Fontäner av lava, dofter av giftiga gaser, sura plymer av förångat havsvatten och filtar av aska:det är bara några av de faror som vulkaner har levererat de senaste veckorna, med Guatemalas Fuego-vulkan och Hawaiis Kilauea-vulkan som var och en producerar sitt kraftigaste utbrott på årtionden.

Dussintals människor har dött och tusentals fler har evakuerats i området runt Fuego som ett resultat av dess utbrott den 3 juni. Som Kilauea, som i början av maj 2018 inledde en våldsam episod i ett utbrott som har pågått i nästan 35 år, Fuego var knappast i vila innan denna senaste explosion. Det spyder ofta lava och aska flera gånger på ett år och kan ha många små utbrott på en enda dag.

Men den här gången var Fuego-utbrottet annorlunda. Skadan kom snabbt och kraftfullt i en kaotisk blandning av sten, gas och aska känt som ett pyroklastiskt flöde – skapar scener av förstörelse som inte liknar bilderna av krypande lava som har dykt upp från Kilauea. Kontrasten ger en påminnelse om att sätten på vilka vulkaner blir farliga kan vara lika varierande som de platser och samhällen där de mullrar till liv.

Stanford University geologer Gail Mahood (emerita) och Don Lowe, professorer i geologiska vetenskaper vid School of Earth, Energi- och miljövetenskap, har båda studerat vulkaner på nära håll. De diskuterade överraskande mysterier som finns kvar för forskare kring vulkaniska faror, vad och hur forskare kan lära sig av Fuego och andra vulkaner efter att askan lagt sig och en del av vetenskapen bakom vulkanhoten.

Vilka skillnader fick Fuego att få ett så våldsamt utbrott jämfört med Kilauea?

DON LOWE:Vi har just sett i Guatemala denna lilla stad begravd i het aska. Utbrott i Amerika tenderar att producera enorma mängder aska, damm, spillror och kantiga block, och vulkanerna har ofta höga, branta kottar. Täta moln av het aska och bråte mullrar nerför backarna som godståg och tar bara fart när de går. Regn och stormar kan mobilisera löst spillror på dessa branta sluttningar och skapa kalla skräpflöden. Hawaii-vulkaner tenderar att få utbrott av mindre våldsamma floder och lavafontäner.

GAIL MAHOOD:Alla vulkaner i Centralamerika och i Cascades i Nordamerika skiljer sig från Hawaii genom att de är relaterade till subduktionszoner, platser där en tallrik kläms under en annan. De är mycket mer explosiva, delvis för att magma som de bryter ut har mer vatten löst i sig – upp till 10 gånger så mycket som i Hawaii-vulkaner.

Tänk på magma som en flaska champagne. När du poppar toppen, man sänker trycket och den CO2-gasen som löstes i champagnen bildar bubblor och kommer ut.

Vatten, CO2, svavelgaser, fluor och klor löses i magma när det lagras under högt tryck djupt i jorden. Men om magma stiger snabbt, de flyktiga elementen kommer ut ur lösningen i bubblor som växer så snabbt att bubbelväggarna går sönder. Det är som ett magmaskum som bryts i bitar och bara flyger isär.

Magmas på Hawaii kan ha vatten som bara utgör hälften av en viktprocent. Om du har 4 eller 6 procent vatten i en magma som vi ser i Centralamerika, du har så mycket större potential för explosiva utbrott.

Vulkaner i subduktionszoner har också mer trögflytande, klibbigare magma, som ger mer motstånd när bubblorna växer. Som ett resultat, trycket inuti bubblorna kan bli mycket högre. Så det är fler bubblor som går sönder på grund av mer vatten, och när bubblorna äntligen går sönder, de gör det med större kraft.

Hur bildas pyroklastiska flöden efter utbrottet av en vulkan som Fuego i Guatemala?

MAHOOD:Dessa kan bildas direkt från ett explosivt utbrott, eller så kan de bildas av lava som kommer ut och svalnar lite, fastnar och fyller ventilen. Då kanske det blir en jordbävning, eller ny magma trycker den underifrån, och att lavan som täcker ventilen kommer ut i en kaskad av heta block. De fortsätter att brusa och producera aska. Människor runt Fuego dödas till stor del av pyroklastiska flöden.

Du har studerat hur vulkaner kan utlösa farliga flöden av inte bara lava och aska, men också tjock, trögflytande blandningar av partiklar och vatten som kallas skräpflöden. Kan du beskriva ett exempel på hur denna typ av flöde börjar, och vad kan man göra för att minimera skadorna när det väl är igång?

LOWE:1985, skräpflöden efter utbrottet av vulkanen Nevado del Ruiz i Colombia dödade cirka 20, 000 människor i en stad som heter Armero, 60 kilometer (37 miles) nedförsbacke. Dessa flöden uppstod när het aska, som de saker som kommer ut från Fuego, landade på en glaciär runt toppen. En mindre askabloss smälte bara en liten del av den glaciären och skickade enorma volymer vatten forsande nedför kanjoner.

