El volcán chileno Villarrica entró en erupción repentinamente el 3 de marzo de 2015, arrojando una fuente de lava de más de 2 kilómetros de altura. La erupción -la primera del Villarrica en 30 años- fue inesperada por su rápida aparición y su violencia. También fue notablemente efímera. En una hora, la actividad explosiva había terminado. Al cabo de un mes, el volcán había vuelto a su estado habitual, con un lago de lava en ebullición situado en las profundidades del cráter de la cumbre, de paredes escarpadas.

Predecir estas violentas erupciones es el santo grial de la ciencia volcánica aplicada. Con este objetivo, los vulcanólogos despliegan sismómetros para detectar temblores, inclinómetros y GPS para identificar la hinchazón, y detectores multiespectrales para controlar la salida de gases y calor. Los sensores de infrasonido, que registran los sonidos de baja frecuencia producidos por los volcanes, son un componente cada vez más importante de este variado conjunto de herramientas.

Los vulcanólogos han utilizado tradicionalmente la vigilancia por infrasonido tanto para contar las explosiones como para seguir la intensidad de la erupción, capacidades importantes cuando la vista del volcán está oscurecida . Estudios recientes han demostrado que la vigilancia infrasónica también puede utilizarse para identificar importantes precursores de erupciones . El Villarrica dio indicios de su agitación a través del carácter cambiante de sus infrasonidos. Ahora reconocemos que los sonidos cambiantes de Villarrica proporcionaron una advertencia de que la lava se estaba elevando dentro del cráter.

Estas observaciones se realizaron de forma fortuita como parte de un proyecto de investigación patrocinado por la National Science Foundation, Volcano Acoustics: From Vent to Receiver, que estudió la propagación a larga distancia del infrasonido producido en el Villarrica. Durante la expedición de campo de 2015, instalamos sensores en la cumbre y los flancos del volcán. Aunque la erupción del 3 de marzo destruyó el despliegue de la cumbre, los sensores situados fuera de la zona dañada recogieron datos que permitieron obtener una cronología completa de la creciente agitación del volcán.

Los volcanes como instrumentos musicales gigantes

Los volcanes generan infrasonidos, sonidos de baja frecuencia por debajo del umbral de la percepción humana. A pesar de los variados comportamientos eruptivos, muchos volcanes irradian sus sonidos más intensos dentro de unas pocas octavas de 1 hertz, lo que corresponde a longitudes de onda de sonido de cientos de metros. No es casualidad que esta dimensión sea similar a la de los cráteres volcánicos, que desempeñan un papel fundamental en la modulación del sonido radiado.

En muchos sentidos, un volcán es como un instrumento musical gigante. Al igual que con los volcanes, el tamaño de una trompa musical controla el tono del sonido que emite: Las trompas más grandes emiten sonidos más graves. Los sonidos musicales tienden a ser agradables debido a la resonancia de la trompa; las ondas de presión del aire que se mueven de un lado a otro dentro de un tubo de latón se proyectan sonoramente desde la campana de la trompa. La forma de la campana es importante y controla si una nota es aguda y corta o rica y reverberante. Esta cualidad, que es independiente de la frecuencia o el volumen de una nota, se denomina en términos generales su timbre.

Al igual que con una trompa musical, el timbre y el tono de un volcán son particulares a la forma de un cráter. Los volcanes con cráteres profundos tienden a producir sonidos de baja frecuencia, mientras que los cráteres poco profundos irradian sonidos de mayor frecuencia . Los conductos estrechos suelen resonar durante largos periodos de tiempo, pero los cráteres anchos en forma de plato pueden no reverberar en absoluto. Aunque las fuentes de sonido volcánicas pueden ser variadas, los respiraderos del fondo de un cráter que actúan como boquillas suelen generar infrasonidos. La violenta expulsión de gas de los respiraderos o de la superficie de un lago de lava puede inducir la resonancia del cráter.

Los disturbios volcánicos y el cambio en la calidad del sonido

El infrasonido de los volcanes merece especial atención cuando cambia con el tiempo. Esto puede ocurrir cuando los volcanes cambian su forma a medida que las paredes del cráter se desploman, los suelos se derrumban o un lago de lava sube y baja. El dinamismo del lago de lava del Villarrica, por ejemplo, se considera responsable de los cambios en el infrasonido que condujeron a la violenta erupción de 2015. Las fluctuaciones de frecuencia se habían atribuido anteriormente a las etapas oscilantes del lago de lava , pero en 2015, los científicos observaron una variación sistemática que condujo a la violenta erupción del 3 de marzo. Un estudio de Johnson et al. informó de dos observaciones principales: El contenido de frecuencia de los sonidos aumentó en torno al 1 de marzo (de 0,7 a 0,95 hercios), y el timbre cambió (Figura 1). Antes del 1 de marzo, las reverberaciones eran evidentes, pero después, el sonido se convirtió en un estruendo. En otras palabras, la fuente acústica del cráter se había amortiguado.

