Vulkanen staan bekend om hun alles verzengende pyroclastische stromen, ziedende rivieren van lava en spectaculair vuurwerk. Maar in hun kalmere buien zijn ze niet minder ontzagwekkend, bijvoorbeeld wanneer ze kringen van rook traag de lucht in blazen.
Het vluchtige verschijnsel is boven talloze vulkanen in de wereld geobserveerd, maar het was tot nu toe onduidelijk hoe deze rookkringen ontstonden. Hoewel ze tientallen meters in doorsnee kunnen zijn, zijn ze maar korte tijd zichtbaar en duiken op onvoorspelbare momenten op, wat het lastig maakt om ze te bestuderen. Vandaar dat wetenschappers onder leiding van Fabio Pulvirenti, senior fellow aan het Jet Propulsion Laboratory van de NASA, besloten om ze dan maar op de computer na te bootsen.
De virtuele vulkaan van het team, die eerder deze maand op een congres van de Asia Oceania Geosciences Society in Singapore werd gepresenteerd, laat zien “dat wat er in de krater van een vulkaan gebeurt, vrijwel exact lijkt op wat er in de mond van een roker gebeurt,” zegt Carmelo Ferlito, vulkanoloog aan de Università degli Studi di Catania in Italië en medeauteur van het nieuwe onderzoek.
Goochelarij
Ondanks hun naam bestaan rookkringen helemaal niet uit rook, vertelt Boris Behncke, een vulkanoloog van het Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia in Rome die niet bij de nieuwe studie was betrokken. De verschillende varianten van de kringen bestaan overwegend uit gecondenseerde gassen, vooral waterdamp, die uit het magma vrijkomen en door de kraterpijp of een andere uitlaat van de vulkaan worden uitgestoten.
Harde wind kan voorkomen dat de rookkringen worden gevormd of langer dan een kort moment blijven hangen. Maar als de kringen worden gevormd door een redelijke hoeveelheid vulkaandamp (dat warmer is en een lagere dichtheid heeft dan de omringende lucht), dan stijgen ze op en beginnen zich te verwijden. Als de meeste damp uiteindelijk uit de kringen is verdwenen, worden ze steeds ijler en lossen op.
Maar alleen sommige vulkanen lijken dit soort kringen te kunnen uitblazen, en alleen op bepaalde tijdstippen. Toen Pulvirenti in 2013 voor het eerst van het fenomeen hoorde, ontdekte hij dat de wetenschappelijke literatuur erover geen goede verklaringen voor het verschijnsel bood. Gedreven door een steeds grotere nieuwsgierigheid, nam hij contact op met enkele collega’s en nam zich voor een verklaring voor het mysterie te vinden.
Het team boog zich over talloze observaties van vulkanische rookkringen, waarbij ze bestudeerden hoe deze kringen opstijgen, hoe snel ze zich vormen en weer afkoelen, hoe de samenstelling ervan kan verschillen en hoe vaak ze vulkanische as bevatten. Ook verdiepten de wetenschappers zich in de manier waarop magmatische gassen via uitlaat- en kraterpijpen omhoog worden gestuwd en ontsnappen, en ook in de complexe fysica van het ontstaan van vortexen in een fluïdum, die in laboratoriumexperimenten worden gesimuleerd en bestudeerd.
Vervolgens voerden ze al hun bevindingen in een computermodel in. Door te sleutelen aan de opgebouwde druk in de kraterpijp en aan de geometrie van het uitlaatkanaal van de virtuele vulkaan, slaagde het team erin de omstandigheden voor het ontstaan van rookkringen na te bootsen.
Wanneer magma door een scheur of gang opstijgt, neemt de omgevingsdruk af, waardoor gas in de vorm van belletjes uit het magma begint te ontsnappen. Als het magma niet al te stroperig is, kunnen de belletjes zich samenvoegen tot grotere bellen gas die onder hoge druk staan. Wanneer dit mengsel de kraterpijp of een andere uitlaat van de vulkaan bereikt, kunnen de gasbellen met veel geweld uitzetten en exploderen, waarbij hete dampen met soms bijna de geluidssnelheid de lucht in worden geschoten.