Vi lärde oss genom att titta på äldre avlagringar i vägavbrott runt den här staden att detta hade varit en vanlig process tidigare. Alla element fanns där som borde ha fått en planerare att inse att detta inte var en bra plats för en stad. Bättre geologiska studier skulle ha visat att området hade drabbats av många liknande katastrofer tidigare. Faktiskt, Farokartor skapade månaderna före utbrottet visade att Armero skulle vara i vägen för alla lerflöden (en typ av skräpflöde) som utlöstes av vulkanen. Men de kartorna var inte allmänt spridda.

Vi förstår fortfarande inte helt hur skräpflöden fungerar eller hur en del av dem kan färdas så långt över mycket låga sluttningar. En lovande teori är att vatten sugs under huvudflödet som vattenplaning på dina däck. En annan teori handlar om hur partiklar interagerar i flödet. Bär de bara passivt i vätskan? Kanske partiklar i ett skräpflöde beter sig som gasmolekyler i en ballong – de kolliderar med varandra, utöva påtryckningar och hjälpa till att hålla sig avstängda.

Dessa detaljer är viktiga för att förstå hur långt skräpflöden kan gå, hur mycket saker de kan bära, hur snabbt de bildas – som alla är relevanta för om du bygger städer runt vulkaner, bestämma hur långt bort de behöver vara och utvärdera faran med bosättningar och byar som redan finns där.

Katastroftjänstemän i Guatemala har sagt att Fuegos utbrott den 3 juni drabbade mer än 1 miljon människor. Hur jämför detta med några av de största utbrotten i historien?

MAHOOD:Det här är inte ett stort utbrott av fantasin. Ett av de stora problemen i Guatemala och många andra platser – i Indonesien och Filippinerna, till exempel – är den stora befolkningen packad på och runt vulkaner av denna typ. Måttligt små utbrott kan döda många människor.

Fuego är en mycket aktiv vulkan. Förmodligen, vad som händer den här gången är att det har varit lite mer explosivt än normalt, så dessa pyroklastiska flöden tar sig längre ner i vulkanen. Istället för att gå nedför flankerna av den spetsiga, konisk vulkan och typ slocknar, de tar sig ut i flankerna och rinner ut i byar.

Är det möjligt att förutse om och när ett givet utbrott kommer att orsaka denna typ av fara?

MAHOOD:Vi kan ofta förutse att det kommer ett utbrott. Det som är svårare att förutsäga är den exakta karaktären av utbrottet och tidpunkten för debut.

För att kartlägga vulkaniska faror, vulkanologer går in på fältet och kartlägger fotavtrycket av ett utbrott:aska som föll högt upp i luften, avlagringar från pyroklastiska och skräpflöden, och lava. Aska kan täcka tiotusentals kvadratkilometer, men partiklarna är kalla när de landar så de är katastrofala bara nära vulkanens öppning, där de kan vara tillräckligt tjocka för att kollapsa tak.

Tillbaka i labbet, vi använder kol- eller argondatering för att lära oss hur frekventa varje typ av utbrott har varit tidigare. Alltmer, vi analyserar också kristaller som växte i magman före ett utbrott. De fungerar som små mätare av temperatur, tryck och gasinnehåll, så de kan hjälpa oss att rekonstruera magmans uppstigning och dess lagringsförhållanden.

Det bästa av allt är om dessa analyser kan integreras med geofysiska studier av seismicitet eller deformation runt vulkanen. Fuego är svårt att observera eftersom det är kraftigt skogbevuxet, och när du väl kommer till toppen är det täckt av moln. Geofysiker har blivit mycket bra på att förutsäga utbrott vid Kilauea på Hawaii och Mount St. Helens i Washington, eftersom de har sett så många utbrott. Vi känner mycket väl till tecknen på att magma rör sig genom jordskorpan vid Kilauea:toppmötet töms och jordbävningar förändras i stil på ett speciellt sätt. Det enda som inte är säkert är när ett utbrott som det pågående vid Kilauea ska upphöra.

Finns det något sätt att anpassa sig till hot från vulkanutbrott?

LOWE:Vi har bosatt områden utan större oro för naturkatastrofer och faror. Dock, när en katastrof inträffar, vi måste försöka begränsa framtida tillväxt i det området och på platser som står inför liknande risker. Vi kanske inte ser ett riktigt katastrofalt utbrott under våra liv. Men i våra barns eller barnbarns liv, det kommer oundvikligen att bli utbrott som utplånar stora befolkningscentra. Vi måste inse hur viktigt det är att se längre fram i framtiden än bara imorgon.