Robban-e vagy ömlik, ez itt a kérdés!

Ősrégi tapasztalat, hogy az állatok, az emberrel szemben, megérzik a közelgő természeti katasztrófákat

A Nápolyi-öböl környékén élők, vagy más, szunnyadó vulkánok tövében fekvő települések lakói számára szó szerint élet-halál kérdése lehet, hogy mikor ébred fel a pusztításra kész alvó óriás. A vulkanológia egyik legfontosabb feladata,megpróbálni kellő időben előrejelezni a tűzhányó aktivitását, és ezzel megelőzni egy esetleges tömeges katasztrófát.

Az elmúlt napokban kétszer is erőteljes kitörés zajlott a guatemalai Santiaguito lávadómcsoport (Santa Maria vulkán) Caliente kúpján. A kitörések nem sok előjellel, egyik pillanatról a másikra következtek be és a mintegy 2 kilométer magasra emelkedő vulkáni hamufelhő alján polipkarszerűen zúdultak le a piroklaszt-árak.

E kitörések egy viszonylag hosszabb nyugalmi időszak után következtek be, akárcsak a japán Kagoshima közelében lévő Sakurajima tűzhányó esetében.

A robbanásos vulkánkitörések a természet legfélelmetesebb jelenségei közé tartoznak Forrás: Alex Vidal Brecas

Ez az utóbbi, amúgy hiperaktív vulkán szeptember vége óta szunyókált, az ilyen hosszú ideig tartó csend szokatlan volt, és aztán február 5-én ébredt fel. Ráadásul a tőle megszokott látványos módon: hatalmas hanghatás közben izzó lávacafatok repültek magasra ki a Showa kráterből, a sűrű vulkáni hamufelhőben pedig villámok cikáztak.

Villámok cikkáznak a kitörési felhöben Forrás: tuzhanyo.blog

Vajon mi dönti el azt, hogy egy vulkán kitör vagy alszik, mi dönti el, hogy a kitörés lávaöntő vagy robbanásos lesz? És vajon előre tudják ezt jelezni a vulkanológusok?

Gázok a fókuszban

A tét nem kicsi, hiszen fontos tudnunk azt, mire készüljünk, mire készítsük fel a lakosságot.

Fontos tudnunk azért is, mert hasonló kérdésre egy sűrűn lakott település közelében fekvő vulkán esetében is válaszolni kell, ahol akár több százezren lehetnek érintettek. Február 3-án az MTA-ELTE Vulkanológiai Kutatócsoport meghívására, a kőzettani vulkanológia egyik vezető szakembere tartott Budapesten előadást az MSA Distinguished Lecturer sorozat keretében. Olivier Bachmann, a zürichi ETH professzora az előadássorozat keretében két előadást adott meg, amiből választani lehetett.

Amikor a vulkáni hamfelhő összeroskad a saját súlya alatt, a tűzhányó oldalán mint piroklaszt-ár zúdul le rendkívül nagy sebességgel Forrás: tuzhanyo.blog

A többség a szupervulkánokról szóló beszámolót választotta, nekem azonban a másik témára esett a voksom. Yan Lavallée és munkatársai pont a Santiaguito példáján mutatták be azt, hogy a mély kürtőcsatornában zajló eseményeknek milyen kulcsszerepe van a robbanásos kitörések kialakulásában.

A Fülöp-szigeteki Pinatubo 1991-es altivitása kitűnő példája a robbanásos kitörésnek Forrás: Wikimedia Commons

Michael Stock és kutatótársai arra mutattak rá, hogy milyen gyorsan peregnek fel az események, és akár nagyon kevés előjel nélkül is felszínre robbanhat a magma. Végül Wim Degruyter és társai a Santorini alá néztek, és modellszámításokkal igyekeztek megérteni mi kell ahhoz, hogy a magma ne csak tárolódjon, hanem a felszínre törjön.

Adj egy kis hőt és már robbanok is!

Röviden, mit tudunk jelenleg ezekről a kulcskérdésekről? Lavallée és társai egy általánosan elfogadott nézettel szemben vetették fel, hogy

a robbanásos kitörés egyik mozgatórugója a sekély mélységben bekövetkező hőmérséklet-emelkedés lehet.

Ez különösen olyan magmáknál lehet fontos, amelyek viszkózusak, azaz lassan mozognak.

Dácitos vulkáni kőzet Forrás: USGS

Ilyen például a Santiaguito kitöréseit tápláló dácitos magma (de ugyanilyen összetételű vulkáni kőzetek építik fel a székelyföldi Csomádot is). Az általános recept a robbanásos kitöréshez az, hogy a felemelkedő magmából, a nyomáscsökkenés következtében kiválnak az addig oldott állapotban lévő gázok (hasonlóan, mint amikor kinyitjuk a pezsgős palackot).

