O vulcão Villarrica do Chile entrou em erupção repentina a 3 de Março de 2015, derramando uma fonte de lava com mais de 2 quilómetros de altura. A erupção – a primeira em 30 anos – foi inesperada em termos do seu rápido início e da sua violência. Foi também notavelmente curta. Em uma hora, a atividade explosiva havia terminado. Em cerca de um mês, o vulcão tinha voltado ao seu estado habitual, que apresentava um lago de lava em rocha situado nas profundezas da cratera de paredes íngremes.

Prever tais erupções violentas é o santo graal da ciência aplicada aos vulcões. Para este objetivo, os vulcanólogos utilizam sismômetros para detectar tremores, inclinômetros e GPS para identificar inchaço, e detectores multiespectral para monitorar a saída de gás e calor. Os sensores infra-som, que registram os sons de baixa freqüência produzidos pelos vulcões, são um componente cada vez mais importante deste conjunto de ferramentas diversas.

Volcanólogos tradicionalmente têm usado vigilância infra-som para contar explosões e rastrear a intensidade da erupção, capacidades importantes quando a visão do vulcão é obscurecida. Estudos recentes demonstraram que a monitorização por infra-som também pode ser usada para identificar importantes precursores de erupção . Villarrica deu indicações de sua agitação através da mudança do caráter de seu infrasom. Reconhecemos agora que a mudança de sons de Villarrica proporcionou um aviso de que a lava estava subindo dentro da cratera .

Estas observações foram feitas serendipitamente como parte de um projeto de pesquisa patrocinado pela National Science Foundation, Volcano Acoustics: De Vent para Receptor, que estudou a propagação a longa distância do infrasom produzido em Villarrica. Durante a expedição de campo de 2015, instalamos sensores no cume e nos flancos do vulcão. Embora a erupção de 3 de Março tenha destruído o desdobramento do cume, os sensores fora da zona de danos recolheram dados que produziram uma cronologia completa da agitação crescente do vulcão.

Volcões como Instrumentos Musicais Gigantes

Volcões geram sons infra-som, de baixa frequência, abaixo do limiar da percepção humana. Apesar dos variados comportamentos eruptivos, muitos vulcões irradiam seus sons mais intensos dentro de algumas oitavas de 1 hertz, correspondendo a comprimentos de onda sonora de centenas de metros. Não é por acaso que esta dimensão é semelhante à dimensão das crateras vulcânicas, que desempenham um papel crítico na modulação do som irradiado .

Em muitos aspectos, um vulcão é como um instrumento musical gigante. Como nos vulcões, o tamanho de uma trompa musical controla o tom do som que ela faz: Os chifres maiores fazem sons mais baixos. Os sons musicais tendem a ser agradáveis por causa da ressonância da buzina; as ondas de pressão de ar que deslizam para frente e para trás dentro de um comprimento de tubo de latão projectam-se sonoramente do sino da buzina. A forma do sino é importante e controla se uma nota é afiada e curta ou rica e reverberante. Esta qualidade, que é independente da frequência ou da sonoridade de uma nota, é referida genericamente como seu timbre.

As com uma trompa musical, o timbre de um vulcão e o tom são particulares à forma de uma cratera. Os vulcões com crateras profundas têm a tendência de produzir sons de baixa frequência, enquanto que as crateras rasas irradiam sons de maior frequência. Condutos estreitos muitas vezes ressoam por longos períodos, mas crateras largas e parecidas com crateras podem não reverberar de todo. Embora as fontes sonoras vulcânicas possam ser variadas, respiradouros no fundo de uma cratera agindo como bocais muitas vezes geram infra-som. A expulsão violenta de gás de respiradouros ou da superfície de um lago de lava pode induzir a cratera a ressonar.

Inquietação vulcânica e mudança da qualidade do som

Volcano infra-som merece particular atenção quando muda ao longo do tempo. Isto pode acontecer quando os vulcões mudam de forma à medida que as paredes das crateras caem, o chão desmorona ou um lago de lava sobe e desce. O dinamismo do lago de lava de Villarrica, por exemplo, é considerado como responsável pela mudança do infrasom que leva à violenta erupção em 2015. As flutuações de frequência tinham sido anteriormente atribuídas aos estágios oscilantes do lago de lava, mas em 2015, os cientistas notaram uma variação sistemática que levou à erupção violenta em 3 de março. Um estudo realizado por Johnson et al. relatou duas observações primárias: O conteúdo de freqüência dos sons aumentou por volta de 1 de março (de 0,7 para 0,95 hertz), e o timbre mudou (Figura 1). Antes de 1 de março, as reverberações eram evidentes, mas depois, o som tornou-se como um thunk. Em outras palavras, a fonte acústica da cratera tinha umedecido.

