Flujo piroclástico

Un flujo piroclástico , más conocido como corriente de densidad piroclástica , ^{[ 1 ]} es una corriente rápida de gas caliente y materia volcánica (conocida colectivamente como tefra ) que fluye a lo largo del suelo alejándose de un volcán . Las corrientes piroclásticas viajan a velocidades extremadamente altas y tienen temperaturas extremadamente altas.

Los flujos piroclásticos son los más letales de todos los peligros volcánicos ^{[ 2 ]} y se producen como resultado de ciertas erupciones explosivas . Normalmente tocan el suelo y se precipitan ladera abajo o se extienden lateralmente por efecto de la gravedad. Su velocidad depende de la densidad de la corriente, la tasa de emisión volcánica y la pendiente del terreno.

Tras la erupción de material volcánico, gran parte de este se hunde en el suelo y fluye a lo largo de él, formando una corriente piroclástica. Estas corrientes están compuestas por un continuo de materiales, que abarca desde rocas más densas y relativamente frías hasta cenizas y gases más cálidos y ligeros. Las rocas más densas son más propensas a verse afectadas por la gravedad, separándose de las cenizas y gases más ligeros que continúan fluyendo por el suelo y el aire circundantes. Los componentes más densos de las corrientes piroclásticas son a los que se hace referencia específicamente al hablar de flujo piroclástico, mientras que los componentes más ligeros se conocen como oleadas piroclásticas . ^{[ 3 ]} En ciertos casos, las corrientes de densidad piroclástica pueden fluir sobre el agua, y sus componentes más densos se hunden y se mezclan con ella. Incluso pueden producirse retrocesos de agua como resultado de la formación de tierra debido al flujo de masa y volumen de las corrientes piroclásticas. ^{[ 4 ]} Además, se pueden observar corrientes piroclásticas en otros cuerpos astronómicos, como la luna. ^{[ 5 ]}

La palabra piroclasto deriva del griego πῦρ ( pýr ), que significa "fuego", y κλαστός ( klastós ), que significa "roto en pedazos". ^{[ 6 ] [ 7 ]} Un nombre para los flujos piroclásticos que brillan en rojo en la oscuridad es nuée ardente (francés, "nube ardiente"); este término se usó notablemente para describir la desastrosa erupción de 1902 del Monte Pelée en Martinica , una isla francesa en el Caribe. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Los flujos piroclásticos se originan a partir de los procesos físicos que ocurren antes y durante una erupción volcánica. El magma dentro del volcán se desgasifica , lo que promueve la descompresión , una mayor flotabilidad y el ascenso del magma hacia la superficie, lo que a su vez permite una mayor desgasificación. A medida que se produce una mayor desgasificación, el magma evoluciona de un líquido que contiene gas a una mezcla de partículas condensadas y gas con mayor velocidad ascendente. Al erupcionar esta mezcla hacia la superficie y la atmósfera, gran parte de ella se hunde en el suelo debido a su mayor densidad en comparación con la atmósfera, formando la corriente de densidad piroclástica que luego se desplaza a lo largo del suelo. ^{[ 10 ]}

Al entrar en la atmósfera, como corrientes de gravedad , las corrientes piroclásticas están sujetas a la atracción gravitatoria hacia la superficie. La gravedad se contrarresta con las fuerzas del fluido asociadas a los procesos turbulentos dentro de la corriente. Esta turbulencia se debe a que las corrientes piroclásticas son una mezcla heterogénea . Compuestas de materia volcánica condensada y gas caliente, los flujos piroclásticos son heterogéneos en su composición química. Como resultado, dentro de una corriente, la temperatura de las partículas, la resistencia al cambio de movimiento ( inercia ), la velocidad y otras propiedades varían. Como fluido , las corrientes piroclásticas experimentan fricción interna ( viscosidad ). Sin embargo, los desequilibrios de temperatura, velocidad e inercia dentro de la corriente superan esta viscosidad, promoviendo el flujo turbulento del fluido que contrarresta la gravedad. El número de Reynolds mide el grado en que estos desequilibrios de propiedades superan la viscosidad. Cuanto mayor sea el número de Reynolds, mayor será la probabilidad de turbulencia dentro de un fluido. ^{[ 10 ] [ 3 ] [ 11 ]}

