Jesień już w pełni, więc dziś temat na rozgrzewkę. Zacznijmy od tego, że materiał skalny stopiony w głębinach Ziemi od panującego tam gorąca to magma – lawą staje się dopiero po wypluciu przez wulkan na powierzchnię. Źródło tego wewnętrznego upału naszej planety to zagadnienie interesujące samo w sobie i być może kiedyś jeszcze przyjrzę mu się okiem chemika. Teraz jednak będziemy trzymać się powierzchni.
Z geografii wiemy, że istnieją dwa rodzaje wulkanów: jedne przez sporą część swego życia siedzą cicho jak mysz pod miotłą, ale gdy już wybuchną, to z przytupem. Towarzyszą temu katastrofalne skutki – wysoko w powietrze wystrzelona zostaje duża ilość tzw. materiału piroklastycznego, to znaczy rozpalonych pyłów i kamieni. Wulkan emituje też sporo samej lawy, a wszystko to może błyskawicznie pokryć dużą powierzchnię, np. całe miasta, tak jak było w przypadku Pompejów i Herkulanum. Często towarzyszy temu zniszczenie sporej części samego stożka wulkanicznego, tak jak w przypadku słynnego Santorynu (pierwotnie była to duża kolista wyspa, a obecnie, po kilku wielkich erupcjach, pozostał jedynie poprzerywany pierścień złożony z dużo mniejszych wysp i wysepek). Innym tego typu wulkanem jest sycylijska Etna.
Drugi rodzaj wulkanów zachowuje się spokojniej, choć nie znaczy to, że w ich pobliżu można czuć się całkiem bezpiecznie. Wulkany takie jak na Hawajach mogą emitować mnóstwo lawy przez długie okresy, przy czym lawa ta jest o wiele rzadsza (jej minimalną lepkość porównywano do konsystencji keczupu) i może przemieszczać się z dużą prędkością. Maksymalna zmierzona prędkość spływu lawy po nachylonym zboczu wynosi około 100 km/h, ale i po płaskim terenie lawa może płynąć z prędkością 40 km/h. Mielibyśmy więc problem z ucieczką na piechotę – nawet Usain Bolt, ustanawiając rekord świata na 100 m, biegł z prędkością ok. 37,5 km/h, i to tylko przez mniej więcej 9,5 sekundy.
Różnice w zachowaniu wulkanów wynikają właśnie ze składu lawy, który wpływa przede wszystkim na jej gęstość. Większość rodzajów lawy stanowią lawy krzemianowe. Inne występują na Ziemi bardzo rzadko, np. wulkan Lastarria w Chile wypluwa stopioną siarkę (czyli jest to lawa wyjątkowo chłodna, bo mająca tylko nieco ponad 113°C), a wulkan Ol Doinyo Lengai w Tanzanii – lawę karbonatytową, czyli składającą się z mieszaniny węglanów (wapnia, magnezu, sodu i potasu). Uważa się też, że złoża rud żelaza w Kirunie (Szwecja) zostały uformowane przez lawę zawierającą przede wszystkim tlenki żelaza, wyrzucaną przez wulkany w proterozoiku (co najmniej 600 milionów lat temu).
Właściwości law krzemianowych zależą od proporcji SiO₂ do innych tlenków (głównie wapnia, magnezu, glinu i żelaza). Związek ten może tworzyć polimeryczne łańcuchy, co zwiększa lepkość lawy, zatem odmiany o największej zawartości ditlenku krzemu są najmniej płynne. Lawy dzieli się na cztery typy:
- Lawy felsyjne (ang. felsic), nazywane też kwaśnymi (zawierają co najmniej 63% SiO₂, np. riolit 73%), o dużej gęstości i szybko krzepnące, co powoduje zatykanie kominów wulkanicznych i gwałtowne erupcje, czyli wybuchy wulkanów w ścisłym sensie.
- Lawy pośrednie, zwane też andezytowymi (andezyt zawiera ok. 60% SiO₂), których płynność przyrównuje się do masła orzechowego. Zawierają też mniej glinu, a więcej magnezu i żelaza niż lawy felsyjne. Dwa pierwsze typy lawy tworzą typowe stożki wulkaniczne.
- Lawy maficzne (ang. mafic), inaczej bazaltowe, mają zawartość SiO₂ w granicach 45–52% i, jak już wspomniałem, konsystencję keczupu. Bywają wypychane na powierzchnię pod dużym ciśnieniem – obserwowano np. fontanny lawy bazaltowej tryskające na wysokość 10 metrów. Z uwagi na łatwość rozlewania się takiej lawy powstają z nich wulkany tarczowe, chyba że wulkan jest podmorski. Wtedy chłodzenie przez wodę powoduje szybkie zastyganie i budowanie typowego stożka. Zjawisko to obserwujemy obecnie na Hawajach – archipelag ten został utworzony przez szereg wulkanów powstających kolejno w miarę przesuwania się dna oceanicznego ponad jednym słupem gorącej magmy w płaszczu Ziemi. Z uwagi na dużą głębokość Pacyfiku w tym miejscu wyspy hawajskie należą do najwyższych gór na Ziemi, jeśli mierzyć od podstawy. Mauna Kea wznosi się na ponad 10 km, czyli więcej niż Mount Everest. Jednak to i tak niewiele, jeśli porównać ją z najwyższą znaną górą w Układzie Słonecznym, wulkanem Olympus Mons na Marsie, który mierzy 21 km ponad średnią powierzchnię planety. Urósł tak duży dzięki temu, że w okresie jego aktywności na Marsie nie występowały już ruchy płyt tektonicznych.
