چرخه‌های فشار و گاز در فوران‌های فواره‌ای کیلاوئا

فوران‌هایی که مانند یک ساعت تکرار می‌شوند آتشفشان کیلاوئا (Kīlauea) در جزیره هاوایی یکی از فعال‌ترین آتشفشان‌های جهان است، اما رفتاری که از اواخر سال ۲۰۲۴ نشان داده، از بسیاری از فوران‌های معمول آن متفاوت است. فوران جاری از ۲۳ دسامبر ۲۰۲۴ در دهانه هالماوماو (Halemaʻumaʻu) آغاز شد و به جای آنکه یک جریان پیوسته از گدازه ایجاد کند، بارها به صورت **فواره‌های گدازه‌ای دوره‌ای** ظاهر شده است. تا سپتامبر ۲۰۲۶، ۵۴ رویداد فواره‌ای ثبت شده بود؛ برخی از فواره‌ها تا حدود ۴۵۷ متر ارتفاع گرفتند. فواره گدازه‌ای زمانی شکل می‌گیرد که ماگما، یعنی مخلوطی از سنگ مذاب و مواد فرّار در اعماق زمین، با سرعت به سطح می‌رسد و گازهای حل‌شده در آن آزاد می‌شوند. کاهش فشار در هنگام صعود باعث می‌شود گاز از حالت محلول خارج شده و به صورت حباب درآید. این حباب‌ها می‌توانند انرژی لازم برای پرتاب قطرات و قطعات گدازه به ارتفاع زیاد را فراهم کنند؛ فرآیندی که از نظر فیزیکی شباهتی به باز شدن ناگهانی یک بطری نوشیدنی گازدار تحت فشار دارد. آنچه کیلاوئا را برای دانشمندان جالب کرده، فقط ارتفاع فواره‌ها نیست، بلکه **تکرار منظم چرخه فوران و سکون** است. چنین فوران‌های دوره‌ای در کیلاوئا از سال ۱۸۲۳ تنها سه بار رخ داده و به همین دلیل، سازوکار ایجاد آنها برای مدت طولانی به‌خوبی شناخته نشده بود. ## دو توضیح اصلی برای فواره‌های دوره‌ای پژوهشگران پیش از مطالعه فوران کنونی دو توضیح مهم را بررسی می‌کردند. نخستین فرضیه بر نقش **آب حل‌شده در ماگما** تأکید داشت. با بالا آمدن ماگما، فشار کاهش می‌یابد و آب محلول می‌تواند ناگهان به گاز تبدیل شود. افزایش سریع حجم گاز ممکن است ماگما را با شدت به بیرون براند. فرضیه دوم، وجود نوعی **کف غنی از دی‌اکسیدکربن** در بالای ماگمای محبوس را مطرح می‌کرد. می‌توان این وضعیت را با نوشابه‌ای گازدار مقایسه کرد که به شدت تکان خورده باشد: درون بطری، گاز و مایع تحت فشار قرار دارند و با تغییر شرایط، کف می‌تواند ناگهان منبسط شود. اگر چنین کف پایداری در مجرای آتشفشان شکل گرفته باشد، فروپاشی یا انبساط آن می‌توانست آغازگر فواره باشد. فوران‌های مکرر کیلاوئا فرصتی کم‌نظیر برای آزمایش این دو ایده فراهم کردند، زیرا این آتشفشان سال‌ها با مجموعه بزرگی از ابزارهای ژئوفیزیکی و ژئوشیمیایی پایش شده است. ## زمین پیش از فوران چه می‌گوید؟ یکی از مهم‌ترین یافته‌ها از اندازه‌گیری **تغییر شکل سطح زمین** به دست آمده است. پیش از آغاز فواره، کف کالدرا (Caldera) به تدریج متورم و کج می‌شود. این تغییر شکل نشان می‌دهد که ماگما در زیر قله جمع شده و فشار در سامانه افزایش یافته است. پس از شروع فوران، روند معکوس رخ می‌دهد: با خروج ماگما و گاز، فشار کاهش پیدا می‌کند و سطح زمین به سمت فرونشست یا کاهش تورم حرکت می‌کند. در داده‌های شیب‌سنج‌ها، این چرخه به شکل الگویی شبیه دندانه‌های اره دیده می‌شود؛ افزایش تدریجی فشار، سپس رهاسازی سریع آن. این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا نشان می‌دهد فوران‌ها صرفاً رویدادهایی تصادفی نیستند. دست‌کم در این مرحله از فوران کیلاوئا، سامانه زیرزمینی مانند مخزنی است که به تدریج تحت فشار قرار می‌گیرد، سپس بخشی از این فشار را از طریق مجرا آزاد می‌کند و دوباره وارد مرحله انباشت می‌شود. ## نقش حباب‌های گاز در یک «پیستون» آتشفشانی پژوهشگران همچنین پیش از برخی فواره‌ها توالی‌هایی از فعالیت لرزه‌ای چنددقیقه‌ای و امواج صوتی با بسامد پایین مشاهده کردند. این سیگنال‌ها با تجمع و آزادسازی