El vulcanismo , vulcanismo , volcanicidad o actividad volcánica es el fenómeno por el cual sólidos, líquidos, gases y sus mezclas entran en erupción en la superficie de un cuerpo astronómico de superficie sólida, como un planeta o una luna. [1] Es causado por la presencia de una fuente de calor, generalmente generada internamente, dentro del cuerpo; el calor es generado por varios procesos, como la desintegración radiactiva o el calentamiento por mareas . Este calor derrite parcialmente el material sólido en el cuerpo o lo convierte en gas. El material movilizado se eleva a través del interior del cuerpo y puede atravesar la superficie sólida. [2] [3]
Para que se produzca vulcanismo, la temperatura del manto debe haber aumentado hasta aproximadamente la mitad de su punto de fusión. En este punto, la viscosidad del manto habrá caído a unos 10 21 Pascal-segundos . Cuando se produce una fusión a gran escala, la viscosidad cae rápidamente a 10 3 Pascal-segundos o incluso menos, lo que aumenta la tasa de transporte de calor un millón de veces. [3]
La aparición del vulcanismo se debe en parte al hecho de que el material fundido tiende a ser más móvil y menos denso que los materiales de los que se produjo, lo que puede provocar que suba a la superficie. [3]
Existen múltiples formas de generar el calor necesario para el vulcanismo. El vulcanismo en las lunas exteriores del sistema solar se alimenta principalmente del calentamiento por mareas . [1] El calentamiento por mareas es causado por la deformación de la forma de un cuerpo debido a la atracción gravitatoria mutua, que genera calor. La Tierra experimenta el calentamiento por mareas de la Luna , que la deforma hasta un metro (3 pies), pero esto no constituye una parte importante del calor total de la Tierra . [4]
Durante la formación de un planeta , este habría experimentado un calentamiento por los impactos de planetesimales , que habría empequeñecido incluso el impacto de asteroides que causó la extinción de los dinosaurios . Este calentamiento podría desencadenar la diferenciación , calentando aún más el planeta. Cuanto más grande es un cuerpo , más lentamente pierde calor. En cuerpos más grandes, por ejemplo la Tierra, este calor, conocido como calor primordial, todavía constituye gran parte del calor interno del cuerpo, pero la Luna, que es más pequeña que la Tierra, ha perdido la mayor parte de este calor. [4]
Otra fuente de calor es el calor radiogénico, causado por la desintegración radiactiva . La desintegración del aluminio-26 habría calentado significativamente los embriones planetarios, pero debido a su corta vida media (menos de un millón de años), cualquier rastro de él desapareció hace mucho tiempo. Hay pequeños rastros de isótopos inestables en minerales comunes, y todos los planetas terrestres y la Luna experimentan algo de este calentamiento. [4] Los cuerpos helados del sistema solar exterior experimentan mucho menos de este calor porque tienden a no ser muy densos y no tienen mucho material de silicato (los elementos radiactivos se concentran en los silicatos). [5]
En la luna Tritón de Neptuno , y posiblemente en Marte, se produce actividad criogéiser . La fuente de calor es externa (el calor del Sol) en lugar de interna. [6] [7]
La fusión por descompresión se produce cuando el material sólido que se encuentra en las profundidades del cuerpo asciende. La presión disminuye a medida que el material asciende, y también lo hace el punto de fusión. Por lo tanto, una roca que es sólida a una presión y temperatura determinadas puede volverse líquida si la presión, y por lo tanto el punto de fusión, disminuyen incluso si la temperatura se mantiene constante. [8] [3] Sin embargo, en el caso del agua, el aumento de la presión disminuye el punto de fusión hasta que se alcanza una presión de 0,208 GPa , después de lo cual el punto de fusión aumenta con la presión. [3]
La fusión por fundente ocurre cuando el punto de fusión se reduce mediante la adición de sustancias volátiles, por ejemplo, agua o dióxido de carbono. [3] [9] Al igual que la fusión por descompresión, no es causada por un aumento de la temperatura, sino por una disminución del punto de fusión. [10]
