Vulcanismo , vulcanismo , volcanicidad o actividad volcánica es el fenómeno por el cual sólidos, líquidos, gases y sus mezclas irrumpen en la superficie de un cuerpo astronómico de superficie sólida como un planeta o una luna. [1] Es causada por la presencia de una fuente de calor, generalmente generada internamente, dentro del cuerpo; El calor se genera mediante diversos procesos, como la desintegración radiactiva o el calentamiento por mareas . Este calor derrite parcialmente el material sólido del cuerpo o lo convierte en gas. El material movilizado asciende por el 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 aproximadamente 10 21 Pascal-segundo . Cuando se produce una fusión a gran escala, la viscosidad cae rápidamente a 10 3 Pascal-segundo o incluso menos, aumentando la tasa de transporte de calor un millón de veces. [3]
La aparición de 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]
Hay múltiples formas de generar el calor necesario para el vulcanismo. El vulcanismo en las lunas exteriores del sistema solar se debe principalmente al calentamiento de las mareas . [1] Calentamiento por marea causado por la deformación de la forma de un cuerpo debido a la atracción gravitacional mutua, que genera calor. La Tierra experimenta calentamiento por marea proveniente de la Luna , deformándose hasta 1 metro (3 pies), pero esto no representa una porción importante del calor total de la Tierra . [4]
Durante la formación de un planeta , habría experimentado un calentamiento debido a los impactos de planetesimales , lo que habría eclipsado incluso el impacto de un asteroide que provocó 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 los 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, provocado 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), hace tiempo que cualquier rastro de él desapareció. 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 tener mucho material de silicato (los elementos radiactivos se concentran en silicatos). [5]
En Tritón , la luna de Neptuno , y posiblemente en Marte, tiene lugar actividad de criogeiser . La fuente de calor es externa (calor del Sol) más que interna. [6] [7]
La fusión por descompresión ocurre cuando el material sólido de las profundidades del cuerpo se eleva hacia arriba. La presión disminuye a medida que el material sube, al igual que el punto de fusión. Entonces, 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 flujo ocurre cuando el punto de fusión se reduce mediante la adición de volátiles, por ejemplo, agua o dióxido de carbono. [3] [9] Al igual que la fusión por descompresión, no es causada por un aumento de 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 líquidos discretos. La primera forma en que se pueden formar es una columna de hielo caliente que brota y luego vuelve a hundirse, formando una corriente de convección. Un modelo desarrollado para investigar los efectos de esto en Europa encontró que la energía del calentamiento de las mareas se concentraba en estas columnas, permitiendo que se derritiera 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 por la liberación de tensiones a través del movimiento lateral de las fracturas en la capa de hielo que penetran en ella desde la superficie, e incluso el calentamiento por grandes impactos puede crear tales depósitos. [5]
Cuando el material de un cuerpo planetario comienza a derretirse, la fusión ocurre primero en pequeñas bolsas en ciertos lugares de alta energía, por ejemplo, en las intersecciones de los límites de los granos y donde diferentes cristales reaccionan para formar un líquido eutéctico , que inicialmente permanecen aislados unos de otros, atrapados dentro de la roca. Si el ángulo de contacto del material fundido permite que la masa fundida humedezca las caras del cristal y corra a lo largo de los límites de los granos , el material fundido se acumulará en cantidades mayores. Por otro lado, si el ángulo es superior a unos 60 grados, se debe formar mucho más derretimiento antes de que pueda separarse de su roca madre. Los estudios de rocas en la Tierra sugieren que el derretimiento de las 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 derretimiento . El derretimiento, en lugar de fluir uniformemente desde la roca madre, fluye a través de riachuelos que se unen para crear vetas más grandes. Bajo la influencia de la flotabilidad , la masa fundida se eleva. [3] Los diapiros también pueden formarse en cuerpos sin silicato, desempeñando un papel similar en el movimiento de material caliente 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 puesta boca abajo. A medida que el magma asciende hacia 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 que lo rodea en la parte superior del dique, y la presión de la roca es mayor que la del dique en su parte inferior. Así, el magma empuja la grieta hacia arriba en su parte superior, pero la grieta se cierra en su parte inferior debido a una reacción elástica (similar al bulto al lado de una persona sentada en un sofá de muelles). Con el tiempo, la cola se vuelve tan estrecha que casi se pellizca y ya no subirá más magma por la grieta. La grieta continúa ascendiendo como una cápsula de magma independiente. [3]
