La ceniza volcánica está formada por fragmentos de roca, cristales minerales y vidrio volcánico , producidos durante las erupciones volcánicas y que miden menos de 2 mm (0,079 pulgadas) de diámetro. [1] El término ceniza volcánica también se utiliza a menudo de forma vaga para referirse a todos los productos explosivos de una erupción (correctamente denominados tefra ), incluidas las partículas de más de 2 mm. La ceniza volcánica se forma durante erupciones volcánicas explosivas cuando los gases disueltos en el magma se expanden y escapan violentamente a la atmósfera. La fuerza de los gases rompe el magma y lo impulsa hacia la atmósfera, donde se solidifica en fragmentos de roca volcánica y vidrio. Las cenizas también se producen cuando el magma entra en contacto con el agua durante las erupciones freatomagmáticas , lo que hace que el agua se convierta explosivamente en vapor y provoque la rotura del magma. Una vez en el aire, las cenizas son transportadas por el viento a miles de kilómetros de distancia.
Debido a su amplia dispersión, las cenizas pueden tener una serie de impactos en la sociedad, incluida la salud animal y humana, perturbaciones en la aviación, perturbaciones en infraestructuras críticas (por ejemplo, sistemas de suministro de energía eléctrica, telecomunicaciones, redes de agua y aguas residuales, transporte), industrias primarias (por ejemplo, agricultura), edificios y estructuras.
La ceniza volcánica se forma durante erupciones volcánicas explosivas y erupciones freatomagmáticas, [2] y también puede formarse durante el transporte en corrientes de densidad piroclástica. [3]
Las erupciones explosivas ocurren cuando el magma se descomprime a medida que asciende, lo que permite que los volátiles disueltos (principalmente agua y dióxido de carbono ) se disuelvan en burbujas de gas. [4] A medida que se nuclean más burbujas, se produce una espuma, que disminuye la densidad del magma, acelerándolo hacia el conducto. La fragmentación ocurre cuando las burbujas ocupan entre 70 y 80% en volumen de la mezcla en erupción. [5] Cuando se produce la fragmentación, las burbujas que se expanden violentamente desgarran el magma en fragmentos que son expulsados a la atmósfera donde se solidifican en partículas de ceniza. La fragmentación es un proceso muy eficiente de formación de cenizas y es capaz de generar cenizas muy finas incluso sin añadir agua. [6]
Las cenizas volcánicas también se producen durante las erupciones freatomagmáticas. Durante estas erupciones la fragmentación se produce cuando el magma entra en contacto con masas de agua (como el mar, lagos y marismas), aguas subterráneas, nieve o hielo. Cuando el magma, que está mucho más caliente que el punto de ebullición del agua, entra en contacto con el agua, se forma una película de vapor aislante ( efecto Leidenfrost ). [7] Con el tiempo, esta película de vapor colapsará y provocará un acoplamiento directo del agua fría y el magma caliente. Esto aumenta la transferencia de calor, lo que conduce a la rápida expansión del agua y la fragmentación del magma en pequeñas partículas que posteriormente son expulsadas del respiradero volcánico. La fragmentación provoca un aumento en el área de contacto entre el magma y el agua, creando un mecanismo de retroalimentación, [7] que conduce a una mayor fragmentación y producción de finas partículas de ceniza.
Las corrientes de densidad piroclástica también pueden producir partículas de ceniza. Estos típicamente se producen por el colapso del domo de lava o el colapso de la columna de erupción . [8] Dentro de las corrientes de densidad piroclástica, la abrasión de partículas ocurre cuando las partículas chocan violentamente, lo que resulta en una reducción en el tamaño del grano y la producción de partículas de ceniza de grano fino. Además, se pueden producir cenizas durante la fragmentación secundaria de fragmentos de piedra pómez, debido a la conservación del calor dentro del flujo. [9] Estos procesos producen grandes cantidades de ceniza de grano muy fino que se elimina de las corrientes de densidad piroclástica en columnas de ceniza de coignimbrita.
Las características físicas y químicas de las cenizas volcánicas están controladas principalmente por el estilo de la erupción volcánica. [10] Los volcanes muestran una variedad de estilos de erupción que están controlados por la química del magma, el contenido de cristales, la temperatura y los gases disueltos del magma en erupción y pueden clasificarse utilizando el índice de explosividad volcánica (VEI) . Las erupciones efusivas (VEI 1) de composición basáltica producen <10 5 m 3 de eyecta, mientras que las erupciones extremadamente explosivas (VEI 5+) de composición riolítica y dacítica pueden inyectar grandes cantidades (>10 9 m 3 ) de eyecta a la atmósfera. [11]
Los tipos de minerales presentes en la ceniza volcánica dependen de la química del magma del que surgió. Teniendo en cuenta que los elementos más abundantes que se encuentran en el magma silicatado son el silicio y el oxígeno , los distintos tipos de magma (y por tanto de cenizas) producidos durante las erupciones volcánicas se explican más comúnmente en términos de su contenido de sílice. Las erupciones de basalto de baja energía producen una ceniza de color oscuro característica que contiene entre un 45% y un 55% de sílice, que generalmente es rica en hierro (Fe) y magnesio (Mg). Las erupciones de riolita más explosivas producen una ceniza félsica con alto contenido de sílice (>69%), mientras que otros tipos de cenizas con una composición intermedia (p. ej., andesita o dacita ) tienen un contenido de sílice entre 55 y 69%.
Los principales gases liberados durante la actividad volcánica son agua , dióxido de carbono , hidrógeno , dióxido de azufre , sulfuro de hidrógeno , monóxido de carbono y cloruro de hidrógeno . [12] Los gases y metales de azufre y halógeno se eliminan de la atmósfera mediante procesos de reacción química, deposición seca y húmeda y por adsorción en la superficie de la ceniza volcánica.
