Högt över Italiens Tyrrenska havet, utanför Siciliens norra kust, 13 elever sitter på toppen av vulkanen Stromboli när den får ett utbrott. Ask faller på deras axlar och ping-ping-pingar deras hjälmar. Marken under deras fötter darrar.

"Det är en sak att läsa och prata om seismisk och vulkanisk fara; det är en annan sak att uppleva det, " sa geofysiker Tiziana Vanorio, en biträdande professor vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskap (Stanford Earth). "Jag ville dela detta med dem."

Resan till Stromboli hade börjat dagen innan i Vanorios hemstad, Pozzuoli, en färgstark hamnstad grundad av grekerna och senare ockuperad av romarna, i mitten av en vulkanisk kaldera, eller depression, känd som Campi Flegrei. Vanorio, de 13 eleverna och två lärarkollegor gick ombord på en bärplansbåt i Neapel och seglade söderut över det djupblå vattnet i Tyrrenska havet i nästan fyra tysta timmar innan de fick syn på rök, ånga och gaser som blåser upp från Strombolis kon.

Att nå toppen skulle visa sig vara svårare – en fem timmar lång klättring uppför branta sluttningar av aska och sten. Sedimentolog Nora Nieminski, en postdoktor vid Stanford Earth och en gästinstruktör på resan, sprintade framåt för att filma drönare som hon senare skulle hjälpa eleverna att manipulera för att skapa 3D-modeller av vulkanen. Men resten av gruppen gick utan brådska. Halvvägs till toppen, de stannade för att vila nära ett mörkt ärr på vulkanens norra flank känd som Sciara del Fuoco, där vulkanen har kollapsat över sig själv.

Dionne Thomas, '20, en student på resan som är civilingenjör inom kemiteknik, minns lukten av smuts och aska, att se Tyrrenska havet reflektera himlens sena eftermiddagstvätt av orange och blått, och räknar ner minuterna mellan små lavaskurar från en calderauppförsbacke. Medan hon märkte tyngden av utmattning från den långa klättringen, Hon sa, "Jag kände mig riktigt stark."

Thomas och de 12 andra eleverna på resan besökte Stromboli som en del av ett tre veckor långt seminarium i södra Italien med fokus på vulkaner, arkeologi och vetenskapen om romersk betong – ett exceptionellt hållbart material som kan innehålla insikter för framtida material som är mer hållbara eller till och med lämpliga för att bygga livsmiljöer på Mars.

Erbjuds genom Stanfords Bing Overseas Studies Program, seminariet är ett tillfälle att dra viscerala kopplingar mellan vetenskap och historia, och att få en bättre förståelse av jorden på vägen.

Naturens laboratorium

Den napolitanska provinsen i södra Italien är en idealisk plats för att dyka in i vetenskapen om naturrisker och hur de har spelat in i det dagliga livet och innovation under tusentals år. Tätt befolkat och fyllt av dussintals vulkaner, regionen rankas som en av de farligaste på jorden. Ruinerna av en romersk hamn och en kejsarvilla kan hittas offshore, sjunkit som Atlantis till följd av oroligheter i jordskorpan. "Det är inte många platser på jorden som upplever den här typen av seismicitet och vulkanism, samtidigt som den är en gammal stad och fungerar som ett modernt samhälle, " sade Vanorio. "Det är det fina med platsen."

Underliggande seminariets exkursioner och dagliga lektioner i geofysik, egenskaperna hos romersk betong och 3-D-modellering från drönarbilder var en större övning i att hitta samband mellan olika studieområden. Det är ingen tillfällighet att studenter som valdes att delta i seminariet representerade ett brett spektrum av huvudämnen, inklusive datavetenskap, fysik, klassiker, kemiteknik och statsvetenskap.

"Det finns fortfarande vetenskapliga frågor som vi inte vet hur vi ska svara på, sade Vanorio, som upptäckte naturliga processer djupt i underytan av Campi Flegrei som speglar de i romersk betong, och har använt historiska texter för att belysa styrkor och egenskaper hos både vulkaniska och tekniska material. "Ju mer vi utnyttjar kunskap inom olika discipliner, ju mer vi kan ta itu med och lösa dessa problem."

För Amara McCune, BS '18, som gick med i ett tidigare seminarium i regionen ledd av Vanorio 2016, sammanblandningen av geofysik med dykning i regionens kultur visade sig vara en kraftfull blandning. "Den unika kombinationen av att lära sig om Pompeji, vulkanhöjning och Rom medan de är på plats, att höra från lokala guider och låta arkeologiska och geologiska experter peka ut egenskaperna hos en plats som är gjord för en otroligt rik inlärningsupplevelse, " Hon sa.

