Il vulcano Villarrica del Cile ha eruttato improvvisamente il 3 marzo 2015, vomitando una fontana di lava alta più di 2 chilometri. L’eruzione – la prima di Villarrica in 30 anni – è stata inaspettata per la sua rapida insorgenza e la sua violenza. È stata anche straordinariamente breve. Entro un’ora, l’attività esplosiva era finita. Entro un mese circa, il vulcano era tornato al suo stato abituale, che presentava un lago di lava ribollente situato in profondità all’interno del cratere sommitale dalle pareti ripide.

Prevedere eruzioni così violente è il Santo Graal per la scienza applicata ai vulcani. Verso questo obiettivo, i vulcanologi impiegano sismometri per rilevare le scosse, inclinometri e GPS per identificare il rigonfiamento, e rilevatori multispettrali per monitorare l’emissione di gas e calore. I sensori di infrasuoni, che registrano i suoni a bassa frequenza prodotti dai vulcani, sono una componente sempre più importante di questo kit di strumenti diversi.

I vulcanologi hanno tradizionalmente utilizzato la sorveglianza degli infrasuoni sia per contare le esplosioni che per seguire l’intensità dell’eruzione, capacità importanti quando la vista del vulcano è oscurata. Studi recenti hanno dimostrato che il monitoraggio degli infrasuoni può essere utilizzato anche per identificare importanti precursori di eruzione. Villarrica ha dato indicazioni del suo disordine attraverso il carattere mutevole del suo infrasuono. Ora riconosciamo che i suoni mutevoli di Villarrica hanno fornito un avvertimento che la lava stava salendo all’interno del cratere.

Queste osservazioni sono state fatte serendipitosamente come parte di un progetto di ricerca sponsorizzato dalla National Science Foundation, Volcano Acoustics: From Vent to Receiver, che ha studiato la propagazione a lunga distanza degli infrasuoni prodotti a Villarrica. Durante la spedizione sul campo del 2015, abbiamo installato sensori sulla cima e sui fianchi del vulcano. Anche se l’eruzione del 3 marzo ha distrutto l’installazione sulla cima, i sensori al di fuori della zona di danno hanno raccolto dati che hanno prodotto una cronologia completa del crescente disordine del vulcano.

Volcani come strumenti musicali giganti

I vulcani generano infrasuoni, suoni a bassa frequenza sotto la soglia della percezione umana. Nonostante i diversi comportamenti eruttivi, molti vulcani irradiano i loro suoni più intensi entro poche ottave di 1 hertz, corrispondenti a lunghezze d’onda sonore di centinaia di metri. Non è una coincidenza che questa dimensione sia simile a quella dei crateri vulcanici, che giocano un ruolo critico nel modulare il suono irradiato.

In molti modi, un vulcano è come un gigantesco strumento musicale. Come per i vulcani, la dimensione di un corno musicale controlla l’altezza del suono che emette: I corni più grandi producono suoni più bassi. I suoni musicali tendono ad essere piacevoli a causa della risonanza del corno; le onde di pressione dell’aria che si muovono avanti e indietro all’interno di un tubo di ottone proiettano sonoramente dalla campana del corno. La forma della campana è importante e controlla se una nota è acuta e breve o ricca e riverberante. Questa qualità, che è indipendente dalla frequenza o dall’intensità di una nota, è definita in generale come il suo timbro.

Come per un corno musicale, il timbro e l’altezza di un vulcano sono particolari alla forma di un cratere. I vulcani con crateri profondi hanno la tendenza a produrre suoni a bassa frequenza, mentre i crateri poco profondi irradiano suoni a più alta frequenza. I condotti stretti spesso risuonano per periodi prolungati, ma i crateri larghi, simili a piatti, potrebbero non riverberare affatto. Anche se le fonti sonore vulcaniche possono essere varie, gli sfiati sul fondo di un cratere che agiscono come boccagli spesso generano infrasuoni. La violenta espulsione di gas dalle bocchette o dalla superficie di un lago di lava può indurre il cratere a risuonare.

I disordini vulcanici e il cambiamento della qualità del suono

L’infrasuono dei vulcani merita particolare attenzione quando cambia nel tempo. Questo può accadere quando i vulcani cambiano la loro forma quando le pareti del cratere crollano, i piani crollano, o un lago di lava sale e scende. Il dinamismo del lago di lava di Villarrica, per esempio, è considerato responsabile del cambiamento dell’infrasuono fino alla violenta eruzione del 2015. Le fluttuazioni di frequenza erano state precedentemente attribuite a fasi oscillanti del lago di lava, ma nel 2015, gli scienziati hanno notato una variazione sistematica che ha portato alla violenta eruzione del 3 marzo. Uno studio di Johnson et al. ha riportato due osservazioni principali: Il contenuto di frequenza dei suoni è aumentato intorno al 1 marzo (da 0,7 a 0,95 hertz), e il timbro è cambiato (Figura 1). Prima del 1° marzo, i riverberi erano evidenti, ma dopo, il suono è diventato come un tonfo. In altre parole, la fonte acustica del cratere si era smorzata.

