إلى الغازات البركانية على أنها مواد متطايرة لأن كمية هذه الغازات داخل الصهارة الصاعدة تحدد ما إذا كان البركان ينفجر (بطريقة  متطايرة  ) أو يتدفق ببطء. 

تشكل فقاعات الغاز ونموها عمليات معقدة تثير إعجاب كل عالم البراكين تقريبًا. هناك علماء براكين ينظرون داخل بلورات صغيرة لقياس الكميات الضئيلة من الغاز المذاب ، وهناك علماء براكين يستخدمون التحليل الطيفي – على وجه التحديد دراسات حول كيفية امتصاص المعادن للأشعة فوق البنفسجية – لقياس الغازات الغزيرة التي تتصاعد من فتحات التهوية. يقوم علماء البراكين التجريبيون بإذابة الصخور البركانية وبثها بالغازات. وهناك علماء براكين للنمذجة العددية ، والذين قد لا يغامرون أبدًا في هذا المجال ولكنهم يطورون كودًا متطورًا لمحاكاة تفريغ الغاز والانفجارات البركانية.

لكنهم جميعًا يفكرون في ما يحدث لقطعة من الصهارة عندما ترتفع باتجاه فتحة البركان وتتفكك. 

تبدأ الصهارة في أعماق البركان في الصعود ببطء ، لكنها في النهاية تتسارع نحو سطح الأرض. يحدث هذا لأنه كلما ارتفعت الصهارة فإنها تهرب من الضغط الزائد السحق وتنمو الفقاعات. تتغير بيئة الصهارة بشكل كبير ، وكذلك طبيعة الصخور المنصهرة ، بما في ذلك – والأهم من ذلك – كمية الغاز البركاني التي تغذي الانفجار.

لنتخيل أن رحلة الصهارة تبدأ بحوالي ميلين ، أو ما يقرب من 3 كيلومترات ، تحت فتحة بركانية. هذا هو تقريبًا عمق قاعدة بركان كبير ، والضغوط هناك شديدة: تتعرض الصهارة عند هذا العمق لما يقرب من ألف ضعف الضغط الموجود في الغلاف الجوي. نتيجة لذلك ، تنتقل الصهارة عبر الكسور الطويلة أو “السدود” التي تشبه الألواح ، بدلاً من القنوات الشبيهة بالأنابيب التي تسود بالقرب من السطح. عندما تتدفق الصهارة ، تتشقق الصخور الباردة المحيطة عدة بوصات ، أو ربما قدمين ، مما يسمح للصهارة بالمرور. 

في مثل هذه الأعماق ، تكون الصهارة عبارة عن سائل شديد اللزوجة ، غالبًا (ولكن ليس دائمًا) يسبح بالبلورات ، ولكنه إلى حد كبير يخلو من الفقاعات. لا يعني عدم وجود الفقاعات عدم وجود غاز ، بل يعني أنه غالبًا ما يكون مقيدًا أو مذابًا داخل الصهارة. سيكون ما لا يقل عن 1 في المائة (وربما 5 في المائة) من كتلة الصهارة عند هذا العمق غازًا غير مرئي محبوس. 

في حين أن كميات الغاز هذه قد لا تبدو كبيرة جدًا ، فكر ، على سبيل المثال ، إذا كانت الصهارة ستملأ 1 في المائة من كتلة محتويات حوض الاستحمام الساخن الصغير. سيحتوي على أكثر من 50 رطلاً. (حوالي 20 كيلوغرامًا) من الغاز ، والذي ، إذا تم توسيعه بشكل كارثي – كما هو معتاد أثناء الانفجارات البركانية – يعادل الطاقة المنبعثة من حوالي 50 رطلاً. من انفجار مادة تي إن تي ، أو حوالي 100 ميغا جول من الطاقة.

الصهارة ، حتى عندما تكون خالية من الفقاعات ، تصعد بسبب الطفو. نظرًا لأنها أقل كثافة إلى حد ما من الصخور الباردة المحيطة بها ، فإنها نوعًا ما تطفو في طريقها إلى الأعلى. 