Desde hace tiempo se reconoce que una variedad de compuestos de sulfatos y haluros (principalmente cloruros y fluoruros ) se movilizan fácilmente a partir de cenizas volcánicas frescas. [13] [14] Se considera más probable que estas sales se formen como consecuencia de la rápida disolución ácida de las partículas de ceniza dentro de las columnas de erupción , que se cree que suministran los cationes involucrados en la deposición de sales de sulfato y haluro . [15]
Si bien se han reportado unas 55 especies iónicas en lixiviados de cenizas frescas , [12] las especies más abundantes que generalmente se encuentran son los cationes Na + , K + , Ca 2+ y Mg 2+ y los aniones Cl − , F − y SO 4 2 − . [12] [14] Las relaciones molares entre los iones presentes en los lixiviados sugieren que en muchos casos estos elementos están presentes como sales simples como NaCl y CaSO 4 . [12] [16] [17] [18] En un experimento de lixiviación secuencial con cenizas de la erupción del Monte St. Helens en 1980 , se descubrió que las sales de cloruro eran las más fácilmente solubles, seguidas de las sales de sulfato [16] Los compuestos de fluoruro son en general sólo poco solubles (p. ej., CaF 2 , MgF 2 ), con excepción de las sales fluoruro de metales alcalinos y compuestos como el hexafluorosilicato de calcio (CaSiF 6 ). [19] El pH de los lixiviados de cenizas frescas es muy variable, dependiendo de la presencia de un condensado de gas ácido (principalmente como consecuencia de los gases SO 2 , HCl y HF en la columna de erupción) en la superficie de las cenizas.
La estructura cristalino-sólida de las sales actúa más como aislante que como conductor . [20] [21] [22] [23] Sin embargo, una vez que las sales se disuelven en una solución mediante una fuente de humedad (por ejemplo, niebla, niebla, lluvia ligera, etc.), las cenizas pueden volverse corrosivas y conductoras de electricidad. Un estudio reciente ha demostrado que la conductividad eléctrica de la ceniza volcánica aumenta al (1) aumentar el contenido de humedad, (2) aumentar el contenido de sal soluble y (3) aumentar la compactación (densidad aparente). [23] La capacidad de las cenizas volcánicas para conducir corriente eléctrica tiene implicaciones importantes para los sistemas de suministro de energía eléctrica.
Las partículas de ceniza volcánica que surgen durante las erupciones magmáticas están formadas por varias fracciones de partículas vítricas (vítreas, no cristalinas), cristalinas o líticas (no magmáticas). Las cenizas producidas durante erupciones magmáticas de baja viscosidad (p. ej., erupciones basálticas hawaianas y estrombolianas ) producen una variedad de piroclastos diferentes que dependen del proceso eruptivo. Por ejemplo, la ceniza recolectada de fuentes de lava hawaianas consiste en piroclastos de sideromelano (vidrio basáltico de color marrón claro) que contienen microlitos (pequeños cristales apagados, que no deben confundirse con el raro microlito mineral ) y fenocristales . Erupciones de basalto ligeramente más viscosas (p. ej., estromboliana) forman una variedad de piroclastos, desde gotas irregulares de sideromelano hasta taquilita en bloques (piroclastos microcristalinos de color negro a marrón oscuro). Por el contrario, la mayoría de las cenizas con alto contenido de sílice (por ejemplo, riolita) consisten en productos pulverizados de piedra pómez (fragmentos vítricos), fenocristales individuales (fracción cristalina) y algunos fragmentos líticos ( xenolitos ). [24]
Las cenizas generadas durante las erupciones freáticas consisten principalmente en fragmentos líticos y minerales alterados hidrotermalmente, comúnmente en una matriz arcillosa. Las superficies de las partículas suelen estar recubiertas con agregados de cristales de zeolita o arcilla y sólo quedan texturas relictas para identificar los tipos de piroclastos. [24]
La morfología (forma) de la ceniza volcánica está controlada por una gran cantidad de diferentes procesos cinemáticos y de erupción. [24] [25] Las erupciones de magmas de baja viscosidad (p. ej., basalto) suelen formar partículas en forma de gotitas. Esta forma de las gotas está, en parte, controlada por la tensión superficial , la aceleración de las gotas después de que salen del respiradero y la fricción del aire. Las formas varían desde esferas perfectas hasta una variedad de gotas alargadas y retorcidas con superficies fluidas y lisas. [25]
La morfología de las cenizas de erupciones de magmas de alta viscosidad (p. ej., riolita, dacita y algunas andesitas) depende principalmente de la forma de las vesículas en el magma ascendente antes de la desintegración. Las vesículas se forman por la expansión del gas magmático antes de que el magma se haya solidificado. Las partículas de ceniza pueden tener diversos grados de vesicularidad y las partículas vesiculares pueden tener relaciones de superficie a volumen extremadamente altas. [24] Las concavidades, depresiones y tubos observados en las superficies de los granos son el resultado de paredes rotas de vesículas. [25] Las partículas de ceniza vítrica de erupciones de magma de alta viscosidad son típicamente fragmentos de piedra pómez vesiculares angulares o fragmentos delgados de paredes de vesículas, mientras que los fragmentos líticos en cenizas volcánicas son típicamente ecuantes o de angulares a subredondeados. La morfología lítica de las cenizas generalmente está controlada por las propiedades mecánicas de la pared de roca rota por el desconchado o la expansión explosiva de los gases en el magma a medida que alcanza la superficie.
La morfología de las partículas de ceniza de las erupciones freatomagmáticas está controlada por tensiones dentro del magma frío que resultan en la fragmentación del vidrio para formar pequeñas partículas de ceniza de vidrio en bloques o piramidales. [24] La forma y densidad de las vesículas juegan sólo un papel menor en la determinación de la forma del grano en las erupciones freatomagmáticas. En este tipo de erupción, el magma ascendente se enfría rápidamente al entrar en contacto con el agua subterránea o superficial. Las tensiones dentro del magma "apagado" provocan la fragmentación en cinco tipos de formas de piroclastos dominantes: (1) en bloques y ecuantes; (2) vesicular e irregular con superficies lisas; (3) parecido al musgo y enrevesado; (4) esférica o en forma de gota; y (5) en forma de placa.
