Krakatau, Wezuwiusz, Etna — żaden z tych wulkanów nie stoi w przypadkowym miejscu. Każdy siedzi dokładnie tam, gdzie płyty tektoniczne ocierają się o siebie albo gdzie skorupa ziemska jest najcieńsza. Jeśli znasz już klasyczny wulkan z sody i octu , ten model idzie o krok dalej: z kilku kolorów plasteliny, małej buteleczki i odrobiny sody oczyszczonej można zbudować przekrój, który pokazuje coś więcej niż tylko pienistą erupcję — pozwala zajrzeć w przekroju pod powierzchnię i zobaczyć warstwy skał oraz komorę magmową, z której cała ta erupcja bierze początek.

Co nam będzie potrzebne?

  • plastelina lub glina modelarska w 3–4 kolorach (do warstw skorupy) plus czerwona/pomarańczowa na „lawę" na zewnątrz
  • mała plastikowa buteleczka lub probówka (np. po syropie), wysokość ok. 8–10 cm
  • soda oczyszczona (2–3 łyżki)
  • ocet (ok. pół szklanki)
  • barwnik spożywczy czerwony lub pomarańczowy
  • kilka kropel płynu do mycia naczyń
  • duża taca, blacha do pieczenia lub plastikowa podkładka (na wylewającą się „lawę")
  • plastikowy nożyk lub sznurek do przecięcia gotowego modelu
  • opcjonalnie: małe figurki lub klocki, żeby pokazać „miasteczko" u stóp wulkanu

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Komora magmowa. Ustaw pustą buteleczkę pionowo na środku tacy — to będzie komora magmowa i kanał wulkaniczny, którym „magma" wydostanie się na powierzchnię. Otwór buteleczki musi zostać odsłonięty przez cały czas budowy, bo przez niego popłynie erupcja.

Krok 2: Warstwy skorupy. Oblep buteleczkę plasteliną, budując stożek warstwa po warstwie — najpierw ciemniejszy kolor u podstawy, potem jaśniejszy wyżej, na końcu kolejny odcień bliżej wierzchołka. Każda warstwa niech ma inny kolor, tak żeby po przecięciu modelu było widać wyraźne pasy, podobnie jak w prawdziwym przekroju geologicznym. Zostaw wyraźny krater na szczycie, dokładnie nad otworem buteleczki.

Krok 3: Przygotowanie „magmy". Do buteleczki wsyp sodę oczyszczoną, dodaj kilka kropel barwnika i odrobinę płynu do naczyń — to on odpowiada za obfitą, gęstą pianę przypominającą lepką lawę, a nie tylko wodnisty bulgot.

Krok 4: Erupcja i przekrój. Wlej ocet do buteleczki i cofnij się o krok — reakcja zacznie się natychmiast, a piana popłynie po zboczach modelu, dokładnie tak jak lawa spływająca po stokach prawdziwego stratowulkanu. Gdy erupcja się skończy, najciekawsza część dopiero się zaczyna: przetnij model plastikowym nożykiem lub sznurkiem na pół. W przekroju zobaczysz kolorowe warstwy skorupy, kanał wulkaniczny i miejsce, w którym magma przebiła się przez nie wszystkie.

Wyjaśnienie naukowe

Skorupa ziemska nie jest jednolitą powłoką, lecz mozaiką kilkunastu wielkich płyt tektonicznych, które nieustannie, choć bardzo powoli, przesuwają się względem siebie — o kilka centymetrów rocznie, mniej więcej z prędkością wzrostu paznokci. Większość wulkanów świata powstaje właśnie na granicach tych płyt: tam, gdzie jedna płyta wsuwa się pod drugą (strefa subdukcji), skały topią się w głębi Ziemi pod wpływem ciśnienia i temperatury, tworząc magmę, która szuka drogi ku powierzchni. Tak powstał cały „Pierścień Ognia" otaczający Pacyfik, gdzie leży większość aktywnych wulkanów świata, w tym japońska Fudżi i amerykański St. Helens.

Nasz model odtwarza w uproszczeniu tę właśnie mechanikę. Reakcja sody oczyszczonej (wodorowęglanu sodu) z octem uwalnia dwutlenek węgla, który gwałtownie zwiększa objętość mieszaniny w zamkniętej przestrzeni buteleczki — dokładnie tak, jak rosnące ciśnienie gazów rozpuszczonych w prawdziwej magmie zmusza ją do wędrówki przez kanał wulkaniczny ku najsłabszemu punktowi skorupy, czyli krateru. Kolorowe warstwy plasteliny odgrywają rolę warstw skał osadowych i wulkanicznych, które w naturze odkładają się przez tysiące lub miliony lat, kolejna erupcja na kolejnej erupcji — dlatego prawdziwe wulkany w przekroju wyglądają jak wielowarstwowe torty.

