Não há nada na Terra como um raio vulcânico. Testemunhar torres caóticas de cinzas emergindo de uma convulsão explosiva no ápice de uma montanha já é de cair o queixo. O surgimento de adagas purpúreas de luz saindo dessa coluna, no entanto, eleva o fenômeno a algo mais sobrenatural.
Naturalmente, os cientistas querem saber como os raios vulcânicos são produzidos. Embora se saiba que a colisão de partículas de cinzas na pluma desempenha um papel fundamental, as complexidades desse fenômeno provaram ser um tanto evasivas. Diante disso, os cientistas resolveram o problema com suas próprias mãos: eles estão criando explosões vulcânicas em laboratórios para produzir os próprios raios.
O mais recente desses experimentos é sem dúvida o mais realista. Em um estudo publicado na revista Geophysical Research Letters, os cientistas relatam como sua sonda pode ajustar as propriedades de uma pluma vulcânica, revelando como a mudança de temperatura ou a umidade da cinza pode causar ou quebrar sua capacidade de gerar raios. As cinzas secas parecem ser uma maneira especialmente boa de fazer com que sua erupção assuma o estrondoso show de luzes de Thor.
Este trabalho é mais do que apenas solucionar uma questão científica. O relâmpago vulcânico está emergindo como uma das principais formas de detectar de longe as erupções vulcânicas ricas em cinzas. Quanto mais soubermos sobre como ela funciona, mais precisamente poderemos identificar o tipo de erupção muito antes que os especialistas a vejam – o que pode ser de grande ajuda para aviões vulneráveis que voam nas proximidades ou para comunidades na direção do vento.
Sönke Stern, pesquisador de raios vulcânicos da Universidade Ludwig Maximilian de Munique e principal autor do estudo, está ciente disso, mas ele expressa seu entusiasmo pela ciência de maneira um pouco diferente. “Para ser sincero, explodir pedras diariamente é algo bastante divertido, com certeza”, disse ele ao Gizmodo.
Relâmpagos vulcânicos têm um princípio-chave em comum com relâmpagos em nuvens regulares: você precisa de uma separação de cargas positivas e negativas. Quando essa segregação se torna demais para a física suportar, um raio aparece, cortando o ar isolante e neutralizando a diferença de carga.
Os ingredientes das plumas de erupção são diferentes dos das nuvens clássicas. Aqui, as cinzas são dominantes e “temos quase certeza de que colisões de partículas criam eletrificação” , disse ao Gizmodo Alexa Van Eaton, vulcanologista experimental do Observatório de Vulcões em Cascatas do US Geological Survey.
A ação das cinzas, semelhante a um carro de choque, envolve bastante atrito, o que gera cargas elétricas. Esse processo, conhecido como triboeletricidade, também ocorre quando você esfrega um balão na cabeça e ele fica magicamente grudado. Os cientistas também pensam que a destruição de detritos vulcânicos na pluma ajuda a acumular carga elétrica.
Parte desse conhecimento foi obtida de observações cuidadosas de raios vulcânicos. “O trabalho de campo é importante, pois fornece os cenários da vida real totalmente dimensionados que estamos tentando explicar”, disse ao Gizmodo Cassandra Smith, bolsista de pós-doutorado da National Science Foundation no Observatório do Vulcão do Alasca do US Geological Survey.
Inconvenientemente, “você não tem controle sobre o que o vulcão decide fazer”, disse Smith, e é difícil estudar as influências individuais dos raios vulcânicos no mundo real. É simplesmente muito difícil investigar como um raio é produzido ou quais condições ambientais podem aumentá-lo ou reduzi-lo quando ele é oculto por um turbilhão colossal e superaquecido de cinza.
É aí que os experimentos de laboratório entram em cena. Não existem muitas instituições científicas capazes de produzir explosões vulcânicas realistas o suficiente e gerar raios; a Universidade Ludwig Maximilian de Munique é uma das poucas. Muitos experimentos com raios foram realizados por Corrado Cimarelli, um vulcanologista experimental que é coautor do novo artigo.
Para seus experimentos mais recentes, eles usaram uma configuração conhecida como bomba de fragmentação: uma câmara de gás argônio pressurizado contendo cinzas que, em um determinado ponto de ruptura de alta pressão, descompacta explosivamente e se propaga em um tanque coletor de aço alto. Isso libera as cinzas como um jato em expansão, no qual nasce um raio vulcânico. Fundamentalmente, o teor de água das cinzas pode variar. Graças a um forno, a temperatura também pode chegar a 608 ° Fahrenheit.
