Vulcanologia, ricostruita in 3D la struttura dei capelli di Pele del vulcano hawaiano Kilauea

Sono oggetto di studio sin dagli albori della vulcanologia ma non sono mai stati ricostruiti in tre dimensioni con un livello di dettaglio così alto, finora. Un’operazione complessa, vista la natura dei “capelli di Pele” del vulcano hawaiano Kilauea: gocce di magma raffreddate e modellate dai venti una volta fuoriusciti dal condotto vulcanico, che assumono una forma allungata molto simile a un capello umano. I capelli di Pele devono il loro nome alla dea hawaiana del fuoco Pele che, secondo la leggenda, fu cacciata dall’isola polinesiana di Tahiti e si rifugiò sulle isole Hawaii, trovando dimora nel vulcano Kilauea le cui eruzioni, periodicamente, lasciano fuoriuscire le sue lacrime e i suoi capelli.

Un gruppo di ricerca dell’Università della Calabria ha inizialmente condotto su questi peculiari frammenti vulcanici uno studio morfologico con l’ausilio delle tecniche di microscopia ottica ed elettronica, nell’ambito di una tesi di dottorato in Scienze Geologiche di Chiara Benedetta Cannata, sotto la supervisione di Rosanna De Rosa, ordinario di geochimica e vulcanologia del dipartimento DIBEST dell’Unical, e insieme a Paola Donato, ricercatrice di geochimica e vulcanologia dello stesso dipartimento, e Bruce F. Houghton, professore di vulcanologia della University of Hawaii a Manoa.

Dopo questa prima fase, la ricerca è stata estesa all’indagine sulla struttura interna dei capelli di Pele grazie alla collaborazione con un team di ricerca di Elettra Sincrotrone Trieste  (Area Science Park) guidato da Lucia Mancini, di cui fanno parte Sandro Donato e Gabriele Lanzafame. Grazie alle enormi potenzialità offerte dalla tecnica della microtomografia a raggi X con luce di sincrotrone, è stata effettuata per la prima volta una ricostruzione tridimensionale della struttura interna dei capelli di Pele, operazione che ha consentito di evidenziare, all’interno di questi sottilissimi filamenti, la presenza di bolle di forme e dimensioni variabili. Lo studio di capelli di Pele diversi nell’aspetto e provenienti da diversi tipi di attività vulcanica ha permesso di avanzare delle ipotesi sull’origine delle differenze morfologiche dei frammenti piroclastici emessi nel corso di differenti stili eruttivi dal vulcano Kilauea. I risultati della ricerca sono stati appena pubblicati su Scientific Reports di Nature, con un lavoro dal titolo: “First 3D imaging characterization of Pele’s hair from Kilauea volcano (Hawaii)”.

Spiega Chiara Benedetta Cannata: “Il nostro lavoro ha preso in considerazione tre diversi stili eruttivi per il vulcano Kilauea (Hawaii): un lago di lava, una fontana di lava e un’eruzione esplosiva generata dall’interazione fra una colata di lava e l’oceano. La microtomografia a raggi X effettuata sui campioni provenienti dai tre stili eruttivi ha evidenziato che, ad esempio, i capelli di Pele prodotti dal degassamento passivo del lago di lava, che esternamente appaiono molto allungati (fino a qualche cm) e sottili (50 – 100 micrometri/µm), al loro interno presentano un canale centrale cavo esteso lungo l’intera lunghezza del frammento, mentre quelli della fontana di lava sono molto più corti e spessi (fino a 900 µm) e più vescicolati, con almeno due popolazioni di bolle: una di piccole dimensioni e di forma rotondeggiante e l’altra di dimensioni maggiori e di forma allungata. I capelli di Pele prodotti dall’interazione della colata di lava con l’oceano, che possono raggiungere uno spessore massimo di 500 µm, hanno dei caratteri intermedi tra i due campioni citati, con abbondanti bolle allungate e poche bolle piccole di forma sferica. Grazie alle informazioni ottenute abbiamo ipotizzato che all’origine delle differenze morfologiche osservate nei tre diversi campioni analizzati vi siano diversi fattori: primo fra tutti la dimensione originale delle gocce di magma (parametro che influenza di conseguenza anche il tasso di raffreddamento dei capelli di Pele che da essa si originano), la velocità di fuoriuscita delle gocce di magma, la sua viscosità, il contenuto in vescicole nella goccia di magma originale, il tempo di residenza nell’ ‘hot environment’ o porzione calda del sistema, ad esempio l’interno della fontana di lava o la superficie esterna del lago di lava, e l’azione del vento.

Non è stato possibile quantificare gli ultimi tre parametri – conclude Cannata -  tuttavia i nostri dati hanno consentito di determinare la dimensione della goccia originale di magma che ha prodotto i capelli di Pele, la quale assume valori via via crescenti passando dai capelli di Pele del lago di lava, a quelli dell’interazione acqua-magma, fino alla fontana di lava, e di suggerire che la velocità di fuoriuscita delle gocce di magma, nonché la viscosità delle stesse, siano di secondaria importanza nel determinare la forma e la tessitura dei capelli di Pele.”.

L’indagine microtomografica, non distruttiva, dei reperti è stata condotta presso la linea di luce SYRMEP di Elettra. Sfruttando le proprietà uniche della radiazione di sincrotrone, come l’elevata brillanza e la coerenza spaziale, è possibile sfruttare i cosiddetti effetti di "contrasto di fase" combinando informazioni legate sia all’assorbimento che alla rifrazione dei raggi X nelle immagini finali. L’effetto globale è quello di ottenere immagini ad alto contrasto e, allo stesso tempo, di osservare strutture aventi dimensioni fino ad alcuni micrometri. “La tecnica della microtomografia a raggi X con luce di sincrotrone è risultata di fondamentale importanza per la determinazione, in termini quantitativi, dei caratteri morfologici e tessiturali dei capelli di Pele – sottolineano Lucia Mancini e Sandro Donato -. Un’analisi così dettagliata su questi frammenti che, per loro natura, sono molto sottili e fragili e pertanto molto difficili da maneggiare, non era mai stata fatta prima d’ora e la tecnica di microtomografia a raggi X con luce di sincrotrone si è rivelata sorprendente anche per la creazione di volumi virtuali che hanno mostrato, per la prima volta e in maniera accurata, l’interno di queste particolari strutture in tre dimensioni.”

I capelli di Pele si ritrovano intorno ai centri eruttivi non solo dei vulcani hawaiani ma anche di altri vulcani che emettono magmi basici a bassa viscosità e si depositano sotto vento formando delle ampie distese di veri e propri tappeti vetrosi. Il team di ricerca sta attualmente  continuando le indagini sui capelli di Pele formatisi in corrispondenza di altri vulcani da magmi composizionalmente diversi, inclusi i vulcani italiani delle isole Eolie e quelli islandesi.