Что происходит, когда лава встречается с водой? Взрывные эксперименты с рукотворной лавой помогают ответить на этот важный вопрос.
Приготовив 10-галлонные порции расплавленной породы и наполнив их водой, ученые проливают свет на основы физики взаимодействия лавы и воды, которые распространены в природе, но плохо изучены.
Проект - долгосрочное постоянное исследование под руководством Университета Буффало - опубликовал свои первые результаты 10 декабря в Журнале геофизических исследований (JGR): Solid Earth.
Ученые предупреждают, что количество тестов пока невелико, поэтому команде потребуется провести больше экспериментов, чтобы сделать твердые выводы.
Исследование показывает, что столкновение лавы с водой может иногда вызывать спонтанные взрывы, когда над точкой смешивания находится по крайней мере около фута расплавленной породы. В более ранних исследованиях меньшего масштаба, в которых использовалось количество лавы примерно на одну кофейную чашку, немецкие ученые обнаружили, что им нужно применить независимый стимул - по сути, прокалывать воду внутри лавы - чтобы вызвать взрыв..
Результаты, представленные в JGR: Solid Earth, также указывают на некоторые предварительные тенденции, показывающие, что в серии испытаний более крупные и яркие реакции, как правило, происходили, когда вода втекала быстрее и когда лава удерживалась в более высоких контейнерах.. (Команда провела в общей сложности 12 экспериментов, в которых скорость подачи воды варьировалась от 6 до 30 футов в секунду, а лава хранилась в изолированных стальных ящиках высотой от 8 до 18 дюймов.)
«Если вы думаете об извержении вулкана, то увидите, что в нем действуют мощные силы, и это нелегкая вещь», - говорит ведущий исследователь Инго Сондер, доктор философии, научный сотрудник Центра изучения геологических опасностей при Университете Университета Нью-Йорка. «Наши эксперименты изучают основы физики того, что происходит, когда вода попадает в ловушку внутри расплавленной породы».
Сондер обсудит выводы на осенней встрече AGU 2018 сегодня.
Исследование финансировалось Национальным научным фондом.
Понимание встречи лавы с водой в реальных вулканах
В природе присутствие воды может сделать вулканическую активность более опасной, например, во время прошлых извержений Килауэа на Гавайях и Эйяфьятлайокудль в Исландии. Но в других случаях реакция между двумя материалами подавлена.
Сондер хочет понять, почему: «Иногда, когда лава сталкивается с водой, вы видите огромную взрывную активность. В других случаях взрыва нет, и лава может просто остыть и принять интересные формы. Что мы делаем, так это пытаемся узнать об условиях, вызывающих самые бурные реакции».
В конце концов, результаты долгосрочного проекта могут улучшить способность ученых оценивать риск, который вулканы вблизи льдов, озер, океанов и подземных источников воды представляют для людей, живущих в близлежащих сообществах.
Исследование все еще находится на очень ранней стадии, поэтому у нас впереди несколько лет работы, прежде чем мы сможем рассмотреть весь спектр и комбинацию факторов, влияющих на то, что происходит, когда лава или магма сталкиваются воды», - говорит Валентайн, соавтор исследования и директор Центра изучения геологических опасностей в Университете Университета.
«Однако все, что мы делаем, направлено на изменение реального мира», - говорит он. «Понимание основных процессов, связанных с вулканами, в конечном итоге поможет нам лучше прогнозировать извержения».
Масштабные вулканические эксперименты
Взаимодействия лава-вода связаны с явлением, известным как взаимодействие расплавленного топлива с теплоносителем, при котором жидкое топливо (источник тепла) бурно реагирует с жидким теплоносителем. Большая часть экспериментальной работы в этой области проводилась в контексте промышленной безопасности с упором на понимание потенциальных опасностей на атомных электростанциях и предприятиях по производству металлов.
Эксперименты с лавовой водой основаны на предыдущих исследованиях в этой области, но при этом основное внимание уделяется расплавленной породе.
Работы проводятся на полевой станции геологических опасностей UB в Эшфорде, штат Нью-Йорк, примерно в 40 милях к югу от Буффало. Управляемый Центром изучения геологических опасностей UB, объект дает ученым место для проведения крупномасштабных экспериментов, моделирующих вулканические процессы и другие опасности. В этих тестах исследователи могут контролировать условия так, как это невозможно в реальном вулкане, диктуя, например, форму столба лавы и скорость, с которой вода попадает в него.
Чтобы получить лаву, ученые помещают базальтовую породу в мощную индукционную печь. Они нагревают его около 4 часов. Когда смесь достигает температуры 2 400 градусов по Фаренгейту, ее выливают в изолированный стальной ящик и впрыскивают двумя или тремя струями воды.
Затем молоток загоняет поршень в смесь, чтобы стимулировать взрыв. (В некоторых случаях, если над точкой нагнетания находилось достаточное количество расплавленной породы, перед падением молота начиналась интенсивная реакция).
Помимо выявления некоторых предварительных тенденций, опубликованное исследование свидетельствует о большом разнообразии физических процессов, которые могут происходить при встрече лавы и воды.
Реакция системы на закачку воды варьировалась от мягких процессов с преобладанием испарения, при которых лишь небольшое количество расплава выбрасывалось из контейнера вместе с паром, до более сильных реакций с видимыми паровыми струями и выбросом доменов расплава в несколько метров в высоту», - написали ученые в JGR: Solid Earth.
Разрыв паровой пленки?
В исследовании не изучалось, почему высота коробки и скорость впрыска воды соответствовали самым сильным взрывам. Но Зондер, имеющий опыт работы в области геолого-геофизических наук, предлагает некоторые мысли.
Он объясняет, что когда капля воды захватывается гораздо более горячим веществом, внешние края воды испаряются, образуя защитную пленку, которая окутывает остальную часть воды, как пузырь, ограничивая передачу тепла в воду. и предотвращая его закипание. Это называется эффектом Лейденфроста.
Но когда вода быстро вводится в высокий столб лавы, вода, которая примерно в три раза легче лавы, будет двигаться вверх и быстрее смешиваться с расплавленной породой. По словам Сондера, это может привести к дестабилизации паровой пленки. По его словам, в этой ситуации незащищенная вода будет быстро увеличиваться в объеме по мере нагревания, оказывая сильное давление на лаву. Результат? Сильный взрыв.
Напротив, когда вода медленно впрыскивается в более мелкие лужи лавы, защитная паровая пленка может удержаться, или вода может достичь поверхности лавы или выйти в виде пара до того, как произойдет взрыв, говорит Сондер..
Он надеется изучить эти теории с помощью будущих экспериментов: «В этой области было проделано не так много работы, - говорит он, - поэтому даже некоторые из этих основных процессов на самом деле недостаточно хорошо изучены».