La ceniza volcánica consiste en fragmentos de roca, cristales minerales y vidrio volcánico , producidos durante erupciones volcánicas y que miden menos de 2 mm (0,079 pulgadas) de diámetro. [1] El término ceniza volcánica también se usa a menudo de manera imprecisa para referirse a todos los productos de erupción explosiva (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 a la atmósfera donde se solidifica en fragmentos de roca volcánica y vidrio. La ceniza también se produce cuando el magma entra en contacto con el agua durante las erupciones freatomagmáticas , lo que hace que el agua se convierta explosivamente en vapor, lo que lleva a la fragmentación del magma. Una vez en el aire, la ceniza es transportada por el viento hasta miles de kilómetros de distancia.
Debido a su amplia dispersión, las cenizas pueden tener diversos impactos en la sociedad, entre ellos, la salud animal y humana, la interrupción de la aviación, la interrupción de la infraestructura crítica (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 (predominantemente agua y dióxido de carbono ) se disuelvan en burbujas de gas. [4] A medida que más burbujas se nuclean, se produce una espuma, que disminuye la densidad del magma, acelerándolo hacia arriba por el conducto. La fragmentación ocurre cuando las burbujas ocupan ~70–80% en volumen de la mezcla en erupción. [5] Cuando ocurre 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 ceniza y es capaz de generar ceniza muy fina incluso sin la adición de agua. [6]
Las cenizas volcánicas también se producen durante las erupciones freatomagmáticas. Durante estas erupciones se produce fragmentación cuando el magma entra en contacto con cuerpos de agua (como el mar, lagos y pantanos), aguas subterráneas, nieve o hielo. A medida que el magma, que es significativamente 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] Finalmente, esta película de vapor colapsará, lo que provocará el 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 del área de contacto entre el magma y el agua, lo que crea un mecanismo de retroalimentación, [7] lo que lleva a una mayor fragmentación y producción de partículas finas de ceniza.
Las corrientes de densidad piroclástica también pueden producir partículas de ceniza. Estas se producen típicamente 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, la ceniza se puede producir 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 penachos de ceniza de co-ignimbrita.
Las características físicas y químicas de las cenizas volcánicas están controladas principalmente por el estilo de 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 se pueden clasificar utilizando el índice de explosividad volcánica (VEI) . Las erupciones efusivas (VEI 1) de composición basáltica producen <10 5 m 3 de material eyectado, mientras que las erupciones extremadamente explosivas (VEI 5+) de composición riolítica y dacítica pueden inyectar grandes cantidades (>10 9 m 3 ) de material eyectado a la atmósfera. [11]
Los tipos de minerales presentes en las cenizas volcánicas dependen de la química del magma del que erupcionan. Teniendo en cuenta que los elementos más abundantes que se encuentran en el magma de silicato son el silicio y el oxígeno , los diversos tipos de magma (y por lo tanto, las 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 característico que contiene ~45–55% de sílice que generalmente es rica en hierro (Fe) y magnesio (Mg). Las erupciones de riolita más explosivas producen una ceniza félsica con un alto contenido de sílice (>69%), mientras que otros tipos de ceniza con una composición intermedia (por ejemplo, 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 de azufre y halógenos y los metales se eliminan de la atmósfera mediante procesos de reacción química, deposición seca y húmeda y por adsorción en la superficie de la ceniza volcánica.
Se reconoce desde hace mucho tiempo que una variedad de compuestos de sulfato y haluros (principalmente cloruro y fluoruro ) 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 partículas de ceniza dentro de columnas de erupción , que se cree que suministran los cationes involucrados en la deposición de sales de sulfato y haluros . [15]
Si bien se han reportado alrededor de 55 especies iónicas en lixiviados de cenizas frescas , [12] las especies más abundantes que se encuentran usualmente 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 tales como NaCl y CaSO 4 . [12] [16] [17] [18] En un experimento de lixiviación secuencial en cenizas de la erupción de 1980 del Monte St. Helens , se encontró que las sales de cloruro eran las más fácilmente solubles, seguidas de las sales de sulfato . [16] Los compuestos de fluoruro en general son solo escasamente solubles (por ejemplo, CaF 2 , MgF 2 ), con la excepción de las sales de 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 sólido-cristalina de las sales actúa más como un aislante que como un conductor . [20] [21] [22] [23] Sin embargo, una vez que las sales se disuelven en una solución por una fuente de humedad (por ejemplo, niebla, neblina, lluvia ligera, etc.), la ceniza puede volverse corrosiva y conductora de electricidad. Un estudio reciente ha demostrado que la conductividad eléctrica de la ceniza volcánica aumenta con (1) el aumento del contenido de humedad, (2) el aumento del contenido de sal soluble y (3) el aumento de la compactación (densidad aparente). [23] La capacidad de la ceniza volcánica para conducir corriente eléctrica tiene implicaciones significativas para los sistemas de suministro de energía eléctrica.