El criovulcanismo , en lugar de originarse en un océano subterráneo uniforme, puede tener lugar a partir de depósitos de líquido discretos. La primera forma en que pueden formarse es una columna de hielo cálido que surge y luego se hunde, formando una corriente de convección. Un modelo desarrollado para investigar los efectos de esto en Europa descubrió que la energía del calentamiento de las mareas se concentraba en estas columnas, lo que permitía que se produjera la fusión en estas profundidades poco profundas a medida que la columna se extendía lateralmente (horizontalmente). El siguiente es un cambio de propagación vertical a horizontal de una grieta llena de fluido. Otro mecanismo es el calentamiento del hielo a partir de la liberación de tensión a través del movimiento lateral de las fracturas en la capa de hielo que lo penetran desde la superficie, e incluso el calentamiento a partir de grandes impactos puede crear tales depósitos. [5]
Cuando el material de un cuerpo planetario comienza a fundirse, la fusión ocurre primero en pequeñas bolsas en ciertas ubicaciones de alta energía, por ejemplo, intersecciones de límites de grano y donde diferentes cristales reaccionan para formar líquido eutéctico , que inicialmente permanece aislado uno del otro, atrapado dentro de la roca. Si el ángulo de contacto del material fundido permite que el material fundido humedezca las caras de los cristales y corra a lo largo de los límites de grano , el material fundido se acumulará en cantidades mayores. Por otro lado, si el ángulo es mayor a aproximadamente 60 grados, debe formarse mucho más material fundido antes de que pueda separarse de su roca madre. Los estudios de rocas en la Tierra sugieren que el material fundido en rocas calientes se acumula rápidamente en bolsas y vetas que son mucho más grandes que el tamaño del grano , en contraste con el modelo de percolación rígida del material fundido . El material fundido, en lugar de fluir uniformemente fuera de la roca fuente, fluye a través de riachuelos que se unen para crear vetas más grandes. Bajo la influencia de la flotabilidad , el material fundido se eleva. [3] Los diapiros también pueden formarse en cuerpos no silicatados, desempeñando un papel similar en el movimiento de material cálido hacia la superficie. [5]
Un dique es una grieta vertical llena de líquido, desde un punto de vista mecánico es una grieta llena de agua al revés. A medida que el magma asciende por la grieta vertical, la baja densidad del magma en comparación con la roca de la pared significa que la presión cae menos rápidamente que en la roca más densa circundante. Si la presión promedio del magma y la roca circundante son iguales, la presión en el dique excede la de la roca circundante en la parte superior del dique, y la presión de la roca es mayor que la del dique en su parte inferior. Entonces, el magma empuja la grieta hacia arriba en su parte superior, pero la grieta se cierra por la parte inferior debido a una reacción elástica (similar al bulto al lado de una persona sentada en un sofá elástico). Finalmente, la cola se vuelve tan estrecha que casi se desprende, y ya no subirá más magma por la grieta. La grieta continúa ascendiendo como una cápsula independiente de magma. [3]
Este modelo de erupción volcánica postula que el magma asciende a través de un canal abierto rígido en la litosfera y se asienta en el nivel de equilibrio hidrostático . A pesar de que explica bien las observaciones (cosa que no pueden hacer los modelos más nuevos), como una aparente concordancia de la elevación de los volcanes cercanos entre sí, no puede ser correcto y ahora está desacreditado, porque el espesor de la litosfera que se deriva de él es demasiado grande para que se sostenga la suposición de un canal abierto rígido. [3]