- Lawy ultramaficzne, zawierające poniżej 45% ditlenku krzemu, a równocześnie dużo więcej tlenku magnezu niż inne typy (18%). Takie lawy nie są dzisiaj emitowane przez ziemskie wulkany, gdyż są płynne w bardzo wysokich temperaturach (ok. 1600°C, podczas gdy pozostałe typy law 800–1200°C), a płaszcz Ziemi zbytnio już ostygł. Najmłodsze pokłady law ultramaficznych mają około pół miliarda lat; szacuje się, że miały płynność porównywalną do płynności lekkiego oleju smarowego.
W przypadku gdy lawa zawiera duży procent tlenków sodu i potasu, mówi się też o lawach zasadowych (dotyczy to głównie law maficznych i ultramaficznych).
A jak jest na innych ciałach niebieskich? Ślady czynnego lub przeszłego wulkanizmu zaobserwowano na wielu planetach i ich satelitach. Aktywność wulkaniczna Wenus i skład chemiczny występujących tam law są podobne jak na Ziemi, gdyż pod względem budowy Wenus przypomina naszą planetę. Podobnie było kiedyś na Marsie – najprawdopodobniej ostatnie wulkany na tej planecie ucichły pod koniec ery dinozaurów (aczkolwiek istnieją ślady po płynącej lawie, które mogą liczyć zaledwie 53 tysiące lat).
Ciekawsze są natomiast obiekty bardziej oddalone od Słońca. W odległej przeszłości wulkany wyrzucające lawę bazaltową istniały na jednej z największych asteroid, Weście. Tamtejszy wulkan Rheasilvia jest również kandydatem do tytułu największej góry Układu Słonecznego – według niektórych szacunków może mieć wysokość nawet 25 km, co jest bardzo niezwykłe w przypadku tego względnie niewielkiego ciała niebieskiego (średnica ok. 525 km).
Obecnie natomiast obserwujemy aktywne wulkany na Io, księżycu Jowisza. Satelita ten zawiera bardzo dużo siarki, w związku z czym występują na nim nie tylko lawy bazaltowe, ale także siarkowe. Znamy 150 czynnych wulkanów na Io, a szacunki mówią, że może ich być nawet 400. Zmierzone temperatury erupcji sięgają 1300°C, co może sugerować lawy ultramaficzne.
Zupełnie inaczej wygląda sytuacja na Enceladusie, księżycu Saturna. Na powierzchni tego satelity temperatura nie przekracza –128°C, więc istniejące tam wulkany noszą nazwę kriowulkanów, czyli „zimnych wulkanów”. Wyrzucają przede wszystkim parę wodną, a także wodór cząsteczkowy i cząstki stałe (m.in. lód wodny i chlorek sodu). Można więc nazywać je też gejzerami. Ich istnienie wynika z obecności na tym księżycu podpowierzchniowego oceanu ciekłej wody. Podobne fenomeny występują na mającym zbliżoną budowę księżycu Jowisza, Europie (maks. temp. –150°C).
Najbardziej oddalonym od Słońca ciałem niebieskim, na którym zaobserwowano zjawiska wulkaniczne (kriowulkaniczne), jest największy księżyc Neptuna – Tryton. Jego wulkanizm jest bardzo nietypowy, gdyż na powierzchni Trytona panuje temperatura ok. –235°C. Powierzchnia ta jest pokryta warstwą zamarzniętego azotu, pod którym znajduje się lodowa skorupa, a poniżej podobny płaszcz (głównie H₂O). Z uwagi na to, że atmosfera Trytona jest wysoce umowna (ciśnienie równe 1/70 000 ciśnienia ziemskiego na poziomie morza), azot pod powierzchnią, gdzie jest odrobinkę cieplej, sublimuje i jest wystrzeliwany na zewnątrz jako gaz. Byłaby to więc jedyna w swoim rodzaju lawa gazowa.
Tekst pierwotnie opublikowany na facebookowej stronie dla nauczycieli chemii Wydawnictwa Nowa Era.
[źródła: German Portillo „Differences between magma and lava”, Meteorology Red Level, https://www.meteorologiaenred.com/en/diferencias-entre-magma-y-lava.html; Educalingo, https://educalingo.com/pl/dic-en/mafic; Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Lava, https://pl.wikipedia.org/wiki/Lawa; Kazimierz Smulikowski „Uwagi o cieszyńskiej prowincji magmowej”, Rocznik Polskiego Towarzystwa Geologicznego, vol. L–1: 41–54]
[źródła ilustracji: Zdjęcie 31659905 © Siimsepp | Dreamstime.com (wiodąca), Zdjęcie 25125413 © Pablo Hidalgo | Dreamstime.com, J.D. Griggs – https://pubs.usgs.gov/dds/dds-80/, Public Domain, archiwum własne × 3, Koutsogiannopoulos Wine Museum, Google Maps, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3970854, NASA]