Medición de la explosividad de una erupción volcánica Teach article

Traducido por Lorena Ortiz Sancayetano. El uso de comprimidos efervescentes contra el ardor de estómago, imita la acción de los volcanes para medir la intensidad de las explosiones y crear su propia escala de medición.

Imagen del USGS (Servicio
Geológico de los Estados
Unidos) de dominio público

El Monte Santa Helena, Pinatubo, Vesubio, Pelée, Krakatoa. Estos volcanes se han convertido en famosos, o infames, debido a las importantes erupciones que causaron estragos en la tierra, los ecosistemas y la atmósfera planetaria. Por lo tanto, parece lógico pensar que medir y comparar la intensidad y la capacidad destructiva de las erupciones volcánicas sea una tarea para los geólogos. Empleando maquetas sencillas de volcanes que usan comprimidos efervescentes contra el ardor de estómago, los estudiantes pueden medir la intensidad de sus explosiones y crear su propia escala en experimentos que duran 80-90 minutos.

Existen escalas de clasificación muy conocidas que sirven para describir y clasificar fenómenos naturales, como la escala de Richter para terremotos, la escala Fujita mejorada para tornados y la escala de Saffir-Simpson para huracanes. Por lo tanto, los estudiantes no se sorprenderán al escuchar que existe una escala para medir las erupciones volcánicas; simplemente no es tan conocida como las descritas anteriormente.

Los vulcanólogos han desarrollado una escala logarítmica llamada índice de explosividad volcánica (IEV) para medir la intensidad de una erupción. Los episodios eruptivos se clasifican de 0 a 8. Sin embargo, como la escala es logarítmica, una erupción de nivel 2 en el IEV es diez veces más explosiva que una erupción de nivel 1, mientras que un IEV de 3 es 100 veces más explosivo que un IEV de 1. Las escalas logarítmicas son muy comunes en la ciencia, y ejemplos representativos con los que los estudiantes deberían familiarizarse son la escala de Richter, la escala de pH y el diagrama de Hertzsprung-Russell. El aspecto logarítmico de la explosividad se basa en el volumen de tefra que es expulsado durante una erupción (tefra es el material, como la lava, ceniza y roca, que es expulsado del volcán). Los vulcanólogos también observan la altura de la columna de humo o la altura de la nube de ceniza formada en la atmósfera durante una erupción. También tienen en cuenta a qué distancia vuelan el gas y la tefra.

Un grupo de estudiantes se prepara para crear una erupción: el trabajo en equipo y la programación son esenciales.
Imagen cortesía de Christopher Roemmele

Comparar el desastre del Monte Santa Helena (IEV 5) en 1980 con una erupción IEV 8 es como comparar un petardo con un maletín lleno de explosivo C-4. Aunque el Monte Santa Helena causó un nivel importante de daño al área circundante, la explosión producida por una erupción IEV 8 sería 1 000 veces mayor, causando destrucción que se extendería a cientos o incluso miles de kilómetros. Por otro lado, la actividad volcánica del Kilauea en Hawái no es explosiva, y produce una gran cantidad de lava y tefra sin el estruendo de una explosión. Por lo tanto, si el Monte Santa Helena es un petardo, entonces el Kilauea parece una tableta de chocolate derritiéndose que se sale de su envoltorio.