La densidad de las partículas individuales varía con las diferentes erupciones. La densidad de la ceniza volcánica varía entre 700 y 1200 kg/m 3 para la piedra pómez, 2350 a 2450 kg/m 3 para fragmentos de vidrio, 2700 a 3300 kg/m 3 para cristales y 2600 a 3200 kg/m 3 para partículas líticas. [26] Dado que las partículas más gruesas y densas se depositan cerca de la fuente, los fragmentos finos de vidrio y piedra pómez están relativamente enriquecidos en depósitos de ceniza que caen en ubicaciones distales. [27] La alta densidad y dureza (~5 en la escala de dureza de Mohs ), junto con un alto grado de angularidad, hacen que algunos tipos de ceniza volcánica (particularmente aquellas con un alto contenido de sílice) sean muy abrasivos.
La ceniza volcánica está formada por partículas (piroclastos) con diámetros inferiores a 2 mm (las partículas mayores de 2 mm se clasifican como lapilli), [1] y pueden ser tan finas como 1 μm. [10] La distribución general del tamaño de grano de la ceniza puede variar mucho con diferentes composiciones de magma. Se han hecho pocos intentos de correlacionar las características del tamaño de grano de un depósito con las del evento que lo produjo, aunque se pueden hacer algunas predicciones. Los magmas riolíticos generalmente producen material de grano más fino en comparación con los magmas basálticos, debido a su mayor viscosidad y, por tanto, explosividad. Las proporciones de ceniza fina son mayores para las erupciones explosivas silícicas, probablemente porque el tamaño de las vesículas en el magma preeruptivo es más pequeño que el de los magmas máficos. [1] Existe buena evidencia de que los flujos piroclásticos producen altas proporciones de ceniza fina por comunión y es probable que este proceso también ocurra dentro de los conductos volcánicos y sería más eficiente cuando la superficie de fragmentación del magma está muy por debajo del cráter de la cumbre. [1]
Las partículas de ceniza se incorporan a las columnas de erupción a medida que son expulsadas del respiradero a alta velocidad. El impulso inicial de la erupción impulsa la columna hacia arriba. A medida que el aire ingresa a la columna, la densidad aparente disminuye y comienza a ascender con fuerza hacia la atmósfera. [8] En un punto donde la densidad aparente de la columna es la misma que la de la atmósfera circundante, la columna dejará de ascender y comenzará a moverse lateralmente. La dispersión lateral está controlada por los vientos predominantes y las cenizas pueden depositarse a cientos o miles de kilómetros del volcán, dependiendo de la altura de la columna eruptiva, el tamaño de las partículas de las cenizas y las condiciones climáticas (especialmente la dirección, fuerza y humedad del viento). [28]
La precipitación de cenizas ocurre inmediatamente después de la erupción y está controlada por la densidad de las partículas. Inicialmente, las partículas gruesas caen cerca de la fuente. A esto le sigue la caída de lapilli de acreción , que es el resultado de la aglomeración de partículas dentro de la columna. [29] La precipitación de cenizas está menos concentrada durante las etapas finales a medida que la columna se mueve a favor del viento. Esto da como resultado un depósito de caída de ceniza que generalmente disminuye exponencialmente en espesor y tamaño de grano a medida que aumenta la distancia desde el volcán. [30] Las partículas finas de ceniza pueden permanecer en la atmósfera durante días o semanas y ser dispersadas por vientos de gran altitud. Estas partículas pueden impactar la industria de la aviación (consulte la sección de impactos) y, combinadas con partículas de gas, pueden afectar el clima global.
Se pueden formar columnas de ceniza volcánica por encima de las corrientes de densidad piroclástica. Estos se llaman penachos de coignimbrita. A medida que las corrientes de densidad piroclástica se alejan del volcán, las partículas más pequeñas se eliminan del flujo mediante elutriación y forman una zona menos densa que se superpone al flujo principal. Luego, esta zona arrastra el aire circundante y se forma una pluma de coignimbrita flotante. Estas columnas tienden a tener concentraciones más altas de partículas finas de ceniza en comparación con las columnas de erupción magmática debido a la abrasión dentro de la corriente de densidad piroclástica. [1]
El crecimiento demográfico ha provocado la progresiva invasión del desarrollo urbano en zonas de mayor riesgo, más cercanas a los centros volcánicos, aumentando la exposición humana a los eventos de caída de cenizas volcánicas. [31]
Los efectos directos de las cenizas volcánicas sobre la salud de los seres humanos suelen ser de corta duración y leves para personas con una salud normal, aunque la exposición prolongada potencialmente plantea cierto riesgo de silicosis en trabajadores desprotegidos. [32] Más preocupante es el impacto de las cenizas volcánicas en la infraestructura crítica para sustentar las sociedades modernas, particularmente en las áreas urbanas, donde las altas densidades de población crean una alta demanda de servicios. [33] [31] Varias erupciones recientes han ilustrado la vulnerabilidad de las áreas urbanas que recibieron solo unos pocos milímetros o centímetros de ceniza volcánica. [34] [35] [36] [37] [38] Esto ha sido suficiente para causar interrupciones en el transporte, [39] electricidad , [40] agua , [41] [42] sistemas de alcantarillado y aguas pluviales . [43] Se han producido costes derivados de la interrupción del negocio, la sustitución de piezas dañadas y pérdidas aseguradas. Los impactos de la caída de ceniza en infraestructuras críticas también pueden causar múltiples efectos en cadena, que pueden perturbar muchos sectores y servicios diferentes. [44]
La caída de ceniza volcánica es perjudicial física, social y económicamente. [45] La ceniza volcánica puede afectar tanto a áreas próximas como a áreas a muchos cientos de kilómetros de la fuente, [46] y causa interrupciones y pérdidas en una amplia variedad de diferentes sectores de infraestructura. Los impactos dependen de: el espesor de la caída de cenizas; el tamaño del grano y la química de la ceniza; si la ceniza está húmeda o seca; la duración de la caída de cenizas; y cualquier medida de preparación , gestión y prevención (mitigación) empleada para reducir los efectos de la caída de ceniza. Los diferentes sectores de la infraestructura y la sociedad se ven afectados de diferentes maneras y son vulnerables a una variedad de impactos o consecuencias. Estos son discutidos en las siguientes secciones. [31]
Se sabe que las partículas de ceniza de menos de 10 µm de diámetro suspendidas en el aire son inhalables, y las personas expuestas a las caídas de ceniza han experimentado malestar respiratorio, dificultad para respirar, irritación de ojos y piel, y síntomas de nariz y garganta. [47] La mayoría de estos efectos son a corto plazo y no se considera que representen un riesgo significativo para la salud de quienes no tienen afecciones respiratorias preexistentes . [32] Los efectos sobre la salud de las cenizas volcánicas dependen del tamaño del grano, la composición mineralógica y los recubrimientos químicos de la superficie de las partículas de ceniza. [32] Los factores adicionales relacionados con posibles síntomas respiratorios son la frecuencia y duración de la exposición, la concentración de cenizas en el aire y la fracción de ceniza respirable; la proporción de cenizas con menos de 10 µm de diámetro, conocida como PM 10 . El contexto social también puede ser importante.