Este modelo de erupción volcánica postula que el magma asciende a través de un canal rígido abierto, en la litosfera y se asienta en el nivel de equilibrio hidrostático . A pesar de que explica bien las observaciones (algo que los modelos más nuevos no pueden), 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 derivado de él es demasiado grande para suponer que un canal rígido abierto para sujetar. [3]
A diferencia del vulcanismo de silicatos, donde el derretimiento puede elevarse por su propia flotabilidad hasta llegar a la corteza poco profunda, en el criovulcanismo, el agua (los criomagmas tienden a tener una base acuosa) es más densa que el hielo que se encuentra encima. Una forma de permitir que el criomagma llegue a la superficie es hacer que el agua flote, haciéndola menos densa, ya sea mediante la presencia de otros compuestos que revierten la flotabilidad negativa o con la adición de burbujas de gas exsolvedas en el criomagma que estaban previamente disueltas. (lo que hace que el criomagma sea menos denso), o con la presencia de un agente densificante en la capa de hielo. Otra es presurizar el fluido para superar la flotabilidad negativa y hacerlo llegar a 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 podrían incluir las de las mareas o la sobrepresión debida al congelamiento, como se explicó anteriormente. [11]
Existe otro posible mecanismo para el ascenso de los fundidos criovolcánicos. Si una fractura con agua llega a un océano o a un depósito de fluido subterráneo, el agua subiría a 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 más arriba. [5]
Un artículo de 1988 propuso la posibilidad de que las fracturas se propaguen hacia arriba desde el océano subterráneo de Europa, la luna de Júpiter . Propuso que una fractura que se propagara hacia arriba poseería 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 desprendería, encerrando el gas y el líquido. El gas aumentaría la flotabilidad y podría permitir que la grieta llegue a la superficie. [5]
Incluso los impactos pueden crear condiciones que permitan un mayor ascenso del magma. Un impacto podría 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 debajo de la superficie. Un artículo de 2011 mostró que habría zonas de mayor ascenso de magma en los márgenes de una cuenca de impacto. [5]
No todos estos mecanismos, y tal vez incluso ninguno, operan en un cuerpo determinado . [5]
El vulcanismo de silicatos ocurre cuando los materiales de silicatos hacen erupción. Los flujos de lava de silicato, como los que se encuentran en la Tierra, se solidifican a unos 1.000 grados centígrados. [12]
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Un volcán de lodo se forma cuando fluidos y gases bajo presión salen a la superficie, trayendo lodo consigo. Esta presión puede ser causada por el peso de los sedimentos superpuestos sobre el fluido que empuja el fluido hacia abajo, impidiendo que escape, por el fluido que queda atrapado en el sedimento, por la migración de un sedimento más profundo a otro sedimento o por reacciones químicas en el sedimento. . A menudo hacen erupción silenciosamente, pero a veces expulsan gases inflamables como el metano. [13]
El criovulcanismo es la erupción de volátiles en un ambiente por debajo de su punto de congelación. Los procesos detrás de esto son diferentes al vulcanismo de silicatos porque el criomagma (que generalmente es a base de agua) normalmente es más denso que su entorno, lo que significa que no puede elevarse por su propia flotabilidad. [14] [5]
Las lavas de azufre tienen un comportamiento diferente a las de silicato. En primer lugar, el azufre tiene un punto de fusión bajo, de unos 120 grados centígrados. 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 sobre la superficie de un planeta, se denomina lava . Las lavas viscosas forman flujos cortos y rechonchos, ricos en vidrio. Suelen tener una textura superficial ondulada y solidificada. [3]
Las lavas más fluidas tienen texturas superficiales solidificadas que los vulcanólogos clasifican en cuatro tipos. [3] La lava tipo almohada se forma cuando un desencadenante, a menudo la 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 acumulan 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 menos fragmentos irregulares que en la lava a'a. [17] La lava Pahoehoe es, con diferencia, el tipo de lava más común, tanto en la Tierra como probablemente en otros planetas terrestres. Tiene una superficie lisa, con montículos, huecos y pliegues. [3]
Una erupción volcánica podría ser simplemente un simple derrame de material sobre la superficie de un planeta, pero normalmente involucra una mezcla compleja de sólidos, líquidos y gases que se comportan de maneras igualmente complejas. [3] Algunos tipos de erupciones explosivas pueden liberar energía una cuarta parte de la de una masa equivalente de TNT . [18]
