Ceniza volcánica

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La ceniza volcánica consiste en fragmentos de roca, cristales minerales y vidrio volcánico, creados durante las erupciones volcánicas y que miden menos de 2 mm (0,079 pulgadas) de diámetro. El término ceniza volcánica también se usa a menudo de manera vaga para referirse a todos los productos de erupciones explosivas (correctamente denominados tefra).), incluidas las partículas mayores de 2 mm. La ceniza volcánica se forma durante las erupciones volcánicas explosivas cuando los gases disueltos en el magma se expanden y escapan violentamente a la atmósfera. La fuerza de los gases rompe el magma y lo impulsa hacia la atmósfera donde se solidifica en fragmentos de roca volcánica y vidrio. La ceniza también se produce cuando el magma entra en contacto con el agua durante las erupciones freatomagmáticas, lo que hace que el agua se convierta en vapor de forma explosiva y se rompa el magma. Una vez en el aire, las cenizas son transportadas por el viento a miles de kilómetros de distancia.

Debido a su amplia dispersión, las cenizas pueden tener una serie de impactos en la sociedad, incluida la salud animal y humana, la interrupción de la aviación, la interrupción de la infraestructura crítica (por ejemplo, sistemas de suministro de energía eléctrica, telecomunicaciones, redes de agua y aguas residuales, transporte), industrias primarias (p. ej., agricultura), edificios y estructuras.

Formación

La ceniza volcánica se forma durante erupciones volcánicas explosivas y erupciones freatomagmáticas, y también puede formarse durante el transporte en corrientes de densidad piroclástica.

Las erupciones explosivas ocurren cuando el magma se descomprime a medida que asciende, lo que permite que los volátiles disueltos (principalmente agua y dióxido de carbono) se disuelvan en burbujas de gas. A medida que se nuclean más burbujas, se produce una espuma, que disminuye la densidad del magma, acelerándolo por el conducto. La fragmentación ocurre cuando las burbujas ocupan ~70 a 80% en volumen de la mezcla en erupción. Cuando ocurre la fragmentación, las burbujas que se expanden violentamente rompen el magma en fragmentos que son expulsados ​​a la atmósfera donde se solidifican en partículas de ceniza. La fragmentación es un proceso muy eficiente de formación de cenizas y es capaz de generar cenizas muy finas incluso sin la adición de agua.

La ceniza volcánica también se produce durante las erupciones freatomagmáticas. Durante estas erupciones la fragmentación ocurre cuando el magma entra en contacto con cuerpos de agua (como el mar, lagos y pantanos) aguas subterráneas, nieve o hielo. A medida que el magma, que es significativamente más caliente que el punto de ebullición del agua, entra en contacto con el agua, se forma una película de vapor aislante (efecto Leidenfrost). Eventualmente, esta película de vapor colapsará, lo que conducirá al acoplamiento directo del agua fría y el magma caliente. Esto aumenta la transferencia de calor que conduce a la rápida expansión del agua y la fragmentación del magma en pequeñas partículas que posteriormente son expulsadas de la chimenea volcánica. La fragmentación provoca un aumento en el área de contacto entre el magma y el agua creando un mecanismo de retroalimentación,lo que conduce a una mayor fragmentación y producción de partículas finas de ceniza.

Las corrientes de densidad piroclástica también pueden producir partículas de ceniza. Estos son típicamente producidos por el colapso del domo de lava o el colapso de la columna de erupción. Dentro de las corrientes de densidad piroclástica, la abrasión de partículas ocurre cuando las partículas chocan violentamente, lo que da como resultado una reducción en el tamaño del grano y la producción de partículas de ceniza de grano fino. Además, se pueden producir cenizas durante la fragmentación secundaria de fragmentos de piedra pómez, debido a la conservación del calor dentro del flujo. Estos procesos producen grandes cantidades de ceniza de grano muy fino que se extrae de las corrientes de densidad piroclástica en penachos de ceniza de coignimbrita.

