Vulcanismo

La fusión por descompresión ocurre cuando el material sólido de las profundidades del cuerpo asciende. La presión disminuye a medida que el material asciende, y también lo hace el punto de fusión. Por lo tanto, una roca que es sólida a una presión y temperatura dadas puede volverse líquida si la presión, y por ende el punto de fusión, disminuyen incluso si la temperatura permanece constante. ^{[ 9 ] [ 3 ]} Sin embargo, en el caso del agua, el aumento de la presión disminuye el punto de fusión hasta alcanzar una presión de 0,208 GPa , después de lo cual el punto de fusión aumenta con la presión. ^{[ 3 ]}

La fusión por fundente ocurre cuando el punto de fusión disminuye por la adición de volátiles, por ejemplo, agua o dióxido de carbono. ^{[ 3 ] [ 10 ]} Al igual que la fusión por descompresión, no es causada por un aumento de la temperatura, sino por una disminución del punto de fusión. ^{[ 11 ]}

El criovolcanismo , en lugar de originarse en un océano subsuperficial uniforme, puede tener lugar a partir de depósitos líquidos discretos. La primera forma en que estos pueden formarse es mediante una columna de hielo caliente que asciende y luego desciende, formando una corriente de convección. Un modelo desarrollado para investigar los efectos de esto en Europa descubrió que la energía del calentamiento mareal se concentraba en estas columnas, permitiendo que se produjera la fusión en estas profundidades someras a medida que la columna se extendía lateralmente (horizontalmente). El siguiente mecanismo es un cambio de la propagación vertical a la horizontal de una grieta llena de fluido. Otro mecanismo es el calentamiento del hielo por la liberación de tensión a través del movimiento lateral de fracturas en la capa de hielo que la penetran desde la superficie, e incluso el calentamiento por grandes impactos puede crear dichos depósitos. ^{[ 6 ]}

Cuando el material de un cuerpo planetario comienza a fundirse, la fusión ocurre primero en pequeñas bolsas en ciertas ubicaciones de alta energía, por ejemplo, en las intersecciones de los límites de grano y donde diferentes cristales reaccionan para formar un líquido eutéctico , que inicialmente permanece aislado entre sí, atrapado dentro de la roca. Si el ángulo de contacto del material fundido permite que el fundido moje las caras de los cristales y corra a lo largo de los límites de grano , el material fundido se acumulará en mayores cantidades. Por otro lado, si el ángulo de contacto es mayor a unos 60 grados, debe formarse mucho más fundido antes de que pueda separarse de su roca madre. Los estudios de rocas en la Tierra sugieren que el fundido en rocas calientes se acumula rápidamente en bolsas y vetas mucho más grandes que el tamaño del grano , en contraste con el modelo de percolación de fundido rígido . El fundido, en lugar de fluir uniformemente desde la roca fuente, fluye a través de riachuelos que se unen para crear vetas más grandes. Bajo la influencia de la flotabilidad , el fundido asciende. ^{[ 3 ]} Los diapiros también pueden formarse en cuerpos no silicatos, desempeñando un papel similar en el movimiento de material caliente hacia la superficie. ^{[ 6 ]}

Un dique es una grieta vertical llena de fluido; desde un punto de vista mecánico, es una fisura llena de agua invertida. A medida que el magma asciende por la grieta vertical, su baja densidad en comparación con la roca circundante hace que la presión disminuya menos rápidamente que en la roca más densa. Si la presión promedio del magma y la roca circundante son iguales, la presión en el dique supera la de la roca que lo contiene en la parte superior, y la presión de la roca es mayor que la del dique en su base. Por lo tanto, el magma empuja la grieta hacia arriba en su parte superior, pero esta se comprime en su base debido a una reacción elástica (similar al abultamiento que se forma al sentarse en un sofá elástico). Finalmente, la cola se estrecha tanto que casi se cierra, y ya no asciende más magma por la grieta. Esta continúa ascendiendo como una bolsa de magma independiente. ^{[ 3 ]}

Este modelo de erupción volcánica postula que el magma asciende a través de un canal rígido y abierto en la litosfera y se asienta al nivel de equilibrio hidrostático . A pesar de que explica bien las observaciones (que los modelos más recientes no pueden), como la aparente concordancia de la elevación de volcanes cercanos entre sí, no puede ser correcto y actualmente está desacreditado, porque el espesor de la litosfera derivado de él es demasiado grande para que se sostenga la suposición de un canal rígido y abierto. ^{[ 3 ]}