Es posible que la caída de ceniza volcánica tenga efectos crónicos en la salud, ya que se sabe que la exposición a la sílice cristalina libre causa silicosis . Los minerales asociados con esto incluyen cuarzo , cristobalita y tridimita , todos los cuales pueden estar presentes en las cenizas volcánicas. Estos minerales se describen como sílice "libre", ya que el SiO 2 no está unido a otro elemento para crear un nuevo mineral. Sin embargo, se cree que es poco probable que los magmas que contienen menos del 58% de SiO 2 contengan sílice cristalina. [32]
Los niveles de exposición a la sílice cristalina libre en las cenizas se utilizan comúnmente para caracterizar el riesgo de silicosis en estudios ocupacionales (para personas que trabajan en la minería, la construcción y otras industrias) porque está clasificado como carcinógeno humano por la Agencia Internacional de Investigación. sobre el Cáncer . Se han creado valores de referencia para la exposición, pero sin una justificación clara; Las pautas del Reino Unido para partículas en el aire (PM10) son 50 µg/m 3 y las pautas de EE. UU. para la exposición a sílice cristalina son 50 µg/m 3 . [32] Se cree que las directrices sobre niveles de exposición podrían superarse durante períodos cortos de tiempo sin efectos significativos para la salud de la población general. [47]
No se han documentado casos de silicosis desarrollada por exposición a cenizas volcánicas. Sin embargo, faltan los estudios a largo plazo necesarios para evaluar estos efectos. [32]
Para fuentes de agua superficial como lagos y embalses, el volumen disponible para la dilución de especies iónicas lixiviadas de las cenizas es generalmente grande. Los componentes más abundantes de los lixiviados de cenizas (Ca, Na, Mg, K, Cl, F y SO 4 ) se encuentran naturalmente en concentraciones significativas en la mayoría de las aguas superficiales y, por lo tanto, no se ven muy afectados por los aportes de las cenizas volcánicas y también son motivo de baja preocupación. en el agua potable, a excepción del flúor . Los elementos hierro , manganeso y aluminio comúnmente se enriquecen con respecto a los niveles de fondo por la caída de ceniza volcánica. Estos elementos pueden impartir un sabor metálico al agua y producir manchas rojas, marrones o negras en la vajilla blanca, pero no se consideran un riesgo para la salud. No se sabe que las caídas de ceniza volcánica hayan causado problemas en el suministro de agua por elementos traza tóxicos como el mercurio (Hg) y el plomo (Pb), que se encuentran en niveles muy bajos en los lixiviados de cenizas. [42]
La ingestión de cenizas puede ser perjudicial para el ganado , provocando abrasión de los dientes y, en casos de alto contenido en flúor , intoxicación por flúor (tóxico en niveles >100 µg/g) para los animales que pastan. [48] Se sabe por la erupción del Laki en Islandia en 1783 que se produjo envenenamiento por flúor en humanos y ganado como resultado de la química de las cenizas y el gas, que contenían altos niveles de fluoruro de hidrógeno . Tras las erupciones del Monte Ruapehu en Nueva Zelanda en 1995/96, dos mil ovejas y corderos murieron afectados por fluorosis mientras pastaban en tierras con sólo 1 a 3 mm de ceniza. [48] Los síntomas de fluorosis entre el ganado expuesto a la ceniza incluyen manchas de color marrón-amarillo a verde-negro en los dientes e hipersensibilidad a la presión en las piernas y la espalda. [49] La ingestión de cenizas también puede causar obstrucciones gastrointestinales. [37] Las ovejas que ingirieron cenizas de la erupción volcánica del Monte Hudson en Chile en 1991 sufrieron diarrea y debilidad.
