Desentrañando el cuándo, dónde y cómo de las erupciones volcánicas

Hay alrededor de 1.500 volcanes potencialmente activos en todo el mundo y cada año ocurren alrededor de 50 erupciones. Pero aún es difícil predecir cuándo y cómo ocurrirán estas erupciones o cómo se desarrollarán. Ahora, una nueva visión de los procesos físicos dentro de los volcanes está brindando a los científicos una mejor comprensión de su comportamiento, lo que podría ayudar a proteger a los mil millones de personas que viven cerca de los volcanes.

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Los volcanes que construyen cúpulas, que están frecuentemente activos, se encuentran entre los tipos de volcanes más peligrosos, ya que son conocidos por su actividad explosiva. Este tipo de volcán a menudo entra en erupción primero produciendo silenciosamente una extrusión en forma de cúpula de lava espesa en su cima que es demasiado viscosa para fluir. Cuando finalmente se desestabiliza, se rompe y produce corrientes rápidas de gas caliente, trozos de lava solidificada y ceniza volcánica, llamadas nubes piroclásticas, que fluyen por los lados del volcán a la velocidad de un tren rápido. "Los peligros asociados con ellos pueden ser muy espontáneos y difíciles de predecir", dijo el profesor Thomas Walter, profesor de vulcanología y peligros geológicos en la Universidad de Potsdam en Alemania. "Por eso es tan importante comprender este fenómeno de los domos de lava".

Se sabe poco sobre el comportamiento de los domos de lava, en parte porque no hay muchos datos disponibles. El profesor Walter y sus colegas quieren comprender mejor cómo se forman, si pueden variar significativamente en forma y cómo es su estructura interna. Durante los últimos cinco años, a través de un proyecto llamado VOLCAPSE, han estado utilizando técnicas innovadoras para monitorear los domos de lava utilizando datos de radar de alta resolución capturados por satélites, así como vistas de cerca de cámaras instaladas cerca de volcanes. "Píxel a píxel, pudimos determinar cómo cambió la forma, morfología y estructura de estos domos de lava", dijo el profesor Walter. "Comparamos (las imágenes de la cámara web) con las observaciones de radar por satélite".

 

Lapso de tiempo

El proyecto se centró en algunos volcanes de construcción de cúpulas como Colima en México, Monte Merapi en Indonesia, Bezymianny en Rusia y Monte Lascar y Lastarria en Chile. En parte, implicó visitarlos e instalar instrumentos como cámaras de lapso de tiempo alimentadas por paneles solares que se podían controlar de forma remota. Si se comenzara a formar una cúpula de lava, por ejemplo, el equipo podría modificar la configuración para capturar imágenes de mayor resolución con más frecuencia. Debido a las grandes altitudes y las duras condiciones climáticas, configurar las cámaras fue más desafiante de lo esperado. "Fue una curva de aprendizaje aguda, pero también de prueba y error, porque nadie podía decirnos qué esperar en estos volcanes, ya que nunca se había hecho antes", dijo el profesor Walter.

Durante sus visitas, el equipo también utilizó drones. Estos volarían sobre un domo de lava y capturarían imágenes de alta resolución desde diferentes perspectivas, que podrían usarse para crear modelos 3D detallados. Los sensores de temperatura y gas de los drones proporcionaron información adicional. El profesor Walter y sus colegas utilizaron los datos para crear simulaciones por computadora, como cómo el crecimiento de los domos de lava cambia de una erupción a otra. Descubrieron que las nuevas cúpulas de lava no siempre se forman en el mismo lugar: una cúpula de lava puede formarse en la cima de un volcán durante una erupción, mientras que la próxima vez se acumula en uno de sus flancos. El equipo estaba desconcertado, ya que un conducto dentro de un volcán trae magma a la superficie durante una erupción, lo que significaría que cambia su orientación entre una erupción y la siguiente. "Eso fue muy sorprendente para nosotros", dijo el profesor Walter.

 

Campo de estrés

Pudieron explicar cómo sucede esto al examinar la distribución de las fuerzas internas, o el campo de tensión, en un volcán. Cuando se expulsa magma durante una erupción, cambia la forma en que se distribuyen las fuerzas en el interior y provoca una reorientación del conducto. El equipo también descubrió que había un patrón sistemático sobre cómo cambiaba el campo de estrés, lo que significa que al estudiar la posición de los domos de lava, podían estimar dónde se habían formado en el pasado y dónde aparecerían en el futuro. Esto podría ayudar a determinar qué áreas cercanas a un volcán probablemente se verán más afectadas por las erupciones que están por venir.

