Vad händer när lava och vatten möts? Explosiva experiment med konstgjord lava hjälper till att svara på denna viktiga fråga.

Genom att koka upp 10-liters satser av smält sten och injicera dem med vatten, forskare kastar ljus över den grundläggande fysiken för lava-vatteninteraktioner, som är vanliga i naturen men dåligt förstådda.

Projektet – ett långsiktigt, pågående studie ledd av universitetet i Buffalo – publicerade sina första resultat den 10 december i Journal of Geophysical Research (JGR):Solid Earth .

Forskarna varnar för att antalet tester hittills är litet, så teamet kommer att behöva genomföra fler experiment för att dra säkra slutsatser.

Forskningen visar att möten med lava-vatten ibland kan generera spontana explosioner när det finns åtminstone cirka en fot smält sten över blandningspunkten. I tidigare, studier i mindre skala som använde ungefär en kaffekopps lava, forskare i Tyskland fann att de behövde tillämpa en oberoende stimulans - i huvudsak pricka vattnet i lavan - för att utlösa en explosion.

Resultaten rapporterade i JGR:Solid Earth pekar också på några preliminära trender, visar att i en serie tester, större, mer lysande reaktioner tenderade att uppstå när vatten forsade in snabbare och när lava hölls i högre behållare. (Teamet körde totalt 12 experiment där vatteninsprutningshastigheterna varierade från cirka 6 till 30 fot per sekund, och där lava hölls i isolerade stållådor som varierade i höjd från cirka 8 till 18 tum.)

"Om du tänker på ett vulkanutbrott, det finns mäktiga krafter som verkar, och det är inte en mild sak, " säger huvudutredaren Ingo Sonder, Ph.D., forskare vid Centrum för Geohazards Studies vid UB. "Våra experiment tittar på den grundläggande fysiken för vad som händer när vatten fastnar i smält sten."

Sonder kommer att diskutera resultaten på en presskonferens vid 2018 års AGU höstmöte idag, måndag, 10 december klockan 16.00 Eastern Time i rummet Shaw/LeDroit Park på våning M3 på Marriott Marquis hotel, 901 Massachusetts Ave NW, Washington, DC 20001. Denna presskonferens kommer också att strömmas live på AGU:s pressevenemangs webbsida och en inspelning av presskonferensen kommer att arkiveras på AGU:s YouTube-kanal. Reportrar som är intresserade av att strömma presskonferensen och delta på distans bör gå till webbsändningssidan på 2018 Fall Meeting Media Center -webbplatsen.

Sonder kommer också att presentera en affisch om denna forskning på tisdag, 11 dec kl 13.40-18. Eastern Time i Walter E. Washington Convention Center, Hall A-C, i session V23J.

Studien finansierades av National Science Foundation.

Förutom Sonder, UB medförfattare inkluderade Andrew G. Harp, Ph.D., som bidrog till projektet som UB geologi Ph.D. kandidat och är nu lektor i geologiska och miljövetenskaper vid California State University, Chico; Alison Graettinger, Ph.D., som bidrog till projektet som postdoktor för geologi vid UB och nu är biträdande professor i geovetenskap vid University of Missouri-Kansas City; Pranabendu Moitra, Ph.D., som bidrog till projektet som postdoktor i geologi vid UB och är nu postdoktor vid Lunar and Planetary Laboratory vid University of Arizona; och Greg Valentine, Ph.D., professor i geologi vid UB College of Arts and Sciences och chef för Center for Geohazards Studies vid UB. Ralf Büttner, Ph.D., och Bernd Zimanowski, Ph.D., från Universität Würzburg i Tyskland bidrog också.

Förstå möten med lavavatten vid riktiga vulkaner

I naturen, närvaron av vatten kan göra vulkanisk aktivitet farligare, som under tidigare utbrott av Hawaiis Kilauea och Islands Eyjafjallajökull. Men i andra fall, reaktionen mellan de två materialen är dämpad.

Sonder vill förstå varför:"Ibland, när lava möter vatten, du ser enorma, explosiv aktivitet. Andra tider, det finns ingen explosion, och lavan kan bara svalna och bilda några intressanta former. Det vi gör är att försöka lära oss om de förhållanden som orsakar de mest våldsamma reaktionerna."