Las cenizas que se acumulan en la lana dorsal de las ovejas pueden añadir un peso significativo, provocando fatiga y que las ovejas no puedan mantenerse en pie. Las precipitaciones pueden resultar en una carga significativa ya que añaden peso a las cenizas. [50] Los trozos de lana pueden caerse y cualquier resto de lana en las ovejas puede no tener valor, ya que la mala nutrición asociada con las erupciones volcánicas afecta la calidad de la fibra. [50] A medida que los pastos y plantas habituales se cubren de ceniza volcánica durante la erupción, algunos animales pueden recurrir a comer todo lo que esté disponible, incluidas plantas tóxicas. [51] Hay informes de cabras y ovejas en Chile y Argentina que tuvieron abortos naturales en relación con erupciones volcánicas. [52]
La ceniza volcánica puede alterar los sistemas de suministro de energía eléctrica en todos los niveles de generación, transformación, transmisión y distribución de energía. Hay cuatro impactos principales que surgen de la contaminación por cenizas de los aparatos utilizados en el proceso de suministro de energía: [53]
Los sistemas alimentados por agua subterránea son resistentes a los impactos de la caída de cenizas, aunque las cenizas en suspensión en el aire pueden interferir con el funcionamiento de las bombas de cabeza de pozo. Los cortes de electricidad causados por la caída de ceniza también pueden afectar las bombas eléctricas si no hay una generación de respaldo. [58]
Los impactos físicos de la caída de cenizas pueden afectar el funcionamiento de las plantas de tratamiento de agua. Las cenizas pueden bloquear las estructuras de entrada, causar graves daños por abrasión a los impulsores de las bombas y sobrecargar los motores de las bombas. [58] Las cenizas pueden ingresar a los sistemas de filtración, como los filtros de arena abiertos, tanto por precipitación directa como a través de las aguas de entrada. En la mayoría de los casos, será necesario un mayor mantenimiento para gestionar los efectos de la caída de ceniza, pero no habrá interrupciones en el servicio. [59]
El último paso del tratamiento del agua potable es la desinfección para garantizar que el agua potable final esté libre de microorganismos infecciosos. Dado que las partículas suspendidas (turbidez) pueden proporcionar un sustrato de crecimiento para microorganismos y protegerlos del tratamiento de desinfección, es extremadamente importante que el proceso de tratamiento del agua logre un buen nivel de eliminación de partículas suspendidas. Es posible que sea necesario aumentar la cloración para garantizar una desinfección adecuada. [60]
Muchos hogares y algunas comunidades pequeñas dependen del agua de lluvia para su suministro de agua potable. Los sistemas alimentados por techo son muy vulnerables a la contaminación por caída de cenizas, ya que tienen una gran superficie en relación con el volumen del tanque de almacenamiento. En estos casos, la lixiviación de contaminantes químicos procedentes de la caída de cenizas puede convertirse en un riesgo para la salud y no se recomienda beber agua. Antes de que caiga ceniza, se deben desconectar las bajantes para proteger el agua del tanque. Otro problema es que la capa superficial de la ceniza volcánica fresca puede ser ácida. A diferencia de la mayoría de las aguas superficiales, el agua de lluvia generalmente tiene una alcalinidad muy baja (capacidad de neutralizar el ácido) y, por lo tanto, la caída de cenizas puede acidificar el agua de los tanques. Esto puede provocar problemas de plumbosolvencia , por lo que el agua es más agresiva con los materiales con los que entra en contacto. Esto puede ser un problema particular si se utilizan clavos con cabeza de plomo o tapajuntas de plomo en el techo, y para tuberías de cobre y otros accesorios metálicos de plomería. [61]
Durante los eventos de caída de cenizas, comúnmente se imponen grandes demandas a los recursos hídricos para su limpieza, lo que puede provocar escasez. La escasez compromete servicios clave como la extinción de incendios y puede provocar una falta de agua para la higiene, el saneamiento y el consumo. Las autoridades municipales deben monitorear y gestionar cuidadosamente esta demanda de agua y es posible que deban aconsejar al público que utilice métodos de limpieza que no utilicen agua (por ejemplo, limpiar con escobas en lugar de mangueras). [62]
Las redes de aguas residuales pueden sufrir daños similares a las redes de suministro de agua. Es muy difícil excluir las cenizas del sistema de alcantarillado. Los sistemas con líneas combinadas de aguas pluviales y alcantarillado corren mayor riesgo. Las cenizas ingresarán a las líneas de alcantarillado donde hay entrada/infiltración de aguas pluviales a través de conexiones ilegales (por ejemplo, desde bajantes de techos), conexiones cruzadas, alrededor de tapas de alcantarillas o a través de agujeros y grietas en tuberías de alcantarillado. [63] [64]
Es probable que las aguas residuales cargadas de cenizas que ingresan a una planta de tratamiento causen fallas en los equipos mecánicos de precribado, como cribas escalonadas o cribas giratorias. Las cenizas que penetran más en el sistema se asentarán y reducirán la capacidad de los reactores biológicos, además de aumentar el volumen de lodos y cambiar su composición. [64]
El principal daño que sufren los aviones que vuelan hacia una nube de ceniza volcánica es la abrasión de las superficies orientadas hacia adelante, como el parabrisas y los bordes de ataque de las alas, y la acumulación de ceniza en las aberturas de la superficie, incluidos los motores. [65] La abrasión de los parabrisas y las luces de aterrizaje reducirá la visibilidad, lo que obligará a los pilotos a confiar en sus instrumentos. Sin embargo, algunos instrumentos pueden proporcionar lecturas incorrectas ya que los sensores (por ejemplo, los tubos Pitot ) pueden bloquearse con ceniza. La ingestión de cenizas en los motores provoca daños por abrasión en las aspas del ventilador del compresor. La ceniza erosiona las cuchillas afiladas del compresor, reduciendo su eficiencia. Las cenizas se derriten en la cámara de combustión para formar vidrio fundido. Luego, la ceniza se solidifica en las palas de la turbina, bloqueando el flujo de aire y provocando que el motor se cale. [66]
