Bolhas microscópicas podem contar histórias sobre as maiores erupções vulcânicas da Terra e geocientistas da Rice University e da Universidade do Texas em Austin descobriram que algumas dessas histórias são escritas em nanopartículas.

Em um estudo de acesso aberto publicado online em Nature Communications , Sahand Hajimirza e Helge Gonnermann de Rice e James Gardner de UT Austin responderam a uma pergunta de longa data sobre erupções vulcânicas explosivas como as do Monte Santa Helena em 1980, o Monte Pinatubo nas Filipinas em 1991 ou o Monte Chaitén no Chile em 2008.

Os geocientistas há muito procuram usar pequenas bolhas na lava e nas cinzas que explodiram para reconstruir algumas das condições, como calor e pressão, que ocorrem nessas erupções poderosas. Mas há uma desconexão histórica entre os modelos numéricos que prevêem quantas bolhas se formarão e as quantidades reais de bolhas medidas nas rochas erupcionadas.

Hajimirza, Gonnermann e Gardner trabalharam por mais de cinco anos para reconciliar essas diferenças para as erupções plinianas. Nomeado em homenagem a Plínio, o Jovem, o autor romano que descreveu a erupção que destruiu Pompeia em 79 d.C. Erupções Plinianas são alguns dos eventos vulcânicos mais intensos e destrutivos.

"A intensidade da erupção se refere à quantidade de magma que entrou em erupção e à rapidez com que sai, "disse Hajimirza, um pesquisador de pós-doutorado e ex-Ph.D. estudante do laboratório de Gonnermann no Departamento da Terra de Rice, Ciências Ambientais e Planetárias. "A intensidade típica das erupções Plinian varia de cerca de 10 milhões de quilogramas por segundo a 10 bilhões de quilogramas por segundo. Isso é equivalente a 5, 000 a 5 milhões de picapes por segundo. "

Uma das maneiras pelas quais os cientistas podem medir a velocidade do aumento do magma é estudando bolhas microscópicas na lava e nas cinzas que explodiram. Como bolhas em champanhe sem rolha, bolhas de magma são criadas por uma rápida diminuição da pressão. No magma, isso faz com que a água dissolvida escape na forma de bolhas de gás.

"À medida que o magma sobe, sua pressão diminui, "Hajimirza disse." Em algum momento, atinge uma pressão na qual a água está saturada, e a descompressão posterior causa supersaturação e a formação de bolhas. "

À medida que a água escapa na forma de bolhas, a rocha derretida torna-se menos saturada. Mas se o magma continuar a subir, diminuir a pressão aumenta a saturação.

"Este feedback determina quantas bolhas se formam, "Hajimirza disse." Quanto mais rápido o magma sobe, quanto maior a taxa de descompressão e pressão de supersaturação, e quanto mais abundantes forem as bolhas nucleadas. "

Em erupções Plinian, tanto magma sobe tão rápido que o número de bolhas é impressionante. Quando o Monte Santa Helena entrou em erupção em 18 de maio, 1980, por exemplo, vomitou mais de um quilômetro cúbico de rocha e cinzas em nove horas, e havia cerca de um milhão de bilhões de bolhas em cada metro cúbico desse material em erupção.

"O total de bolhas seria em torno de um setilhão, "Hajimirza disse." Esse é um seguido por 24 zeros, ou cerca de 1, 000 vezes mais do que todos os grãos de areia em todas as praias da Terra. "

Em seu Ph.D. estudos, Hajimirza desenvolveu um modelo preditivo para a formação de bolhas e trabalhou com Gardner para testar o modelo em experimentos na UT Austin. O novo estudo baseia-se nesse trabalho examinando como os cristais de magnetita não maiores do que alguns bilionésimos de um metro podem mudar a forma como as bolhas se formam em várias profundidades.

"Quando as bolhas se nuclearam, eles podem se formar em líquido, que chamamos de nucleação homogênea, ou eles podem nuclear em uma superfície sólida, que chamamos de heterogêneo, "Hajimirza disse." Um exemplo de vida diária seria ferver uma panela de água. Quando bolhas se formam no fundo da panela, em vez de na água líquida, isso é nucleação heterogênea. "

As bolhas do fundo da panela são frequentemente as primeiras a se formar, porque a nucleação heterogênea e homogênea normalmente começa em temperaturas diferentes. No magma ascendente, a formação de bolhas heterogêneas começa mais cedo, em níveis mais baixos de supersaturação. E as superfícies onde as bolhas se nucleadas estão geralmente em minúsculos cristais.

"O quanto eles facilitam a nucleação depende do tipo de cristais, "Hajimirza disse." Magnetitas, em particular, são os mais eficazes. "

No estudo, Hajimirza, Gonnermann e Gardner incorporaram a nucleação mediada por magnetita em modelos numéricos de formação de bolhas e descobriram que os modelos produziram resultados que concordam com os dados observacionais de erupções Plinianas.

Hajimirza disse que os magnetitas provavelmente estão presentes em todo o magma Plinian. E embora a pesquisa anterior não tenha revelado magnetites suficientes para explicar todas as bolhas observadas, estudos anteriores podem ter perdido pequenos nanocristais que só seriam revelados com microscopia eletrônica de transmissão, uma técnica raramente usada que só agora está se tornando mais amplamente disponível.

Para descobrir se é esse o caso, Hajimirza, Gonnermann e Gardner pediram uma "busca sistemática de nanolitas de magnetita" em material de erupções de Plinian. Isso forneceria dados observacionais para definir melhor o papel das magnetitas e da nucleação heterogênea na formação de bolhas, e pode levar a melhores modelos e melhores previsões vulcânicas.

"Prever erupções é uma meta de longo prazo para vulcanologistas, mas é desafiador porque não podemos observar diretamente os processos de subsuperfície, "disse Hajimirza." Um dos grandes desafios da ciência vulcânica, conforme descrito pelas Academias Nacionais em 2017, está melhorando a previsão de erupções por meio de uma melhor integração dos dados observacionais que temos com os modelos quantitativos, como o que desenvolvemos para este estudo. "