"Este es un resultado muy bueno para la investigación predictiva si desea comprender de dónde saldrá (o colapsará) el domo de lava en el futuro", comentó.

Saber de dónde hará erupción un volcán es una cosa, pero saber cuándo lo hará es otra cuestión y los factores físicos que gobiernan esto tampoco se comprenden bien. Aunque existe una relación entre la frecuencia con la que ocurren las erupciones y su tamaño, con grandes erupciones que ocurren muy raramente en comparación con las más pequeñas, la falta de datos confiables dificulta el examen de los procesos que controlan la frecuencia y magnitud de las erupciones. "Cuando se remonta al registro geológico, (los rastros de) muchas erupciones desaparecen debido a la erosión", dijo el profesor Luca Caricchi, profesor de petrología y vulcanología en la Universidad de Ginebra en Suiza.

Además, no es posible acceder a estos procesos directamente ya que ocurren en las profundidades de un volcán, a profundidades de 5 a 60 kilómetros. Medir la química y las texturas del magma expulsado durante una erupción puede proporcionar algunas pistas sobre los procesos internos que llevaron al evento. Y las cámaras de magma a veces se pueden investigar cuando surgen en la superficie de la Tierra debido a procesos tectónicos. Sin embargo, extraer información de períodos de tiempo específicos sigue siendo difícil, ya que la "imagen" que obtiene es como una película en la que todos los fotogramas se contraen en una sola toma. "Es complicado recuperar la evolución en el tiempo, lo que realmente sucedió durante la película", dijo el profesor Caricchi.

El profesor Caricchi y sus colegas están utilizando un enfoque novedoso para pronosticar la tasa de recurrencia de erupciones. Las predicciones anteriores se basaban típicamente en análisis estadísticos de los registros geológicos de un volcán. Pero a través de un proyecto llamado FEVER, el equipo tiene como objetivo combinar este método con el modelado físico de los procesos responsables de la frecuencia y el tamaño de las erupciones. Se ha utilizado un enfoque similar para estimar cuándo volverán a ocurrir terremotos e inundaciones.

El uso de modelos físicos debería ser especialmente útil para hacer predicciones de volcanes donde hay pocos datos disponibles. "Para extrapolar nuestros hallazgos de un lugar donde sabemos mucho, como en Japón, se necesita un modelo físico que le diga por qué cambia la relación frecuencia-magnitud", dijo el profesor Caricchi. Para crear su modelo, el equipo incorporó variables que afectan la presión en el depósito de magma o la tasa de acumulación de magma en la profundidad debajo del volcán. La viscosidad de la corteza debajo del volcán y el tamaño del depósito de magma, por ejemplo, juegan un papel clave. Han realizado más de un millón de simulaciones utilizando todas las posibles combinaciones de valores que pueden ocurrir. La relación entre la frecuencia y la magnitud que obtuvieron de su modelo fue similar a lo que se estimó utilizando registros volcánicos, por lo que creen que pudieron capturar los procesos fundamentales involucrados.

"Es una especie de lucha entre la cantidad de magma y las propiedades de la corteza", aclara Caricchi. "Son los dos grandes jugadores que luchan entre sí para finalmente llevar a esta relación".

 

Placas tectónicas

Sin embargo, el equipo también encontró que la relación entre el tamaño y la frecuencia de los cambios en los volcanes de diferentes regiones. El profesor Caricchi cree que esto se debe a las diferencias en la geometría de las placas tectónicas en cada área. "Podemos ver que la velocidad a la que una placa se subduce debajo de otra, y también el ángulo de subducción, parecen jugar un papel importante en la definición de la frecuencia y magnitud de una erupción resultante", dijo. El equipo ahora está comenzando a incorporar esta nueva información en su modelo.

Ser capaz de predecir la frecuencia y magnitud de futuras erupciones utilizando un modelo podría ayudar a evaluar mejor los peligros. En Japón, por ejemplo, uno de los países con los volcanes más activos, conocer la probabilidad de futuras erupciones de varios tamaños es importante a la hora de decidir dónde construir infraestructura como plantas de energía nuclear.

También es invaluable en áreas densamente pobladas, como en la Ciudad de México, que está rodeada de volcanes activos, incluido el Nevado de Toluca. El profesor Caricchi y sus colegas estudiaron este volcán, que no ha entrado en erupción durante unos 3.000 años. Descubrieron que una vez que se reinicia la actividad magmática, pasarían unos 10 años antes de que pudiera ocurrir una gran erupción. Este conocimiento evitaría la evacuación de la Ciudad de México si se detectan signos iniciales de actividad. "Una vez que se reinicia la actividad, sabes que tienes diez años para seguir la evolución de la situación", dijo el profesor Caricchi.

 

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