A felszín felé közeledve egyre több gázbuborék jelenik meg a magmatestben,

ami egyre nagyobb belső nyomást jelent, és egyszer csak ez a belső feszítőerő meghaladja a magma feletti kőzettest szakítószilárdságát; a túlnyomás hatalmas robbanással szabadul fel, a magma pedig icipici darabokra szakadva robban a felszínre.

Az Oregon Államban (Egyesült Államok) 1980 májusában kitört Mount St. Helene produkálta az elmúlt évtizedek egyik legnagyobb robbanásos kitörését. A felvétel 65 kilométer távolságból mutatja a felemelkedő vulkáni hamufelhőt Forrás: Wikimedia Commons

Lavallée és társai azonban egy másik mozgatórugóra is felhívták a figyelmet: ugyanezt okozhatja a hőmérséklet emelkedése is! Vegyünk egy egyszerű kísérletet: ha a pohárban lévő kóla már hosszú ideje áll és eltávoztak belóle a buborékok, akkor visszaállíthatjuk a "gázos ízvilágot" ha kicsit felmelegítjük. Ekkor ismét buborékos lesz az ital, azonban nem azért mert felforr.

Felsznre ömlött izzó láva a Hawaii -szigeteken Forrás: Wikiemdia Commons

Mindezt jóval alacsonyabb hőmérsékleten érhetjük el. Igen ám, de mi okozza a hőmérséklet emelkedését a felszínre törő magmában? Erre több lehetőség is adott:

(1) a kristályok kiválása hőfelszabadulással jár és ez adott esetben akár közel 100 fokos hőmérséklet emelkedéssel járhat,

(2) a viszkózus magma mozgása közben nyíróerők lépnek fel. A felhalmozódó feszültség akár 200 fokos hőmérséklet emelkedést is okozhat,

(3) végül a felnyomuló magma szélén, a már szinte majdnem kikristályosodott pereme és a kürtőfal kőzete között jelentős súrlódás, dörzsölődés zajlik, ez helyi szinten akár 1000 fokos hőmérséklet emelkedést jelenthet, és emiatt a magma kristályos része helyenként visszaolvad.

Ezek a tényezők együttvéve hozzájárulnak ahhoz, hogy a magmában gázbuborékok alakuljanak ki, amelyek a viszkózus magmában különösen nagy belső feszítőerőt fejtenek ki. Mindez együtt pedig robbanásos kitöréshez vezet.

A Mount St. Helene beomlott kalderája Forrás: Wikimedia Commons

Az ilyen kitörések vulcanoi-jellegűek, amikor a hatalmas robbanás a levegőben lökéshullámot indít el, kisebb-nagyobb izzó kőzetblokkok hullnak alá akár több száz méterre a kürtőtől, majd a vulkáni hamufelhő több kilométer magasra tódul. Közben a kürtő közeli nagy tömegű része összeomlik és a vulkán oldalán zúdul le piroklaszt-ár formájában.

Az események a végén nagyon gyorsan felperegnek

Ezt állítják Michael Stock és társai, akik az olasz Campi Flegrei egyik, 4000 évvel ezelőtti kitörésének anyagát vizsgálták. Kutatásuk alapján arra a következtetésre jutottak, hogy a több kilométer mélyen lévő kristályosodó magmás test hosszú ideig vízben telítetlen állapotban marad, ami azt jelenti, hogy nem indul meg benne a gázbuborékok kiválása.

A Campi Flegrei Solfatara krátere kigőzölgésekkel Forrás: Wikimedia Commons

Ahhoz, hogy a magma elinduljon a felszín felé az szükséges, hogy a magmakamrába friss, oldott gázokban magma érkezzen (ez a gyakori eset), vagy olyan helyzet alakuljon ki, hogy a kristályosodás miatt a maradék magma oldott gázokban túltelítetté váljon, ami a megemelkedő hőmérséklettel együtt gázbuborék kiválást okoz.

Ez lecsökkenti a magma sűrűségét ez pedig adott esetben elindíthatja felfelé.

A magma mozgása kezdetben cammogós, de aztán hirtelen nagy sebességre kapcsol,

és szédítő gyorsasággal robban a felszínre. Stock és csoportja a kitörési anyagban lévő apatit ásvány elemzése alapján mutatott be megfigyeléseket. A magma felhabzása, azaz a gázok tömeges kiválása tehát csupán közvetlenül a kitörés előtt megy végbe, és így szinte előjel nélkül történhet a heves robbanásos kitörés.