A diferencia del vulcanismo de silicato, en el que el material fundido puede ascender por su propia flotabilidad hasta alcanzar la corteza superficial, en el criovulcanismo, el agua (los criomagmas tienden a estar basados en agua) es más densa que el hielo que se encuentra sobre ella. Una forma de permitir que el criomagma alcance la superficie es hacer que el agua flote, al hacerla menos densa, ya sea mediante la presencia de otros compuestos que reviertan la flotabilidad negativa, o con la adición de burbujas de gas exdisueltas en el criomagma que se disolvieron previamente en él (que hace que el criomagma sea menos denso), o con la presencia de un agente densificante en la capa de hielo. Otra forma es presurizar el fluido para superar la flotabilidad negativa y hacer que alcance la superficie. Cuando la capa de hielo sobre un océano subterráneo se espesa, puede presurizar todo el océano (en el criovulcanismo, el agua congelada o la salmuera es menos densa que en forma líquida). Cuando un depósito de líquido se congela parcialmente, el líquido restante se presuriza de la misma manera. [5]
Para que una grieta en la capa de hielo se propague hacia arriba, el fluido que contiene debe tener flotabilidad positiva o las tensiones externas deben ser lo suficientemente fuertes como para atravesar el hielo. Las tensiones externas pueden incluir las de las mareas o las de la sobrepresión debido a la congelación, como se explicó anteriormente. [11]
Existe otro mecanismo posible para el ascenso de los derretimientos criovolcánicos. Si una fractura con agua en su interior alcanza un océano o un depósito de fluidos subterráneo, el agua ascendería hasta su nivel de equilibrio hidrostático, aproximadamente a nueve décimas partes del camino hacia la superficie. Las mareas que inducen compresión y tensión en la capa de hielo pueden bombear el agua aún más arriba. [5]
Un artículo de 1988 propuso la posibilidad de que las fracturas se propagaran hacia arriba desde el océano subterráneo de la luna Europa de Júpiter. Proponía que una fractura que se propagara hacia arriba tendría una zona de baja presión en su punta, lo que permitiría que los volátiles disueltos en el agua se disolvieran en gas. La naturaleza elástica de la capa de hielo probablemente impediría que la fractura alcanzara la superficie y, en cambio, la grieta se abriría, encerrando el gas y el líquido. El gas aumentaría la flotabilidad y podría permitir que la grieta alcanzara la superficie. [5]
Incluso los impactos pueden crear condiciones que permitan un ascenso acelerado del magma. Un impacto puede eliminar los primeros kilómetros de corteza y las diferencias de presión causadas por la diferencia de altura entre la cuenca y la altura del terreno circundante podrían permitir la erupción de magma que, de otro modo, habría permanecido bajo la superficie. Un artículo de 2011 mostró que habría zonas de ascenso acelerado del magma en los márgenes de una cuenca de impacto. [5]
No todos estos mecanismos, o tal vez ninguno, actúan sobre un organismo determinado . [5]
El vulcanismo de silicato se produce cuando se liberan materiales de silicato. Los flujos de lava de silicato, como los que se encuentran en la Tierra, se solidifican a unos 1000 grados Celsius. [12]
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Un volcán de lodo se forma cuando fluidos y gases bajo presión salen a la superficie y arrastran lodo. Esta presión puede ser causada por el peso de los sedimentos que recubren el fluido y lo empujan hacia abajo, impidiendo que escape, o por fluido atrapado en el sedimento, migrando desde sedimentos más profundos a otros sedimentos o por reacciones químicas en el sedimento. A menudo entran en erupción silenciosamente, pero a veces expulsan gases inflamables como el metano. [13]
El criovulcanismo es la erupción de sustancias volátiles en un entorno por debajo de su punto de congelación. Los procesos que se producen son diferentes a los del vulcanismo de silicato porque el criomagma (que suele estar formado por agua) normalmente es más denso que su entorno, lo que significa que no puede ascender por su propia flotabilidad. [14] [5]
Las lavas de azufre tienen un comportamiento diferente al de las de silicato. En primer lugar, el azufre tiene un punto de fusión bajo, de unos 120 grados Celsius. Además, después de enfriarse a unos 175 grados Celsius, la lava pierde rápidamente viscosidad, a diferencia de las lavas de silicato como las que se encuentran en la Tierra. [12]
Cuando el magma entra en erupción en la superficie de un planeta, se denomina lava . Las lavas viscosas forman flujos cortos y rechonchos ricos en vidrio. Suelen tener una textura superficial solidificada y ondulada. [3]