Se ha observado consistentemente que las erupciones volcánicas en la Tierra progresan desde la erupción de material rico en gas hasta la erupción de material empobrecido en gas, aunque una erupción puede alternar entre la erupción de material rico en gas y material empobrecido en gas y viceversa varias veces. [19] Esto puede explicarse 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 abajo que no se enriqueció con gas. [3]
La razón por la que el gas disuelto en el magma se separa de él cuando el magma 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 se despresuriza, el gas tenderá a disolverse (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 dióxido de carbono por todo el líquido. [3]
Los magmas fluidos estallan silenciosamente. Cualquier gas que se haya disuelto del magma escapa fácilmente incluso antes de llegar a la superficie. Sin embargo, en los magmas viscosos , los gases permanecen atrapados en el magma incluso después de haberse disuelto, formando burbujas dentro del magma. 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 da a los volcanes que hacen erupción dicho 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]
Generalmente, 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 se ve en la Tierra, que es lo que se cubre principalmente a continuación. [11]
Los magmas ricos en sílice se enfrían debajo de la superficie antes de entrar en erupción. Mientras hacen esto, las burbujas se disuelven del magma. A medida que el magma se acerca a la superficie, las burbujas y, por tanto, el magma aumentan de volumen. La presión resultante eventualmente atraviesa la superficie y la liberación de presión hace que se disuelva más gas, haciéndolo 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 se dispersa y rompe el magma, formando un coloide de gas y magma llamado ceniza volcánica . El enfriamiento del gas en las cenizas a medida que se expande enfría los fragmentos de magma, formando a menudo 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 de reformarse en gotas esféricas de líquido. El estado final de los coloides depende en gran medida de la proporción entre líquido y gas. Los magmas pobres en gas acaban enfriándose formando 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 media menor que la del agua, formando piedra pómez . Mientras tanto, otros materiales pueden acelerarse con el gas, convirtiéndose en bombas volcánicas . Estos pueden viajar con tanta energía que los más grandes pueden crear cráteres al tocar el suelo. [3]
Se puede formar un coloide de gas volcánico y magma como una corriente de densidad llamada flujo piroclástico . Esto ocurre cuando el material en erupción vuelve a caer a la superficie. El gas fluidifica un poco el coloide, lo que le permite extenderse. Los flujos piroclásticos a menudo pueden superar obstáculos y devastar vidas humanas. [3] Los flujos piroclásticos son una característica común en los volcanes explosivos de la Tierra. En Venus se han encontrado flujos piroclásticos, por ejemplo en los volcanes Dione Regio . [20]
Puede producirse una erupción freática cuando se despresuriza el agua caliente bajo presión. La despresurización reduce el punto de ebullición del agua, por lo que cuando se despresuriza el agua hierve repentinamente. [21] O puede suceder cuando el agua subterránea se calienta repentinamente y se convierte en vapor repentinamente. [22] 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 roca sólida y arrojar fragmentos de roca a cientos de metros. [23]
Una erupción freatomagmática ocurre cuando el magma caliente entra en contacto con el agua, creando una explosión. [24]
Un mecanismo para el criovulcanismo explosivo es el criomagma que entra en contacto 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 al entrar en contacto con magma cálido ascendente podría producir una explosión que atraviese la superficie, dando como resultado un criovulcanismo explosivo. [5]
Si una fractura alcanza la superficie de un cuerpo helado y la columna de agua ascendente queda expuesta al casi vacío de la superficie de la mayoría de los cuerpos helados, inmediatamente comenzará a hervir, porque su presión de vapor es mucho mayor que la presión ambiental. No solo eso, sino que cualquier volátil en el agua se disolverá. La combinación de estos procesos liberará gotas y vapor, que pueden subir por la fractura y crear una columna de humo. Se cree que esto es parcialmente responsable de las columnas de hielo de Encelado . [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 las placas de la Tierra están bajo el agua, la mayoría de los volcanes se encuentran bajo el agua. Por ejemplo, una dorsal en medio del océano , como la Cordillera del Atlántico Medio , 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 se pueden formar 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 lejos de los límites de las placas surge de surgencias de diapiros desde el límite entre el núcleo y el manto , a 3.000 kilómetros (1.900 millas) de profundidad dentro de la Tierra. Esto da como resultado un vulcanismo en puntos críticos , del cual el punto crítico de Hawai es un ejemplo. Los volcanes normalmente no se forman cuando dos placas tectónicas se deslizan una sobre otra.