Las partículas de ceniza volcánica que brotan durante las erupciones magmáticas están formadas por varias fracciones de partículas vítricas (vítreas, no cristalinas), cristalinas o líticas (no magmáticas). Las cenizas producidas durante las erupciones magmáticas de baja viscosidad (por ejemplo, las erupciones basálticas hawaianas y estrombolianas ) producen una variedad de piroclastos diferentes que dependen del proceso eruptivo. Por ejemplo, la ceniza recolectada de las fuentes de lava hawaianas consiste en piroclastos de sideromelano (vidrio basáltico marrón claro) que contienen microlitos (pequeños cristales de extinción, que no deben confundirse con el raro mineral microlito ) y fenocristales . Las erupciones de basalto ligeramente más viscosas (por ejemplo, estrombolianas) forman una variedad de piroclastos, desde gotitas 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, la 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 de arcilla. Las superficies de las partículas a menudo están recubiertas con agregados de cristales de zeolita o arcilla y solo quedan texturas relictas para identificar los tipos de piroclastos. [24]
La morfología (forma) de la ceniza volcánica está controlada por una plétora de diferentes procesos eruptivos y cinemáticos. [24] [25] Las erupciones de magmas de baja viscosidad (por ejemplo, basalto) suelen formar partículas con forma de gotitas. Esta forma de gotita está, en parte, controlada por la tensión superficial , la aceleración de las gotitas después de que salen del respiradero y la fricción del aire. Las formas varían desde esferas perfectas hasta una variedad de gotitas retorcidas y alargadas con superficies fluidas y lisas. [25]
La morfología de la ceniza de las erupciones de magmas de alta viscosidad (por ejemplo, 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 área superficial a volumen extremadamente altas. [24] Las concavidades, depresiones y tubos observados en las superficies de los granos son el resultado de paredes de vesículas rotas. [25] Las partículas de ceniza vítrica de las erupciones de magma de alta viscosidad son típicamente fragmentos pumíceos vesiculares angulares o fragmentos delgados de paredes de vesículas, mientras que los fragmentos líticos en ceniza volcánica son típicamente equiláteros, o angulares a subredondeados. La morfología lítica en la ceniza generalmente está controlada por las propiedades mecánicas de la roca de la pared rota por desconchado o expansión explosiva de gases en el magma cuando alcanza la superficie.
La morfología de las partículas de ceniza de las erupciones freatomagmáticas está controlada por las tensiones dentro del magma enfriado que resultan en la fragmentación del vidrio para formar pequeñas partículas de ceniza de vidrio en forma de bloques o piramidales. [24] La forma y la densidad de las vesículas juegan solo 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" causan la fragmentación en cinco tipos de forma dominantes de piroclastos: (1) en bloques y equiláteros; (2) vesiculares e irregulares con superficies lisas; (3) musgosos y contorneados; (4) esféricos o en forma de gota; y (5) en forma de placa.
La densidad de partículas individuales varía con diferentes erupciones. La densidad de la ceniza volcánica varía entre 700 y 1200 kg/m3 para piedra pómez, 2350–2450 kg/m3 para fragmentos de vidrio, 2700–3300 kg/m3 para cristales y 2600–3200 kg/m3 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 se enriquecen relativamente en depósitos de caída de ceniza 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 (en particular aquellos con un alto contenido de sílice) sean muy abrasivos.