Las características físicas y químicas de las cenizas volcánicas están controladas principalmente por el estilo de erupción volcánica. Los volcanes muestran una variedad de estilos de erupción que están controlados por la química del magma, el contenido de cristales, la temperatura y los gases disueltos del magma en erupción y se pueden clasificar utilizando el índice de explosividad volcánica (VEI). Las erupciones efusivas (VEI 1) de composición basáltica producen <10 m de eyecta, mientras que las erupciones extremadamente explosivas (VEI 5+) de composición riolítica y dacítica pueden inyectar grandes cantidades (> 10 m) de eyecta a la atmósfera.

Propiedades

Químico

Los tipos de minerales presentes en la ceniza volcánica dependen de la química del magma del que estalló. Teniendo en cuenta que los elementos más abundantes que se encuentran en el magma de silicato son el silicio y el oxígeno, los diversos tipos de magma (y, por lo tanto, ceniza) producidos durante las erupciones volcánicas se explican más comúnmente en términos de su contenido de sílice. Las erupciones de basalto de baja energía producen una ceniza característicamente de color oscuro que contiene ~45–55% de sílice que generalmente es rica en hierro (Fe) y magnesio (Mg). Las erupciones de riolita más explosivas producen una ceniza félsica con alto contenido de sílice (>69 %), mientras que otros tipos de ceniza con una composición intermedia (p. ej., andesita o dacita) tienen un contenido de sílice entre 55 y 69 %.

Los principales gases liberados durante la actividad volcánica son agua, dióxido de carbono, hidrógeno, dióxido de azufre, sulfuro de hidrógeno, monóxido de carbono y cloruro de hidrógeno. Los gases y metales de azufre y halógeno se eliminan de la atmósfera mediante procesos de reacción química, deposición seca y húmeda, y por adsorción en la superficie de la ceniza volcánica.

Durante mucho tiempo se ha reconocido que una variedad de compuestos de sulfato y haluro (principalmente cloruro y fluoruro) se movilizan fácilmente a partir de ceniza volcánica fresca. Se considera más probable que estas sales se formen como consecuencia de la rápida disolución ácida de las partículas de ceniza dentro de las columnas de erupción, que se cree que suministra los cationes involucrados en la deposición de sales de sulfato y haluro.

Si bien se han reportado unas 55 especies iónicas en los lixiviados de cenizas frescas, las especies más abundantes que suelen encontrarse son los cationes Na, K, Ca y Mg y los aniones Cl, F y SO 4. Las relaciones molares entre los iones presentes en los lixiviados sugieren que en muchos casos estos elementos están presentes como sales simples como NaCl y CaSO 4. En un experimento de lixiviación secuencial sobre las cenizas de la erupción del Monte St. Helens en 1980, se encontró que las sales de cloruro eran las más fácilmente solubles, seguidas de las sales de sulfato Los compuestos de fluoruro son, en general, poco solubles (p . a excepción de las sales de fluoruro de metales alcalinos y compuestos como el hexafluorosilicato de calcio (CaSiF 6).El pH de los lixiviados de ceniza fresca es muy variable, dependiendo de la presencia de un condensado de gas ácido (principalmente como consecuencia de los gases SO 2, HCl y HF en la columna de erupción) en la superficie de la ceniza.

La estructura sólida cristalina de las sales actúa más como aislante que como conductor. Sin embargo, una vez que las sales se disuelven en una solución por una fuente de humedad (por ejemplo, niebla, neblina, lluvia ligera, etc.), la ceniza puede volverse corrosiva y eléctricamente conductora. Un estudio reciente ha demostrado que la conductividad eléctrica de las cenizas volcánicas aumenta con (1) el aumento del contenido de humedad, (2) el aumento del contenido de sales solubles y (3) el aumento de la compactación (densidad aparente). La capacidad de las cenizas volcánicas para conducir la corriente eléctrica tiene importantes implicaciones para los sistemas de suministro de energía eléctrica.

