Estudo revela como as bolhas de gás moldaram o fluxo de lava de Kīlauea em 2018 – Estado do Planeta

A lava que enterrou bairros inteiros durante a erupção do Kilauea em 2018 era composta por quase 80% de bolhas de gás perto de sua fonte. Um estudo recente mostra que essas bolhas desempenharam um papel central no controle da velocidade e da distância percorrida pela lava, e que os modelos de fluxo de lava precisam levar em conta as bolhas para prever com mais precisão onde a lava irá parar.

Um dos eventos vulcânicos mais destrutivos do Havaí em dois séculos, a erupção durou de maio a setembro de 2018, cobrindo 35,5 quilômetros quadrados (13,7 milhas quadradas) – uma área com mais da metade do tamanho de Manhattan – e destruindo mais de 700 estruturas. A fonte de lava mais prolífica foi a fissura 8, conhecida como Ahu’ailā’au, que produziu um fluxo rápido, semelhante a um rio, que atingiu a costa em cinco dias.

O estudo, publicado no Jornal de Vulcanologia e Pesquisa Geotérmicabaseia-se em mais de 200 vídeos de drones, amostras de lava e modelagem numérica para rastrear como o fluxo da fissura 8 mudou em velocidade, composição interna e viscosidade à medida que viajava 13 quilômetros até o oceano. Ao tratar a lava como uma mistura de rocha líquida, bolhas de gás e cristais, o estudo revela como as interações entre esses componentes moldaram o comportamento do fluxo.

“As descobertas mostram que errar na dinâmica da bolha pode prejudicar drasticamente as previsões de fluxo”, disse o coautor Einat Levprofessor pesquisador associado do Observatório Terrestre Lamont-Doherty, que faz parte da Columbia Climate School. “Para fazer previsões precisas, você precisa da descrição correta de como a lava muda à medida que se move.”

Lendo o fluxo de lava

As previsões do fluxo de lava determinam onde as zonas de perigo são desenhadas e como as comunidades respondem a uma erupção. “Se houver um fluxo de lava indo em direção à sua vizinhança, você quer saber onde ele vai parar e quanto tempo você tem”, disse Lev. “E se você definir a zona de perigo com base na distância que a lava vai percorrer e errar, poderá estar subsegurando comunidades inteiras.”

Para examinar como o fluxo evoluiu, os pesquisadores analisaram vídeos de drones de 21 locais ao longo do canal capturados durante a erupção. Eles usaram uma técnica chamada velocimetria de imagem de partículas, que rastreia o movimento dos pixels entre os quadros de vídeo, para extrair medições de velocidade superficial e depois combinou-as com a geometria do canal e dados de inclinação para estimar a viscosidade da lava em cada local.

Eles descobriram que a lava se movia a cerca de 36 pés por segundo perto da abertura, com uma viscosidade semelhante à do óleo espesso de motor. Quase 11 quilómetros a jusante, a velocidade da lava diminuiu para menos de dois pés por segundo e a sua viscosidade aumentou substancialmente. O processo de espessamento foi gradual no início, depois acelerou com a distância.

Para entender o porquê, a equipe usou tomografias computadorizadas e microscopia para analisar amostras de lava, medindo mudanças no conteúdo de gás e cristais em diferentes pontos ao longo do fluxo. A lava estava extremamente borbulhante perto da abertura, com 79 a 88% de gás por volume. À medida que a lava viajava e o gás escapava, o conteúdo de suas bolhas diminuía para entre 16% e 26% a 12,5 quilômetros da abertura.

O comportamento das bolhas – e não apenas a sua presença – moldou a forma como a lava fluiu. Bolhas maiores deformavam-se quando o fluxo era forte o suficiente para superar a tensão superficial, fazendo com que a lava fluísse mais facilmente. Quando o fluxo não era forte o suficiente, as bolhas mantinham a sua forma e agiam mais como partículas sólidas, aumentando a resistência. À medida que a lava esfriava e grandes bolhas escapavam, a resistência geral da lava ao fluxo aumentava.

O conteúdo de cristais também aumentou ao longo do fluxo, de cerca de 6% na abertura para 18% a 12,5 quilômetros. Mais a jusante, o resfriamento e o crescimento de cristais tornaram-se os principais controles do movimento da lava, marcando uma mudança na dinâmica dominada pelas bolhas perto da abertura.

A velocidade do fluxo também mudou ao longo do tempo devido a processos que ocorrem a 40 quilômetros de distância, no cume do Kilauea. Eventos de colapso quase diários – quando partes da cratera do cume caíram – enviaram pulsos de pressão através do sistema de encanamento do vulcão, provocando ondas no canal de lava. As velocidades máximas de fluxo dentro de 12 horas após um colapso foram cerca de 80% maiores do que durante períodos mais calmos. A quantidade de lava que se move através do canal atingiu o pico cerca de 3,5 horas após cada evento e depois diminuiu nas 40 horas seguintes.

Melhorando as previsões de fluxo de lava

O estudo testou um modelo de simulação de fluxo de lava chamado PyFLOWGO e descobriu que a forma como ele representa as bolhas afeta fortemente suas previsões. Quando o PyFLOWGO foi executado com suposições de bolha incorretas para o fluxo da fissura 8, o modelo previu que o fluxo iria parar antes de 4 quilômetros, quando o fluxo real percorreu 13 quilômetros. Quando configurado com conteúdo decrescente de bolhas e comportamento rígido de bolhas, o PyFLOWGO reproduziu com mais precisão as velocidades e comprimentos observados do fluxo.

Além da precisão do modelo, a acessibilidade e a usabilidade do modelo também são críticas. Lev e seus colegas estão desenvolvendo uma plataforma baseada em nuvem para reunir ferramentas de modelagem e conjuntos de dados. O seu objetivo é tornar estes tipos de simulações mais acessíveis aos investigadores e gestores de perigos durante erupções vulcânicas.

O estudo foi coautor de Jasper Baur e Janine Birnbaum do Observatório Terrestre Lamont-Doherty; Brenna A. Halverson e Alan Whittington, da Universidade do Texas em San Antonio; Hannah R. Dietterich, do Observatório de Vulcões do Alasca, do Serviço Geológico dos EUA; e Julia Hammer, da Universidade do Havaí em Mānoa.