O que acontece quando a lava e a água se encontram? Experimentos explosivos com lava artificial estão ajudando a responder a esta importante questão.

Ao cozinhar lotes de 10 galões de rocha derretida e injetá-los com água, os cientistas estão lançando luz sobre a física básica das interações lava-água, que são comuns na natureza, mas mal compreendidos.

O projeto - um longo prazo, estudo em andamento liderado pela Universidade de Buffalo - publicou seus primeiros resultados em 10 de dezembro no Journal of Geophysical Research (JGR):Solid Earth .

Os cientistas alertam que o número de testes até agora é pequeno, portanto, a equipe precisará conduzir mais experimentos para tirar conclusões firmes.

A pesquisa mostra que os encontros lava-água às vezes podem gerar explosões espontâneas quando há pelo menos cerca de trinta centímetros de rocha derretida acima do ponto de mistura. Antes, estudos em menor escala que usaram o equivalente a uma xícara de café de lava, cientistas na Alemanha descobriram que precisavam aplicar um estímulo independente - em essência, espetando a água dentro da lava - para desencadear uma explosão.

Os resultados relatados em JGR:Terra Sólida também apontam para algumas tendências preliminares, mostrando que em uma série de testes, maior, reações mais brilhantes tendiam a ocorrer quando a água entrava mais rapidamente e quando a lava era mantida em recipientes mais altos. (A equipe realizou um total de 12 experimentos nos quais as velocidades de injeção de água variaram de cerca de 6 a 30 pés por segundo, e em que a lava era mantida em caixas de aço isoladas que variavam em altura de cerca de 20 a 18 polegadas.)

"Se você pensar em uma erupção vulcânica, existem forças poderosas em ação, e não é uma coisa gentil, "diz o investigador principal Ingo Sonder, Ph.D., cientista pesquisador do Center for Geohazards Studies da UB. "Nossos experimentos estão examinando a física básica do que acontece quando a água fica presa dentro da rocha derretida."

Sonder irá discutir as descobertas em uma conferência de imprensa na reunião de outono da AGU 2018 hoje, Segunda-feira, 10 de dezembro às 16h Hora do Leste no quarto Shaw / LeDroit Park no nível M3 do hotel Marriott Marquis, 901 Massachusetts Ave NW, Washington, DC 20001. Esta conferência de imprensa também será transmitida ao vivo na página de eventos de imprensa da AGU e uma gravação da conferência de imprensa será arquivada no canal da AGU no YouTube. Os repórteres interessados ​​em transmitir a conferência de imprensa e participar remotamente devem acessar a página Webstreaming no site do 2018 Fall Meeting Media Center.

A Sonder também apresentará um pôster sobre essa pesquisa na terça-feira, 11 de dezembro das 13h40 às 18h00 Hora do Leste no Centro de Convenções Walter E. Washington, Hall A-C, na sessão V23J.

O estudo foi financiado pela National Science Foundation.

Além de Sonder, Os co-autores da UB incluem Andrew G. Harp, Ph.D., que contribuiu para o projeto como um doutor em geologia UB. candidato e agora é professor de ciências geológicas e ambientais na California State University, Chico; Alison Graettinger, Ph.D., que contribuiu para o projeto como pesquisador de pós-doutorado em geologia da UB e agora é professor assistente de geociências na Universidade de Missouri-Kansas City; Pranabendu Moitra, Ph.D., que contribuiu para o projeto como pesquisador de pós-doutorado em geologia da UB e agora é pesquisador associado de pós-doutorado no Laboratório Lunar e Planetário da Universidade do Arizona; e Greg Valentine, Ph.D., professor de geologia na UB College of Arts and Sciences e diretor do Center for Geohazards Studies da UB. Ralf Büttner, Ph.D., e Bernd Zimanowski, Ph.D., da Universität Würzburg na Alemanha também contribuiu.

Compreendendo os encontros de lava-água em vulcões reais

Na natureza, a presença de água pode tornar a atividade vulcânica mais perigosa, como durante as erupções anteriores do Kilauea do Havaí e do Eyjafjallajökull da Islândia. Mas em outros casos, a reação entre os dois materiais é moderada.

