科學家釀造熔岩並將其炸毀以更好地了解火山

當熔岩和水相遇時會發生什麼?用人造熔岩進行的爆炸性實驗有助於回答這個重要問題。

通過烹飪10加侖批次的熔岩並向其註入水,科學家們正在闡明熔岩 – 水相互作用的基本物理學,這在自然界很常見,但卻很難理解。

該項目 – 由布法羅大學領導的一項長期持續研究 – 於12月10日在地球物理研究雜誌(JGR):固體地球上發表了第一批研究成果。

科學家警告說,到目前為止測試的數量很少,因此團隊需要進行更多的實驗來得出確切的結論。

研究表明,當混合點上方至少有一英尺高的熔岩時,熔岩遇遇有時會產生自發爆炸。德國科學家在之前的小規模研究中使用了大約一杯咖啡的熔岩,他們發現他們需要施加一種獨立的刺激 – 實質上是刺激熔岩內的水 – 引發爆炸。

JGR報導的結果:Solid Earth也指出了一些初步趨勢,表明在一系列測試中,當水沖入更快並且熔岩被放置在更高的容器中時,更容易發生更大,更明亮的反應。(該團隊共進行了12次實驗,其中註水速度範圍為每秒約6至30英尺,其中熔岩位於絕緣鋼箱中,高度範圍約為8至18英寸。)

「如果你想到火山爆發,就會有強大的力量在起作用,這並不是一件溫和的事情,」首席研究員Ingo Sonder博士說,他是UB地質災害研究中心的研究科學家。「我們的實驗正在研究當水被困在熔岩中時會發生什麼的基本物理學。」

Sonder將在今天的2018年AGU秋季會議上討論這些發現。

該研究由國家科學基金會資助。

了解在真正的火山上遇到熔岩水

在自然界中,水的存在會使火山活動更加危險,例如在夏威夷的基拉韋厄火山和冰島的埃亞菲亞德拉冰蓋火山爆發期間。但在其他情況下,兩種材料之間的反應受到抑制。

Sonder想要理解為什麼:「有時,當熔岩遇到水時,你會看到巨大的爆炸性活動。有時候,沒有爆炸,熔岩可能會冷卻並形成一些有趣的形狀。我們正在做的是試圖學習關於引起最劇烈反應的條件。「

最終,長期項目的發現可以提高科學家評估冰,湖泊,海洋和地下水源附近火山對居住在周圍社區的人們造成的風險的能力。

「這項研究仍處於早期階段,因此我們需要多年的工作才能看到影響熔岩或岩漿遇到水時會發生什麼影響的整個範圍和因素組合,」瓦朗蒂娜說。 ,研究UB地質危害研究中心的共同作者和主任。

「然而,我們所做的一切都是為了在現實世界中發揮作用,」他說。「了解與火山有關的基本過程最終將有助於我們在爆發時做出更好的預測呼叫。」

大規模的火山實驗

熔岩 – 水相互作用與稱為熔融燃料冷卻劑相互作用的現象相關,其中液體燃料(熱源)與液體冷卻劑劇烈反應。該領域的大部分實驗工作都是在工業安全的背景下完成的,重點是了解核電廠和金屬生產場所的潛在危險。

熔岩水實驗建立在此領域的先前研究基礎上,同時專注於熔融岩石。

這項工作在位於紐約州阿什福德的UB’s Geohazards Field Station進行,距離布法羅以南約40英里。該設施由UB地質災害研究中心運行,為科學家提供了一個模擬火山過程和其他災害的大規模實驗的場所。在這些測試中,研究人員可以以真實火山不可能的方式控制條件,例如,指示熔岩柱的形狀和水射入其中的速度。

為了製造熔岩,科學家將玄武岩傾倒入高功率感應爐。他們將其加熱約4小時。當混合物達到2,400華氏度的紅熱時,將其倒入隔熱鋼箱中,注入兩到三股水。

然後,錘子將柱塞驅動到混合物中以幫助刺激爆炸。(在某些情況下,如果在註入點上方存在足夠的熔融岩石,則在錘子下降之前開始強烈反應)。

除了確定一些初步趨勢之外,已發表的研究證明了熔岩和水相遇時可能發生的各種物理過程。

「系統對注水的響應不同於溫和的,以蒸發為主的工藝,其中只有少量熔體從容器中排出,與一些蒸汽一起,與可見蒸汽噴射的強烈反應,以及熔化區域噴射到幾米高度,」科學家在JGR寫道:固體地球。

打破蒸汽薄膜?

該研究沒有研究為什麼箱高和注水速度與最大的爆炸相對應。但是擁有地球科學和物理學背景的Sonder提出了一些想法。

他解釋說,當一團水被更熱的物質捕獲時,水的外緣蒸發,形成一層保護膜,將其餘的水包裹起來,像氣泡一樣,限制熱量傳遞到水中並防止其沸騰。這被稱為萊頓弗羅斯特效應。

但是當水迅速注入高熔岩柱時,水 – 比熔岩輕約三倍 – 將加速向上並與熔岩更快地混合。Sonder說,這可能會導致蒸氣膜不穩定。他說,在這種情況下,未加保護的水在加熱時會迅速膨脹,對熔岩施加高應力。結果?暴力爆炸。

相比之下,當水被緩慢注入較淺的熔岩池時,保護性蒸汽膜可能會保持,或者水可能會在爆炸發生之前到達熔岩表面或作為蒸汽逸出,Sonder說。

他希望通過未來的實驗來探索這些理論:「在這個領域沒有做過很多工作,」他說,「因此,即使其中一些基本過程也沒有得到很好的理解。」