Las cenizas volcánicas consisten en partículas (piroclastos) con diámetros menores a 2 mm (las partículas mayores a 2 mm se clasifican como lapilli ), [1] y pueden ser tan finas como 1 μm. [10] La distribución general del tamaño de grano de las cenizas puede variar mucho con diferentes composiciones de magma. Se han hecho pocos intentos para 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 la mayor viscosidad y, por lo tanto, a la 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 menor que en los magmas máficos. [1] Hay buena evidencia de que los flujos piroclásticos producen altas proporciones de ceniza fina por conmunición 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 elevarse de manera flotante hacia la atmósfera. [8] En un punto en el que la densidad aparente de la columna es la misma que la atmósfera circundante, la columna dejará de elevarse y comenzará a moverse lateralmente. La dispersión lateral está controlada por los vientos predominantes y la ceniza puede depositarse a cientos o miles de kilómetros del volcán, dependiendo de la altura de la columna de erupción, el tamaño de las partículas de ceniza y las condiciones climáticas (especialmente la dirección y la fuerza del viento y la humedad). [28]
La caída de cenizas ocurre inmediatamente después de la erupción y está controlada por la densidad de partículas. Inicialmente, las partículas gruesas caen cerca de la fuente. A esto le sigue la caída de lapilli acrecionario , que es el resultado de la aglomeración de partículas dentro de la columna. [29] La caída 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 cenizas que generalmente disminuye en espesor y tamaño de grano exponencialmente a medida que aumenta la distancia desde el volcán. [30] Las partículas de ceniza finas pueden permanecer en la atmósfera durante días o semanas y ser dispersadas por los vientos de gran altitud. Estas partículas pueden afectar a la industria de la aviación (consulte la sección de impactos) y, combinadas con partículas de gas, pueden afectar el clima global.
Las columnas de ceniza volcánica se pueden formar por encima de las corrientes de densidad piroclástica. Estas columnas se denominan columnas de coignimbrita. A medida que las corrientes de densidad piroclástica se alejan del volcán, las partículas más pequeñas se eliminan del flujo por elutriación y forman una zona menos densa sobre el flujo principal. Esta zona luego arrastra el aire circundante y se forma una columna de coignimbrita flotante. Estas columnas tienden a tener mayores concentraciones 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 de la población ha provocado la invasión progresiva del desarrollo urbano en zonas de mayor riesgo, más cercanas a los centros volcánicos, aumentando la exposición humana a eventos de caída de cenizas volcánicas. [31]
Los efectos directos de las cenizas volcánicas sobre la salud humana suelen ser de corta duración y leves para las personas con una salud normal, aunque la exposición prolongada puede suponer un cierto riesgo de silicosis en los trabajadores desprotegidos. [32] Un motivo de mayor preocupación es el impacto de las cenizas volcánicas sobre la infraestructura crítica para el sustento de las sociedades modernas, en particular en las zonas urbanas, donde las altas densidades de población crean una gran demanda de servicios. [33] [31] Varias erupciones recientes han ilustrado la vulnerabilidad de las zonas urbanas que recibieron sólo unos pocos milímetros o centímetros de ceniza volcánica. [34] [35] [36] [37] [38] Esto ha sido suficiente para causar trastornos en el transporte, [39] la electricidad , [40] el agua , [41] [42] el alcantarillado y los sistemas de aguas pluviales . [43] Se han incurrido en costes por la interrupción de las actividades comerciales, la sustitución de piezas dañadas y las pérdidas aseguradas. Los impactos de la caída de cenizas sobre la infraestructura crítica también pueden causar múltiples efectos secundarios, que pueden perturbar muchos sectores y servicios diferentes. [44]
La caída de cenizas volcánicas es física, social y económicamente perjudicial. [45] La ceniza volcánica puede afectar tanto a áreas próximas como a áreas a cientos de kilómetros de la fuente, [46] y causa trastornos y pérdidas en una amplia variedad de sectores de infraestructura diferentes. Los impactos dependen de: el espesor de la caída de cenizas; el tamaño del grano y la química de las cenizas; si las cenizas son húmedas o secas; 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 cenizas. 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 se analizan 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 molestias respiratorias, dificultad para respirar, irritación de ojos y piel y síntomas en la nariz y la garganta. [47] La mayoría de estos efectos son a corto plazo y no se considera que supongan un riesgo significativo para la salud de quienes no tienen afecciones respiratorias preexistentes . [32] Los efectos de la ceniza volcánica sobre la salud dependen del tamaño del grano, la composición mineralógica y los recubrimientos químicos en la superficie de las partículas de ceniza. [32] Otros factores relacionados con los posibles síntomas respiratorios son la frecuencia y duración de la exposición, la concentración de ceniza en el aire y la fracción de ceniza respirable; la proporción de ceniza con menos de 10 μm de diámetro, conocida como PM 10. El contexto social también puede ser importante.