Las grandes erupciones pueden afectar la temperatura atmosférica a medida que las cenizas y las gotas de ácido sulfúrico oscurecen el Sol y enfrían la troposfera de la Tierra . Históricamente, a las grandes erupciones volcánicas les siguieron inviernos volcánicos que provocaron hambrunas catastróficas. [25]
La Luna de la Tierra no tiene grandes volcanes ni actividad volcánica actual, aunque evidencia reciente sugiere que todavía puede poseer un núcleo parcialmente fundido. [26] Sin embargo, la Luna tiene muchas características volcánicas como marías [27] (las manchas más oscuras que se ven en la Luna), grietas [28] y cúpulas . [29]
El planeta Venus tiene una superficie compuesta en un 90% de basalto , lo que indica que el vulcanismo jugó un papel importante en la configuración de su superficie. Es posible que el planeta haya 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 los 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 erupciones volcánicas en curso, aunque no hay confirmación de si Venus todavía está volcánicamente activo. 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, se ha cuestionado la interpretación de los flujos como flujos de cenizas. [32]
Hay varios volcanes extintos en Marte , cuatro de los cuales son enormes volcanes en escudo mucho más grandes que cualquiera de la Tierra. Incluyen Arsia Mons , Ascraeus Mons , Hecates Tholus , Olympus Mons y Pavonis Mons . Estos volcanes han estado extintos durante muchos millones de años, [33] pero la nave espacial europea Mars Express ha encontrado evidencia de que también pudo haber ocurrido actividad volcánica en Marte en el pasado reciente. [33]
Io, la luna de Júpiter , es el objeto volcánicamente más activo del Sistema Solar debido a la interacción de las mareas con Júpiter. Está cubierto de volcanes que hacen erupción de azufre , dióxido de azufre y roca de silicato y, como resultado, Ío está constantemente resurgiendo. Sus lavas son las más calientes conocidas en todo el Sistema Solar, con temperaturas que superan los 1.800 K (1.500 °C). En febrero de 2001, se produjeron en Ío las mayores erupciones volcánicas registradas en el Sistema Solar. [34] Europa , la más pequeña de las lunas galileanas de Júpiter , también parece tener un sistema volcánico activo, excepto que su actividad volcánica se produce enteramente en forma de agua, que se congela formando hielo en la gélida superficie. Este proceso se conoce como criovulcanismo y aparentemente es más común en las lunas de los planetas exteriores del Sistema Solar . [35]
En 1989, la nave 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 en erupción desde Encelado , una luna de Saturno . [36] [37] Las eyecciones pueden estar compuestas de agua, nitrógeno líquido , amoníaco , polvo o compuestos de metano . Cassini-Huygens también encontró evidencia de un criovolcán que arroja metano en la luna Titán de Saturno , que se cree que es una fuente importante del metano que se encuentra en su atmósfera. [38] Se teoriza que el criovulcanismo también puede estar presente en el objeto Quaoar del cinturón de Kuiper .
Un estudio de 2010 del exoplaneta COROT-7b , que fue detectado por tránsito en 2009, sugirió que el calentamiento de las mareas de la estrella anfitriona muy cercana al planeta y los planetas vecinos podría generar una intensa actividad volcánica similar a la encontrada en Ío. [39]
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Diversidad volcánica en todo el Sistema Solar
La radiación cósmico-solar como causa de terremotos y erupciones volcánicas
Comportamientos de fusión de los materiales candidatos para modelos planetarios.
Erupciones volcánicas explosivas provocadas por rayos cósmicos: el volcán como cámara de burbujas
Termodinámica de las erupciones de gas y vapor.
Requisitos previos para el criovulcanismo explosivo en objetos del cinturón de Kuiper de clase planeta enana
Estilos de erupción freatomagmática y relacionados