¿Por qué las erupciones volcánicas se comportan de manera diferente? Aunque cada una se comporta de manera única como resultado de muchas variables, es posible hacer algunas generalizaciones sobre la explosividad basada en la naturaleza del magma –la roca fundida y otros materiales debajo de la superficie del volcán. Los magmas que son ricos en sílice son a menudo muy viscosos, con grandes cantidades de gas atrapado, y tienden a entrar en erupción violentamente porque los gases no pueden escapar fácilmente. Cuanto más viscoso es el magma, mayor es la energía necesaria para expulsar los gases que hay en su interior. Estos gases atrapados aumentan la presión hasta que consiguen suficiente fuerza para salir de su confinamiento y son liberados en una única explosión. Una explosión débil tiene lugar cuando el magma tiene una viscosidad baja. Los gases escapan fácilmente del magma y la lava fluida borbotea de forma regular y no mediante explosiones. Como analogía para los estudiantes, trata de soplar a través de una pajita en un vaso de leche. Observa cómo se forman burbujas fácilmente, suben a la parte superior y explotan: esto es el equivalente a la lava basáltica con bajo contenido de sílice, de baja viscosidad. A continuación, repite el ejercicio con un batido. ¡Pero ponte una toalla! Es mucho más difícil hacer una burbuja, pero cuando lo consigues, el batido explota es expulsado y causa una gran turbulencia.

Simulación de erupciones

Esta actividad permite a los estudiantes crear gas presurizado dentro de botellas de plástico cerradas. Antes de hacer esta actividad con los estudiantes, recoge varias botellas de plástico de 500 ml y quita las etiquetas. Los comprimidos para tratar la indigestión o el ardor de estómago como Alka-Seltzer® son la fuente de gas ya que estos comprimidos contienen ácido cítrico y bicarbonato de sodio, que reaccionan para formar dióxido de carbono una vez que se mezclan con agua. Cada grupo de estudiantes debería empezar con seis comprimidos, pero asegúrate de tener una gran cantidad a mano por si surgieran errores o erupciones fallidas. Los grupos medirán la cantidad de material que produce cada «volcán» recogiendo la «lava» en un recipiente plano y midiendo el volumen acumulado.

Un aumento de la cantidad de Alka-Seltzer modifica la presión dentro de las maquetas de los volcanes y, por lo tanto, la dimensión y el tipo de erupción. Una variación en la temperatura del agua también influirá en la erupción. Los estudiantes pueden establecer el efecto que produce en la erupción y crear su propia clasificación IEV.

Materiales

  • Botella de plástico de 500 ml
  • Agua
  • 6 comprimidos efervescentes contra el ardor de estómago
  • Detergente líquido
  • Regla
  • Una bandeja plana grande
  • Cilindro graduado
  • Gafas de seguridad
  • Papel film
  • Palillos de dientes
  • Un cronómetro o temporizador
  • Batas de laboratorio
  • Papel de cocina (opcional)
Mientras esperan para hacer un agujero en la cubierta de plástico, los estudiantes se preparan para medir los aspectos de la erupción.
Imagen cortesía de Christopher Roemmele
¡Las erupciones más elevadas del IEV pueden sobrepasar la bandeja!
Imagen cortesía de Christopher Roemmele

 

Medir el ‘tefra’ forma parte de la obtención del IEV.
Imagen cortesía de Christopher Roemmele

 