A cratera da Villarrica assemelha-se a um funil, com uma secção superior cónica e um conduto estreito por baixo. A ausência de ressonância no início de Março é importante porque, segundo modelos numéricos, significa um suporte alto do lago de lava situado perto da secção de queima da cratera. Durante o típico estado de fundo de Villarrica, a superfície do lago de lava é mais profunda – e muitas vezes escondida – no eixo de parede vertical. Em 2 de março, os sinais infra-sonoros sugerem que o lago de lava estava se aproximando da borda da cratera; a buzina tinha se tornado um alto-falante, como ilustrado no vídeo abaixo.

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O gatilho da dramática fonte de lava de 3 de março, que começou às 3:00 da manhã, hora local, permanece enigmático, mas o resultado final foi um violento paroxismo que causou danos à propriedade, forçou milhares de pessoas a evacuar a área, e fez manchetes mundiais. Observações infrassônicas nos disseram que a superfície do lago de lava havia atingido um alto nível vários dias antes da erupção. Essas observações podem nos ajudar a antecipar erupções futuras em vulcões a céu aberto.

Ressonância de vulcões em esteróides

Todos os vulcões têm uma assinatura de infra-som única. Comparado com Volcán Villarrica, cuja ressonância evoluiu durante alguns dias de notória para ausente, o infrasom do vulcão Cotopaxi do Equador foi notável porque variou consistentemente em 2016 (Figura 2). As oscilações do infrasom de Villarrica duraram cumulativamente alguns segundos, mas uma única oscilação no Cotopaxi durou 5 segundos. Até 16 oscilações foram detectadas em alguns dos sinais infra-som, que, incrivelmente, duraram mais de um minuto (Figura 3).

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Um estudo dos eventos Cotopaxi registrados em 2016 refere-se a estes belos sinais como tornillos infra-som, a palavra espanhola para parafusos, porque o registro de pressão se assemelha ao perfil de um parafuso . Tais formas de onda atestam um amortecimento excepcionalmente baixo e, portanto, um fator de alta qualidade da fonte acústica da cratera. (Fontes com fatores de qualidade superior têm menos amortecimento e anelam ou vibram mais tempo.)

Se Villarrica é como um grande trombone, com um comprimento de tubo de chumbo que muda com o tempo, então Cotopaxi é como uma tuba gigante, com dimensões relativamente imutáveis durante grande parte de 2015 e 2016. Depois de explosões em agosto de 2015 abriram a cratera do Cotopaxi, o conduto visível se estendeu acentuadamente para baixo a partir de seu cume de 5.900 metros. Durante a primeira metade de 2016, o fundo da cratera não era visível para os aviões que sobrevoavam o cume. Observações aéreas mostraram uma cratera com paredes verticais a pelo menos 200 metros de profundidade, uma dimensão corroborada pelo infra-som modelado, que sugeria um eixo de 350 metros.

Fontes de Ressonância da Cratera

Viagem do infra-som desde a fonte do vulcão até o receptor só pode ser entendida considerando os dramáticos efeitos moduladores produzidos pela topografia da cratera. É muito plausível que tanto os impressionantes tornillos de Cotopaxi como as oscilações moderadas de Villarrica sejam induzidas por impulsos de curta duração que ocorrem no fundo de suas crateras. Uma explosão abrupta, ou um impulso, contém um amplo espectro de frequências; no entanto, apenas aquelas que excitam a cratera em ressonância são bem sustentadas.

Tipicamente, os cientistas vulcânicos que analisam gravações de infra-sons remotos estão geralmente menos interessados na “respiração” oscilatória da saída da cratera (ou seja, na sua ressonância de infra-som) do que na extração de informações importantes sobre a fonte da explosão, tais como a sua duração ou fluxo de massa. É esta informação que contribui para a nossa crescente compreensão de como o gás se acumula e se separa do magma e como ele alimenta explosões vulcânicas.

No entanto, com os recentes desenvolvimentos na compreensão dos efeitos acústicos da cratera, estamos melhor posicionados para recuperar parâmetros importantes relacionados com as fontes de explosões. Cotopaxi e Villarrica representam apenas duas das dezenas de vulcões ativos em todo o mundo onde o infra-som está contribuindo para nossa compreensão fundamental da dinâmica de erupção e para nossa capacidade de prever futuros paroxismos.

Agradecimentos

Este trabalho foi financiado em parte pela National Science Foundation grants EAR-0838562 e EAR-1830976 e pelo Fulbright Scholar Program.