A diferencia del vulcanismo de silicatos, donde el magma puede ascender por su propia flotabilidad hasta alcanzar la corteza superficial, en el criovolcanismo, el agua (los criomagmas suelen ser a base de agua) es más densa que el hielo que la cubre. Una forma de permitir que el criomagma llegue a la superficie es aumentar la flotabilidad del agua, disminuyendo su densidad, ya sea mediante la presencia de otros compuestos que reviertan la flotabilidad negativa, o con la adición de burbujas de gas exsueltas en el criomagma que previamente estaban disueltas en él (lo que reduce la densidad del criomagma), o con la presencia de un agente densificante en la capa de hielo. Otra forma es presurizar el fluido para superar la flotabilidad negativa y hacer que llegue a la superficie. Cuando la capa de hielo sobre un océano subsuperficial se engrosa, puede presurizar todo el océano (en el criovolcanismo, el agua congelada o la salmuera son menos densas que en estado líquido). Cuando un depósito de líquido se congela parcialmente, el líquido restante se presuriza de la misma manera. ^{[ 6 ]}

Para que una grieta en la capa de hielo se propague hacia arriba, el fluido que contiene debe tener flotabilidad positiva o las tensiones externas deben ser lo suficientemente fuertes como para romper el hielo. Las tensiones externas podrían incluir las producidas por las mareas o por la sobrepresión debida a la congelación, como se explicó anteriormente. ^{[ 12 ]}

Existe otro posible mecanismo para el ascenso de los fundidos criovolcánicos. Si una fractura con agua en su interior alcanza un océano o un depósito de fluidos subterráneo, el agua ascendería hasta su nivel de equilibrio hidrostático, aproximadamente a nueve décimas partes de la distancia a la superficie. Las mareas, que inducen compresión y tensión en la capa de hielo, pueden impulsar el agua aún más hacia arriba. ^{[ 6 ]}

Un artículo de 1988 planteó la posibilidad de que se produjeran fracturas que se propagaran hacia arriba desde el océano subsuperficial de Europa, la luna de Júpiter . Sugería que una fractura que se propagara hacia arriba tendría una zona de baja presión en su extremo, lo que permitiría que los volátiles disueltos en el agua se exsolvieran en gas. La naturaleza elástica de la capa de hielo probablemente impediría que la fractura alcanzara la superficie, y en su lugar, la grieta se cerraría, encerrando el gas y el líquido. El gas aumentaría la flotabilidad y podría permitir que la grieta llegara a la superficie. ^{[ 6 ]}

Incluso los impactos pueden crear condiciones que favorecen el ascenso del magma. Un impacto puede eliminar los primeros kilómetros de la corteza terrestre, y las diferencias de presión causadas por la diferencia de altura entre la cuenca y el terreno circundante podrían permitir la erupción de magma que, de otro modo, habría permanecido bajo la superficie. Un artículo de 2011 demostró que habría zonas de ascenso de magma intensificado en los márgenes de una cuenca de impacto. ^{[ 6 ]}

No todos estos mecanismos, y tal vez incluso ninguno, operan en un cuerpo determinado . ^{[ 6 ]}

Se ha observado consistentemente que las erupciones volcánicas en la Tierra progresan desde la erupción de material rico en gas hasta la de material pobre en gas, aunque una erupción puede alternar entre la erupción de material rico en gas y material pobre en gas, y viceversa, varias veces. Esto se puede explicar por el enriquecimiento del magma en la parte superior de un dique con el gas que se libera cuando el dique emerge a la superficie, seguido por el magma de las capas inferiores que no se enriqueció con gas. ^{[ 3 ]}

La razón por la que el gas disuelto en el magma se separa de él cuando el magma se acerca a la superficie se debe a los efectos de la temperatura y la presión sobre la solubilidad del gas . La presión aumenta la solubilidad del gas, y si un líquido con gas disuelto se despresuriza, el gas tenderá a exsolverse (o separarse) del líquido. Un ejemplo de esto es lo que sucede cuando se abre rápidamente una botella de refresco: al abrirse el sello, la presión disminuye y aparecen burbujas de dióxido de carbono en todo el líquido. ^{[ 3 ]}