La caída de cenizas volcánicas puede tener efectos crónicos sobre la salud, ya que se sabe que la exposición a sílice cristalina libre causa silicosis . Los minerales asociados con esto incluyen cuarzo , cristobalita y tridimita , que pueden estar todos presentes en las cenizas volcánicas. Estos minerales se describen como sílice "libre", ya que el SiO2 no se une 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 SiO2 contengan sílice cristalina. [32]
Los niveles de exposición a sílice cristalina libre en las cenizas se utilizan comúnmente para caracterizar el riesgo de silicosis en estudios ocupacionales (para personas que trabajan en minería, construcción y otras industrias), porque está clasificada como carcinógeno humano por la Agencia Internacional para la Investigación sobre el Cáncer . Se han creado valores de referencia para la exposición, pero con una justificación poco clara; las directrices del Reino Unido para partículas en el aire (PM10) son de 50 μg/m 3 y las directrices de los EE. UU. para la exposición a sílice cristalina son de 50 μg/m 3 . [32] Se cree que las directrices sobre los 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 derivada de la exposición a cenizas volcánicas, pero faltan los estudios a largo plazo necesarios para evaluar estos efectos. [32]
En el caso de las fuentes de agua superficial, como lagos y embalses, el volumen disponible para la dilución de las 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 de forma natural 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 de baja preocupación en el agua potable, con la excepción del flúor . Los elementos hierro , manganeso y aluminio suelen enriquecerse por encima de los niveles de fondo por las cenizas volcánicas. Estos elementos pueden impartir un sabor metálico al agua y pueden producir manchas rojas, marrones o negras en la cerámica blanca, pero no se consideran un riesgo para la salud. No se sabe que las cenizas volcánicas hayan causado problemas en los suministros de agua por oligoelementos 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 , causando abrasión de los dientes y, en casos de alto contenido de flúor , envenenamiento por flúor (tóxico a niveles de >100 μg/g) para los animales de pastoreo. [48] Se sabe por la erupción de Laki en Islandia en 1783 que el envenenamiento por flúor ocurrió en humanos y ganado como resultado de la química de la ceniza y el gas, que contenía altos niveles de fluoruro de hidrógeno . Después de las erupciones del Monte Ruapehu en Nueva Zelanda en 1995/96 , dos mil ovejas y corderos murieron después de ser afectados por fluorosis mientras pastaban en tierra con solo 1-3 mm de caída de ceniza. [48] Los síntomas de fluorosis entre el ganado expuesto a la ceniza incluyen moteados de color marrón-amarillo a verde-negro en los dientes e hipersensibilidad a la presión en las patas y la espalda. [49] La ingestión de ceniza también puede causar bloqueos gastrointestinales. [37] Las ovejas que ingirieron cenizas de la erupción volcánica del Monte Hudson en Chile en 1991 sufrieron diarrea y debilidad.
La acumulación de cenizas en la lana de la espalda de las ovejas puede añadir un peso significativo, lo que provoca fatiga y que las ovejas no puedan ponerse de pie. Las lluvias pueden suponer una carga importante, ya que añaden peso a las cenizas. [50] Pueden caerse trozos de lana y la lana restante en las ovejas puede resultar inútil, ya que la mala nutrición asociada a las erupciones volcánicas afecta a la calidad de la fibra. [50] Como los pastos y las plantas habituales se cubren de ceniza volcánica durante la erupción, algunos animales pueden recurrir a comer lo que haya disponible, incluidas plantas tóxicas. [51] Hay informes de cabras y ovejas en Chile y Argentina que han tenido abortos naturales en relación con las erupciones volcánicas. [52]
Las cenizas volcánicas pueden alterar los sistemas de suministro de energía eléctrica en todos los niveles de generación, transformación, transmisión y distribución de energía. La contaminación por cenizas de los aparatos utilizados en el proceso de suministro de energía tiene cuatro efectos principales: [53]
Los sistemas alimentados con aguas subterráneas son resistentes a los impactos de la caída de cenizas, aunque las cenizas transportadas por el aire pueden interferir con el funcionamiento de las bombas de los pozos. Los cortes de electricidad causados por la caída de cenizas también pueden interrumpir el funcionamiento de las bombas eléctricas si no hay 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 entrar en 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 una caída de cenizas, pero no habrá interrupciones del servicio. [59]
El paso final del tratamiento del agua potable es la desinfección, para garantizar que el agua potable final esté libre de microorganismos infecciosos. Dado que las partículas en suspensión (turbidez) pueden proporcionar un sustrato de crecimiento para los 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 en suspensión. Puede ser necesario aumentar la cloración para garantizar una desinfección adecuada. [60]