La composición de la mayoría de las cenizas es tal que su temperatura de fusión está dentro de la temperatura de funcionamiento (>1000 °C) de los grandes motores a reacción modernos . [67] El grado de impacto depende de la concentración de cenizas en la columna, el tiempo que la aeronave pasa dentro de la columna y las acciones tomadas por los pilotos. Fundamentalmente, el derretimiento de las cenizas, en particular del vidrio volcánico, puede provocar la acumulación de cenizas resolidificadas en las paletas guía de las toberas de la turbina, lo que provoca la parada del compresor y la pérdida total del empuje del motor. [68] El procedimiento estándar del sistema de control del motor cuando detecta una posible pérdida es aumentar la potencia, lo que agravaría el problema. Se recomienda que los pilotos reduzcan la potencia del motor y salgan rápidamente de la nube realizando un giro descendente de 180°. [68] Los gases volcánicos, que están presentes dentro de las nubes de ceniza, también pueden causar daños a los motores y parabrisas acrílicos, y pueden persistir en la estratosfera como un aerosol casi invisible durante períodos prolongados de tiempo. [69]
Hay muchos casos de daños a aviones a reacción como resultado de un encuentro con cenizas. El 24 de junio de 1982, un Boeing 747-236B ( Vuelo 9 ) de British Airways voló a través de la nube de cenizas de la erupción del Monte Galunggung , Indonesia , lo que provocó la falla de sus cuatro motores. El avión descendió 24.000 pies (7.300 m) en 16 minutos antes de que los motores se reiniciaran, lo que le permitió realizar un aterrizaje de emergencia. El 15 de diciembre de 1989, un Boeing 747-400 de KLM ( vuelo 867 ) también perdió potencia en sus cuatro motores después de volar hacia una nube de cenizas desde Mount Redoubt , Alaska . Después de caer 4.500 m (14.700 pies) en cuatro minutos, los motores se arrancaron sólo 1 o 2 minutos antes del impacto. Los daños totales ascendieron a 80 millones de dólares y se necesitaron 3 meses de trabajo para reparar el avión. [67] En la década de 1990, aviones comerciales (algunos en el aire, otros en tierra) sufrieron daños adicionales por valor de 100 millones de dólares como consecuencia de la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991 . [67]
En abril de 2010, el espacio aéreo de toda Europa se vio afectado, con numerosos vuelos cancelados -algo sin precedentes- debido a la presencia de ceniza volcánica en la atmósfera superior procedente de la erupción del volcán islandés Eyjafjallajökull . [70] El 15 de abril de 2010, la Fuerza Aérea Finlandesa detuvo los vuelos de entrenamiento cuando se encontraron daños debido a la ingestión de polvo volcánico por los motores de uno de sus cazas Boeing F-18 Hornet . [71] El 22 de abril de 2010, los vuelos de entrenamiento del Typhoon de la RAF del Reino Unido también se suspendieron temporalmente después de que se encontraran depósitos de ceniza volcánica en los motores de un avión. [72] En junio de 2011, hubo cierres similares del espacio aéreo en Chile, Argentina, Brasil, Australia y Nueva Zelanda, tras la erupción de Puyehue-Cordón Caulle , Chile . [73]
Las nubes de ceniza volcánica son muy difíciles de detectar desde los aviones ya que no existen instrumentos a bordo en la cabina para detectarlas. Sin embargo, el Dr. Fred Prata [74] , mientras trabajaba en CSIRO Australia [75] y el Instituto Noruego de Investigación del Aire , desarrolló recientemente un nuevo sistema llamado Detector infrarrojo de objetos volcánicos aerotransportados (AVOID) , que permitirá a los pilotos detectar columnas de ceniza. a 60 km (37 millas) adelante y vuele con seguridad alrededor de ellos. [76] El sistema utiliza dos cámaras infrarrojas de muestreo rápido, montadas en una superficie orientada hacia adelante, que están sintonizadas para detectar cenizas volcánicas. Este sistema puede detectar concentraciones de cenizas de <1 mg/m 3 a > 50 mg/m 3 , dando a los pilotos un aviso de aproximadamente 7 a 10 minutos. [76] La cámara fue probada [77] [78] por la compañía aérea easyJet , [79] AIRBUS y Nicarnica Aviation (cofundada por el Dr. Fred Prata). Los resultados mostraron que el sistema podría funcionar a distancias de ~60 km y hasta 10 000 pies [80] , pero no a mayor distancia sin algunas modificaciones significativas.
Además, se pueden utilizar imágenes terrestres y satelitales, radares y lidar para detectar nubes de ceniza. Esta información se transmite entre agencias meteorológicas, observatorios volcánicos y compañías aéreas a través de los Centros de asesoramiento sobre cenizas volcánicas (VAAC) . Hay un VAAC para cada una de las nueve regiones del mundo. Los VAAC pueden emitir avisos que describan el alcance actual y futuro de la nube de cenizas. [81]
La ceniza volcánica no sólo afecta las operaciones en vuelo sino que también puede afectar las operaciones aeroportuarias en tierra. Pequeñas acumulaciones de ceniza pueden reducir la visibilidad, producir pistas y calles de rodaje resbaladizas, infiltrarse en los sistemas eléctricos y de comunicación, interrumpir los servicios en tierra, dañar edificios y aeronaves estacionadas. [82] La acumulación de cenizas de más de unos pocos milímetros requiere su eliminación antes de que los aeropuertos puedan reanudar sus operaciones completas. Las cenizas no desaparecen (a diferencia de las nevadas) y deben eliminarse de forma que se impida que el viento y los aviones las removilicen. [83]
La ceniza puede alterar los sistemas de transporte en grandes áreas durante horas o días, incluidas carreteras y vehículos, ferrocarriles, puertos y transporte marítimo. La caída de ceniza reducirá la visibilidad, lo que puede hacer que la conducción sea difícil y peligrosa. [26] Además, los automóviles que viajan rápido levantarán cenizas, generando nubes ondulantes que perpetúan los continuos peligros de visibilidad. Las acumulaciones de ceniza disminuirán la tracción, especialmente cuando esté mojado, y cubrirán las marcas viales. [26] Las cenizas de grano fino pueden infiltrarse en las aberturas de los automóviles y desgastar la mayoría de las superficies, especialmente entre las piezas móviles. Los filtros de aire y aceite se bloquearán y será necesario reemplazarlos con frecuencia. El transporte ferroviario es menos vulnerable y las perturbaciones se deben principalmente a la reducción de la visibilidad. [26]
