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Wie Math den Fall der Vulkanbomben löste, die nicht explodierten

Es wäre vernünftig, den Begriff „Vulkanbombe“ zu hören und davon auszugehen, dass ein solches Objekt zur Explosion neigt. Aber eine bestimmte Art von Vulkanbombe wird ihrer zweiten Hälfte ihres Namens selten gerecht: Diese Objekte werden in die Luft gesprengt, krachen in den Boden und detonieren enttäuschenderweise nicht.

Diese vulkanischen Bomben – plastikartige, teilweise geschmolzene Magmablasen, die nicht kleiner als ein Pfirsich sind – werden aus einem Vulkan geschossen, der von einem seichten Gewässer wie einem See oder dem Meer in Ufernähe überflutet wird. Dabei nehmen die Bomben viel Wasser auf. Dieses eingeschlossene Wasser trifft auf das sengend heiße Innere der Bombe und wird heftig zu Dampf gekocht.

Die plötzliche Ansammlung von Dampf innerhalb des Projektils sollte die Bombe in der Luft sprengen. „Gesteine ​​können diesem Druck nicht standhalten“, sagt Mark McGuinness, Mathematiker an der Victoria University of Wellington in Neuseeland. Und doch werden so viele dieser Bomben zu Blindgängern und schlagen mit einem antiklimatischen Knall auf den Boden.

Die Lösung dieses Rätsels würde mehr bewirken, als an einem langjährigen wissenschaftlichen Juckreiz zu kratzen. Auch Vulkanbomben, ein wesentlicher Bestandteil vieler explosiver Eruptionen, sind eine tödliche Gefahr. Wenn mehr von ihnen mitten im Flug in die Luft jagen würden, wäre das besser, als wenn sie jemandem auf den Kopf klopfen würden.

Um den Fall zu lösen, schloss sich Ian Schipper, Vulkanologe in Victoria, mit Dr. McGuinness und Emma Greenbank, ebenfalls Mathematikerin an der Universität, zusammen. Sie bauten ein mathematisches Modell, das den Abschuss einer Bombe von einem virtuellen Vulkan simulierte und die sich ändernden Drücke und Temperaturen im Inneren der Kugel nachbildete.

Das Team berichtet über seine Ergebnisse an diesem Mittwoch in The Proceedings of the Royal Society A und kommt zu dem Schluss, dass Wasser diese teigigen Vulkanbomben sowohl herstellt als auch entschärft.

Vulkanbomben sind ein gemeinsames Merkmal einer Reihe explosiver Eruptionen. Dazu gehören die Surtseyan-Eruptionen, benannt nach Surtsey, einem Vulkan vor der isländischen Küste, der in den 1960er Jahren explosionsartig über den Wellen wuchs, bis er eine neue Insel bildete.

Es ist fast unmöglich, Vulkanbomben bei ihrer Entstehung zu beobachten und nicht zu explodieren, daher haben die Forscher das Rätsel ihrer Entstehung mit einem neuen mathematischen Modell gelöst. Kredit. . . NOAA

Bei dieser Art von Eruption werden Magmaklumpen durch ein flaches Gewässer geschleudert. Gleichzeitig spritzt vulkanischer Schutt himmelwärts zurück in das gleiche Wasser. Dies bildet eine ascheige Aufschlämmung, eine, die dicht genug ist, um in diese glitschigen magmatischen Klumpen einzudringen und sie zu hydratisieren, die dazu bestimmt sind, Bomben zu werden.

Dass diese feuchten Bomben selten explodieren, hat sich schon lange als verblüffend erwiesen. Aber Wissenschaftler können diese schnellen Projektile nicht wirklich im Detail untersuchen, wenn sie aus einem Vulkan geschossen werden.

“Sie wollen nicht versuchen, sie zu fangen”, sagte Rebecca Williams, Vulkanologin an der University of Hull in England, die nicht an der Studie beteiligt war.

Vulkanologen haben vulkanische Blöcke untersucht – vollständig feste Brocken ballistischer vulkanischer Materie – indem sie sie aus einer speziell angefertigten Kanone abgefeuert haben. Aber sie haben noch keine geschmolzenen Magmaklumpen aus einer Waffe geschossen, eine Aktivität, die wahrscheinlich nie eine Sicherheitsüberprüfung bestehen wird.

Dieses neue mathematische Modell, das durch Daten von gelandeten und abgekühlten Surtsey-Bomben im wirklichen Leben unterstützt wird, scheint hier Abhilfe zu schaffen.

Wenn Magma durch einen Vulkan zur Oberfläche aufsteigt, sinkt der Druck und das darin eingeschlossene Wasser entweicht als Dampf und erzeugt Blasen. Dieser Klumpen schaumigen Magmas wird dann durch das Wasser geschleudert und wird zu einer Bombe. Das See- oder Meerwasser, das dann in die Bombe eindringt, verdampft heftig. Die mathematischen Simulationen des Teams zeigen jedoch, dass die bereits schaumige Natur der Bombe unzählige Wege gibt, durch die der Dampf strömen und entweichen kann, wodurch ein Druckanstieg und letztendlich eine Explosion gestoppt werden.

Ein paar Bomben, denen ein schaumiges Netz von Löchern fehlt, das vom eigenen Wasser des Magmas erzeugt wurde, werden dem Druck des neu erzeugten Dampfes erliegen und sich selbst zerstören. Die meisten sind jedoch ausreichend schaumig, sodass der Dampf ohne Zwischenfälle abfließen kann.

„Ihre Lösung ist wirklich elegant; Ich denke, es funktioniert wirklich gut“, sagte Dr. Williams und bezog sich auf das Modell.

Für Dr. McGuinness erreichte die Forschung ein weiteres Ziel: Als dramatisches Beispiel dafür, wie Mathematik nichtabstrakte Probleme lösen kann, hofft er, dass sie dazu beitragen wird, die öffentliche Wahrnehmung dieses Studienfachs zu verändern.

“Zu sagen, dass Sie an explodierenden Bomben und Vulkanbomben arbeiten, ist für die Menschen viel inspirierender”, sagte er.

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