La ceniza volcánica no es un polvo ordinario: se introduce en la atmósfera, asciende a la estratosfera, afecta el clima, recubre las carreteras y obstruye los motores a reacción.
Para reducir la brecha de conocimiento entre vulcanólogos y científicos atmosféricos que trabajan en el cambio climático y observan sistemas globales, investigadores de Cornell han caracterizado muestras de ceniza volcánica de diversas erupciones explosivas con una amplia gama de composiciones. Este trabajo está ayudando a los científicos a comprender cómo este diminuto material, medido en micras y nanómetros, juega un rol importante en la atmósfera.
La ceniza volcánica se forma a partir de minerales atrapados en un vidrio de silicato, como se muestra bajo un microscopio. Las reacciones con los gases de la pluma volcánica y la atmósfera también forman cristales de sal en la superficie de las cenizas, como estas sales en forma de asterisco en una partícula de ceniza de la erupción de Tajogaita de 2021 en La Palma, Islas Canarias, España.
El trabajo, «Phases in Fine Volcanic Ash», fue publicado el 21 de septiembre en Informes Científicos.
«Las grandes erupciones volcánicas pueden tener impactos mensurables en el clima que pueden durar años o incluso décadas», dijo el primer autor Adrian Hornby, investigador postdoctoral en el Departamento de Ciencias de la Tierra y la Atmósfera. «La dispersión y el transporte de finas cenizas volcánicas y su interacción con la Tierra afectan a varias disciplinas, desde la ciencia atmosférica y la modelización climática hasta los estudios ambientales e incluso la salud pública».
Los volcanes pueden formarse por puntos calientes en lo profundo del manto terrestre, como en Hawai, o pueden surgir en zonas de subducción, donde chocan dos placas tectónicas. Sin embargo, cada uno tiene composiciones distintas, similares a las huellas dactilares, que pueden desencadenar una variedad de problemas ambientales que representan complicaciones para el planeta.
La ceniza de los volcanes es un material complejo que se forma a partir de la fragmentación del magma y se introduce en la atmósfera durante erupciones volcánicas explosivas, explicó Hornby.
«La ceniza contiene fracciones de minerales, vidrio de silicato y poros, pero la composición esperada y las propiedades producidas en las erupciones no están bien definidas», comentó Hornby. «Esto es especialmente cierto para las finas cenizas volcánicas que se dispersan ampliamente en la atmósfera, generando una amplia variedad de impactos en el sistema terrestre, la infraestructura y la salud humana».
Debido a la falta de datos, la comunidad científica se había basado en aproximaciones o modelos deficientes de la composición de las cenizas. Ahora, el grupo de Cornell recolectó muestras de 40 erupciones, caracterizadas por su tamaño y contexto tectónico, para proporcionar un conjunto de datos más completo y preciso. Se enfocaron en granos de ceniza volcánica de menos de 45 micras, lo cual es relevante porque los vientos atmosféricos pueden transportarlos y generar un impacto más extenso.
Descubrieron que la composición de la ceniza volcánica varía significativamente según el tamaño del grano, la configuración tectónica y la química. A medida que los granos se hacen más finos, aumentan las fracciones de sílice cristalina (la cual, si se inhala, puede causar enfermedades y cáncer de pulmón) y sales, mientras que los componentes de vidrio y óxido de hierro disminuyen.
En sus muestras tamizadas, que abarcan sitios como el monte Pinatubo, Filipinas (1991), el monte St. Helens, Washington (1980), el monte Etna, Italia (122 a. C.) y La Palma, Islas Canarias, España (2021), entre otros 23 volcanes, el grupo utilizó difracción de rayos X para examinar la estructura atómica de los materiales e identificar las proporciones de minerales y vidrio con métodos avanzados, además de utilizar un microscopio electrónico de barrido para confirmar fases, evaluar morfología y texturas.
Las muestras presentaron una amplia variedad en cuanto a su contenido mineral: el Pinatubo produjo en gran cantidad feldespato y anfíbol, mientras que las erupciones de Tajogaita de 2021 en La Palma, Islas Canarias, tuvieron una carga mineral principalmente compuesta por feldespato, clinopiroxeno y olivino.
Hornby señaló que en las muestras recolectadas durante la Tajogaita de 2021, la cantidad promedio de vidrio disminuyó del 50% al 35%, mientras que las fracciones de minerales densos que contienen hierro aumentaron del 35% al 50%. Las sales aumentaron en las partículas más finas en todos los casos.
«En las cenizas de grano más fino, observamos un aumento significativo de sal», mencionó el autor principal Esteban Gazel, profesor de la facultad de ingeniería Charles N. Mellowes. «Esto es relevante porque las sales son fáciles de disolver. La sal será lo primero en disolverse cuando las finas cenizas lleguen al océano. No es saludable inhalarla, ya que reaccionará con los pulmones».
La ceniza volcánica, debido a su voluminosa producción, transporte atmosférico y deposición en diversos ecosistemas, es el aspecto más interdisciplinario del vulcanismo. «Nuestro estudio brinda el primer recurso basado en datos para poder limitar mejor la composición y densidad de minerales y vidrio de la ceniza volcánica, lo que es fundamental para que los científicos atmosféricos investiguen el transporte de cenizas y comprendan mejor sus efectos en el sistema terrestre», explicó Gazel, quien también es parte del personal del Centro Cornell Atkinson para la Sostenibilidad.
La densidad de las cenizas está influenciada por el contenido de minerales. «Independientemente del tamaño, sin importar el origen del magma», apuntó Hornby, «logramos obtener una buena estimación de la densidad a partir de los minerales y los óxidos de hierro».
Esta ceniza atmosférica puede viajar grandes distancias y afectar el clima y los ecosistemas, incluso en otros continentes distantes al volcán. «Los científicos atmosféricos han estado pasando por alto el impacto de las cenizas en el clima y la biogeoquímica», expresó la coautora principal Natalie Mahowald, profesora del departamento de ingeniería Irving Porter Church. «Finalmente, con esta investigación, contamos con los datos necesarios para estimar dicho impacto».
Además de Hornby, Gazel y Mahowald, miembro del personal de Cornell Atkinson, los coautores incluyen a Kyle Dayton, estudiante de doctorado, y a Claire Bush ’22. El proyecto fue financiado por una subvención de Ciencias Interdisciplinarias de la NASA, la Fundación Nacional de Ciencias y Cornell Atkinson.