Quando mescoliamo una tazza di caffè caldo e iniziano a formarsi piccole bolle sulla superficie, difficilmente immaginiamo che lo stesso principio fisico possa governare uno dei fenomeni naturali più violenti del pianeta: le eruzioni vulcaniche. Eppure è proprio ciò che emerge da un nuovo studio condotto da ricercatori dell’Università Clermont Auvergne e dell’ETH di Zurigo, che ha rivelato un parallelo sorprendente tra la fisica delle bevande frizzanti e quella del magma che risale verso la superficie.
Una scoperta che sfida decenni di vulcanologia
Per oltre settant’anni, la formazione delle bolle nel magma è stata spiegata attraverso un modello molto semplice: la pressione diminuisce man mano che il magma risale, e i gas disciolti — come vapore acqueo e CO₂ — vengono rilasciati, formando bolle che possono innescare eruzioni esplosive.
Questo paradigma, nato negli anni ’50, ha guidato intere generazioni di vulcanologi e ha rappresentato la base per interpretare la struttura delle rocce vulcaniche e stimare la velocità di risalita del magma.
Ma la nuova ricerca, pubblicata su Science, mostra che questa spiegazione è solo una parte del quadro.
I ricercatori hanno dimostrato che lo stress meccanico generato dal movimento del magma, simile al vortice che si crea in un caffè mescolato, può avviare la formazione di bolle anche senza una diminuzione di pressione.
Lo stress di taglio: il motore nascosto delle bolle
Il fenomeno si chiama nucleazione indotta dal taglio e riguarda i liquidi viscosi che, sottoposti a forze meccaniche, iniziano a generare bollicine al loro interno. Esattamente ciò che accade quando mescoliamo energicamente un caffè zuccherato o incliniamo un bicchiere di champagne: l’agitazione crea energia sufficiente per liberare gas disciolti.
Nel caso del magma, accade qualcosa di molto simile.
Quando la massa rovente risale attraverso i condotti vulcanici, scorrendo lungo pareti irregolari e aggirando ostacoli naturali, subisce intense forze di taglio.
Secondo il team di ricerca, queste forze rappresentano un meccanismo potente quanto — se non più importante di — la diminuzione di pressione.
Esperimenti che imitano un vulcano in laboratorio
Per verificare la loro ipotesi, gli scienziati hanno creato un modello sperimentale utilizzando un liquido polimerico viscoso e saturo di CO₂, riscaldato e posizionato all’interno di un reometro. Il dispositivo ha permesso di controllare con precisione il grado di agitazione.
Quando il liquido veniva fatto ruotare lentamente, non accadeva nulla. Ma aumentando la velocità, le prime bolle comparivano nelle zone più esterne, dove lo stress di taglio era maggiore.
Al crescere dello sforzo meccanico si osservavano diversi tipi di bolle:
- bolle che si formavano nel cuore del liquido,
- bolle che comparivano sulle superfici solide,
- bolle che si nucleavano accanto ad altre bolle già formate, creando cluster.
Più CO₂ conteneva il liquido all’inizio, meno stress serviva per avviare il processo: un risultato che rispecchia fedelmente ciò che accade nel magma saturo di gas.
Un nuovo modello per prevedere le eruzioni
Oltre a rivoluzionare la comprensione della vulcanologia, la scoperta ha implicazioni concrete.
La formazione e la crescita delle bolle determinano il comportamento del magma: influenzano la sua densità, la viscosità, la velocità di risalita e soprattutto la capacità dei gas di liberarsi gradualmente o accumularsi fino a provocare un’esplosione.
Secondo il modello matematico sviluppato dal team, lo stress meccanico e la pressione contribuiscono quasi allo stesso modo nel superare la barriera energetica necessaria alla formazione di bolle.
Questo significa che il magma potrebbe generare quantità significative di gas molto prima di quanto previsto dai modelli tradizionali — un’informazione cruciale per affinare i sistemi di previsione delle eruzioni.
Il mistero dell’ossidiana e altre domande aperte
La nucleazione indotta dal taglio potrebbe anche spiegare un vecchio enigma: come mai alcuni magmi estremamente viscosi, ricchi di gas e teoricamente esplosivi, riescono invece a dare origine a colate di ossidiana lisce e silenziose.
Se le bolle iniziano a formarsi già nelle profondità del condotto, possono crescere e coalescere in modo da permettere al gas di liberarsi gradualmente, evitando pressioni catastrofiche.
La scoperta mette inoltre in discussione il ruolo dei nanoliti, microscopici cristalli ritenuti fino a oggi essenziali per l’avvio delle bolle. Potrebbero non essere i protagonisti, ma semplici comparse generate dagli stessi processi di nucleazione.
Oltre i vulcani: un fenomeno universale
Il nuovo paradigma non riguarda solo la geologia. La nucleazione indotta dal taglio potrebbe influenzare:
- la formazione di schiuma in materiali industriali,
- il rilascio di gas durante i terremoti,
- fenomeni atmosferici su altri pianeti,
- sistemi idrotermali terrestri.
In altre parole, il vortice in una tazza di caffè potrebbe essere una chiave per interpretare processi che spaziano dall’ingegneria dei materiali fino alle dinamiche planetarie.
Foto di Tetiana GRY su Unsplash