Bedriver nu en doktorsexamen. i fysik, McCune sa att seminariet i södra Italien hjälpte till att bredda hennes tänkande om hur hon skulle kunna tillämpa sin examen. "Det gjorde mig mer öppen för olika områden och ivrig att lära mig historien och krångligheterna i den naturliga världen omkring oss, " Hon sa.

Under den senaste resan, mörkret föll när gruppen, yr i väntan på vulkanens kraftfulla utbrott, bosatte sig runt Strombolis kant. "Det exploderar våldsamt och utan förvarning - dessa stora, höga smällexplosioner följt av glödande aska som flyger upp i luften, " förklarade Dulcie Head, en lärarassistent på resan och en Ph.D. student i geofysik.

Vid denna tid, eleverna kunde se askan virvla runt dem som mer än vulkansk smuts. De visste att liknande aska hade varit en nyckelingrediens i konstruktionen av amfiteatern, hamn och antik marknadsplats i Pozzuoli, och till och med Pantheon i Rom, med sin massiva, oförstärkt kupol – den största i den antika världen.

"Pozzuoli är möjligen platsen där romarna, genom att titta på naturen, blev inspirerade att göra ett ikoniskt material, " sa Vanorio. De utvecklade ett recept på betong som håller i tusentals år med hjälp av vulkanaska, kalk, små vulkaniska stenar och vatten, medan modern betong ofta smulas sönder inom 50 år.

På toppen av Stromboli, som forskare noggrant övervakar för säkerhet, eleverna hade också tillräckligt med geovetenskap som snurrade genom deras huvuden för att se själva vulkanen som ett naturligt laboratorium. "Den här vulkanen producerar bokstavligen nya stenar när vi sitter här. Den kastar dem på oss, " Head förklarade. "Det är spännande att se en så aktiv process, där en naturlig händelse också producerar nya material."

Gruppen studsade och gled nerför en stig på vulkanens sluttningar iförda gasmasker för att skydda sina lungor från aska och sand som sparkades upp av deras fötter. Tillbaka på deras hotell vid foten av ön, de skalade av sig sina masker och tvättade bort Strombolis skräp. Senare, gruppen lärde sig hur man beräknar banan och hastigheten för vulkanens ljusbågande askaprojektiler med programvara för partikelspårning.

"Detta var ett sätt för oss att använda time-lapse-bilder, " Sa Vanorio. "Jag ville ha studenter från geovetenskap, från klassikerna, och ingenjörer för att lära sig att använda det här verktyget eftersom vi befinner oss i att använda den här typen av bilder mer och mer - ofta fångade av drönare - oavsett om det är för att analysera otillgängliga klippor eller kartlägga stora gamla platser eller en byggnad. "

Det som kunde ha verkat som abstrakta beräkningar fick större resonans i ljuset av gruppens närgångna möte med utbrottet. "Jag kommer aldrig att glömma de ljusa gnistorna från utbrottet mot den mörka natten, " sa Sylvia Choo, '20, som har huvudämne i klassiker och biologi. "Det var otroligt att uppleva naturens stora kraft."

Uråldrig stad

Cirka 150 mil över den svala Tyrrenska, i Caldera Campi Flegrei eller "Burning Fields", ligger centrala Pozzuoli. I denna stad som är mest känd för många italienare som födelseplatsen för Sophia Loren, ruinerna av en romersk marknadsplats är ett nav för tvärvetenskapliga kontakter.

Pozzuoli sitter på en rastlös, Manhattan-storlek av kuststräcka där lukten av ruttna ägg av svavel drar luften. Solfatara krater, Vulcans hem, den romerska eldguden, gurglar i utkanten av stan. Och precis utanför havet, skulpturer, termiska bad, en villa, ljusa kaklade mosaiker och andra arkeologiska ruiner vilar mer än 30 fot under havsytan, offer för kalderans sättningar.

Nära Pozzuolis moderna strand, tre kolonner står bland ruinerna av den gamla marknadsplatsen, eller macellum. Studenterna visste från sina studier på campus i våras att marmortrion hade ett 2000-årigt rekord av långvariga sättningar och korta perioder av lyft. Så när kolonnerna kom till synen när gruppen först gick ner från sin villabostad, flera elever utbrast, "Åh, där är dem!"

Samlas nära kolonnerna för en föreläsning från Vanorio medan Nieminskis drönare surrade ovanför, de kunde se band av små hål borrade av så kallade "stenätare" musslor – marina blötdjur som borrade sig upp och ner i kolonnerna när calderans uppgång och fall förändrade hur mycket av strukturerna som sträckte sig över vattenlinjen. "De satte bokstavligen en prägel på historien, " sa Choo.

Genom att använda färdigheter som utvecklats i seminarier på campus ledda av Nieminski, eleverna kunde analysera historien på Macellum och andra platser med en lättare touch. De byggde 3D-modeller av marknadsplatsen från Nieminskis drönarbilder och manipulerade dem med programvara för att ta mätningar och svara på vetenskapliga frågor som de själva hade tänkt ut.