Los magmas fluidos entran en erupción silenciosamente. Cualquier gas que se haya liberado del magma escapa fácilmente incluso antes de llegar a la superficie. Sin embargo, en los magmas viscosos , los gases permanecen atrapados en el magma incluso después de haberse liberado, formando burbujas en su interior. Estas burbujas se agrandan a medida que el magma se acerca a la superficie debido a la disminución de la presión, y el magma crece sustancialmente. Este hecho confiere a los volcanes que erupcionan este tipo de material una tendencia a "explotar", aunque en lugar del aumento de presión asociado a una explosión, en una erupción volcánica la presión siempre disminuye. ^{[ 3 ]}

Generalmente, el criovolcanismo explosivo es impulsado por la exsolución de volátiles que previamente estaban disueltos en el criomagma, de forma similar a lo que ocurre en el vulcanismo explosivo de silicatos que se observa en la Tierra, que es lo que se aborda principalmente a continuación. ^{[ 12 ]}

Los magmas ricos en sílice se enfrían bajo la superficie antes de entrar en erupción. Durante este proceso, se liberan burbujas del magma. A medida que el magma se acerca a la superficie, las burbujas y, por consiguiente, el volumen del magma, aumentan. La presión resultante finalmente rompe la superficie, y la liberación de presión provoca la liberación explosiva de más gas. El gas puede expandirse a cientos de metros por segundo, extendiéndose hacia arriba y hacia afuera. A medida que avanza la erupción, una reacción en cadena provoca que el magma sea expulsado a velocidades cada vez mayores. ^{[ 3 ]}

Una erupción freática puede ocurrir cuando el agua caliente a presión se despresuriza. La despresurización reduce el punto de ebullición del agua, por lo que al despresurizarse, el agua hierve repentinamente. ^{[ 21 ]} También puede ocurrir cuando el agua subterránea se calienta repentinamente, convirtiéndose en vapor de forma repentina. ^{[ 22 ]} Cuando el agua se convierte en vapor en una erupción freática, se expande a velocidades supersónicas, hasta 1700 veces su volumen original. Esto puede ser suficiente para fracturar roca sólida y lanzar fragmentos de roca a cientos de metros. ^{[ 23 ]}

Una erupción freatomagmática ocurre cuando el magma caliente entra en contacto con el agua, creando una explosión. ^{[ 24 ]}

Un mecanismo para el criovolcanismo explosivo es el contacto del criomagma con hidratos de clatrato . Los hidratos de clatrato, si se exponen a temperaturas cálidas, se descomponen fácilmente. Un artículo de 1982 señaló la posibilidad de que la producción de gas a presión tras la desestabilización de los hidratos de clatrato al entrar en contacto con magma caliente ascendente pudiera producir una explosión que rompiera la superficie, dando lugar a criovolcanismo explosivo. ^{[ 6 ]}

Si una fractura alcanza la superficie de un cuerpo helado y la columna de agua ascendente queda expuesta al casi vacío de la superficie de la mayoría de los cuerpos helados, comenzará a hervir inmediatamente, ya que su presión de vapor es mucho mayor que la presión ambiente. Además, cualquier sustancia volátil presente en el agua se disolverá. La combinación de estos procesos liberará gotas y vapor, que pueden ascender por la fractura, creando una columna de agua. Se cree que esto es parcialmente responsable de las columnas de hielo de Encélado . ^{[ 6 ]}

La luna Io de Júpiter es el objeto volcánicamente más activo del Sistema Solar debido a la interacción de marea con Júpiter. Está cubierta de volcanes que expulsan azufre , dióxido de azufre y roca de silicato , y como resultado, su superficie se renueva constantemente. Solo hay dos cuerpos en el Sistema Solar donde los volcanes son fácilmente visibles debido a su alta actividad: la Tierra e Io. ^{[ 35 ]} Sus lavas son las más calientes conocidas en todo el Sistema Solar, con temperaturas que superan los 1800 K (1500  °C). En febrero de 2001, las mayores erupciones volcánicas registradas en el Sistema Solar ocurrieron en Io. ^{[ 36 ]}

Europa , la más pequeña de las lunas galileanas de Júpiter , también parece tener un sistema volcánico activo, con la salvedad de que su actividad volcánica se manifiesta exclusivamente en forma de agua, que se congela en hielo sobre su superficie gélida. Este proceso se conoce como criovulcanismo y, al parecer, es más común en las lunas de los planetas exteriores del Sistema Solar . ^{[ 37 ]}