10 دقیقه
تیم‌های علمی یک محرک جدید و غافلگیرکننده در داخل مجاری آتشفشانی یافته‌اند: نیروهای برشی که مانند «ورز دادن» ماگما عمل کرده و پیش از کاهش فشار، حباب‌های گازی را تولید میکنند. این مکانیسم به توضیح این سؤال کمک میکند که چرا برخی فوران‌های پرگاز آرام می‌مانند در حالی که برخی دیگر انفجاری می‌شوند. در ادامه می‌خوانید که این کشف چه معنایی برای درک مخاطرات آتشفشانی دارد و پژوهشگران چگونه این فرایند را در آزمایشگاه و با مدل‌سازی عددی بازسازی کردند.
تحقیقات جدید نشان می‌دهد که ماگمای آتشفشانی میتواند حباب‌های گازی را نه تنها در نتیجه کاهش فشار هنگام صعود، بلکه از طریق نیروهای برشی داخلی که «ماگما را ورز می‌دهند» نیز تولید کند. این حباب‌های ناشی از برش میتوانند یا شتاب انفجاری را فعال کنند یا مسیرهای فرار گاز را باز کنند و در نتیجه فورانی که می‌توانست خشونت‌آمیز باشد را آرام سازند. چنین بینشی اهمیت عمده‌ای برای پیشبینی نوع فوران (فرار گاز آرام یا انفجار ناگهانی) دارد.
بازاندیشی در فرایند شکل‌گیری حباب: فراتر از روایت کاهش فشار
برای دهه‌ها، توضیح استاندارد شکل‌گیری حباب در ماگما بر پایۀ کاهش فشار (decompression) متمرکز بود. وقتی ماگما به سمت سطح بالا می‌آید، فشار پیرامون کاهش یافته و گازهای محلول از فاز ماگما خارج می‌شوند—شبیه به دی‌اکسیدکربن که از یک بطری شامپاین باز شده بیرون می‌جهد. زمانی که تعداد زیادی حباب شکل می‌گیرند، ماگما سبک‌تر شده، شتاب می‌گیرد و امکان خردشدن و فوران انفجاری فراهم میشود.
با این حال مشاهدات میدانی بارها استثناهایی را نشان داده‌اند. برخی آتشفشان‌ها با ماگمای ویسکوز و پرگاز—شرایطی که معمولاً با فوران‌های خشن همراه است—بعضاً جریان‌های لاوای کند و چسبنده‌ای داشته‌اند. نمونه‌هایی مانند فوران کوه سنت هلنز در ایالات متحده و آتشفشان کوییزاپو در شیلی نشان داده‌اند که تنها محتوای گاز تصویر کامل را ارائه نمی‌دهد و پارامترهای دینامیک جریان نیز نقش کلیدی دارند.
تحقیقات جدید یک عنصر حیاتی را به معادله اضافه میکند: برش (shear). وقتی ماگما در مجرا جریان می‌یابد، سرعت در مرکز بیشتر و در کنار دیواره‌ها کندتر است و این اختلاف سرعت، گرادیان‌های سرعت ایجاد میکند. این گرادیان‌ها تنش‌های برشی را بر سنگ مذاب اعمال میکنند و همان‌طور که پژوهش‌ها نشان می‌دهند، این تنش‌های برشی میتوانند مستقیماً هستهسازی (nucleation) و رشد حباب را القا کنند. این فرایند به خصوص در مجاری با هندسه پیچیده، تغییرات ویسکوزیته و سرعت‌های جریان قابل توجه، اهمیت پیدا میکند، یعنی شرایطی که در بسیاری از آتشفشان‌های فعال دیده میشود.
آزمایشهای آزمایشگاهی و مدلهای عددی: رصد شکل‌گیری حباب تحت برش
برای تجسم و کمّی‌سازی این اثر، تیم پژوهشی یک نمونهٔ آزمایشگاهی کنترل‌شده ساخت. آن‌ها از سیالی ویسکوز استفاده کردند که رفتار ذوب سیلیکاتی را شبیه‌سازی می‌کرد و آن را با دی‌اکسیدکربن اشباع نمودند. سپس با حرکت دادن سیال نسبت به مرزها، برش وارد کردند تا لغزش ماگما در امتداد دیوارههای مجرا را ب模سازی کنند. این رویکرد رئولوژیک اجازه می‌داد نرخ‌های برش و تنش‌های معین را به‌دقت کنترل و ثبت کنند.
زمانی که نرخ برش از آستانه‌ای گذشت، حباب‌ها ناگهان ظاهر شدند—بدون هیچ تغییر محسوس در فشار محیط. حباب‌ها تمایل داشتند در نزدیکی مرزها و جاهایی که نرخ برش بالاتر بود، تشکیل شوند. علاوه بر این، حباب‌های موجود کاتالیزوری برای تشکیل حباب‌های بیشتر در مجاورت خود شدند: اختلال محلی در میدان جریان و فشار پیرامون یک حباب، هستهسازی بیشتری را تسهیل میکند. این پدیده شامل مکانیسم‌هایی مانند افزایش کشش سطحی موضعی، تغییر در توزیع غلظت گاز و ایجاد نوسانات موضعی فشار میشود.
شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای پل میان مقیاس آزمایشگاه و مجراهای طبیعی را فراهم کردند. مدل‌ها نشان دادند که هستهسازی حباب ناشی از برش بیشترین بازده را جایی دارد که ماگمای ویسکوز در برابر دیواره مجرا جریان می‌یابد و الگوی لایه‌ای (stratified) از حباب‌ها و مسیرهای گازی پدید می‌آید. هنگامی که این حباب‌ها به هم می‌پیوندند (کوآلسنس)، میتوانند کانال‌های پیوسته‌ای ایجاد کنند که اجازه می‌دهد گاز پیش از رسیدن ماگما به سطح، فرار کند. مدلهای چندفازی (multiphase CFD) که شامل پارامترهایی مانند عدد کاپیلاری، عدد رینولدز و عدد دبابا (Deborah) برای ویسکوزیته بالا بودند، نشان دادند چگونه ترکیب این پارامترها شکل‌گیری مسیرهای گازی را تعیین میکند.
الیویه باخمان، استاد آتشفشان‌شناسی و پترولوژی ماگمایی در ETH زوریخ و یکی از هم‌نویسندگان مقاله، این تغییر نگاه را کوتاه و گویا بیان میکند: برش میتواند حتی در غیاب کاهش فشار، حباب تولید کند. این بینش چارچوب زمانی آزادسازی گاز (degassing) و دینامیک فوران را بازتعریف میکند و نشان می‌دهد که مکان و زمان رشد حباب‌ها میتواند کاملاً تحت تأثیر میدان‌های برشی درون مجرا باشد.
چرا برش میتواند فوران را آرام کند — یا ناگهان خونین سازد
این مکانیسم جدید دو رفتار ظاهراً متناقض را توضیح می‌دهد.
- دگازینگ اولیه و فوران‌های ملایم: در ماگماهای پرگاز، برش میتواند رشد و هم‌پوشانی حباب‌ها را در اعماق مجرا تحریک کند. این حباب‌ها میتوانند به‌هم وصل شوند و مسیرهای فرار گاز (کانال‌های دگازینگ) را بسازند که گاز را به‌صورت تدریجی و کنترل‌شده تهویه میکنند. نتیجه این است که فشار پیش از صعود سریع تخلیه میشود و به‌جای انفجار، لاوا ممکن است به‌صورت سرازیر یا جریان آرامی خارج شود. از منظر مخاطرات، چنین دگازینگ زودهنگام میتواند شدت رویداد و پراکندگی خاکستر را کاهش دهد و زمان واکنش اضطراری را افزایش دهد.
- شتاب انفجاری ناشی از برش: برعکس، ماگمایی که ظاهر کم‌گازی دارد نیز میتواند به‌صورت انفجاری فوران کند اگر برش قوی به‌طور ناگهانی تعداد زیادی حباب تولید کند. افزایش سریع حجم حباب‌ها چگالی ماگما را کاهش داده و میتواند آن را به‌سرعت به سمت بالا شتاب دهد، که در نتیجه خردایش و فوران انفجاری رخ می‌دهد. به‌طور خلاصه، حتی یک مخزن ماگمایی که از منظر ترکیب شیمیایی یا اندازهگیریهای گازی در سطح بی‌خطر به‌نظر می‌رسد، ممکن است در مواجهه با تغییرات دینامیک جریان و برش داخلی، ناگهان خطرناک شود.
نمونه‌های تاریخی هر دو مسیر را نشان می‌دهند. در فوران سال 1980 کوه سنت هلنز، نخست یک جای‌گذاری کند از لاوای ویسکوز در داخل چاله رخ داد که به سیستم زمان داد تا محلی دگاز کند. تنها پس از ریزش زمین و باز شدن سریع دهانه—که باعث کاهش فشار ناگهانی شد—فوران به انفجاری فاجعه‌بار تبدیل شد. چنین رویدادهایی نشان می‌دهد که تعامل میان رخدادهای سطحی (مانند رانش‌ها)، هندسه مجرا و دینامیک درونی ماگما میتواند مسیر فوران را به‌طور ناگهانی تغییر دهد.
پیامدها برای پایش و ارزیابی مخاطره
گنجاندن دینامیک حبابزایی ناشی از برش در مدلهای آتشفشانی میتواند پیشبینی سبک و زمان فوران را بهبود بخشد. ابزارهای پایشی سنتی بر جریان گاز، لرزهنگاری، تغییرشکل زمین و دیگر شاخص‌های مرتبط با دگازینگ مبتنی بر کاهش فشار تمرکز دارند. با این حال، برش به هندسۀ مجرا، ویسکوزیته ماگما و نرخ جریان وابسته است—پارامترهایی که میتوانند به‌سرعت تغییر کنند و همیشه با رصدهای فعلی به‌خوبی ثبت نمی‌شوند.