Las lavas más fluidas tienen texturas superficiales solidificadas que los vulcanólogos clasifican en cuatro tipos. [3] La lava almohadillada se forma cuando un detonante, a menudo lava que entra en contacto con el agua, hace que un flujo de lava se enfríe rápidamente. [3] [15] Esto astilla la superficie de la lava, y el magma luego se acumula en sacos que a menudo se amontonan frente al flujo, formando una estructura llamada almohada. [3] La lava A'a tiene una superficie rugosa y espinosa hecha de clastos de lava llamados clinkers. [16] La lava en bloque es otro tipo de lava, con fragmentos menos irregulares que en la lava a'a. [17] La lava Pahoehoe es, con mucho, el tipo de lava más común, tanto en la Tierra como probablemente en los otros planetas terrestres. Tiene una superficie lisa, con montículos, huecos y pliegues. [3]
Una erupción volcánica puede ser simplemente un derrame de material sobre la superficie de un planeta, pero normalmente implica una mezcla compleja de sólidos, líquidos y gases que se comportan de maneras igualmente complejas. [3] Algunos tipos de erupciones explosivas pueden liberar energía que equivale a una cuarta parte de la masa equivalente de TNT . [18]
Se ha observado que las erupciones volcánicas en la Tierra progresan de manera constante desde la erupción de material rico en gas hasta la de material pobre en gas, aunque una erupción puede alternar entre la erupción de material rico en gas y la de material pobre en gas y viceversa varias veces. Esto se puede explicar por el enriquecimiento del magma en la parte superior de un dique por el gas que se libera cuando el dique rompe la superficie, seguido por el magma de las partes inferiores que no se enriqueció con gas. [3]
La razón por la que el gas disuelto en el magma se separa de él cuando este se acerca a la superficie se debe a los efectos de la temperatura y la presión sobre la solubilidad del gas . La presión aumenta la solubilidad del gas y, si un líquido con gas disuelto en él se despresuriza, el gas tenderá a exsolverse (o separarse) del líquido. Un ejemplo de esto es lo que sucede cuando se abre rápidamente una botella de bebida carbonatada: al abrir el sello, la presión disminuye y aparecen burbujas de gas de dióxido de carbono en todo el líquido. [3]
Los magmas fluidos entran en erupción silenciosamente. Cualquier gas que se haya exuelto del magma escapa fácilmente incluso antes de llegar a la superficie. Sin embargo, en los magmas viscosos , los gases quedan atrapados en el magma incluso después de haberse exuelto, formando burbujas en su interior. Estas burbujas se agrandan a medida que el magma se acerca a la superficie debido a la caída de presión, y el magma crece sustancialmente. Este hecho confiere a los volcanes que expulsan este material una tendencia a "explotar", aunque en lugar del aumento de presión asociado con una explosión, la presión siempre disminuye en una erupción volcánica. [3]
En general, el criovulcanismo explosivo es impulsado por la exsolución de volátiles que previamente se disolvieron en el criomagma, similar a lo que sucede en el vulcanismo explosivo de silicato como el que se observa en la Tierra, que es lo que se trata principalmente a continuación. [11]
Los magmas ricos en sílice se enfrían bajo la superficie antes de entrar en erupción. Al hacerlo, se liberan burbujas del magma. A medida que el magma se acerca a la superficie, las burbujas y, por lo tanto, el magma aumentan de volumen. La presión resultante finalmente atraviesa la superficie y la liberación de presión hace que se libere más gas, lo que ocurre de manera explosiva. El gas puede expandirse a cientos de metros por segundo, expandiéndose hacia arriba y hacia afuera. A medida que avanza la erupción, una reacción en cadena hace que el magma sea expulsado a velocidades cada vez mayores. [3]
