Mikroskopiska bubblor kan berätta historier om jordens största vulkanutbrott och geoforskare från Rice University och University of Texas i Austin har upptäckt att några av dessa berättelser är skrivna i nanopartiklar.

I en studie med öppen tillgång publicerad online i Naturkommunikation , Rices Sahand Hajimirza och Helge Gonnermann och UT Austins James Gardner svarade på en långvarig fråga om explosiva vulkanutbrott som de vid Mount St. Helens 1980, Filippinernas Mount Pinatubo 1991 eller Chiles Mount Chaitén 2008.

Geoforskare har länge försökt använda små bubblor i utbruten lava och aska för att rekonstruera några av förhållandena, som värme och tryck, som inträffar i dessa kraftfulla utbrott. Men det har funnits en historisk koppling mellan numeriska modeller som förutsäger hur många bubblor som kommer att bildas och de faktiska mängderna bubblor som mäts i utbrutna stenar.

Hajimirza, Gonnermann och Gardner arbetade i mer än fem år för att förena dessa skillnader för Plinian-utbrott. Uppkallad för att hedra Plinius den yngre, den romerske författaren som beskrev utbrottet som förstörde Pompeji år 79 e.Kr. Pliniska utbrott är några av de mest intensiva och destruktiva vulkanhändelserna.

"Utbrottsintensitet hänvisar till både mängden magma som har brutit ut och hur snabbt det kommer ut, sa Hajimirza, en postdoktor och tidigare Ph.D. student i Gonnermanns labb vid Rice's Department of Earth, Miljö- och planetvetenskap. "Den typiska intensiteten för Plinian-utbrott varierar från cirka 10 miljoner kilogram per sekund till 10 miljarder kilogram per sekund. Det motsvarar 5, 000 till 5 miljoner pickupbilar per sekund."

Ett sätt som forskare kan mäta hastigheten på stigande magma är genom att studera mikroskopiska bubblor i utbruten lava och aska. Som bubblor i champagne utan kork, magmabubblor skapas av en snabb minskning av trycket. I magma, detta gör att löst vatten läcker ut i form av gasbubblor.

"När magma stiger, dess tryck minskar, " sa Hajimirza. "Vid någon tidpunkt, det når ett tryck vid vilket vattnet är mättat, och ytterligare dekompression orsakar övermättnad och bildandet av bubblor."

När vatten kommer ut i form av bubblor, den smälta bergarten blir mindre mättad. Men om magman fortsätter att stiga, minskande tryck ökar mättnaden.

"Denna feedback avgör hur många bubblor som bildas, " sa Hajimirza. "Ju snabbare magman stiger, ju högre dekompressionshastighet och övermättnadstryck, och ju rikligare de kärnförsedda bubblorna."

I Plinius utbrott, så mycket magma stiger så snabbt att antalet bubblor är häpnadsväckande. När Mount St. Helens bröt ut den 18 maj, 1980, till exempel, den spydde ut mer än en kubikkilometer sten och aska på nio timmar, och det fanns ungefär en miljon miljarder bubblor i varje kubikmeter av det utbröt materialet.

"De totala bubblorna skulle vara runt en septiljon, " sa Hajimirza. "Det är en etta följt av 24 nollor, eller ca 1, 000 gånger mer än alla sandkorn på alla jordens stränder."

I sin Ph.D. studier, Hajimirza utvecklade en prediktiv modell för bubbelbildning och arbetade med Gardner för att testa modellen i experiment vid UT Austin. Den nya studien bygger på det arbetet genom att undersöka hur magnetitkristaller som inte är större än några miljarddels meter kan förändra hur bubblor bildas på olika djup.

"När bubblor bildar kärnor, de kan bildas i vätska, som vi kallar homogen kärnbildning, eller så kan de bilda kärnor på en fast yta, som vi kallar heterogen, " Sade Hajimirza. "Ett exempel på vardagslivet skulle vara att koka en kastrull med vatten. När det bildas bubblor på botten av grytan, snarare än i det flytande vattnet, det är heterogen kärnbildning."

Bubblor från botten av krukan är ofta de första som bildas, eftersom heterogen och homogen kärnbildning vanligtvis börjar vid olika temperaturer. I stigande magma, heterogen bubbelbildning börjar tidigare, vid lägre övermättnadsnivåer. Och ytorna där bubblor bildas är ofta på små kristaller.

"Hur mycket de underlättar kärnbildning beror på typen av kristaller, " sa Hajimirza. "Magnetiter, särskilt, är de mest effektiva."

I studien, Hajimirza, Gonnermann och Gardner inkorporerade magnetitförmedlad kärnbildning i numeriska modeller för bubbelbildning och fann att modellerna gav resultat som överensstämde med observationsdata från Plinian-utbrott.

Hajimirza sa att magnetiter sannolikt finns i all Plinian magma. Och medan tidigare forskning om inte har avslöjat tillräckligt med magnetiter för att ta hänsyn till alla observerade bubblor, tidigare studier kan ha missat små nanokristaller som endast skulle avslöjas med transmissionselektronmikroskopi, en sällan använd teknik som först nu blir mer allmänt tillgänglig.

För att ta reda på om så är fallet, Hajimirza, Gonnermann och Gardner efterlyste en "systematisk sökning efter magnetitnanoliter" i material från Plinian-utbrott. Det skulle ge observationsdata för att bättre definiera rollen av magnetiter och heterogen kärnbildning i bubbelbildning, och skulle kunna leda till bättre modeller och förbättrade vulkanprognoser.

"Att förutse utbrott är ett långsiktigt mål för vulkanologer, men det är utmanande eftersom vi inte direkt kan observera processer under ytan, " sa Hajimirza. "En av vulkanvetenskapens stora utmaningar, enligt beskrivningen av National Academies 2017, förbättrar utbrottsprognoserna genom bättre integration av de observationsdata vi har med de kvantitativa modellerna, som den vi utvecklade för den här studien."