Comment les mathématiques ont résolu l’affaire des bombes volcaniques qui n’ont pas explosé

Il serait raisonnable d’entendre le terme « bombe volcanique » et de présupposer qu’un tel objet a tendance à exploser. Mais un type spécifique de bombe volcanique est rarement à la hauteur de la seconde moitié de son nom : ces objets sont projetés dans les airs, s’écrasent sur le sol et échouent de manière décevante à exploser.

Ces bombes volcaniques – des cloques de magma en partie fondues et plastiques, pas plus petites qu’une pêche – sont tirées d’un volcan submergé par une masse d’eau peu profonde, comme un lac ou la mer près du rivage. Dans le processus, les bombes acquièrent beaucoup d’eau. Cette eau piégée rencontre les entrailles brûlantes de la bombe et se transforme vigoureusement en vapeur.

L’accumulation soudaine de vapeur dans le projectile devrait faire exploser la bombe dans les airs. “Les roches ne peuvent pas survivre face à cette pression”, a déclaré Mark McGuinness, mathématicien à l’Université Victoria de Wellington en Nouvelle-Zélande. Et pourtant, tant de ces bombes deviennent des ratés, frappant le sol avec un bruit sourd anticlimatique.

Résoudre cette énigme ferait plus que gratter une démangeaison scientifique de longue date. Les bombes volcaniques, un élément fondamental de nombreuses éruptions explosives, sont également un danger mortel. Si plus d’entre eux faisaient exploser en plein vol, ce serait préférable à leur cloking quelqu’un sur la tête.

Souhaitant résoudre l’affaire, Ian Schipper, volcanologue à Victoria, s’est associé au Dr McGuinness et à Emma Greenbank, également mathématicienne à l’université. Ils ont construit un modèle mathématique qui simulait le lancement d’une bombe à partir d’un volcan virtuel et reproduisait les changements de pression et de température à l’intérieur de l’orbe.

En rapportant leurs résultats ce mercredi dans The Proceedings of the Royal Society A, l’équipe conclut que l’eau fabrique et désamorce ces bombes volcaniques pâteuses.

Les bombes volcaniques sont une caractéristique commune d’un ensemble d’éruptions explosives. Cela inclut les éruptions de Surtseyan, du nom de Surtsey, un volcan au large de la côte islandaise qui s’est développé de manière explosive au-dessus des vagues dans les années 1960 jusqu’à ce qu’il forme une nouvelle île.

Au cours de ce type d’éruption, des amas de magma sont propulsés à travers un plan d’eau peu profond. Simultanément, des débris volcaniques ont lancé des éclaboussures vers le ciel dans la même eau. Cela forme une boue cendrée, suffisamment dense pour perforer et hydrater ces amas magmatiques globuleux destinés à devenir des bombes.

Le fait que ces bombes détrempées explosent rarement s’est longtemps avéré déconcertant. Mais les scientifiques ne peuvent pas vraiment étudier en détail ces projectiles rapides lorsqu’ils sont lancés à partir d’un volcan.

“Vous ne voulez pas essayer de les attraper”, a déclaré Rebecca Williams, volcanologue à l’Université de Hull en Angleterre qui n’a pas participé à l’étude.

Les volcanologues ont étudié des blocs volcaniques – des morceaux entièrement solides de matière volcanique balistique – en les tirant à partir d’un canon sur mesure. Mais ils n’ont pas encore tiré d’un pistolet sur des amas de magma en fusion, une activité qui ne passera probablement jamais un examen de sécurité.

Ce nouveau modèle mathématique, renforcé par des données tirées de bombes Surtseyan réelles qui ont atterri et refroidi, semble être venu à la rescousse.

Au fur et à mesure que le magma monte à travers un volcan et vers la surface, il se dépressurise et l’eau emprisonnée à l’intérieur s’échappe sous forme de vapeur, créant des bulles. Ce bloc de magma mousseux est ensuite lancé dans l’eau et devient une bombe. Le lac ou l’eau de mer qui s’infiltre alors dans la bombe s’évapore violemment. Mais les simulations mathématiques de l’équipe montrent que la nature déjà mousseuse de la bombe signifie qu’il existe une myriade de voies par lesquelles la vapeur peut s’écouler et s’échapper, arrêtant ainsi un pic de pression et, finalement, une explosion.

Quelques bombes, celles dépourvues d’un réseau mousseux de trous créés par la propre eau du magma, succomberont à la pression de la vapeur nouvellement générée et s’autodétruiront. Mais la plupart sont suffisamment mousseux, permettant à la vapeur de s’évacuer sans incident.

« Leur solution est vraiment élégante ; Je pense que cela fonctionne très bien », a déclaré le Dr Williams, se référant au modèle.

Pour le Dr McGuinness, la recherche a atteint un autre objectif : en tant qu’exemple dramatique de la façon dont les mathématiques peuvent résoudre des problèmes non abstraits, il espère qu’elle contribuera à changer la perception du public de ce domaine d’étude.

« Dire que vous travaillez sur des bombes explosives et des bombes volcaniques est beaucoup plus inspirant pour les gens », a-t-il déclaré.