Muchos hogares y algunas comunidades pequeñas dependen del agua de lluvia para su abastecimiento de agua potable. Los sistemas alimentados por el techo son muy vulnerables a la contaminación por la 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 de la caída de cenizas puede convertirse en un riesgo para la salud y no se recomienda beber agua. Antes de una caída de cenizas, se deben desconectar las tuberías de desagüe para proteger el agua del tanque. Otro problema es que la capa superficial de 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 neutralización de ácidos) y, por lo tanto, la caída de cenizas puede acidificar las aguas del tanque. Esto puede provocar problemas de plomería , 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 de plomería metálicos. [61]
Durante los episodios de caída de cenizas, es habitual que se exijan grandes cantidades de agua para las tareas de limpieza, lo que puede dar lugar a una escasez que pone en peligro servicios clave como la lucha contra incendios y puede dar lugar a una falta de agua para la higiene, el saneamiento y el consumo. Las autoridades municipales deben supervisar y gestionar cuidadosamente esta demanda de agua, y es posible que tengan que aconsejar a la población 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 son los que corren mayor riesgo. Las cenizas ingresarán a las líneas de alcantarillado donde haya entrada/infiltración de aguas pluviales a través de conexiones ilegales (por ejemplo, de bajantes de techos), conexiones cruzadas, alrededor de tapas de alcantarillas o a través de agujeros y grietas en las tuberías de alcantarillado. [63] [64]
Las aguas residuales cargadas de cenizas que ingresan a una planta de tratamiento pueden provocar fallas en los equipos mecánicos de preselección, como los tamices escalonados o rotatorios. Las cenizas que penetran más profundamente 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 daño principal que sufren las aeronaves 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, obligando a los pilotos a confiar en sus instrumentos. Sin embargo, algunos instrumentos pueden proporcionar lecturas incorrectas ya que los sensores (por ejemplo, los tubos de Pitot ) pueden bloquearse con ceniza. La ingestión de ceniza en los motores causa daños por abrasión en las aspas del ventilador del compresor. La ceniza erosiona las aspas afiladas del compresor, reduciendo su eficiencia. La ceniza se derrite en la cámara de combustión para formar vidrio fundido. Luego, la ceniza se solidifica en las aspas de la turbina, bloqueando el flujo de aire y haciendo que el motor se detenga. [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. Críticamente, la fusión de cenizas, particularmente vidrio volcánico, puede resultar en la acumulación de cenizas resolidificadas en los álabes guía de la tobera de la turbina, lo que resulta en el estancamiento del compresor y la pérdida total del empuje del motor. [68] El procedimiento estándar del sistema de control del motor cuando detecta un posible estancamiento 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 cenizas, 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]
Existen 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 de British Airways ( vuelo 9 ) voló a través de la nube de cenizas de la erupción del monte Galunggung , Indonesia, lo que provocó la falla de los cuatro motores. El avión descendió 24.000 pies (7.300 m) en 16 minutos antes de que los motores se reiniciaran, lo que permitió que la aeronave hiciera un aterrizaje de emergencia. El 15 de diciembre de 1989, un Boeing 747-400 de KLM ( vuelo 867 ) también perdió potencia en los cuatro motores después de volar hacia una nube de cenizas del monte Redoubt, Alaska . Después de caer 14.700 pies (4.500 m) en cuatro minutos, los motores se pusieron en marcha solo 1 o 2 minutos antes del impacto. El daño total fue de 80 millones de dólares estadounidenses y se necesitaron 3 meses de trabajo para reparar el avión. [67] En la década de 1990, aviones comerciales sufrieron daños por otros 100 millones de dólares (algunos en el aire, otros en tierra) 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 muchos vuelos cancelados -algo sin precedentes- debido a la presencia de ceniza volcánica en la atmósfera superior proveniente 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 por la ingestión de polvo volcánico por los motores de uno de sus cazas Boeing F-18 Hornet . [71] En junio de 2011, hubo cierres similares del espacio aéreo en Chile, Argentina, Brasil, Australia y Nueva Zelanda, luego de la erupción del Puyehue-Cordón Caulle , Chile. [72]
Las nubes de ceniza volcánica son muy difíciles de detectar desde un avión, ya que no existen instrumentos a bordo para detectarlas. Sin embargo, un nuevo sistema llamado Detector Infrarrojo de Objetos Volcánicos Aerotransportados (AVOID) ha sido desarrollado recientemente por el Dr. Fred Prata [73] mientras trabajaba en CSIRO Australia [74] y el Instituto Noruego de Investigación Aérea , que permitirá a los pilotos detectar columnas de ceniza hasta 60 km (37 mi) por delante y volar de forma segura alrededor de ellas. [75] El sistema utiliza dos cámaras infrarrojas de muestreo rápido, montadas en una superficie orientada hacia adelante, que están ajustadas para detectar ceniza volcánica. Este sistema puede detectar concentraciones de ceniza de <1 mg/m3 a >50 mg/m3 , dando a los pilotos aproximadamente 7-10 minutos de advertencia. [75] La cámara fue probada [76] [77] por la compañía aérea easyJet , [78] 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 [79], pero no a distancias superiores sin algunas modificaciones significativas.