In dit geval kunnen de vulkanen in kwestie vergeleken worden met eenvoudige zelfgemaakte ‘rookkanonnen’, die via een nauwe, cirkelvormige opening nevel uitstoten. Zowel bij zo’n speelgoedkanon als bij een vulkaan moet er een flinke hoeveelheid damp aanwezig zijn en moet deze damp vervolgens snel worden uitgestoten om de vorming van een duidelijk herkenbare rookkring mogelijk te maken.
In de virtuele vulkaan ontstond er wrijving tussen de uitgestoten damp en de rotsachtige zijden van de kraterpijp, waardoor de rook aan de buitenzijden werd opgerold. Op vertraagde video’s is te zien dat precies hetzelfde gebeurt met bepaalde rookkanonnen, zegt Pulvirenti. Als de opgerolde en ringvormige damp op de koude atmosfeer stuit, koelt hij af, wordt vertraagd en door condensatie zichtbaar, een beetje zoals het condensspoor van een verkeersvliegtuig.
Belangrijk is dat de rookkringen zich alleen vormen als de uitlaat of kraterpijp tamelijk rond is en de zijden ervan niet te veel in hoogte verschillen. Als de kraterpijp te onregelmatig van vorm of verbrokkeld is, wordt de damp verwrongen en instabiel, waardoor er helemaal geen rookkring ontstaat.
Kringgesprekken
Als doctoraalstudent vulkanologie aan de University of Auckland heeft Benjamin Simons rookkringen boven aanhoudend actieve vulkanen zien hangen, waaronder de Yasur op het eiland Tanna in Vanuatu. De meerderheid van de kringen die hij zag, ontsnapten uit daklichten, oftewel min of meer cirkelvormige openingen in het dak van lavatunnels waardoorheen je de “prachtige nachtelijke gloed van het magma” kunt zien.
Wanneer kleine wolkjes vulkanische gassen door deze smalle openingen worden uitgeblazen, ontstaan er rookkringen. Ze dreven langzaam omhoog maar hadden volgens hem zelden genoeg kracht om boven de top van de vulkaankegel uit te stijgen voordat ze weer oplosten. De resultaten van het nieuwe computermodel komen overeen met Simons’ eigen observaties: hoe ronder de uitlaatopening, des te “groter de kans dat zich een rookkring vormt,” zegt hij.
Hoewel het nieuwe onderzoek voorafgaand aan publicatie nog door andere wetenschappers moet worden beoordeeld, lijkt het een verklaring te bieden voor de vraag waarom rookkringen niet boven alle vulkanen zijn te zien, aangezien er heel specifieke omstandigheden nodig zijn voor het optreden van het verschijnsel.
Maar zelfs wanneer zulke omstandigheden zich voordoen, zullen er niet altijd rookkringen ontstaan, wat erop wijst dat we nog te weinig weten over het pandemonium van gassen in het binnenste van vulkanen. Gelukkig werkt het team verder aan dit onderzoek en hoopt het meer antwoorden bloot te kunnen leggen.
Dit onderzoek draait niet alleen om het bevredigen van wetenschappelijke nieuwsgierigheid. Rookkringen van vulkanen ontstaan uit dezelfde rotsgangen waardoorheen tijdens uitbarstingen ook magma naar de oppervlakte wordt gestuwd, dus kan het zijn dat de studie naar deze fenomenen meer inzicht oplevert in de processen die zich in de ziedende muilen van actieve vulkanen afspelen.
En hoewel het in deze studie misschien niet om de meest urgente kwesties in de vulkanologie draait, is het volgens Ferlito wel bevredigend dat de onderzoekers een verklaring hebben gevonden voor een mysterie dat zo fascinerend en mooi is om naar te kijken.
Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com