Físico

Componentes

Las partículas de ceniza volcánica que brotan durante las erupciones magmáticas se componen de varias fracciones de partículas vítricas (vidrias, no cristalinas), cristalinas o líticas (no magmáticas). La ceniza producida durante erupciones magmáticas de baja viscosidad (p. ej., erupciones basálticas hawaianas y estrombolianas) produce una variedad de piroclastos diferentes que dependen del proceso eruptivo. Por ejemplo, la ceniza recolectada de las fuentes de lava de Hawái consiste en piroclastos de sideromelano (vidrio basáltico de color marrón claro) que contienen microlitos (pequeños cristales de extinción, que no deben confundirse con el mineral raro microlito) y fenocristales. Las erupciones ligeramente más viscosas de basalto (p. ej., estrombolianas) forman una variedad de piroclastos, desde gotitas irregulares de sideromelano hasta taquilita en bloques (piroclastos microcristalinos de color negro a marrón oscuro). Por el contrario, la mayoría de las cenizas con alto contenido de sílice (p.

La ceniza generada durante las erupciones freáticas consiste principalmente en fragmentos minerales y líticos alterados hidrotermalmente, comúnmente en una matriz arcillosa. Las superficies de las partículas a menudo están recubiertas con agregados de cristales de zeolita o arcilla y solo quedan texturas relictas para identificar los tipos de piroclastos.

Morfología

La morfología (forma) de la ceniza volcánica está controlada por una plétora de diferentes erupciones y procesos cinemáticos. Las erupciones de magmas de baja viscosidad (p. ej., basalto) suelen formar partículas en forma de gotitas. Esta forma de gota está, en parte, controlada por la tensión superficial, la aceleración de las gotas después de que salen de la ventilación y la fricción del aire. Las formas van desde esferas perfectas hasta una variedad de gotitas alargadas y retorcidas con superficies fluidas suaves.

La morfología de las cenizas de las erupciones de magmas de alta viscosidad (p. ej., riolita, dacita y algunas andesitas) depende principalmente de la forma de las vesículas en el magma ascendente antes de la desintegración. Las vesículas se forman por la expansión del gas magmático antes de que el magma se haya solidificado. Las partículas de ceniza pueden tener diversos grados de vesicularidad y las partículas vesiculares pueden tener proporciones de área superficial a volumen extremadamente altas. Las concavidades, canales y tubos que se observan en las superficies de los granos son el resultado de la rotura de las paredes de las vesículas.Las partículas de ceniza vítrica de las erupciones de magma de alta viscosidad son típicamente fragmentos pómez vesiculares angulares o fragmentos de pared de vesícula delgada, mientras que los fragmentos líticos en la ceniza volcánica son típicamente equivalentes o angulares a subredondeados. La morfología lítica de las cenizas generalmente está controlada por las propiedades mecánicas de la roca de la pared rota por el desprendimiento o la expansión explosiva de los gases en el magma a medida que alcanza la superficie.

La morfología de las partículas de ceniza de las erupciones freatomagmáticas está controlada por tensiones dentro del magma enfriado que dan como resultado la fragmentación del vidrio para formar pequeñas partículas de ceniza de vidrio piramidales o en bloques. La forma y la densidad de las vesículas juegan solo un papel menor en la determinación de la forma de los granos en las erupciones freatomagmáticas. En este tipo de erupción, el magma ascendente se enfría rápidamente al entrar en contacto con el agua superficial o subterránea. Las tensiones dentro del magma "saciado" provocan la fragmentación en cinco tipos de formas de piroclastos dominantes: (1) en bloques y ecuantes; (2) vesicular e irregular con superficies lisas; (3) como musgo y enrevesado; (4) esférica o en forma de gota; y (5) en forma de placa.