Además, se pueden utilizar imágenes terrestres y satelitales, radares y lidar para detectar nubes de cenizas. Esta información se transmite entre agencias meteorológicas, observatorios volcánicos y compañías aéreas a través de los Centros de Avisos de Cenizas Volcánicas (VAAC) . Hay un VAAC para cada una de las nueve regiones del mundo. Los VAAC pueden emitir avisos que describan la extensión actual y futura de la nube de cenizas. [80]
Las cenizas volcánicas no sólo afectan a las operaciones en vuelo, sino que también pueden afectar a las operaciones terrestres de los aeropuertos. Pequeñas acumulaciones de cenizas pueden reducir la visibilidad, hacer que las pistas y calles de rodaje estén resbaladizas, infiltrarse en los sistemas de comunicación y eléctricos, interrumpir los servicios en tierra, dañar edificios y aeronaves estacionadas. [81] Las acumulaciones de cenizas de más de unos pocos milímetros requieren su eliminación antes de que los aeropuertos puedan reanudar sus operaciones a pleno rendimiento. Las cenizas no desaparecen (a diferencia de las nevadas) y deben eliminarse de manera que se evite que sean movilizadas nuevamente por el viento y las aeronaves. [82]
Las cenizas pueden interrumpir el funcionamiento de los sistemas de transporte en grandes áreas durante horas o días, incluidas las carreteras y los vehículos, los ferrocarriles, los puertos y el transporte marítimo. La caída de cenizas reducirá la visibilidad, lo que puede dificultar y hacer peligrosa la conducción. [26] Además, los automóviles que viajan a gran velocidad levantarán cenizas, lo que generará nubes ondulantes que perpetúan los peligros de visibilidad. Las acumulaciones de cenizas reducirán la tracción, especialmente cuando estén mojadas, 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 partes móviles. Los filtros de aire y aceite se obstruirán y requerirán un reemplazo frecuente. El transporte ferroviario es menos vulnerable, y las interrupciones se deben principalmente a la reducción de la visibilidad. [26]
El transporte marítimo también puede verse afectado por la ceniza volcánica. La caída de cenizas bloqueará los filtros de aire y aceite y desgastará las piezas móviles si se ingiere en los motores. La navegación se verá afectada por la reducción de la visibilidad durante la caída de cenizas. Las cenizas vesiculadas ( piedra pómez y escoria ) flotarán en la superficie del agua en "balsas de piedra pómez" que pueden obstruir las tomas de agua rápidamente, lo que provocará 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 a los equipos; y sobrecarga de la red a través de la demanda de los usuarios. La atenuación de la señal debido a las cenizas volcánicas no está bien documentada; sin embargo, ha habido informes de comunicaciones interrumpidas después de la erupción de Surtsey en 1969 y la erupción del Monte Pinatubo en 1991. La investigación realizada por el Auckland Engineering Lifelines Group con sede en Nueva Zelanda determinó teóricamente que los impactos en las señales de telecomunicaciones de las cenizas se limitarían a los servicios de baja frecuencia , como la comunicación por satélite . [37] La interferencia de la señal también puede ser causada por rayos, ya que estos se generan con frecuencia dentro de las columnas de erupciones volcánicas. [83]
Los equipos de telecomunicaciones pueden resultar dañados debido a la caída directa de cenizas. La mayoría de los equipos modernos requieren refrigeración constante mediante unidades de aire acondicionado . Estas unidades son susceptibles de bloquearse por las cenizas, lo que reduce su eficiencia de refrigeración. [84] Las fuertes caídas de cenizas pueden provocar el colapso de líneas de telecomunicaciones, mástiles, cables, antenas, platos y torres debido a la carga de cenizas. Las cenizas húmedas también pueden provocar la corrosión acelerada de los componentes metálicos. [37]
Los informes de erupciones recientes sugieren que la mayor interrupción de las redes de comunicación es la sobrecarga debido a la alta demanda de los usuarios. [26] Esto es común en muchos desastres naturales. [85]