گازهای محبوس در ماگما سازگارند. تصویری که از این داده‌ها به دست آمده، ماگمایی است که درون یک **مجرای باریک آتشفشانی** بالا و پایین می‌رود. گازهای موجود در آن مانند نیروی محرک عمل می‌کنند و حرکت ماگما می‌تواند تا حدی شبیه حرکت یک پیستون در سیلندر باشد. هنگامی که شرایط فشار و گاز به وضعیت مناسب برسد، ماگما با سرعت بیشتری به سمت سطح حرکت کرده و فواره شکل می‌گیرد. این تشبیه البته یک مدل ساده‌شده است؛ درون آتشفشان خبری از یک پیستون مکانیکی واقعی نیست. اما از نظر فیزیکی، برای درک نقش رفت‌وبرگشتی فشار، گاز و ماگما مفید است. ## چرا فرضیه دی‌اکسیدکربن ضعیف‌تر شده است؟ یکی از سرنخ‌های مهم، ترکیب گازهای خروجی است. آتشفشان مقداری **دی‌اکسید گوگرد** منتشر کرده، اما مقدار دی‌اکسیدکربن مشاهده‌شده نسبتاً کم بوده است. اگر یک کف بسیار غنی از دی‌اکسیدکربن عامل اصلی ایجاد فواره‌ها بود، انتظار می‌رفت نشانه‌های شیمیایی قوی‌تری از این گاز مشاهده شود. بنابراین، داده‌های فعلی احتمال آنکه یک کف غنی از دی‌اکسیدکربن به تنهایی عامل اصلی چرخه فواره‌ها باشد، کاهش می‌دهد. با این حال، دانشمندان تأکید می‌کنند که این نتیجه به معنای حل کامل معما نیست. رفتار آتشفشان حاصل برهم‌کنش پیچیده فشار، گازهای فرّار، هندسه مجرا، سرعت ورود ماگمای تازه و ویژگی‌های شیمیایی ماگماست. ## چرا این کشف برای علم آتشفشان مهم است؟ اهمیت اصلی این پژوهش در آن است که دانشمندان برای نخستین بار توانسته‌اند یک فوران فواره‌ای طولانی‌مدت را با **چندین نوع داده به صورت هم‌زمان** دنبال کنند: زمین‌لرزه‌ها، صداهای کم‌بسامد، تغییر شکل سطح زمین، ترکیب گازها و ویژگی‌های مواد آتشفشانی. این کار به دانشمندان اجازه می‌دهد ارتباط میان رویدادهای زیرزمینی و آنچه در سطح مشاهده می‌شود را دقیق‌تر بررسی کنند. اگر پیش از هر فواره، افزایش تورم و سپس تغییر مشخصی در سیگنال‌های لرزه‌ای و صوتی رخ دهد، این الگو می‌تواند به عنوان نشانه‌ای برای پیش‌بینی زمان تقریبی رویداد بعدی استفاده شود. پژوهش‌های انجام‌شده روی فوران کیلاوئا نشان داده‌اند که ارتباط منظم میان تورم قله و فواره‌ها حتی امکان ارائه پنجره‌های زمانی برای احتمال آغاز فوران بعدی را فراهم کرده است. چنین پیش‌بینی‌هایی هنوز قطعی نیستند، اما برای مدیریت خطرهای آتشفشانی اهمیت عملی دارند. ## کیلاوئا؛ آزمایشگاهی طبیعی برای زمین‌شناسی مطالعه کیلاوئا تنها درباره یک آتشفشان در هاوایی نیست. آتشفشان‌ها در سراسر زمین از سامانه‌های بسیار متفاوتی برای انتقال ماگما استفاده می‌کنند و هرکدام ترکیبی از فشار، دما، گاز و ساختار مجرای خاص خود را دارند. با این حال، کیلاوئا به دلیل پایش طولانی‌مدت و دسترسی نسبتاً مناسب پژوهشگران به داده‌های آن، یک **آزمایشگاه طبیعی** ارزشمند محسوب می‌شود. در آینده، مقایسه چرخه‌های فوران کیلاوئا با نمونه‌های تاریخی و آتشفشان‌های دیگر می‌تواند مشخص کند کدام بخش از این سازوکار عمومی است و کدام بخش به ویژگی‌های خاص کیلاوئا مربوط می‌شود. همچنین بررسی دقیق‌تر ترکیب ماگما، نفوذپذیری مجرا و نحوه آزاد شدن مواد فرّار می‌تواند به توضیح این مسئله کمک کند که چرا برخی فوران‌ها پیوسته‌اند، در حالی که برخی دیگر به صورت فوران‌های کوتاه و تکرارشونده رخ می‌دهند. در نتیجه، نمایش فواره‌های گدازه‌ای کیلاوئا فقط یک پدیده دیدنی نیست. این رویداد فرصتی کم‌نظیر فراهم کرده است تا دانشمندان رابطه میان فشار زیرزمینی، حرکت ماگما و آزاد شدن گاز را در زمان واقعی مطالعه کنند؛ رابطه‌ای که در نهایت برای فهم بهتر رفتار آتشفشان‌ها و ارزیابی خطرهای آینده آنها اهمیت دارد.