Mount Rinjani, Indonesien, 1995 utbrott. Synliga vulkaniska blixtnedslag kan förekomma i hela plummen, osynliga gnistor kan förekomma i lågtrycksområdet för stående chockvågor som bildas i området nära ventilen. Upphovsman:Oliver Spalt CC-BY-SA 3.0
Tänk dig att du gör dig redo att flyga till ditt favoritresmål när plötsligt en vulkan bryter ut, skicka massiva mängder vulkanisk aska till atmosfären, och tvingar avbokning av ditt flyg. Det var precis vad som hände i april 2010 när Eyjafjallajokull, en vulkan på Island, utbröt och störde flygresor i Europa i sex dagar. Forskare använder nu plasmafysik för att förutsäga egenskaperna hos dessa farliga aska.
Vulkaner är sprickor i en planets skorpa och förekommer i hela solsystemet. På jorden, vulkaner finns vanligtvis längs gränserna för kolliderande eller avvikande tektoniska plattor eller på hål i vår planets skorpa som kallas hotspots.
Under ett vulkanutbrott, det är ett utflöde av högtrycksgas genom ett munstycke eller ventilationsöppning. Detta orsakar vad forskare beskriver som en stående chockvåg att bildas i området nära ventileringen (figur 1). En chockvåg är en störning som rör sig snabbare än ljudets hastighet, som en sonisk boom, och orsakar en täthetsuppbyggnad när den sprider sig. En stående chockvåg är en som förblir stillastående, så täthetsuppbyggnaden förblir på plats. Även om dessa stående chockvågor tidigare har undersökts i samband med raketplommon och bränsleinsprutning, det finns relativt få studier som rör utflödet av en gas som innehåller fina partiklar, särskilt vulkanisk aska.
Nyligen, en forskargrupp vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) använde plasmafysik för att undersöka hur tillsatsen av vulkanisk aska påverkar egenskaperna hos den vulkaniska stående chockvågen och kom fram till en upptäckt.
Modell, simulering, och experimentera. a) Gnistor uppstår i lågtrycksregionen vid stående chockvågor. Gnistorna stängs av av den snabba tryckökningen på den stående stötytan (Mach Disk, röd). b) Simulering av gasutflödeshastigheten visar att hastigheten sjunker vid chockytan vilket leder till att gas samlas upp och trycket ökar. c) Experimentbild som visar elektriska gnistor under stötytan, övre gnistor spårar ut stötytan. Kredit:modell och simuleringsbilder av författaren, experimentbild med tillstånd av Clare Kimblin &Ian McKenna, Specialteknologilaboratorium, Mission Support och testtjänster.
"Våra simuleringar visar att vulkanisk aska ändrar höjden, bredd, och livslängden för den stående chockvågen, "säger doktor Jens von der Linden, LLNL -fysiker och ledande forskare om projektet som kommer att presentera resultaten denna vecka på American Physical Society Division of Plasma Physics -konferensen i Ft. Lauderdale, Florida.
Samarbetspartners vid Ludwig-Maximillian University upptäckte nyligen i stötrörsexperiment att ljuset från plasma av elektriska gnistor skisserar den stående stötytan i närvaro av vulkanisk aska (figur 2). Denna upptäckt tillåter nu spårning av den stående chockvågformen i laboratorieexperiment med olika partikel-gasblandningar genom avbildning av elektriska gnistor.
Observationer av vulkanutbrott tyder på att laddade askpartiklar i lågtrycksområdet i den stående chockvågen kan bilda gnistor, som kan detekteras av de radiovågor de producerar. I framtiden, forskare kan triangulera de elektriska gnistlägena från radiovågsmätningar för att bestämma den stående chockvågstrukturen ovanför den vulkaniska ventilen och, genom att jämföra formen med numeriska och experimentella resultat från Dr. von der Linden och kollegor, uppskatta askpartikelhalten i ett utbrott.
"Dessa askuppskattningar kan användas för att utveckla tidiga förutsägelser av vulkaniska aska som kan vara farliga för luftfarten, precis som vi såg vid utbrottet i Eyjafjallajokull 2010 på Island, "sade doktor von der Linden.