Las cenizas volcánicas pueden afectar a los ordenadores , lo que hace que su funcionalidad y facilidad de uso disminuyan durante la caída de cenizas, pero es poco probable que fallen por completo. [86] Los componentes más vulnerables son los componentes mecánicos, como los ventiladores de refrigeración , las unidades de CD , el teclado , los ratones y los paneles táctiles . Estos componentes pueden atascarse con cenizas de grano fino y hacer que dejen de funcionar; sin embargo, la mayoría se puede restaurar a su estado normal limpiándolos con aire comprimido. Las cenizas húmedas pueden provocar cortocircuitos eléctricos en los ordenadores de sobremesa; sin embargo, no afectarán a los ordenadores portátiles. [86]
Los daños a los edificios y estructuras pueden variar desde el colapso total o parcial del techo hasta daños menos catastróficos en los materiales exteriores e internos. Los impactos dependen del espesor de la ceniza, de si está húmeda o seca, del 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 ceniza son similares a los de la nieve; sin embargo, la ceniza es más grave ya que 1) la carga de ceniza generalmente es 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 ceniza dependen del diseño y la construcción del edificio, incluida la pendiente del techo, los materiales de construcción, la distancia del techo y el sistema de soporte, y la edad y el mantenimiento del edificio. [10] Generalmente, los techos planos son más susceptibles a sufrir daños y derrumbes que los techos con una pendiente pronunciada. Los techos hechos de materiales lisos (chapa metálica o vidrio) tienen más probabilidades de arrojar ceniza que los techos hechos con materiales rugosos (paja, asfalto o tejas de madera). El derrumbe de un tejado puede provocar numerosas lesiones y muertes, así como daños materiales. Por ejemplo, el derrumbe de un tejado por las cenizas durante la erupción del monte Pinatubo del 15 de junio de 1991 mató a unas 300 personas. [87]
Las cenizas volcánicas pueden 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 cenizas. Las vías fluviales naturales pueden verse afectadas de la misma manera que las redes de suministro de agua urbanas. 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 los mariscos . [88] La alta turbidez también puede afectar la capacidad de las branquias de los peces para absorber el oxígeno disuelto . [89] También se producirá acidificación, lo que reducirá el pH del agua e impactará en la fauna y la flora que viven en el medio ambiente. Se producirá contaminación por flúor si las cenizas contienen altas concentraciones de flúor. [90]
La acumulación de cenizas también afectará a los pastos, plantas y árboles que forman parte de las industrias de la horticultura y la agricultura . Las caídas de cenizas finas (<20 mm) pueden hacer que el ganado deje de comer, y pueden inhibir la transpiración y la fotosíntesis y alterar el crecimiento. Puede haber un aumento en la producción de pastos debido a un efecto de mantillo y un ligero efecto fertilizante, como ocurrió después de las erupciones del Monte St. Helens en 1980 y del Monte Ruapehu en 1995/96. [91] [92] Las caídas más fuertes enterrarán completamente los pastos y el suelo, lo que provocará 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, la química de las cenizas, la compactación de las cenizas, la cantidad de lluvia, la duración del enterramiento y la longitud de los tallos de las plantas en el momento de la caída de las cenizas. [10]
Los bosques jóvenes (árboles de menos de dos años) son los que corren mayor riesgo de sufrir caídas de cenizas y es probable que sean destruidos por depósitos de cenizas de más de 100 mm. [93] Es poco probable que la caída de cenizas mate a los árboles maduros, pero la carga de cenizas puede romper ramas grandes durante las fuertes caídas de cenizas (>500 mm). También puede producirse la defoliación de los árboles, especialmente si hay un componente de ceniza grueso dentro de la caída de cenizas. [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 del depósito; mezcla del depósito con tierra enterrada; raspado del depósito de cenizas de la superficie del terreno; y aplicación de nueva capa superficial del suelo sobre el depósito de cenizas. [37]
Las infraestructuras críticas y los servicios de infraestructura son vitales para el funcionamiento de la sociedad moderna, ya que proporcionan atención médica, vigilancia policial, servicios de emergencia y servicios básicos como agua, aguas residuales, electricidad y transporte. A menudo, las propias instalaciones críticas dependen de estos servicios básicos 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 los servicios básicos. [94]