Nie wszystkie wulkany rodzą się jednak na granicach płyt. Hawaje leżą w samym środku Pacyfiku, z dala od jakiejkolwiek granicy — ich wulkany zasila tzw. gorący punkt (hotspot), czyli stały strumień magmy wypływający z bardzo głębokich warstw płaszcza Ziemi, niezależnie od ruchu płyt nad nim. Erupcja Wezuwiusza w 79 roku naszej ery, która zasypała Pompeje, i katastrofalny wybuch Krakatau w 1883 roku, słyszalny nawet kilka tysięcy kilometrów dalej, pokazują, że siła zgromadzona w komorze magmowej bywa porównywalna z energią wielu bomb atomowych naraz. Dziś geolodzy monitorują takie komory za pomocą czujników sejsmicznych — podobnych w zasadzie działania do domowego sejsmografu z wahadła i pisaka — wychwytując drobne wstrząsy, które zwykle poprzedzają erupcję na dni lub tygodnie wcześniej.

Warianty

Wulkan tarczowy kontra stratowulkan — zbuduj drugi model o dużo łagodniejszych, rozległych zboczach (jak hawajskie wulkany tarczowe, gdzie płynna lawa rozlewa się szeroko) i porównaj z pierwszym, stromym stratowulkanem. Różnica kształtu wynika z gęstości lawy: rzadka lawa bazaltowa rozlewa się daleko, gęsta lawa andezytowa buduje strome stożki.

Model strefy subdukcji — zamiast pojedynczego stożka ułóż dwie płaskie „płyty" z plasteliny tak, by jedna wsuwała się pod drugą pod niewielkim kątem, a komorę magmową umieść dokładnie nad miejscem ich styku. To pokazuje, dlaczego wulkany układają się w łańcuchy równoległe do linii wybrzeża, a nie pojedynczo.

Erupcja z opóźnieniem — owiń sodę w kawałek cienkiej bibuły przed włożeniem do buteleczki, zanim zaleją ją octem. Bibuła rozpuszcza się z opóźnieniem kilkunastu–kilkudziesięciu sekund, dzięki czemu erupcja zaczyna się dopiero po chwili — podobnie jak ciśnienie w prawdziwej komorze magmowej narasta stopniowo, zanim dojdzie do przebicia.

Często zadawane pytania

Dlaczego do modelu używamy octu i sody, skoro prawdziwa lawa nie ma nic wspólnego z tą reakcją? Ocet i soda oczyszczona nie imitują chemii magmy, tylko fizyczny skutek, jaki ona wywołuje — gwałtowny wzrost objętości gazu w zamkniętej przestrzeni, który wypycha ciecz na zewnątrz. W prawdziwym wulkanie tę rolę pełni para wodna i dwutlenek węgla rozpuszczone pod ciśnieniem w stopionej skale, uwalniające się gwałtownie, gdy magma zbliża się do powierzchni i ciśnienie spada. Efekt końcowy — wypływająca, pieniąca się ciecz — jest wizualnie podobny, mimo zupełnie innego mechanizmu chemicznego, dlatego model dobrze tłumaczy zasadę ciśnienia, ale nie skład magmy.

Czy wszystkie wulkany na Ziemi powstają w ten sam sposób? Nie, geolodzy wyróżniają co najmniej trzy główne mechanizmy powstawania wulkanów. Najwięcej z nich rodzi się na granicach płyt tektonicznych, zwłaszcza w strefach subdukcji, gdzie jedna płyta wsuwa się pod drugą i topi w głębi Ziemi. Inne, jak wulkany hawajskie, powstają nad stacjonarnymi gorącymi punktami płaszcza Ziemi, a jeszcze inne — w miejscach, gdzie płyty się rozsuwają, jak na Islandii, leżącej dokładnie na grzbiecie śródatlantyckim.

Jak naukowcy przewidują, że wulkan wkrótce wybuchnie? Wulkanolodzy śledzą kilka niezależnych sygnałów jednocześnie, żeby zwiększyć pewność prognozy. Rosnące ciśnienie magmy powoduje drobne wstrząsy sejsmiczne, wykrywalne czułymi czujnikami na długo przed erupcją, a satelity i czujniki GPS mierzą nawet milimetrowe odkształcenia zboczy, gdy komora magmowa się napełnia i wypycha skały ku górze. Dodatkowo bada się skład gazów wydobywających się ze szczelin — wzrost stężenia dwutlenku siarki często zapowiada zbliżającą się erupcję na tyle wcześnie, że można bezpiecznie ewakuować okoliczne miejscowości, tak jak stało się to przy wybuchu St. Helens w 1980 roku. Erupcje wulkaniczne to zresztą tylko jeden z dowodów na to, jak potężne siły kryją się pod powierzchnią Ziemi — podobnej cierpliwej obserwacji wymaga śledzenie erozji gleby , która rzeźbi krajobraz znacznie wolniej, ale równie nieubłaganie.