Una característica clave de la turbulencia son los remolinos conocidos como vórtices . Las corrientes piroclásticas son multifásicas , lo que significa que sus procesos físicos, incluida la formación de estos vórtices, ocurren en una amplia variedad de escalas, desde la molecular hasta la de la materia a granel de la propia corriente piroclástica. A medida que estos vórtices se forman por la turbulencia, crean trayectorias de flujo de fluido . Mientras tanto, la gravedad continúa empujando la mezcla a granel hacia abajo. Dentro de la mezcla heterogénea del flujo piroclástico, el material más pesado y condensado (por ejemplo, rocas) se verá más afectado por la gravedad, hundiéndose hasta el suelo y fluyendo a lo largo de él. Por el contrario, el material más ligero y menos denso (por ejemplo, ceniza ) se verá más afectado por el flujo de fluido generado por la turbulencia, lo que provocará que ascienda. El primer componente de las corrientes piroclásticas a veces se denomina flujo basal, mientras que el segundo se conoce a veces como pluma de ceniza . ^{[ 3 ] [ 12 ]}

Además, dos formas de cuantificar esta separación del material piroclástico son mediante el número de Froude y el número de Stokes . El número de Froude es una medida de si la gravedad o la fuerza del fluido turbulento determinarán con mayor fuerza el movimiento de un fluido. Valores más bajos del número de Froude indican que la gravedad es dominante, mientras que valores más altos indican que el movimiento del fluido turbulento es más dominante. Por otro lado, el número de Stokes es una medida de si una partícula o porción de materia dentro del fluido seguirá la trayectoria del flujo del fluido o permanecerá independiente de él. Valores más altos del número de Stokes sugieren que una partícula fluirá a lo largo de la trayectoria del fluido, mientras que valores más bajos sugieren que permanecerá independiente de la trayectoria del fluido. ^{[ 10 ]} Las rocas más densas dentro de un material piroclástico tienen tendencia a hundirse bajo la influencia de la gravedad, cayendo y viajando a lo largo del suelo y apartándose de las trayectorias de flujo del fluido generadas por la turbulencia. A su vez, estos componentes de la corriente piroclástica tienen valores más bajos para los números de Froude y Stokes. Las cenizas y los gases más ligeros dentro de una corriente piroclástica se ven más influenciados por el movimiento turbulento del fluido, que se desplaza a lo largo de la trayectoria del fluido. Por lo tanto, tienen valores más altos para los números de Froude y Stokes. ^{[ 11 ]}

Para aclarar completamente la terminología, los componentes más densos de una corriente piroclástica que se hunden y se convierten en parte del flujo basal que se mantiene cerca del suelo forman parte de lo que se conoce como flujo piroclástico. Mientras tanto, los componentes más flotantes de una corriente piroclástica que se ven más significativamente influenciados por las fuerzas del fluido forman parte de lo que se conoce como oleada piroclástica. Los flujos piroclásticos simplemente se encuentran dentro del continuo de lo que ocurre con la materia volcánica contenida en una corriente piroclástica. ^{[ 3 ] [ 11 ]} En otras palabras, cuanto más ligero sea un material dentro del flujo piroclástico, más probable es que se convierta en parte de una oleada piroclástica, mientras que cuanto más pesado sea el material, más probable es que se convierta en parte de un flujo piroclástico.