El gas que se expande violentamente dispersa y rompe el magma, formando un coloide de gas y magma llamado ceniza volcánica . El enfriamiento del gas en la ceniza a medida que se expande enfría los fragmentos de magma, a menudo formando pequeños fragmentos de vidrio reconocibles como porciones de las paredes de antiguas burbujas líquidas. En magmas más fluidos, las paredes de las burbujas pueden tener tiempo para reformarse en gotas líquidas esféricas. El estado final de los coloides depende en gran medida de la relación entre líquido y gas. Los magmas pobres en gas terminan enfriándose y se convierten en rocas con pequeñas cavidades, convirtiéndose en lava vesicular . Los magmas ricos en gas se enfrían para formar rocas con cavidades que casi se tocan, con una densidad promedio menor que la del agua, formando piedra pómez . Mientras tanto, otro material puede acelerarse con el gas, convirtiéndose en bombas volcánicas . Estas pueden viajar con tanta energía que las grandes pueden crear cráteres cuando golpean el suelo. [3]
Un coloide de gas volcánico y magma puede formarse como una corriente de densidad llamada flujo piroclástico . Esto ocurre cuando el material erupcionado vuelve a caer a la superficie. El coloide se fluidifica un poco por el gas, lo que le permite extenderse. Los flujos piroclásticos a menudo pueden superar obstáculos y devastar la vida humana. [3] Los flujos piroclásticos son una característica común en los volcanes explosivos de la Tierra. Se han encontrado flujos piroclásticos en Venus, por ejemplo en los volcanes Dione Regio . [19]
Una erupción freática puede ocurrir cuando se despresuriza agua caliente bajo presión. La despresurización reduce el punto de ebullición del agua, por lo que al despresurizarse, el agua hierve de repente. [20] O puede ocurrir cuando el agua subterránea se calienta de repente, convirtiéndose en vapor de repente. [21] Cuando el agua se convierte en vapor en una erupción freática, se expande a velocidades supersónicas, hasta 1.700 veces su volumen original. Esto puede ser suficiente para romper rocas sólidas y lanzar fragmentos de roca a cientos de metros. [22]
Una erupción freatomagmática ocurre cuando el magma caliente entra en contacto con el agua, creando una explosión. [23]
Un mecanismo para el criovulcanismo explosivo es el contacto del criomagma con hidratos de clatrato . Los hidratos de clatrato, si se exponen a temperaturas cálidas, se descomponen fácilmente. Un artículo de 1982 señaló la posibilidad de que la producción de gas presurizado tras la desestabilización de los hidratos de clatrato que entran en contacto con el magma caliente ascendente pudiera producir una explosión que rompa la superficie, lo que daría lugar a un criovulcanismo explosivo. [5]
Si una fractura alcanza la superficie de un cuerpo helado y la columna de agua ascendente queda expuesta al vacío casi absoluto de la superficie de la mayoría de los cuerpos helados, comenzará a hervir inmediatamente, porque su presión de vapor es mucho mayor que la presión ambiental. No solo eso, sino que cualquier componente volátil en el agua se disolverá. La combinación de estos procesos liberará gotitas y vapor, que pueden ascender por la fractura, creando una columna. Se cree que esto es parcialmente responsable de las columnas de hielo de Encélado . [5]
En la Tierra, los volcanes se encuentran con mayor frecuencia donde las placas tectónicas divergen o convergen , y debido a que la mayoría de los límites de placas de la Tierra están bajo el agua, la mayoría de los volcanes se encuentran bajo el agua. Por ejemplo, una dorsal oceánica , como la dorsal mesoatlántica , tiene volcanes causados por placas tectónicas divergentes, mientras que el Anillo de Fuego del Pacífico tiene volcanes causados por placas tectónicas convergentes. Los volcanes también pueden formarse donde hay estiramiento y adelgazamiento de las placas de la corteza, como en el Rift de África Oriental y el campo volcánico Wells Gray-Clearwater y el rift del Río Grande en América del Norte. Se ha postulado que el vulcanismo alejado de los límites de placas surge de diapiros ascendentes del límite núcleo-manto , a 3000 kilómetros (1900 mi) de profundidad dentro de la Tierra. Esto da como resultado el vulcanismo de punto caliente , del cual el punto caliente hawaiano es un ejemplo. Los volcanes generalmente no se crean donde dos placas tectónicas se deslizan una sobre otra. Los estudios muestran que entre 1912 y 1952, en el hemisferio norte, los inviernos fueron más cálidos debido a que no se produjeron erupciones masivas. Estos estudios demuestran cómo estas erupciones pueden provocar cambios en la atmósfera terrestre. [24]
