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As cinzas vulcânicas não são poeira comum: elas são injetadas na atmosfera, sobem até a estratosfera, impactam o clima, polvilham estradas e obstruem motores a jato.
Para colmatar a lacuna de conhecimento entre vulcanologistas e cientistas atmosféricos que trabalham nas alterações climáticas e observam sistemas globais, os investigadores da Cornell caracterizaram amostras de cinzas vulcânicas de muitas erupções explosivas de uma ampla gama de composições. O trabalho está a ajudar os cientistas a descobrir como este minúsculo material – medido em mícrons e nanómetros – desempenha um grande papel na atmosfera.
A cinza vulcânica é formada a partir de minerais presos em um vidro de silicato, como mostrado aqui ao microscópio. As reações com gases da pluma vulcânica e da atmosfera também formam cristais de sal na superfície das cinzas, como estes sais em forma de asterisco numa partícula de cinza da erupção Tajogaite de 2021 em La Palma, nas Ilhas Canárias, Espanha.
O trabalho, “Fases em cinzas vulcânicas finas”, foi publicado em 21 de setembro em Relatórios Científicos.
“Grandes erupções vulcânicas podem ter impactos mensuráveis no clima que duram anos ou mesmo décadas”, disse o primeiro autor Adrian Hornby, pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Ciências da Terra e Atmosféricas. “A dispersão e o transporte de cinzas vulcânicas finas e a sua interação com a Terra afetam várias disciplinas – desde a ciência atmosférica e a modelação climática até aos estudos ambientais e até à saúde pública.”
Os vulcões podem ser criados por pontos quentes nas profundezas do manto terrestre, como os do Havai, ou podem formar-se em zonas de subducção, onde duas placas tectónicas colidem. Mas cada um tem composições distintas, semelhantes a impressões digitais, que podem desencadear uma variedade de problemas ambientais que representam complicações para o planeta.
As cinzas dos vulcões são um material particulado complexo formado a partir da fragmentação do magma e injetado na atmosfera durante erupções vulcânicas explosivas, disse Hornby.
“As cinzas contêm frações de minerais, vidro de silicato e poros, mas a composição e as propriedades esperadas produzidas nas erupções são mal definidas”, disse Hornby. “Isso é verdade para as cinzas vulcânicas finas que são amplamente transportadas na atmosfera, criando um amplo conjunto de impactos no sistema terrestre, na infraestrutura e na saúde humana.”
Devido à escassez de dados, a comunidade científica tem confiado em aproximações aproximadas ou em modelos deficientes da composição das cinzas. Agora, o grupo Cornell coletou amostras de 40 erupções, caracterizadas pelo seu tamanho e fundo tectônico, para fornecer um conjunto de dados melhor e mais abrangente. Eles se concentraram em grãos de cinzas vulcânicas menores que 45 mícrons, o que é relevante porque os ventos atmosféricos podem transportá-los e provocar um impacto mais amplo.
Eles descobriram que a composição das cinzas vulcânicas varia significativamente com o tamanho do grão, o ambiente tectônico e a química. À medida que o tamanho dos grãos ficou mais fino, houve um aumento nas frações de sílica cristalina (que, se inalada, pode causar problemas de saúde e câncer de pulmão) e sais, enquanto os componentes vidro e óxido de ferro diminuíram.
Em suas amostras peneiradas – variando de lugares como Monte Pinatubo, Filipinas (1991), Monte Santa Helena, Washington (1980) e Monte Etna, Itália (122 aC) e La Palma, Ilhas Canárias, Espanha (2021) – de 23 vulcões, o grupo usou difração de raios X para detectar a estrutura atômica dos materiais, e para identificar e medir as proporções de minerais e vidro com métodos aprimorados, e microscópio eletrônico de varredura para confirmar fases, avaliar morfologia e texturas.
As amostras variaram amplamente em seu conteúdo mineral: Pinatubo produziu muito feldspato (um grupo abundante de minerais de aluminossilicato da crosta terrestre) e anfibólio (um mineral importante na explosividade vulcânica), e quartzo evidência de evolução significativa do derretimento por cristalização fracionada e outros processos antes da erupção.
No outro extremo, nas erupções do Tajogaite de 2021 em La Palma, Ilhas Canárias, Espanha, a carga mineral era principalmente feldspato, clinopiroxênio e olivina – este último um mineral característico de fundidos primitivos com pouca evolução de sua fonte no manto.
Hornby disse que para amostras coletadas durante o Tajogaite de 2021, a quantidade média de vidro diminuiu de 50% para 35%, enquanto as frações de minerais densos contendo ferro aumentaram de 35% para 50%. Os sais aumentaram para partículas mais finas em todos os casos.
“Nas cinzas de grãos mais finos, vimos um aumento significativo no sal”, disse o autor sênior Esteban Gazel, professor de engenharia Charles N. Mellowes. “Isso é importante porque os sais são fáceis de dissolver. O sal será a primeira coisa a se dissolver quando as cinzas finas chegarem ao oceano.
As cinzas vulcânicas, pela natureza da sua produção volumosa, transporte atmosférico e deposição em todos os ecossistemas conhecidos, são o aspecto mais interdisciplinar do vulcanismo. “Nosso estudo fornece o primeiro recurso baseado em dados para restringir melhor a composição e densidade de minerais e vidros de cinzas vulcânicas, necessária para que os cientistas atmosféricos examinem o transporte de cinzas e entendam melhor seus efeitos no sistema terrestre”, disse Gazel, que também é membro do corpo docente da o Centro Cornell Atkinson para Sustentabilidade.
A densidade das cinzas é controlada pelo conteúdo mineral. “Independentemente do tamanho, independentemente da origem do magma”, disse Hornby, “fomos capazes de obter uma estimativa de densidade razoavelmente boa dos minerais e óxidos de ferro”.
Estas cinzas atmosféricas podem percorrer longas distâncias e impactar o clima e os ecossistemas – mesmo em outros continentes – longe do vulcão. “Os cientistas atmosféricos têm ignorado o impacto das cinzas no clima e na biogeoquímica”, disse a co-autora Natalie Mahowald, professora de engenharia da Irving Porter Church. “Com esta pesquisa, finalmente temos os dados para estimar o impacto”.
Além de Hornby, Gazel e Mahowald, professor sênior da Cornell Atkinson, os coautores são Kyle Dayton, estudante de doutorado; e Claire Bush ’22. O trabalho foi financiado por uma bolsa de Ciência Interdisciplinar da NASA, pela National Science Foundation e por Cornell Atkinson.
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