Las oleadas piroclásticas también pueden denominarse "corrientes de densidad piroclástica totalmente diluidas". Su menor densidad a veces permite que las oleadas fluyan sobre accidentes geográficos más elevados o sobre cuerpos de agua como crestas, colinas, ríos y mares. Las oleadas también pueden contener vapor, agua y roca a menos de 250 °C (480 °F) ; estas se denominan "frías" en comparación con otros flujos, aunque la temperatura sigue siendo letalmente alta. Las oleadas piroclásticas frías pueden ocurrir cuando la erupción proviene de una chimenea bajo un lago poco profundo o el mar. Los frentes de algunas corrientes de densidad piroclástica están totalmente diluidos; por ejemplo, durante la erupción del Monte Pelée en 1902, una corriente totalmente diluida arrasó la ciudad de Saint-Pierre y causó la muerte de casi 30 000 personas. ^{[ 13 ]}  

Las erupciones a lo largo de la historia revelan varios mecanismos específicos que pueden producir flujos piroclásticos:

• Colapso en forma de fuente de una columna eruptiva de una erupción pliniana (por ejemplo, la destrucción de Herculano y Pompeya por el Vesubio en el año 79 d. C.). En una erupción de este tipo, el material expulsado con fuerza desde la chimenea calienta el aire circundante y la mezcla turbulenta asciende por convección durante muchos kilómetros. Si el chorro eruptivo no logra calentar el aire circundante lo suficiente, las corrientes de convección no serán lo suficientemente fuertes como para transportar la columna hacia arriba y esta cae, fluyendo por los flancos del volcán. ^{[ 3 ]}
• Colapso en forma de fuente de una columna eruptiva asociada a una erupción vulcaniana (por ejemplo, el volcán Soufrière Hills de Montserrat ha generado muchos de estos flujos y oleadas piroclásticas mortales). El gas y los proyectiles crean una nube más densa que el aire circundante y se convierten en un flujo piroclástico. ^{[ 3 ]}
• La formación de espuma en la boca del cráter durante la desgasificación de la lava erupcionada puede dar lugar a la producción de una roca llamada ignimbrita . Esto ocurrió durante la erupción del volcán Novarupta en 1912. ^{[ 3 ]}
• Colapso gravitacional de un domo o columna de lava, con avalanchas y flujos subsiguientes por una pendiente pronunciada (por ejemplo, el volcán Soufrière Hills de Montserrat, que causó diecinueve muertes en 1997). ^{[ 3 ]}
• La explosión direccional (o chorro) que se produce cuando parte de un volcán colapsa o explota (por ejemplo, la erupción del Monte Santa Helena el 18 de mayo de 1980 ). A medida que aumenta la distancia al volcán, esta se transforma rápidamente en una corriente impulsada por la gravedad. ^{[ 3 ]}

Los volúmenes de flujo varían desde unos pocos cientos de metros cúbicos hasta más de 1000 kilómetros cúbicos (240 mi³ ) . Los flujos más grandes pueden recorrer cientos de kilómetros, aunque no se ha producido ninguno de esa magnitud en varios cientos de miles de años. La mayoría de los flujos piroclásticos tienen un volumen de entre uno y diez kilómetros cúbicos (1/4 - 2 + 1/2 mi³ ) y recorren varios kilómetros. Los flujos pueden depositar fragmentos de roca suelta desde menos de 1 metro hasta 200 metros de profundidad. ^{[ 14 ]} Los flujos piroclásticos viajan a velocidades promedio de 100 km/h (30 m/s, 60 mph), aunque pueden alcanzar hasta 700 km/h (190 m/s, 430 mph). ^{[ 15 ]} Las temperaturas del material dentro de una corriente de densidad piroclástica varían de 200 °C a 700 °C (390-1300 °F). ^{[ 15 ]}     

Los testimonios de la erupción del Krakatoa en 1883 , respaldados por evidencia experimental, ^{[ 19 ]} muestran que las corrientes de densidad piroclástica pueden cruzar masas de agua significativas. Un flujo alcanzó la costa de Sumatra a una distancia de hasta 48 kilómetros (26 millas náuticas) . ^{[ 20 ]}