El transporte marítimo también puede verse afectado por las cenizas volcánicas. La caída de ceniza bloqueará los filtros de aire y aceite y desgastará cualquier pieza móvil si el motor la ingiere. La navegación se verá afectada por una reducción de la visibilidad durante la caída de ceniza. Las cenizas vesiculadas ( piedra pómez y escoria ) flotarán en la superficie del agua en 'balsas de piedra pómez' que pueden obstruir rápidamente las tomas de agua, provocando un sobrecalentamiento de la maquinaria. [26]
Las redes de telecomunicaciones y radiodifusión pueden verse afectadas por las cenizas volcánicas de las siguientes maneras: atenuación y reducción de la intensidad de la señal; daños al equipo; y sobrecarga de la red debido a la demanda de los usuarios. La atenuación de la señal debida a las cenizas volcánicas no está bien documentada; sin embargo, ha habido informes de comunicaciones interrumpidas después de la erupción de Surtsey de 1969 y la erupción del Monte Pinatubo de 1991. Una investigación realizada por el Auckland Engineering Lifelines Group, con sede en Nueva Zelanda , determinó teóricamente que los impactos de las cenizas en las señales de telecomunicaciones se limitarían a los servicios de baja frecuencia , como las comunicaciones por satélite . [37] La interferencia de la señal también puede ser causada por rayos, ya que frecuentemente se generan dentro de las columnas de erupción volcánica. [84]
Los equipos de telecomunicaciones pueden resultar dañados debido a la caída directa de ceniza. La mayoría de los equipos modernos requieren refrigeración constante de las unidades de aire acondicionado . Estos son susceptibles de bloquearse por cenizas, lo que reduce su eficiencia de enfriamiento. [85] Las fuertes caídas de ceniza pueden provocar el colapso de líneas de telecomunicaciones, mástiles, cables, antenas, antenas parabólicas y torres debido a la carga de cenizas. Las cenizas húmedas también pueden provocar una corrosión acelerada de los componentes metálicos. [37]
Los informes de erupciones recientes sugieren que la mayor interrupción en las redes de comunicación es la sobrecarga debido a la alta demanda de los usuarios. [26] Esto es común en muchos desastres naturales. [86]
Las computadoras pueden verse afectadas por la ceniza volcánica, y su funcionalidad y usabilidad disminuyen durante la caída de ceniza, pero es poco probable que fallen por completo. [87] Los componentes más vulnerables son los componentes mecánicos, como ventiladores de refrigeración , unidades de CD , teclados , ratones y paneles táctiles . Estos componentes pueden atascarse con cenizas de grano fino y provocar que dejen de funcionar; sin embargo, la mayoría se puede restaurar para que funcione limpiando con aire comprimido. Las cenizas húmedas pueden provocar cortocircuitos eléctricos dentro de las computadoras de escritorio; sin embargo, no afectará a las computadoras portátiles. [87]
Los daños a edificios y estructuras pueden variar desde el colapso total o parcial del techo hasta daños menos catastróficos a los materiales exteriores e internos. Los impactos dependen del espesor de la ceniza, si está húmeda o seca, el diseño del techo y del edificio y de la cantidad de ceniza que ingresa al edificio. El peso específico de la ceniza puede variar significativamente y la lluvia puede aumentarlo entre un 50% y un 100%. [10] Los problemas asociados con la carga de cenizas son similares a los de la nieve; sin embargo, la ceniza es más grave ya que 1) la carga de ceniza es generalmente mucho mayor, 2) la ceniza no se derrite y 3) la ceniza puede obstruir y dañar las canaletas, especialmente después de la lluvia. Los impactos de la carga de cenizas dependen del diseño y la construcción del edificio, incluida la pendiente del techo, los materiales de construcción, la luz del techo y el sistema de soporte, y la antigüedad y el mantenimiento del edificio. [10] Generalmente, los techos planos son más susceptibles a daños y colapso que los techos con pendiente pronunciada. Los techos hechos de materiales lisos (chapa de metal o vidrio) tienen más probabilidades de arrojar cenizas que los techos hechos con materiales rugosos (paja, asfalto o tejas de madera). El colapso del techo puede provocar lesiones y muertes generalizadas y daños a la propiedad. Por ejemplo, el derrumbe de los tejados a causa de las cenizas durante la erupción del Monte Pinatubo el 15 de junio de 1991 mató a unas 300 personas. [88]
La ceniza volcánica puede tener un impacto perjudicial en el medio ambiente que puede ser difícil de predecir debido a la gran variedad de condiciones ambientales que existen dentro de la zona de caída de ceniza. Las vías fluviales naturales pueden verse afectadas del mismo modo que las redes urbanas de suministro de agua. Las cenizas aumentarán la turbidez del agua, lo que puede reducir la cantidad de luz que llega a profundidades más bajas, lo que puede inhibir el crecimiento de plantas acuáticas sumergidas y, en consecuencia, afectar a las especies que dependen de ellas, como los peces y mariscos . [89] La alta turbidez también puede afectar la capacidad de las branquias de los peces para absorber oxígeno disuelto . [90] También se producirá acidificación, lo que reducirá el pH del agua y afectará a la fauna y la flora que viven en el medio ambiente. Se producirá contaminación por fluoruro si las cenizas contienen altas concentraciones de fluoruro. [91]
La acumulación de cenizas también afectará a los pastos, las plantas y los árboles que forman parte de las industrias hortícola y agrícola . Las finas caídas de ceniza (<20 mm) pueden disuadir al ganado de comer, inhibir la transpiración y la fotosíntesis y alterar el crecimiento. Puede haber un aumento en la producción de pastos debido al efecto de cobertura y un ligero efecto fertilizante, como ocurrió después de las erupciones del Monte St. Helens en 1980 y del Monte Ruapehu en 1995/96. [92] [93] Las caídas más fuertes enterrarán completamente los pastos y el suelo, provocando la muerte de los pastos y la esterilización del suelo debido a la falta de oxígeno. La supervivencia de las plantas depende del espesor de las cenizas, su química, su compactación, la cantidad de lluvia, la duración del entierro y la longitud de los tallos de las plantas en el momento de la caída de las cenizas. [10]
