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Las erupciones volcánicas arrojan lava, roca y ceniza al aire. Cuando los fragmentos de estos materiales se mezclan y chocan en el flujo de salida, pueden crear un potencial eléctrico lo suficientemente grande como para generar un rayo.
Una nueva investigación llevada a cabo por científicos y colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) ha descubierto que las ondas de choque estacionarias en el flujo supersónico de gases impiden la propagación de descargas eléctricas como chispas y relámpagos. Esto sugiere que las ondas de choque estacionarias formadas por una erupción volcánica pueden suprimir o reducir los relámpagos del volcán durante la fase inicial de una erupción. La nueva investigación aparece en la revista Communications Earth & Environment.
En la naturaleza, las descargas eléctricas en forma de rayos se observan con frecuencia no sólo en las nubes de tormenta, sino también en entornos muy diversos que presentan flujos turbulentos cargados de partículas, como las plumas volcánicas y los diablos de polvo.
Durante la descarga eléctrica, se pueden registrar las emisiones de radiofrecuencia (RF), lo que proporciona un medio para seguir la evolución progresiva en el espacio y el tiempo de la fuente del rayo. Al igual que la detección de nubes de tormenta y truenos, la detección de radiofrecuencia también se está utilizando para detectar e informar sobre los peligros asociados a los penachos volcánicos cargados de ceniza y a las nubes de ceniza. En particular, los relámpagos en volcanes activos en estado de agitación pueden indicar el inicio de una actividad explosiva peligrosa y la producción de penachos de ceniza. Además, tanto las descargas observables como las emisiones de RF pueden revelar los mecanismos que inician los rayos y ofrecer pistas sobre la composición del material en erupción.
Las erupciones volcánicas explosivas pueden generar relámpagos que emiten firmas de RF. Además, en los primeros momentos de la erupción, las ondas de choque del flujo supersónico pueden mediar en la trayectoria del rayo, modificando de forma reconocible las firmas de radiofrecuencia.
El equipo ha observado las chispas y las ondas de choque en un chorro supersónico transitorio de microdiamantes arrastrados por el argón. Las ondas de choque representan una transición brusca en la densidad del gas y, por tanto, en la tendencia del gas a ionizarse. Las simulaciones cinéticas y de dinámica de fluidos del experimento ilustraron cómo las chispas observadas están limitadas por el choque estacionario.
"Demostramos que las chispas transmiten una impresión del flujo explosivo y abren el camino a una instrumentación novedosa para diagnosticar fenómenos explosivos actualmente inaccesibles", afirmó el autor principal, Jens von der Linden, antiguo científico del LLNL que ahora trabaja en el Instituto Max Planck de Física del Plasma.
Las erupciones volcánicas explosivas producen flujos supersónicos debido a la liberación repentina de los gases sobrepresurizados contenidos en el magma en erupción, lo que da lugar a ondas de choque.
Las observaciones de volcanes en erupción en Alaska, Islandia y Japón han revelado que, en los primeros segundos tras el inicio de una erupción explosiva, se registran firmas de radiofrecuencia distintas de las producidas por los rayos formadores de líderes en las proximidades (entre decenas y centenares de metros) de los respiraderos de los volcanes.
"Si las fuentes de emisión continua de radiofrecuencia cerca de las chimeneas están reguladas por ondas de choque estacionarias, las antenas distribuidas podrían localizarlas, rastreando la evolución de la onda de choque estacionaria reguladora y proporcionando información sobre la presión y el contenido de partículas del flujo explosivo", dijo Jason Sears, científico del LLNL e investigador principal del proyecto. "Los experimentos de descompresión rápida y las simulaciones que dirigió Jens permiten observar y analizar los eventos explosivos que producen RF en su inicio".
Fuentes, créditos y referencias:
Jens von der Linden et al, Standing shock prevents propagation of sparks in supersonic explosive flows, Communications Earth & Environment (2021). DOI: 10.1038/s43247-021-00263-y