A Chatién kitörése Forrás: tuzhanyo.blog

Érdemes visszaemlékezni a chilei Chaitén 2008-as és a Calbuco 2015. áprilisi kitörésére. Mindkét esetben csupán néhány órával a nagy robbanásos kitörés előtt észleltek jeleket a szakemberek, azaz nem sok idő maradt az előkészületekre.

Jön vagy marad?

Már csak az a kérdés, hogy mi kell ahhoz, hogy elinduljon a magma felfelé? Wim DeGruyter és társainak erre is van válaszuk. A Santorini 3600 évvel ezelőtti kitörése sokak által ismert. Az akkor kialakult széles kaldera közepén azóta egy méretes sziget alakult ki.

A Nea Kameni utolsó kitörése 1950-ben történt. 2011-12-ben azonban a földrengések növekvő száma és a felszín emelkedése egyértelműen azt jelezte, hogy jelentős mennyiségű magma érkezett a néhány kilométer mélyen lévő magmakamrába. Kitör-e vagy nem tör ki a vulkán, latolgatták sokan. Végül nem következett be kitörés, a kérdés azonban megmaradt: jó 50 millió köbméter friss magma nyomult fel és ez nem volt elég ahhoz, hogy kitörést indítson el.

Archív fotó a Santorini aktivitásáról Forrás: tuzhanyo.blog

Akkor mi kell ehhez? Degruyter és csapata modellszámításokat végzett, amiben azt vizsgálták, hogy a magmafeláramlás mértéke (adott idő alatt mekkora mennyiségű magma érkezik a magmatározóba) és a feltöltődés idejének hosszúsága mennyiben válaszolja meg a tárolás vagy kitörés kérdését. Azt találták, hogy nem jó a gyors feltöltés, de a hosszan elnyúló időszak sem. 50 köbkilométer nagyságú magmatározó esetében jó 50 évig tartó feltöltési időszak, évente 0.05 köbkilométer feltöltési intenzitással hozhat létre egy olyan túlnyomás értéket, ami már kitöréshez vezethet.

Nappali szürkület a Pinatubo kitörése nyomán lassan alászálló vulkáni hamu miatt Forrás: Wikimedia Commons

Érdekes módon vizsgálatuk szerint nagyobb az esély a kitörésre akkor, ha a magkamrában gázbuborékmentes magma van mert a nyomás ebben esetben sokkal gyorsabban nő, mivel az ilyen magmában az összenyomhatóság jóval kisebb). Végül, azt is hangsúlyozzák, hogy kisebb nagyságú magmakamránál nagyobb az esély a kitörésre, adott magmafeláramlás és feltöltési idő esetében.

Jutott-e előrébb a vulkanológiai megismerés?

Igen, nem is keveset! Ezek a legfrissebb eredmények már kvantitatív magyarázatot adnak a vulkánkitöréseket megelőző eseményekre. A tudományos eredmények hozzásegítenek ahhoz, hogy jobban megértsük azt, hogy mi előzi meg a különösen veszélyes robbanásos kitöréseket, és mindez arra is lefordítható, hogy milyen jeleket kell keresnünk.

Az Etna kitörése. Az aktív túzhányók közelében fekvő települések potenciális veszélyeztetettsége miatt fontos az előrejelzés fejlesztése Forrás: tuzhanyo.blog

Jelenleg úgy tűnik, hogy nagyon váratlanul, akár minden előjel nélkül is lehetnek hatalmas robbanásos kitörések.

Ennek az esélye különösen aggasztó lehet a Nápolyi-öbölben élőknek, vagy a Santorini szigetére látogatóknak.

Ezek az új eredmények azonban elősegítik, hogy újabb módszerekkel, akár a felszínmozgás még pontosabb követésével, a hőanomáliák változásának detektálásával, és a kőzettest-feszültségváltozás még finomabb skálájú mérésével növelhessük az előrejelzés idejét.

Az Etna kitörése 2015. december 3-án Forrás: Corbis /Marco Restivo

Minden perc számít, ezért kiemelten fontosak ezek az eredmények és igen, közelebb jutunk ezzel a hatékonyabb vulkánkitörés előrejelzéshez. Ehhez azonban még további kutatások, alapkutatások szükségesek,

hogy még jobban megértsük a vulkánkitörések előtti folyamatokat.

Az új eredmények pedig mind beépülnek a védekezésbe, felkészülésbe. E tudáshalmazra pedig előbb-utóbb nagy szükség lesz. Kérdés mennyi időnk van egy következő, sűrűn lakott területen bekövetkező kitörésig? Váratlan lesz, vagy marad valamennyi időnk?

(Az összeállítást Harangi Szabolcs egyetemi tanár, az MTA doktora, az ELTE Kőzettani-Geokémiai Tanszékének tanszékvezető professzora készítette)