El cráter de Villarrica se asemeja a un embudo, con una sección superior cónica y un conducto estrecho por debajo. La ausencia de resonancia a principios de marzo es importante porque, según los modelos numéricos, significa un alto nivel del lago de lava situado cerca de la sección de ensanchamiento del cráter. Durante el estado de fondo típico de Villarrica, la superficie del lago de lava está más profunda -y a menudo oculta- dentro del pozo de paredes verticales. El 2 de marzo, las señales de infrasonido sugieren que el lago de lava se estaba acercando al borde del cráter; la trompa se había convertido en un altavoz, como se ilustra en el vídeo que aparece a continuación.

El desencadenante de la dramática fuente de lava del 3 de marzo, que comenzó a las 3:00 a.m. hora local, sigue siendo enigmático, pero el resultado final fue un violento paroxismo que causó daños materiales, obligó a miles de personas a evacuar la zona y fue noticia en todo el mundo. Las observaciones de infrasonido nos indicaron que la superficie del lago de lava había alcanzado un nivel alto varios días antes de la erupción. Estos datos pueden ayudarnos a anticipar futuras erupciones en volcanes de ventilación abierta.

Resonancia volcánica en esteroides

Cada volcán tiene una firma infrasónica única. En comparación con el Volcán Villarrica, cuya resonancia evolucionó durante unos pocos días de notable a ausente, el infrasonido del volcán Cotopaxi de Ecuador fue notable porque sonó constantemente en 2016 (Figura 2). Las oscilaciones infrasónicas de Villarrica duraron acumulativamente unos pocos segundos, pero una sola oscilación en el Cotopaxi duró 5 segundos. Se detectaron hasta 16 oscilaciones en algunas de las señales infrasónicas que, increíblemente, duraron más de un minuto (Figura 3).

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Un estudio de los eventos del Cotopaxi registrados en 2016 se refiere a estas hermosas señales como tornillos infrasónicos, la palabra española para tornillos, porque el registro de la presión se asemeja al perfil de un tornillo . Estas formas de onda atestiguan una amortiguación excepcionalmente baja y, por tanto, un alto factor de calidad de la fuente acústica del cráter. (Las fuentes con factores de calidad más altos tienen menos amortiguación, y suenan o vibran durante más tiempo.)

Si Villarrica es como un gran trombón, con una longitud de tubo de plomo que cambia con el tiempo, entonces Cotopaxi es como una tuba gigante, con dimensiones relativamente invariables durante gran parte de 2015 y 2016. Después de que las explosiones de agosto de 2015 abrieran el cráter del Cotopaxi, el conducto visible se extendió de forma pronunciada hacia abajo desde su cumbre de 5.900 metros. Durante la primera mitad de 2016, el fondo del cráter no fue visible para los aviones que sobrevolaban la cumbre. Las observaciones aéreas mostraron un cráter de paredes verticales de al menos 200 metros de profundidad, una dimensión corroborada por el infrasonido modelado, que sugería un pozo de 350 metros.

Fuentes de la resonancia del cráter

El viaje del infrasonido desde la fuente del volcán hasta el receptor sólo puede entenderse considerando los dramáticos efectos moduladores producidos por la topografía del cráter . Es muy plausible que tanto los impresionantes tornillos del Cotopaxi como las tenues oscilaciones del Villarrica estén inducidos por impulsos de corta duración que se producen en el fondo de sus cráteres. Una explosión abrupta, o un impulso, contiene un amplio espectro de frecuencias; sin embargo, sólo aquellas que excitan el cráter en resonancia son bien sostenidas.

Típicamente, los científicos de volcanes que analizan las grabaciones remotas de infrasonido están generalmente menos interesados en la «respiración» oscilatoria de la salida del cráter (es decir, su resonancia infrasónica) que en extraer información importante sobre la fuente de la explosión, como su duración o flujo de masa. Es esta información la que contribuye a nuestra creciente comprensión de cómo el gas se acumula y se separa del magma y cómo potencia las explosiones volcánicas.

Sin embargo, con los recientes desarrollos en la comprensión de los efectos acústicos de los cráteres, estamos mejor preparados para recuperar importantes parámetros relacionados con las fuentes de las explosiones. El Cotopaxi y el Villarrica representan sólo dos de las docenas de volcanes activos en todo el mundo en los que los infrasonidos están contribuyendo a nuestra comprensión fundamental de la dinámica de las erupciones y a nuestra capacidad para predecir futuros paroxismos.

Agradecimientos

Este trabajo fue financiado en parte por las becas de la National Science Foundation EAR-0838562 y EAR-1830976 y por el Programa de Becas Fulbright.