Las grandes erupciones pueden afectar la temperatura atmosférica, ya que las cenizas y las gotitas de ácido sulfúrico oscurecen el Sol y enfrían la troposfera terrestre . Históricamente, las grandes erupciones volcánicas han sido seguidas por inviernos volcánicos que han causado hambrunas catastróficas. [25]
La Luna de la Tierra no tiene grandes volcanes ni actividad volcánica actual, aunque evidencia reciente sugiere que aún puede poseer un núcleo parcialmente fundido. [26] Sin embargo, la Luna tiene muchas características volcánicas como mares [27] (las manchas más oscuras que se ven en la Luna), grietas [28] y domos . [29]
El planeta Venus tiene una superficie compuesta en un 90% por basalto , lo que indica que el vulcanismo jugó un papel importante en la conformación de su superficie. El planeta puede haber tenido un importante evento de resurgimiento global hace unos 500 millones de años, [30] por lo que los científicos pueden deducir de la densidad de cráteres de impacto en la superficie. Los flujos de lava están muy extendidos y también se producen formas de vulcanismo que no están presentes en la Tierra. Los cambios en la atmósfera del planeta y las observaciones de relámpagos se han atribuido a las erupciones volcánicas en curso, aunque no hay confirmación de si Venus sigue siendo volcánicamente activo o no. Sin embargo, el sondeo de radar de la sonda Magallanes reveló evidencia de actividad volcánica comparativamente reciente en el volcán más alto de Venus, Maat Mons , en forma de flujos de ceniza cerca de la cumbre y en el flanco norte. [31] Sin embargo, la interpretación de los flujos como flujos de ceniza ha sido cuestionada. [32]
Hay varios volcanes extintos en Marte , cuatro de los cuales son enormes volcanes en escudo mucho más grandes que cualquiera de los de la Tierra. Entre ellos se encuentran el monte Arsia , el monte Ascraeus , el monte Hecates Tholus , el monte Olympus y el monte Pavonis . Estos volcanes llevan extintos muchos millones de años, [33] pero la sonda espacial europea Mars Express ha encontrado pruebas de que también puede haber habido actividad volcánica en Marte en el pasado reciente. [33]
La luna de Júpiter, Ío, es el objeto volcánicamente más activo del Sistema Solar debido a la interacción de las mareas con Júpiter. Está cubierta de volcanes que expulsan azufre , dióxido de azufre y rocas de silicato , y como resultado, Ío está constantemente renovando su superficie. Solo hay dos planetas en el Sistema Solar donde se pueden ver volcanes fácilmente debido a su alta actividad, la Tierra e Ío. [34] Sus lavas son las más calientes conocidas en cualquier parte del Sistema Solar, con temperaturas que superan los 1.800 K (1.500 °C). En febrero de 2001, las mayores erupciones volcánicas registradas en el Sistema Solar ocurrieron en Ío. [35]
Europa , la más pequeña de las lunas galileanas de Júpiter , también parece tener un sistema volcánico activo, excepto que su actividad volcánica es enteramente en forma de agua, que se congela formando hielo en la superficie gélida. Este proceso se conoce como criovulcanismo y aparentemente es más común en las lunas de los planetas exteriores del Sistema Solar . [36]
En 1989, la sonda espacial Voyager 2 observó criovolcanes (volcanes de hielo) en Tritón , una luna de Neptuno , y en 2005 la sonda Cassini-Huygens fotografió fuentes de partículas congeladas que brotaban de Encélado , una luna de Saturno . [37] [38] La eyección puede estar compuesta de agua, nitrógeno líquido , amoníaco , polvo o compuestos de metano . Cassini-Huygens también encontró evidencia de un criovolcán que arroja metano en la luna de Saturno Titán , que se cree que es una fuente importante del metano que se encuentra en su atmósfera. [39] Se teoriza que el criovulcanismo también puede estar presente en el objeto del cinturón de Kuiper Quaoar .
Un estudio de 2010 del exoplaneta COROT-7b , que fue detectado por tránsito en 2009, sugirió que el calentamiento por marea de la estrella anfitriona muy cercana al planeta y los planetas vecinos podría generar una intensa actividad volcánica similar a la encontrada en Ío. [40]