في البداية ، قد ترتفع ببطء ، ولكن عندما تصل الصهارة إلى مستويات أقل ، يمكن أن تتسارع. تحدث تغيرات كبيرة في المصهور مع انخفاض الضغط المحاصر. يبدأ المزيد من الفقاعات في الظهور ، وتعمل على تقليل الكثافة الكلية للسائل. مع توسع هذه الفقاعات ، تنخفض الكثافة أكثر. ثم يزداد الطفو ، مما يسهل الصعود السريع ، وتعزيز تكوين الفقاعات وتوسيعها. تؤدي هذه التغذية الراجعة إلى انخفاض الكثافة وزيادة الطفو. 

تستمر هذه الدورة حتى يتمزق الصهارة. هذه الفقاعات غير المرئية تمزق الصهارة المحيطة إلى أشلاء ، ويتم تفجير الغاز والرماد وأي قطعة من البركان في الطريق من الحفرة.

الدور الخفي للحرارة

كان هذا التفريغ المتحكم فيه بالضغط هو النموذج العلمي القياسي للانفجارات المتفجرة. ولكن الآن ، أدخل يان لافالي ، الأستاذ في كلية العلوم البيئية بجامعة ليفربول في إنجلترا ، تعديلًا رئيسيًا على هذا النموذج. في ورقة بحثية جديدة في مجلة نيتشر بعنوان “الحويصلة الحرارية أثناء الانفجارات البركانية”.الإعلانات

أثبت لافالي أنه في حين أن إزالة ضغط الصهارة معرضة للتخلص من الغازات ، فإنها تتخلص من الغازات أكثر عندما ترتفع درجة حرارتها. ومن المحتمل أن ترتفع درجة حرارتها وتتخلص من الغازات أكثر مما يعتقد العلماء.

يتفق العلماء على أنه لكي تتواجد الصهارة في شكل مذاب ، بدلاً من صخور صلبة ، يجب أن تكون ساخنة. في المتوسط ​​، تبلغ الصهارة 2000 درجة فهرنهايت تقريبًا ، أو حوالي 1000 درجة مئوية. 

ومع ذلك ، فإن الأمر الأقل شيوعًا هو أن الصهارة يمكن أن تصبح أكثر سخونة قليلاً من خلال عمليتين موجودتين في معظم قنوات البراكين. 

أولاً ، تطلق الصهارة الحرارة عندما تبدأ أجزاء منها في  التجمد . تمامًا كما هو الحال في الماء ، ينتج التجميد بلورات ، وعندما تتشكل البلورات ، فإنها تصدر حرارة. سنتيمتر مكعب (حوالي 0.06 بوصة مكعبة) من البلورات “المتجمدة” ، مثل الكوارتز ، سوف تسخن كيلوغرامًا (حوالي 2.2 رطل) من الصهارة المحيطة بمقدار 5 درجات مئوية (9 درجات فهرنهايت). يمكن أن تؤدي هذه الحرارة المضافة إلى خروج الغاز من الصهارة السائلة.

ثانيًا ، سوف تسخن الصهارة لأنها تتدفق عبر قنوات ضيقة. عندما يتم دفع السوائل اللزجة من خلال الشقوق أو الأنابيب الضيقة ، فإن الصخور المتدفقة تطلق الحرارة بسبب الاحتكاك. الصهارة فائقة الالتصاق التي تتدفق إلى الكراك تشبه نوعًا ما يتم ضغطها من خلال إبرة التجويف الصغيرة للحقنة. سوف تسخن الحلوى أيضًا وتصبح أكثر سيلانًا. 

يقترح لافالي ، الذي كان الباحث الرئيسي في الدراسة ، وزملاؤه ، أسباب التسخين الكبيرة لتلك العمليات ، ودمج فهم الجيولوجيين الموجود مسبقًا للقيود الجيوفيزيائية مع تحليلات عينات الصخور والمحاكاة المختبرية للعمليات.

من البراكين والأدلة

في عام 2013 ، صعد لافالي قبة سانتياجويتو ، وهو بركان نشط في غواتيمالا ، للبحث عن الصخور التي تحمل شهادة على الاحتكاك الحراري. 