به‌روزرسانی شبیه‌سازی‌های عددی فوران برای گنجاندن هستهسازی ناشی از برش به دانشمندان کمک میکند تا ارزیابی کنند آیا یک آتشفشان خاص بیشتر احتمال دارد گاز را به‌صورت آرام تخلیه کند یا به سمت یک رویداد انفجاری شتاب گیرد. این موضوع تبعات عملی برای برنامه‌ریزی تخلیه، ایمنی پرواز (خطر خاکستر)، و نقشه‌برداری خطر بلندمدت دارد. به‌عنوان مثال، تشخیص نواحی درون مجرا که نرخ برش بالا دارند میتواند به تعیین نقاط ضعف احتمالی برای تشکیل کانال‌های دگازینگ یا مکان‌های آغاز انفجار کمک کند.
فناوری و مطالعات آینده
کارهای آینده آزمایشهای رئولوژی آزمایشگاهی را با تصویربرداری با وضوح بالاتر از مجاری و پایش زمان-واقعی بهتر جفت خواهد کرد. پیشرفت‌ها در سنجش از دور (remote sensing) مانند InSAR، تحلیل اینفراسوند، و استفاده از مترهای کشش فیبر نوری (fiber-optic strain meters) میتواند به شناسایی رژیمهای جریان کمک کند که در آن‌ها دگازینگ ناشی از برش محتمل است. همچنین آزمایشهای آزمایشگاهی که از ترکیب‌های ذوب طبیعی و گازهای فرار غیر از CO2 استفاده میکنند (مانند H2O و SO2)، آستانه‌های شکل‌گیری حباب تحت برش را دقیقتر تعیین خواهند کرد.
در سطح مدل‌سازی، لازم است مدلهای چندفازی شامل انتقال جرم، تبادل حرارت، و تعامل میان حباب‌ها با زمینه ذوب توسعه یابند. استفاده از روش‌های عددی پیشرفته مانند Lattice Boltzmann، مدلهای Eulerian–Lagrangian برای ثبت حرکت ذرات و حباب‌ها، و شبیه‌سازی‌های چندمقیاس که از نتایج آزمایشگاهی به‌عنوان پارامتر ورودی استفاده میکنند، میتواند پیوند بهتری میان آزمایش و میدان برقرار سازد. همچنین پایش میدانی با استفاده از حسگرهای نوین میتواند داده‌های مورد نیاز برای اعتبارسنجی این مدل‌ها را تامین کند.
نظر کارشناسی
«این کشف یک نقطه‌کور در تفسیر رفتار آتشفشانی را پر میکند،» دکتر مایا رینولدز، آتشفشان‌شناسی که با سازمان‌های پایش همکاری میکند، می‌گوید. «برش، زمان‌بندی و مکان رشد حباب را درون مجرا تغییر می‌دهد. این میتواند تفاوت میان یک جریان لاوایی باشد که به مردم اجازه می‌دهد نزدیک آتشفشان بمانند و یک فوران انفجاری غافلگیرکننده که مجبور به تخلیه گسترده میکند. گنجاندن برش در مدلهای پیشبینی میتواند هشدارهای زودهنگام را قابل‌اطمینان‌تر کند.»
فراتر از بهبود مدلهای مخاطره، این یافته یادآور این است که فرایندهای درونی زمین اغلب بازتاب تعامل میان فیزیک شیمیایی و مکانیک سیالات هستند. تغییر ظریف در نحوه جریان یافتن ذوب میتواند به‌صورت آبشاری به تغییرات عمده در رفتار فوران بینجامد.
با گسترش تیم‌های پژوهشی برای افزایش آزمایشهای آزمایشگاهی، بهبود شبیه‌سازی‌ها و جفت‌کردن نتایج با اندازهگیریهای میدانی، دانش آتشفشان‌شناسی ابزارهای غنی‌تری برای پیشبینی فوران‌های آینده به‌دست خواهد آورد. برای اکنون، پیام روشن است: فشار تنها داور تولد حباب‌ها نیست—حرکت داخلی ماگما به همان اندازه اهمیت دارد. آگاهی از نقش برش در تشکیل حباب، پایش آتشفشانی و مدیریت ریسک را به سطح جدیدی می‌برد و نیازمند هماهنگی میان پژوهشگران، سازمان‌های پایش و تصمیم‌گیرندگان محلی است.
منبع: scitechdaily
نظرات
کاوه_
من چندبار توی کوه‌خودمون شبه‌ونیز دیدم جریان کند، شاید همین برشه که اجازه میده گاز فرار کنه…
توربو
شاید شاخ و برگ داده‌سازی هم باشه، بیش از حد نتیجه‌گیری نکنیم. آزمایش جالبه ولی واقعیت مجرا پیچیده ست
لابکور
خلاصه‌ش اینه که دینامیک جریان مهمه. مدل‌ها خوبن ولی میخوام داده‌های میدانی بیشتر ببینم، مخصوصا برای H2O
راهگر
واقعاً؟ یعنی برش می‌تونه بدون کاهش فشار حباب ایجاد کنه؟ اگه اینطوره پس خیلی چیزا باید بازنویسی شه، داده‌ها کجاست؟
ارسال نظر