Sonder quer entender por que:"Às vezes, quando a lava encontra a água, você vê enorme, atividade explosiva. Outros tempos, não há explosão, e a lava pode simplesmente esfriar e formar algumas formas interessantes. O que estamos fazendo é tentar aprender sobre as condições que causam as reações mais violentas. "

Eventualmente, descobertas do projeto de longo prazo podem melhorar a capacidade dos cientistas de avaliar o risco de vulcões próximos ao gelo, lagos, oceanos e fontes de água subterrâneas representam para as pessoas que vivem nas comunidades vizinhas.

"A pesquisa ainda está nos estágios iniciais, portanto, temos vários anos de trabalho pela frente antes de sermos capazes de olhar para toda a gama e combinação de fatores que influenciam o que acontece quando lava ou magma encontra água, "diz Valentine, co-autor do estudo e diretor do Center for Geohazards Studies da UB.

"Contudo, tudo o que fazemos é com a intenção de fazer a diferença no mundo real, "ele diz." Entender os processos básicos relacionados aos vulcões nos ajudará a fazer previsões melhores no que diz respeito a erupções. "

Experimentos vulcânicos em grande escala

As interações lava-água estão associadas a um fenômeno conhecido como interação refrigerante de combustível fundido, em que um combustível líquido (uma fonte de calor) reage violentamente com um refrigerante líquido. Muito do trabalho experimental neste campo foi feito no contexto da segurança industrial, com foco na compreensão dos perigos potenciais em usinas nucleares e locais de produção de metal.

Os experimentos de lava-água baseiam-se em pesquisas anteriores nesta área, enquanto se concentra na rocha derretida.

O trabalho ocorre na Estação de Campo Geohazards da UB em Ashford, Nova york, cerca de 40 milhas ao sul de Buffalo. Administrado pelo UB Center for Geohazards Studies, a instalação dá aos cientistas um lugar para conduzir experimentos em grande escala simulando processos vulcânicos e outros perigos. Nestes testes, os pesquisadores podem controlar as condições de uma forma que não é possível em um vulcão real, ditando, por exemplo, a forma da coluna de lava e a velocidade com que a água atira nela.

Para fazer lava, cientistas despejam rocha basáltica em um forno de indução de alta potência. Eles aquecem por cerca de 4 horas. Quando a mistura atinge um 2 vermelho-quente, 400 graus Fahrenheit, é despejado em uma caixa de aço isolada e injetado com dois ou três jatos de água.

Então, um martelo aciona um êmbolo na mistura para ajudar a estimular uma explosão. (Em alguns casos, se rocha derretida suficiente estivesse presente acima do ponto de injeção, uma reação intensa começou antes que o martelo caísse).

Além de identificar algumas tendências preliminares, o estudo publicado atesta a grande variedade de processos físicos que podem ocorrer quando a lava e a água se encontram.

"A resposta do sistema à injeção de água variou de leve, processos dominados por evaporação, em que apenas um pouco de derretimento foi ejetado do recipiente junto com um pouco de vapor, a reações mais fortes com jatos de vapor visíveis, e com domínios de derretimento ejetados a vários metros de altura, "os cientistas escreveram em JGR:Terra Sólida .

Quebrando o filme de vapor?

O estudo não examinou por que a altura da caixa e a velocidade de injeção de água corresponderam às maiores explosões. Mas Sonder, que tem formação em geociências e física, oferece alguns pensamentos.

Ele explica que quando uma gota de água fica presa por uma substância muito mais quente, as bordas externas da água vaporizam, formando uma película protetora que envolve o resto da água como uma bolha, limitando a transferência de calor para a água e evitando que ela ferva. Isso é chamado de efeito Leidenfrost.

Mas quando a água é injetada rapidamente em uma alta coluna de lava, a água - que é cerca de três vezes mais leve que a lava - aumentará rapidamente e se misturará com a rocha derretida mais rapidamente. Isso pode fazer com que o filme de vapor se desestabilize, Sonder diz. Nesta situação, a água desprotegida se expandiria rapidamente em volume à medida que esquentava, impondo altas tensões na lava, ele diz. O resultado? Uma violenta explosão.

Em contraste, quando a água é injetada lentamente em poças de lava mais rasas, a película protetora de vapor pode segurar, ou a água pode atingir a superfície da lava ou escapar como vapor antes que ocorra uma explosão, Sonder diz.

Ele espera explorar essas teorias por meio de experiências futuras:"Não foi feito muito trabalho neste campo, " ele diz, "portanto, mesmo alguns desses processos básicos não são bem compreendidos."