Densidad

La densidad de las partículas individuales varía con las diferentes erupciones. La densidad de la ceniza volcánica varía entre 700 y 1200 kg/m para la piedra pómez, 2350 y 2450 kg/m para los fragmentos de vidrio, 2700 y 3300 kg/m para los cristales y 2600 y 3200 kg/m para las partículas líticas. Dado que las partículas más gruesas y más densas se depositan cerca de la fuente, los fragmentos finos de vidrio y piedra pómez se enriquecen relativamente en los depósitos de caída de ceniza en ubicaciones distales. La alta densidad y dureza (~5 en la escala de dureza de Mohs) junto con un alto grado de angularidad, hacen que algunos tipos de cenizas volcánicas (particularmente aquellas con un alto contenido de sílice) sean muy abrasivas.

Tamaño de grano

La ceniza volcánica consiste en partículas (piroclastos) con diámetros <2 mm (las partículas >2 mm se clasifican como lapilli) y pueden ser tan finas como 1 μm. La distribución general del tamaño de grano de la ceniza puede variar mucho con las diferentes composiciones de magma. Se han realizado pocos intentos para correlacionar las características de tamaño de grano de un depósito con las del evento que lo produjo, aunque se pueden hacer algunas predicciones. Los magmas riolíticos generalmente producen material de grano más fino en comparación con los magmas basálticos, debido a la mayor viscosidad y, por lo tanto, a la explosividad. Las proporciones de ceniza fina son mayores para las erupciones explosivas silícicas, probablemente porque el tamaño de las vesículas en el magma pre-eruptivo es menor que en los magmas máficos.Existe buena evidencia de que los flujos piroclásticos producen altas proporciones de ceniza fina por comunión y es probable que este proceso también ocurra dentro de los conductos volcánicos y sea más eficiente cuando la superficie de fragmentación del magma está muy por debajo del cráter de la cumbre.

Dispersión

Las partículas de ceniza se incorporan a las columnas de erupción a medida que son expulsadas del respiradero a alta velocidad. El impulso inicial de la erupción impulsa la columna hacia arriba. A medida que el aire ingresa a la columna, la densidad aparente disminuye y comienza a elevarse con fuerza hacia la atmósfera. En un punto donde la densidad aparente de la columna es la misma que la de la atmósfera circundante, la columna dejará de ascender y comenzará a moverse lateralmente. La dispersión lateral está controlada por los vientos predominantes y la ceniza puede depositarse a cientos o miles de kilómetros del volcán, según la altura de la columna de erupción, el tamaño de las partículas de ceniza y las condiciones climáticas (especialmente la dirección y la fuerza del viento y la humedad).

La lluvia de cenizas ocurre inmediatamente después de la erupción y está controlada por la densidad de partículas. Inicialmente, las partículas gruesas caen cerca de la fuente. A esto le sigue la precipitación de lapilli acumulativo, que es el resultado de la aglomeración de partículas dentro de la columna. La lluvia de cenizas está menos concentrada durante las etapas finales a medida que la columna se mueve a favor del viento. Esto da como resultado un depósito de caída de ceniza que generalmente disminuye en grosor y tamaño de grano exponencialmente a medida que aumenta la distancia desde el volcán. Las partículas finas de ceniza pueden permanecer en la atmósfera durante días o semanas y ser dispersadas por los vientos a gran altura. Estas partículas pueden impactar en la industria de la aviación (consulte la sección de impactos) y, combinadas con partículas de gas, pueden afectar el clima global.

Los penachos de ceniza volcánica pueden formarse por encima de las corrientes de densidad piroclástica, estos se llaman penachos de coignimbrita. A medida que las corrientes de densidad piroclástica se alejan del volcán, las partículas más pequeñas se eliminan del flujo por elutriación y forman una zona menos densa que recubre el flujo principal. Luego, esta zona arrastra el aire circundante y se forma una pluma de coignimbrita flotante. Estos penachos tienden a tener concentraciones más altas de partículas finas de ceniza en comparación con los penachos de erupciones magmáticas debido a la abrasión dentro de la corriente de densidad piroclástica.

Impactos

El crecimiento de la población ha causado la invasión progresiva del desarrollo urbano en áreas de mayor riesgo, más cercanas a los centros volcánicos, aumentando la exposición humana a los eventos de caída de ceniza volcánica.