السطح الرمادي للقبة عبارة عن مجموعة مختلطة من أشواك صخرية بحجم المنزل ، مقذوفة على مدى العقود الماضية ، ولا تزال – في بعض الأماكن – تنبثق. تم ضغط الكتل الهائلة باتجاه السطح على شكل صهارة لزجة ولزجة بشكل لا يصدق. في هذه العملية ، تكسرت هذه الصخور وتشققت قبل أن تلتحم لاحقًا من التعرض المستمر للحرارة الشديدة (حوالي 1000 درجة مئوية) داخل البركان. 

بحث لافالي في حمم القبة عن هذه الشقوق الملتئمة ، والتي افترض أنها ستمثل ممرات أحفورية للغاز المتسرب. عندما عاد إلى مختبره ، وجد دليلاً له: تحت المجهر الإلكتروني ، كشفت قوام هذه الشقوق الملدنة شظايا رماد مجمدة في مكانها بعد نقلها بواسطة تيارات من الغاز الساخن الناشئ عن هوامش الشقوق.

مذهل  ل التجارب aboratory يؤيد أيضا نظرية. أخذ لافالي وزملاؤه  عينات صخرية بحجم قبضة اليد من الحمم البركانية ودفعوها معًا  بقوة هائلة ، ثم قاموا بتدوير عينة صخرية ببطء ضد أخرى .  وقد أدى ذلك إلى  توليد احتكاك وحرارة شديدين   – بما يكفي لإذابة الصخور وإطلاق غاز غزير كان محبوسًا في السابق .

تربط القطعة الأخيرة من اللغز القصة بأكملها معًا: درس شركاء الجيوفيزياء في Lavallée جزءًا قريبًا من قبة Santiaguito ، التي تقع على بعد ربع ميل (حوالي 0.4 كم) من مكان جمع العينات. كانت هذه القبة تندلع بشكل نشط عندما زار الفريق ، ومرة ​​واحدة تقريبًا في الساعة ، كان سطح القبة وداخلها يرتجفان لأعلى ، مما يجبر الصخور اللزجة على التدفق والتشوه الداخلي. 

من وجهة نظر آمنة ، كان النشاط الدوري مذهلاً. في غضون ثوانٍ من بداية الانفجار البركاني ، ترتفع أعمدة الرماد والغاز إلى مئات الأمتار وتصل في النهاية إلى أكثر من كيلومتر. يتم نفخ الكتل المتوهجة بحجم أفران الميكروويف باتجاه السماء ثم تصطدم بجوانب البركان ، وتنفتح وتتدحرج إلى أسفل.

التقط الجيوفيزيائيون الحركات الخفية تحت الأرض المرتبطة بها في Santiaguito باستخدام مجموعة من الأدوات ، بما في ذلك مقاييس الزلازل (التي تقيس الحركات في الأرض) ومقاييس الميل (التي تقيس إمالة سطح الأرض). تكشف هذه المستشعرات عن عمق وحجم حركة الصخور – وهي بيانات استخدمها الباحثون لتقدير كمية الغاز التي تتراكم خلال الدورات البركانية. الإعلانات

وفقًا لنظرية لافالي ، يمكن أن تؤدي حركاته الصخرية والصهارة إلى زيادة درجات الحرارة بمئات الدرجات ، مما يعزز تطاير الصهارة “المسطحة” سابقًا وما تلاه من تفريغ عنيف. تعمل صخور القبة والانفجارات البركانية في Santiaguito كدليل محير على كيف يمكن أن يؤدي التسخين الاحتكاكي إلى انفجارات بركانية.

في معظم النواحي ، تعد الحمم البركانية والكولا المسطحة من Santiaguito نظائرها الرهيبة. ومع ذلك ، يقدم سلوك Santiaguito نظرة ثاقبة لفهم العمليات الحيوية التي تؤثر على الانفجار البركاني في البراكين المماثلة الأخرى – تكشف النتائج في مختبر Santiaguito البركاني عن ديناميكيات البراكين القبة الخطرة في جميع أنحاء العالم.

المصدر/ livescience.comالمترجم/barabic.com