Procedimiento

  1. Desarrolla y escribe una hipótesis, teniendo en cuenta lo que sucederá cuando el comprimido se añada al líquido y lo que sucederá a medida que el número de comprimidos aumente y la temperatura del agua cambie.
  2. Llena la botella de plástico con agua hasta la parte baja de la rosca del tapón.
  3. Añade aproximadamente media cucharadita de detergente líquido al agua.
  4. Coloca la botella en el medio de la bandeja.
  5. Rompe los comprimidos en trozos (asegúrate de tener las manos secas) para introducirlos por el cuello de la botella. Recomendamos colocar los comprimidos en una toalla y meterlos en la botella cuando el experimento esté listo para empezar.
  6. Un estudiante debe introducir el comprimido en la botella mientras otro cubre la abertura con papel film y un tercero asegura el plástico firmemente con una goma elástica (con varias vueltas) en la parte superior de la botella para evitar que entre aire. El trabajo en equipo y la coordinación son clave para esta secuencia, por lo que se debe practicar a través de ejercicios de simulación varias veces hasta que los estudiantes puedan realizarlo en unos 8 segundos.
  7. La reacción debe verse de forma clara inmediatamente. Antes de que pase un minuto, una persona debe hacer un agujero en el plástico para que la erupción tenga lugar (utiliza el sentido común para decidir cuándo hacer el agujero, ya que la intensidad de la erupción puede hacer que el plástico y la goma elástica se suelten).
  8. El resto de estudiantes deben estar preparados para anotar la altura aproximada de la columna de humo de la erupción y la distancia lateral que alcanza usando las reglas.
  9. Mide la duración de la erupción con un cronómetro.
  10. Cuando consideres que la erupción ha finalizado, vierte en un cilindro graduado la tefra recogida en la bandeja. Si parte de la tefra ha salido fuera de la bandeja a causa de la explosión, o si ha llegado al techo, estima la cantidad que falta (lo cual no es difícil ya que es probable que se vea como agua con espuma).
  11. Anota las observaciones y las características de la erupción en una tabla de datos.
  12. Repite los pasos 2-11 pero usando dos y luego tres comprimidos.
  13. Si el tiempo lo permite, repite el experimento usando agua a una temperatura diferente o un  líquido totalmente diferente (por ejemplo, aceite vegetal).
Tipos de erupciones una al lado de otra, la más explosiva a la izquierda, en comparación con la más rebosante a la derecha.
Imagen cortesía de Steven Smith

Basándose en una combinación de sus datos y observaciones, los estudiantes pueden valorar las erupciones y crear una escala IEV propia. Deberían ser capaces de apoyar o rechazar sus hipótesis, describir los patrones subyacentes de cómo y por qué las cosas sucedieron de la manera en que lo hicieron y explicar su escala IEV. También se puede completar un informe de laboratorio más formal, de acuerdo con el formato del profesor, pero asegúrate de que los estudiantes vuelvan a exponer el propósito de la actividad, la relevancia y la aplicación del IEV y el estudio de los volcanes para la ciencia y la sociedad en general.

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Author(s)

Christopher Roemmele es un candidato doctoral en geociencias en el Departamento de Ciencias de la Tierra, de la Atmósfera y Planetarias de la Universidad Purdue, Estados Unidos. Christopher dio clases de ciencias de la Tierra durante 15 años en el instituto en el estado en el que vive, Nueva Jersey, y era profesor adjunto en métodos de la geología y de la ciencia en educación superior. Participa activamente en trabajos de divulgación en Purdue y puede contactarle en croemmel@purdue.edu

Steven Smith es el coordinador de divulgación de educación primaria y secundaria para el Departamento de Ciencias de la Tierra, de la Atmósfera y Planetarias de la Universidad de Purdue. Antiguo maestro de primaria, Steven tiene 16 años de servicio de divulgación en Purdue, asiste a conferencias académicas, visita regularmente conferencias de maestros, participa en asociaciones escolares, hace visitas regulares a maestros y aulas, contribuye con talleres de desarrollo profesional y con equipo científico para las aulas. Puede contactar con Steven en mrsmith@purdue.edu


Review

La mayoría de los profesores de ciencias probablemente están familiarizados con los «volcanes químicos», pero este artículo presenta un uso nuevo e interesante de esta actividad clásica. De hecho, los autores proponen usar un volcán químico para diseñar y construir una escala IEV personalizada, lo que ayudará a los estudiantes a comprender totalmente el significado de este instrumento científico y técnico.

El artículo está escrito con un estilo sencillo y agradable, y presenta información científica intercalada con metáforas vívidas relacionadas con la experiencia común. El enfoque metodológico está basado en la investigación y consiste en hacer hipótesis y probarlas modificando las condiciones experimentales, otro valor añadido que hace que esta actividad sea muy adecuada para promover el razonamiento científico.

Por último, es un bonito ejemplo de comunicación científica, basado en la sobre investigación y divertido al mismo tiempo: si veo una foto del Kilauea, no podré evitar pensar en una tableta de chocolate derritiéndose que se sale de su envoltorio».


Giulia Realdon, Italia




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