Thomas, till exempel, undersökte de olika materialen i kolumnerna för att förstå hur väderpåverkan och vattentryck underifrån spelade ut över tiden. Projektet, Hon sa, lät henne väva samman kunskap från kemiteknik, fysik och matematik, samt geofysiklektionerna från seminariet. "Efter detta seminarium, Jag är ännu mer övertygad om att många områden kan överlappa varandra, " Hon sa.

Rastlös jord

Upp- och nedgångar är en del av livet i Pozzuoli. I början av 1980-talet marken steg mer än 6 fot på bara två år, en oroväckande takt av lyft som omformade staden, lämnar hamnen för grunt för att lägga till och tvingar fram en flytt av skolor och butiker.

Den stigande havsbottnen utlöste också tillräckligt många jordbävningar för att föranleda evakuering av nästan 40, 000 personer - inklusive Vanorio, sedan tonåring – i två år med början 1982. "Alla var oroliga, " sa hon. "Folk förväntade sig ett utbrott, och vi var verkligen oroade över den seismiska faran. Husen var inte eftermonterade seismiskt."

Men som seminariestudenter lärde sig genom föreläsningar och läsningar i somras, avsnittet tipsade Stanfords forskare om en ovanlig seghet i berget här. Andra vulkaniska kalderor, som Yellowstone eller Long Valley, ligger öster om Yosemite National Park, tenderar att frigöra energin som ackumulerats från höjningen ganska snart genom jordbävningar. "De där calderorna upplever upplyftning och sedan nästan omedelbart, seismisk aktivitet börjar, " förklarade Vanorio. "Stenarna deformeras och sedan spricker de."

I Pozzuoli, jordbävningar började inte förrän Campi Flegrei-calderan hade deformerats med nästan 3 fot. "Frågan ur en rockfysisk synvinkel har varit, vilken typ av stenar i underytan kan ta emot så stora påkänningar utan att omedelbart spricka?" Stenen som täcker denna kaldera, det visar sig, innehåller fibrösa mineraler som speglar dem i romersk betong som gör att den kan töjas och böjas innan den misslyckas under stress.

På marknadsplatsen, Vanorio påpekade också att hållbarheten hos romersk betong kan ses i delar av de gamla murarna där tegelstenarna gjorda av tuff – en sorts vulkanisk sten – eroderades bort för länge sedan, men murbruket som gjorts med vulkanaska och kalk finns fortfarande kvar. "Vid slutet av dagen, dessa forntida platser är gjorda av jordmaterial som försämras och förändras över tiden, "Sade Vanorio. "Vi kan använda bergfysik för att förstå dessa material och lära oss att bevara dem bättre."

Att leva med naturliga faror

Den ikoniska konen av Mount Vesuvius reser sig mindre än 15 miles väster om Pozzuoli. Dess utbrott år 79 e.Kr. är mest känt för att förstöra Pompeji, men samma händelse begravde också Herculaneum, en badort som ligger på den komplexa stratovulkanens västra bas.

Eleverna tillbringade en förmiddag med att gå genom stadens smala gator, lägga märke till delar av vardagen kusligt bevarade av det överhettade pyroklastiska flödet av aska, smält sten, lera och gas:träkistor och skåp, målningar, den brända trädörren till ett arbetsrum.

Som en klassiker som huvudämne, Choo hade några idéer om hur livet var under romartiden innan hon började på seminariet. "Men det var fascinerande att se platserna de brukade bo, gå och umgås, " Hon sa.

Lämnar Herculaneum bakom sig på eftermiddagen, gruppen staplade in i en buss på väg till Vesuvius, källan till stadens förstörelse. Som Campi Flegrei och Stromboli, Vesuvius sitter längs en tektonisk gräns, där den afrikanska plattan glider under den eurasiska plattan. En reva i den afrikanska plattan låter värme sippra genom jordskorpan, gradvis smälter sten och bygger upp tryck under Vesuvius, som har brutit ut mer än 50 gånger sedan år 79 e.Kr. – senast 1944.

Från bussens avlämningsställe, en vandringsled ledde gruppen upp mot vulkanens kant och sedan ner till en grund hylla i kratern. På toppen, mer än 4, 000 fot över havet, luften var kall, och eleverna kunde se berg, rolling hills and cities in the distance. Bright green lizards skittered over the rust-colored rocks, fumaroles streamed sulfur-scented steam and Nieminski's drone canvassed the crater as the students listened to a local guide describe the inner workings and history of the 400, 000-year-old volcano.

Thomas remembers looking down at the sea and clouds. "I felt as if I was on top of the world, " she said. "That was the most elated I've ever been in life. It made me feel like I was experiencing to the fullest what life has to offer."