Los efectos directos en la salud de las cenizas volcánicas en los seres humanos suelen ser a corto plazo y leves para las personas con salud normal, aunque la exposición prolongada potencialmente presenta algún riesgo de silicosis en los trabajadores sin protección. De mayor preocupación es el impacto de las cenizas volcánicas en la infraestructura crítica para sustentar las sociedades modernas, particularmente en áreas urbanas, donde las altas densidades de población crean una gran demanda de servicios. Varias erupciones recientes han ilustrado la vulnerabilidad de las áreas urbanas que recibieron solo unos pocos milímetros o centímetros de ceniza volcánica. Esto ha sido suficiente para causar la interrupción de los sistemas de transporte, electricidad, agua, alcantarillado y aguas pluviales.Se ha incurrido en costos por interrupción del negocio, reemplazo de piezas dañadas y pérdidas aseguradas. Los impactos de la caída de ceniza en la infraestructura crítica también pueden causar múltiples efectos colaterales, que pueden interrumpir muchos sectores y servicios diferentes.

La caída de ceniza volcánica es física, social y económicamente perjudicial. Las cenizas volcánicas pueden afectar tanto a las áreas próximas como a las que se encuentran a muchos cientos de kilómetros de la fuente, y provocan interrupciones y pérdidas en una amplia variedad de sectores de infraestructura diferentes. Los impactos dependen de: el espesor de la caída de ceniza; el tamaño de grano y la química de la ceniza; si la ceniza está húmeda o seca; la duración de la caída de ceniza; y cualquier medida de preparación, gestión y prevención (mitigación) empleada para reducir los efectos de la caída de ceniza. Los diferentes sectores de la infraestructura y la sociedad se ven afectados de diferentes maneras y son vulnerables a una variedad de impactos o consecuencias. Estos son discutidos en las siguientes secciones.

Salud humana y animal

Se sabe que las partículas de ceniza de menos de 10 µm de diámetro suspendidas en el aire son inhalables, y las personas expuestas a las caídas de ceniza han experimentado molestias respiratorias, dificultad para respirar, irritación de ojos y piel, y síntomas de nariz y garganta. La mayoría de estos efectos son a corto plazo y no se considera que representen un riesgo significativo para la salud de las personas sin afecciones respiratorias preexistentes. Los efectos de la ceniza volcánica sobre la salud dependen del tamaño del grano, la composición mineralógica y los recubrimientos químicos en la superficie de las partículas de ceniza. Otros factores relacionados con posibles síntomas respiratorios son la frecuencia y la duración de la exposición, la concentración de cenizas en el aire y la fracción de cenizas respirables; la proporción de ceniza con menos de 10 µm de diámetro, conocida como PM 10. El contexto social también puede ser importante.

Es posible que la caída de cenizas volcánicas tenga efectos crónicos en la salud, ya que se sabe que la exposición a la sílice cristalina libre causa silicosis. Los minerales asociados con esto incluyen cuarzo, cristobalita y tridimita, que pueden estar presentes en la ceniza volcánica. Estos minerales se describen como sílice 'libre' ya que el SiO 2 no está unido a otro elemento para crear un nuevo mineral. Sin embargo, se cree que es poco probable que los magmas que contienen menos del 58% de SiO 2 contengan sílice cristalina.

Los niveles de exposición a la sílice cristalina libre en las cenizas se usan comúnmente para caracterizar el riesgo de silicosis en estudios ocupacionales (para personas que trabajan en minería, construcción y otras industrias) porque está clasificado como carcinógeno humano por la Agencia Internacional para la Investigación. sobre Cáncer. Se han creado valores de referencia para la exposición, pero con una justificación poco clara; Las pautas del Reino Unido para partículas en el aire (PM10) son de 50 µg/m3 y las pautas de EE. UU. para la exposición a sílice cristalina son de 50 µg/m3. Se cree que las pautas sobre los niveles de exposición podrían excederse por períodos cortos de tiempo sin efectos significativos para la salud de la población en general.