Generalmente, las corrientes piroclásticas pueden interactuar con el agua de muchas maneras, y sus propiedades determinan qué implican exactamente estas interacciones. Debido a su heterogénea variedad de constituyentes químicos, la densidad varía mucho dentro de las corrientes piroclásticas. Los componentes menos densos que el agua pueden mantenerse a flote, mientras que los componentes más densos que el agua se hunden, aislando la corriente piroclástica en sus componentes menos densos. Además, puede haber corrientes cuya densidad supere la del agua y aun así se mantengan a flote. Este fenómeno ocurre en virtud de una densidad aparente menor que la del agua causada por la dispersión de gas caliente y ceniza sólida dentro de una corriente piroclástica. ^{[ 4 ] [ 21 ] [ 22 ]} La diferencia de temperatura entre un cuerpo de agua y una corriente piroclástica genera vapor del cuerpo de agua, impulsando el movimiento de la corriente. ^{[ 4 ] [ 21 ] [ 22 ]} Mientras tanto, a medida que los componentes más densos de las corrientes piroclásticas se hunden en el agua, los sedimentos disminuyen la claridad del agua, aumentando así su turbidez . Estos sedimentos forman corrientes de turbidez , que fluyen ladera abajo del cuerpo de agua bajo la influencia de la gravedad y las diferencias de densidad. ^{[ 4 ]} Las corrientes piroclásticas más cálidas están asociadas con un mayor movimiento de hundimiento. ^{[ 4 ]}

Si hay un flujo suficiente de volumen y masa hacia un cuerpo de agua, la línea costera puede desplazarse de tal manera que el agua retroceda y se forme tierra nueva. ^{[ 4 ]} Por ejemplo, durante algunas fases del volcán Soufrière Hills en Montserrat, se filmaron flujos piroclásticos a aproximadamente 1 km (1/2 nmi ) de la costa . Estos muestran el agua hirviendo a medida que el flujo pasa sobre ella. Los flujos finalmente formaron un delta, que cubrió aproximadamente 1 km² ( ²⁵⁰ acres) . Otro ejemplo se observó en 2019 en Stromboli cuando un flujo piroclástico viajó varios cientos de metros sobre el mar. ^{[ 23 ]}   

El ángulo de entrada de una corriente piroclástica a un cuerpo de agua también influye en la trayectoria de sus componentes. Si el ángulo de entrada es más paralelo a la superficie del agua, la corriente puede fluir más fácilmente por ella. Por el contrario, si el ángulo de entrada es más perpendicular a la superficie, la corriente penetrará más profundamente en el agua, formando capas de mezcla antes de volver a la superficie y fluir a través de ella. ^{[ 4 ]} Además, un flujo piroclástico puede interactuar con un cuerpo de agua para formar una gran cantidad de lodo, que luego puede seguir fluyendo cuesta abajo como un lahar . Este es uno de los varios mecanismos que pueden crear un lahar. ^{[ 3 ]}

En 1963, la astrónoma de la NASA Winifred Cameron propuso que el equivalente lunar de los flujos piroclásticos terrestres podría haber formado surcos sinuosos en la Luna . En una erupción volcánica lunar, una nube piroclástica seguiría el relieve local, dando como resultado un rastro a menudo sinuoso. El valle de Schröter en la Luna ofrece un ejemplo. ^{[ 24 ] [ 5 ]} Algunos volcanes en Marte , como Tyrrhenus Mons y Hadriacus Mons , han producido depósitos estratificados que parecen erosionarse más fácilmente que los flujos de lava, lo que sugiere que fueron depositados por flujos piroclásticos. ^{[ 25 ]}

• Caída piroclástica
• roca piroclástica
• Toba soldada

• Sigurdson, Haraldur: Enciclopedia de volcanes. Academic Press, 546–548. ISBN 0-12-643140-X.

• Vídeo de flujos piroclásticos