Le onde di shock nelle esplosioni vulcaniche

Non si vedono ma ci sono, difficile riuscire a immortalarle in un video ma stavolta un videoamatore ce l'ha fatta: pochi giorni fa è riuscito a riprendere in modo casuale ma efficace una onda di shock. Si forma durante un'eruzione vulcanica e genera uno dei rumori più intensi che possano essere prodotti naturalmente.

Cosa sono le onde di shock

Come la nostra voce e la musica che ascoltiamo dagli altoparlanti sono niente altro che una variazione di pressione impressa all'aria circostante, anche le onde di shock si propagano allo stesso modo ma con un'energia immensamente più grande.

Il magma, risalendo dalle profondità in cui si trova a pressioni elevate, va verso la superficie e quindi verso un ambiente a bassa pressione come quella atmosferica; i gas in soluzione nel magma si riuniscono in bolle, che si moltiplicano e ingrandiscono grazie alla minor pressione a cui il magma è sottoposto per arrivare a un livello chiamato di frammentazione: possiamo paragonare questo sistema ad un boccale di birra: sul fondo si generano le bolle che risalendo, si accumulano in superficie fino ad arrivare ad esplodere (chiaramente l'energia in gioco è ben diversa).

Schema della miscela magmatica in un condotto vulcanico.
Risalendo a pressioni più basse, i gas formano bolle come in un boccale di birra...

A questo punto la miscela di gas esploso e di frammenti di liquido magmatico risale molto velocemente il condotto vulcanico e, una volta in superficie, entra nell'area del cratere e si espande.

La forma del cratere svolge un ruolo fondamentale perché si formi o meno l'onda di shock: rispetto al condotto, la superficie del cratere è molto più ampia ma la quantità di massa eruttata rimane la stessa, quindi la velocità del flusso deve necessariamente aumentare per compensare la inevitabile caduta di pressione del gas. Se questa caduta arriva a valori di pressione inferiore a quella atmosferica (e succede se il cratere è molto basso e molto largo), il gas in uscita deve istantaneamente riequilibrarsi alla pressione atmosferica, raggiungendo velocità supersoniche.

Uno dei crateri più famosi del mondo: il Vesuvio.
"Vesuvius from plane" by Pastorius via Wikimedia Commons

Schema di generazione di un'onda di shock:
Se il cratere è basso, la pressione dei gas scende sotto quella atmosferica.
Per riequilibrarsi, il gas deve aumentare la propria pressione istantaneamente, producendo l'onda di shock

Per fare un esempio, l'esplosione del Krakatoa del 1883 produsse un'onda di shock di 310 dB (non sono decibel calcolati come in musica) che fece 36 volte il giro del mondo, durando un mese intero, facendo apparire e scomparire la nebbia in un istante intorno al vulcano (la pressione sull'aria fu tale da far condensare immediatamente il vapore acqueo di umidità che si trovava in atmosfera, come si nota anche nel video iniziale).

Le onde di shock hanno una potenza paragonabile a quella generata da un'esplosione atomica, quindi se ci dovessimo trovare sfortunatamente di fronte al cratere di un vulcano in eruzione, saluteremmo questo mondo ancora prima che la colonna di cenere a oltre 1000 gradi ci investa...