Los impactos sobre las líneas vitales también pueden ser interdependientes . La vulnerabilidad de cada línea vital puede depender de: el tipo de peligro, la densidad espacial de sus vínculos críticos, la dependencia de vínculos críticos, la susceptibilidad a los daños y la velocidad de restauración del servicio, el estado de conservación o la antigüedad, y las características institucionales o de propiedad. [33]
La erupción del volcán Eyjafjallajokull en Islandia en 2010 puso de relieve los efectos de la caída de cenizas volcánicas en la sociedad moderna y nuestra dependencia del funcionamiento de los servicios de infraestructura. Durante este evento, la industria aérea sufrió pérdidas por interrupción de negocios de 1.500 a 2.500 millones de euros debido al cierre del espacio aéreo europeo durante seis días en abril de 2010 y los cierres posteriores hasta mayo de 2010. [95] También se sabe que la caída de cenizas de este evento causó pérdidas de cultivos locales en las 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 la diversidad de los impactos de un solo evento. [38]
La preparación para las lluvias de cenizas debe incluir el sellado de edificios, la protección de la infraestructura y las viviendas, y el almacenamiento de suficientes alimentos y agua para que duren hasta que la lluvia de cenizas termine y pueda comenzar la limpieza. Se pueden usar máscaras antipolvo para reducir la inhalación de cenizas y mitigar cualquier efecto sobre la salud respiratoria. [47] Se pueden usar gafas protectoras para protegerse de la irritación ocular.
En casa, mantenerse informado sobre la actividad volcánica y tener planes de contingencia para encontrar refugios alternativos constituyen una buena preparación para un evento de caída de cenizas. Esto puede prevenir algunos impactos asociados con la caída de cenizas, 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 de la entrada de cenizas y radios que funcionen con baterías son extremadamente útiles durante los eventos de caída de cenizas. [10]
Se deben elaborar planes de comunicación con antelación para informar sobre las medidas de mitigación que se están adoptando. Se deben instalar repuestos y sistemas de respaldo antes de que se produzcan caídas de cenizas para reducir las interrupciones del servicio y restablecer la funcionalidad lo antes posible. Una buena preparación también incluye la identificación de los lugares de eliminación de cenizas antes de que se produzcan, para evitar un mayor movimiento de las cenizas y facilitar la limpieza. [96]
Se han desarrollado algunas técnicas eficaces para la gestión de las cenizas, incluidos métodos y aparatos de limpieza, y acciones para mitigar o limitar los daños. Estas últimas incluyen cubrir aberturas como: entradas de aire y agua, motores de aeronaves y ventanas durante los episodios de caída de cenizas. Se pueden cerrar las carreteras para permitir la limpieza de las caídas de cenizas, o se pueden establecer restricciones de velocidad, con el fin de evitar que los automovilistas desarrollen problemas de motor y se queden varados después de una caída de cenizas. [97] Para evitar más efectos en los sistemas de agua subterránea o las redes de aguas residuales, se deben desbloquear los desagües y las alcantarillas y evitar que las cenizas entren en el sistema. [96] Las cenizas se pueden humedecer (pero no saturar) rociándolas con agua, para evitar la removilización de las cenizas y facilitar la limpieza. [97] La priorización de las operaciones de limpieza para las instalaciones críticas y la coordinación de los esfuerzos de limpieza también constituyen una buena práctica de gestión. [96] [97] [98]
Se recomienda evacuar el ganado en zonas donde la caída de cenizas pueda alcanzar 5 cm o más. [99]
El uso principal de la ceniza volcánica es enriquecer el suelo. Una vez que los minerales de la ceniza son arrastrados al suelo por 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 es muy buena para el uso agrícola; la presencia de bosques frondosos en las islas volcánicas se debe a menudo al crecimiento y la prosperidad de los árboles en el andisol, rico en fósforo y nitrógeno . [100] La ceniza volcánica también se puede utilizar como sustituto de la arena. [101]
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