Il cratere di Villarrica assomiglia a un imbuto, con una sezione superiore conica e uno stretto condotto sottostante. L’assenza di risonanza all’inizio di marzo è importante perché, secondo i modelli numerici, significa un alto supporto del lago di lava situato vicino alla sezione di svasatura del cratere. Durante il tipico stato di fondo di Villarrica, la superficie del lago di lava è più profonda – e spesso nascosta – all’interno del pozzo a pareti verticali. Il 2 marzo, i segnali infrasonori suggeriscono che il lago di lava si stava avvicinando all’orlo del cratere; il corno era diventato un altoparlante, come illustrato nel video qui sotto.

L’innesco della drammatica fontana di lava del 3 marzo, iniziata alle 3:00 del mattino ora locale, rimane enigmatico, ma il risultato finale è stato un parossismo violento che ha causato danni alla proprietà, costretto migliaia di persone ad evacuare la zona e ha fatto notizia in tutto il mondo. Le osservazioni infrasonore ci hanno detto che la superficie del lago di lava aveva raggiunto un livello elevato diversi giorni prima dell’eruzione. Queste intuizioni possono aiutarci ad anticipare future eruzioni in vulcani a bocca aperta.

Risonanza vulcanica su steroidi

Ogni vulcano ha una firma infrasonora unica. Rispetto al Volcán Villarrica, la cui risonanza si è evoluta nel corso di pochi giorni da evidente ad assente, l’infrasuono dal vulcano Cotopaxi dell’Ecuador è stato notevole perché ha suonato costantemente nel 2016 (Figura 2). Le oscillazioni infrasonore di Villarrica sono durate cumulativamente per pochi secondi, ma una singola oscillazione al Cotopaxi è durata 5 secondi. Ben 16 oscillazioni sono state rilevate in alcuni dei segnali infrasonori, che, incredibilmente, sono durati più di un minuto (Figura 3).

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Uno studio sugli eventi del Cotopaxi registrati nel 2016 si riferisce a questi bei segnali come infrasuoni tornillos, la parola spagnola per le viti, perché la registrazione della pressione assomiglia al profilo di una vite . Tali forme d’onda attestano uno smorzamento eccezionalmente basso e quindi un alto fattore di qualità della sorgente acustica del cratere. (Le fonti con fattori di qualità più elevati hanno meno smorzamento, e suonano o vibrano più a lungo.)

Se Villarrica è come un grande trombone, con una lunghezza della canna che cambia nel tempo, allora Cotopaxi è come una tuba gigante, con dimensioni relativamente immutabili durante gran parte del 2015 e 2016. Dopo che le esplosioni dell’agosto 2015 hanno aperto il cratere del Cotopaxi, il condotto visibile si è esteso ripidamente verso il basso dalla sua cima di 5.900 metri. Per tutta la prima metà del 2016, il fondo del cratere non era visibile agli aerei che sorvolavano la cima. Le osservazioni aeree hanno mostrato un cratere a pareti verticali profondo almeno 200 metri, una dimensione corroborata dall’infrasuono modellato, che ha suggerito un pozzo di 350 metri.

Fonti della risonanza del cratere

Il viaggio dell’infrasuono dalla sorgente del vulcano al ricevitore può essere compreso solo considerando i drammatici effetti modulanti prodotti dalla topografia del cratere. È molto plausibile che sia gli impressionanti tornillos del Cotopaxi che le sommesse oscillazioni di Villarrica siano indotte da impulsi di breve durata che si verificano sul fondo dei loro crateri. Un’esplosione improvvisa, o un impulso, contiene un ampio spettro di frequenze; tuttavia, solo quelle che eccitano il cratere in risonanza sono ben sostenute.

In genere, gli scienziati dei vulcani che analizzano le registrazioni infrasonore remote sono meno interessati al “respiro” oscillatorio dell’uscita del cratere (cioè, la sua risonanza infrasonora) che all’estrazione di informazioni importanti sulla fonte dell’esplosione, come la sua durata o il flusso di massa. Sono queste informazioni che contribuiscono alla nostra crescente comprensione di come il gas si accumula e si separa dal magma e di come alimenta le esplosioni vulcaniche.

Tuttavia, con i recenti sviluppi nella comprensione degli effetti acustici dei crateri, siamo meglio preparati a recuperare importanti parametri relativi alle fonti delle esplosioni. Cotopaxi e Villarrica rappresentano solo due delle decine di vulcani attivi in tutto il mondo dove l’infrasuono sta contribuendo alla nostra comprensione fondamentale delle dinamiche di eruzione e alla nostra capacità di prevedere i parossismi futuri.

Riconoscimenti

Questo lavoro è stato finanziato in parte dalle sovvenzioni della National Science Foundation EAR-0838562 e EAR-1830976 e dal Fulbright Scholar Program.