Los bosques jóvenes (árboles <2 años) corren mayor riesgo de caídas de ceniza y es probable que sean destruidos por depósitos de ceniza >100 mm. [94] Es poco probable que la caída de ceniza mate a los árboles maduros, pero la carga de ceniza puede romper ramas grandes durante caídas intensas de ceniza (>500 mm). También puede ocurrir defoliación de árboles, especialmente si hay un componente de ceniza gruesa dentro de la caída de ceniza. [10]
La rehabilitación del terreno después de la caída de cenizas puede ser posible dependiendo del espesor del depósito de cenizas. El tratamiento de rehabilitación puede incluir: siembra directa de depósito; mezcla del depósito con tierra enterrada; raspado de depósitos de cenizas de la superficie terrestre; y aplicación de nueva capa vegetal sobre el depósito de cenizas. [37]
La infraestructura crítica y los servicios de infraestructura son vitales para la funcionalidad de la sociedad moderna, para brindar: atención médica, vigilancia policial, servicios de emergencia y líneas vitales como agua, aguas residuales y conexiones de energía y transporte. A menudo, las propias instalaciones críticas dependen de dichas líneas de vida para su funcionamiento, lo que las hace vulnerables tanto a los impactos directos de un evento peligroso como a los efectos indirectos de la interrupción de las líneas de vida. [95]
Los impactos en las líneas vitales también pueden ser interdependientes . La vulnerabilidad de cada línea de vida puede depender de: el tipo de amenaza, la densidad espacial de sus vínculos críticos, la dependencia de los vínculos críticos, la susceptibilidad al daño y la velocidad de restauración del servicio, el estado de conservación o antigüedad, y las características institucionales o de propiedad. [33]
La erupción de Eyjafjallajokull en Islandia en 2010 puso de relieve los impactos de la caída de ceniza volcánica en la sociedad moderna y nuestra dependencia de la funcionalidad de los servicios de infraestructura. Durante este evento, la industria aérea sufrió pérdidas por interrupción del negocio de entre 1.500 y 2.500 millones de euros debido al cierre del espacio aéreo europeo durante seis días en abril de 2010 y cierres posteriores hasta mayo de 2010. [96] También se sabe que la caída de ceniza de este evento causó pérdidas de cultivos locales en industrias agrícolas, pérdidas en la industria del turismo, destrucción de carreteras y puentes en Islandia (en combinación con el agua de deshielo de los glaciares) y costos asociados con la respuesta de emergencia y la limpieza. Sin embargo, en toda Europa hubo más pérdidas asociadas con la interrupción de los viajes, la industria de seguros, el servicio postal y las importaciones y exportaciones en toda Europa y en todo el mundo. Estas consecuencias demuestran la interdependencia y diversidad de los impactos de un solo evento. [38]
La preparación para la caída de ceniza debe implicar sellar edificios, proteger la infraestructura y los hogares, y almacenar suficientes suministros de alimentos y agua para que duren hasta que termine la caída de ceniza y pueda comenzar la limpieza. Se pueden usar máscaras antipolvo para reducir la inhalación de cenizas y mitigar cualquier efecto en la salud respiratoria. [47] Se pueden usar gafas para proteger contra la irritación de los ojos.
En casa, mantenerse informado sobre la actividad volcánica y contar con planes de contingencia para ubicaciones alternativas de refugio constituye una buena preparación para una caída de ceniza. Esto puede prevenir algunos impactos asociados con la caída de ceniza, reducir los efectos y aumentar la capacidad humana para hacer frente a tales eventos. Algunos elementos, como una linterna, láminas de plástico para proteger los equipos electrónicos del ingreso de cenizas y radios que funcionan con baterías, son extremadamente útiles durante los eventos de caída de cenizas. [10]
Se deben elaborar planes de comunicación de antemano para informar sobre las acciones de mitigación que se están llevando a cabo. Las piezas de repuesto y los sistemas de respaldo deben estar instalados antes de que caigan cenizas para reducir la interrupción del servicio y devolver la funcionalidad lo más rápido posible. Una buena preparación también incluye la identificación de los sitios de eliminación de cenizas, antes de que ocurra la caída de cenizas, para evitar un mayor movimiento de cenizas y ayudar en la limpieza. [97]
Se han desarrollado algunas técnicas efectivas para el manejo de las cenizas, incluidos métodos y aparatos de limpieza, y acciones para mitigar o limitar los daños. Estos últimos incluyen el cubrimiento de aberturas tales como: tomas de aire y agua, motores de aviones y ventanas durante eventos de caída de ceniza. Es posible que se cierren las carreteras para permitir la limpieza de las caídas de ceniza, o que se establezcan restricciones de velocidad para evitar que los automovilistas desarrollen problemas motores y queden varados después de una caída de ceniza. [98] Para evitar mayores efectos en los sistemas de aguas subterráneas o las redes de aguas residuales, se deben desbloquear los desagües y las alcantarillas y se debe evitar que entren cenizas en el sistema. [97] Las cenizas se pueden humedecer (pero no saturar) rociándolas con agua, para evitar la removilización de las cenizas y ayudar en la limpieza. [98] La priorización de las operaciones de limpieza de instalaciones críticas y la coordinación de los esfuerzos de limpieza también constituyen buenas prácticas de gestión. [97] [98] [99]
Se recomienda evacuar el ganado en zonas donde la caída de ceniza pueda alcanzar los 5 cm o más. [100]
El uso principal de la ceniza volcánica es el de enriquecedor del suelo. Una vez que los minerales de la ceniza llegan al suelo mediante la lluvia u otros procesos naturales, se mezclan con el suelo y forman una capa de andisol . Esta capa es muy rica en nutrientes y muy buena para uso agrícola; La presencia de frondosos bosques en las islas volcánicas suele deberse a que los árboles crecen y florecen en el andisol, rico en fósforo y nitrógeno . [101] La ceniza volcánica también se puede utilizar como sustituto de la arena. [102]
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