Så småningom, fynd från det långsiktiga projektet kan förbättra forskarnas förmåga att bedöma risken för att vulkaner nära is, sjöar, hav och underjordiska vattenkällor poserar för människor som bor i omgivande samhällen.

"Forskningen är fortfarande i ett mycket tidigt skede, så vi har flera års arbete framför oss innan vi kan titta på hela utbudet och kombinationen av faktorer som påverkar vad som händer när lava eller magma möter vatten, säger Valentine, studie medförfattare och föreståndare för Centrum för Geohazards Studies vid UB.

"Dock, allt vi gör är med avsikten att göra skillnad i den verkliga världen, "säger han." Att förstå grundläggande processer som har med vulkaner att göra kommer i slutändan att hjälpa oss att göra bättre prognossamtal när det gäller utbrott. "

Storskaliga vulkanexperiment

Lava-vatteninteraktioner är förknippade med ett fenomen som kallas kylvätskeinteraktion med smält bränsle, där ett flytande bränsle (en värmekälla) reagerar våldsamt med en flytande kylvätska. Mycket av det experimentella arbetet på detta område har gjorts inom ramen för industrisäkerhet, med fokus på att förstå potentiella faror i kärnkraftverk och metallproduktionsanläggningar.

Lavavattenexperimenten bygger på tidigare forskning inom detta område, samtidigt som man fokuserar på smält sten.

Arbetet äger rum på UB:s Geohazards Field Station i Ashford, New York, cirka 40 mil söder om Buffalo. Drivs av UB Center for Geohazards Studies, anläggningen ger forskare en plats att genomföra storskaliga experiment som simulerar vulkaniska processer och andra faror. I dessa tester, forskare kan kontrollera förhållanden på ett sätt som inte är möjligt vid en riktig vulkan, diktera, till exempel, lavapelarens form och hastigheten med vilken vattnet skjuter in i den.

För att göra lava, forskare dumpar basaltisk sten i en kraftfull induktionsugn. De värmer upp det i cirka 4 timmar. När blandningen når en glödhet 2, 400 grader Fahrenheit, den hälls i en isolerad stållåda och injiceras med två eller tre vattenstrålar.

Sedan, en hammare driver in en kolv i blandningen för att stimulera en explosion. (I vissa fall, om tillräckligt med smält sten fanns ovanför injektionspunkten, en intensiv reaktion började innan hammaren föll).

Förutom att identifiera några preliminära trender, den publicerade studien vittnar om de många olika fysiska processer som kan inträffa när lava och vatten möts.

"Systemresponsen på vatteninjektion varierade från mild, förångningsdominerade processer, där bara lite smälta sprutades ut från behållaren tillsammans med lite ånga, till starkare reaktioner med synliga ångstrålar, och med smältdomäner som kastas ut till flera meters höjd, " skrev forskarna i JGR:Solid Earth .

Bryt ångfilmen?

Studien undersökte inte varför boxhöjd och vatteninsprutningshastighet motsvarade de största explosionerna. Men Sonder, som har en bakgrund inom geovetenskap och fysik, ger några tankar.

Han förklarar att när en blöt vatten fångas av ett mycket hetare ämne, de yttre kanterna av vattnet förångas, bildar en skyddsfilm som omsluter resten av vattnet som en bubbla, begränsa värmeöverföringen till vattnet och förhindra att det kokar. Detta kallas för Leidenfrost-effekten.

Men när vatten injiceras snabbt i en hög kolonn av lava, vattnet - som är ungefär tre gånger lättare än lavan - kommer att rusa uppåt och blandas snabbare med det smälta berget. Detta kan göra att ångfilmen destabiliseras, säger Sonder. I den här situationen, det oskyddade vattnet skulle expandera snabbt i volym när det värmdes upp, utövar höga påfrestningar på lavan, han säger. Resultatet? En våldsam explosion.

I kontrast, när vatten sakta injiceras i grundare lavapooler, den skyddande ångfilmen kan hålla, eller så kan vattnet nå lavans yta eller fly som ånga innan en explosion inträffar, Sonder säger.

Han hoppas kunna utforska dessa teorier genom framtida experiment:"Inte mycket arbete har gjorts på detta område, " han säger, "så till och med vissa av dessa grundläggande processer är verkligen inte väl förstådda."