As cinzas em si eram o ponto principal, retiradas dos restos de uma erupção de 13.000 anos do vulcão Laacher See, na Alemanha, adormecido. Eles tiveram contato com quase 300 kg do material através de uma empresa que administra pedreiras na região do vulcão.
A equipe de Stern descobriu que, à temperatura ambiente, havia menos descargas de raios, porém maiores. Em temperaturas mais altas, as descargas eram menores, mas mais abundantes. Embora esse efeito possa estar relacionado à influência da temperatura sobre a turbulência em uma nuvem de cinzas, não está claro o que está acontecendo aqui. “Isso é algo que não podemos entender completamente com esse tipo de experimento”, disse Stern.
O efeito da água foi muito mais pronunciado. Mesmo com apenas uma leve redução das cinzas, a equipe testemunhou uma diminuição na eletrificação geral da pluma em uma ordem de magnitude. Em uma certa nebulosidade, não há essencialmente um raio presente – mas por quê?
Acontece que o vapor de água se expande ainda mais dramaticamente do que o gás argônio após a liberação. Isso cria uma explosão mais potente, ampliando o jato de cinzas e jogando as partículas de cinzas por todo o lugar. Com menos colisões entre as partículas de cinza no geral, é menos provável que você produza raios. Por outro lado, detonações de cinzas secas produziam jatos mais focados, apresentando mais colisões geradoras de carga e mais raios.
No mundo real, existem algumas evidências de trabalho de campo que sugerem que nuvens de cinza especialmente úmidas geram menos raios. Não está claro por que, mas vale a pena notar que adicionar água ao magma quente aumenta a explosividade da erupção. Isso não é exatamente o que acontece durante os experimentos, mas talvez isso também leve a menos colisões de partículas de cinza.
Por outro lado, as cinzas mais secas são inerentemente melhores na geração de eletricidade. É um condutor elétrico muito ruim, explicou Stern, de modo que, à medida que as partículas de cinza se separam, é provável que elas mantenham suas cargas, criando grandes separações de carga que só podem desaparecer por meio de raios.
As pistas que esses experimentos revelaram são muito úteis para entender como os raios vulcânicos são forjados, disse Smith. Mas ela enfatizou que continua sendo difícil isolar processos individuais, mesmo aqui. A mudança no teor de água sempre muda o estilo do jato de cinzas, o que significa que é impossível separar os dois fatores e dizer qual é o maior responsável pela extinção dos raios.
Este experimento apenas analisa a parte inferior, mais quente e rica em cinzas da pluma de erupção. Se as plumas são flutuantes o suficiente, elas atingem altitudes que são de baixa pressão e decididamente frígidas. Aqui, acredita-se que gotículas de gelo tenham um grande papel na geração de raios. “Esse é um domínio completamente novo para estudos de eletrificação vulcânica que nunca foram abordados ainda”, disse Van Eaton, que chama essas alturas de “oeste selvagem” dos raios vulcânicos.
Em outras palavras, as coisas são mais complicadas do que essas experiências podem mostrar. “Adoraríamos uma história simples, mas nem sempre é assim quando se trata de erupções naturais”, disse Van Eaton.
Ainda assim, esses experimentos, mesmo com suas limitações, contribuem significativamente para um empreendimento que pode salvar vidas.
Van Eaton foi coautor de um estudo demonstrando como a Rede Mundial de Localização de Raios pode ser usada para rastrear o desenvolvimento de raios e erupções vulcânicas em locais remotos. As erupções nem sempre produzem cinzas, mas parecem não produzir raios sem ela, explicou.
Além de satélites, cuja vista pode ser obscurecida por nuvens, nenhum outro método de monitoramento que localiza erupções vulcânicas de longe, exceto detecção de relâmpago – pode dizer algo sobre o teor de cinzas em uma erupção. As cinzas podem derrubar aviões, sufocar assentamentos, poluir cursos d’água e prejudicar a saúde humana, portanto, saber que está presente antes que possamos ver fisicamente já é uma grande ajuda. E quanto mais entendermos o estilo de um raio que combina com que tipo de pluma de cinzas, melhor podemos mitigar seus perigos.
Por outro lado, talvez os vulcanologistas estejam apenas nisso pelo espetáculo. É difícil não se surpreender, disse Van Eaton, quando as descargas elétricas disparam de uma nuvem já linda e alucinante. Quem não gostaria de pesquisar isso?