No ha habido casos documentados de silicosis desarrollados por exposición a cenizas volcánicas. Sin embargo, faltan los estudios a largo plazo necesarios para evaluar estos efectos.

Ingerir ceniza

Para fuentes de agua superficial como lagos y embalses, el volumen disponible para la dilución de especies iónicas lixiviadas de las cenizas es generalmente grande. Los componentes más abundantes de los lixiviados de cenizas (Ca, Na, Mg, K, Cl, F y SO 4) ocurren naturalmente en concentraciones significativas en la mayoría de las aguas superficiales y, por lo tanto, no se ven muy afectados por los aportes de las cenizas volcánicas, y también son poco preocupantes en el agua potable, con la excepción del flúor. Los elementos hierro, manganeso y aluminio comúnmente se enriquecen sobre los niveles de fondo por la lluvia de cenizas volcánicas. Estos elementos pueden impartir un sabor metálico al agua y pueden producir manchas rojas, marrones o negras en la vajilla blanca, pero no se consideran un riesgo para la salud. No se sabe que las lluvias de cenizas volcánicas hayan causado problemas en el suministro de agua por elementos traza tóxicos como el mercurio (Hg) y el plomo (Pb), que se encuentran en niveles muy bajos en los lixiviados de cenizas.

La ingestión de cenizas puede ser dañina para el ganado, causando abrasión de los dientes y, en casos de alto contenido de flúor, envenenamiento por flúor (tóxico a niveles >100 µg/g) para los animales de pastoreo. Se sabe por la erupción de Laki en 1783 en Islandia que el envenenamiento por flúor ocurrió en humanos y ganado como resultado de la química de la ceniza y el gas, que contenía altos niveles de fluoruro de hidrógeno. Después de las erupciones del Monte Ruapehu de 1995/96 en Nueva Zelanda, dos mil ovejas y corderos murieron después de verse afectados por fluorosis mientras pastaban en tierra con solo 1 a 3 mm de caída de ceniza. Los síntomas de la fluorosis en el ganado expuesto a la ceniza incluyen manchas marrón-amarillas a verde-negras en los dientes e hipersensibilidad a la presión en las piernas y la espalda. La ingestión de cenizas también puede causar obstrucciones gastrointestinales.Las ovejas que ingirieron cenizas de la erupción volcánica del Monte Hudson en Chile en 1991 sufrieron diarrea y debilidad.

Otros efectos en el ganado

La acumulación de ceniza en la lana del lomo de las ovejas puede agregar un peso significativo, lo que provoca fatiga y ovejas que no pueden ponerse de pie. La lluvia puede resultar en una carga significativa ya que agrega peso a las cenizas. Los pedazos de lana pueden caerse y la lana restante en las ovejas puede no tener valor, ya que la mala nutrición asociada con las erupciones volcánicas afecta la calidad de la fibra. Como los pastos y las plantas habituales se cubren de ceniza volcánica durante la erupción, algunos animales pueden recurrir a comer todo lo que esté disponible, incluidas las plantas tóxicas. Hay informes de cabras y ovejas en Chile y Argentina que tienen abortos naturales en relación con erupciones volcánicas.

Infraestructura

Electricidad

La ceniza volcánica puede interrumpir los sistemas de suministro de energía eléctrica en todos los niveles de generación, transformación, transmisión y distribución de energía. Hay cuatro impactos principales derivados de la contaminación por cenizas de los aparatos utilizados en el proceso de suministro de energía:

Si la corriente de cortocircuito resultante es lo suficientemente alta como para disparar el disyuntor, se producirá una interrupción del servicio. La descarga disruptiva inducida por cenizas a través del aislamiento del transformador (bujes) puede quemar, grabar o agrietar el aislamiento de manera irreparable y puede provocar la interrupción del suministro de energía.

Suministros de agua potable

Los sistemas alimentados por aguas subterráneas son resistentes a los impactos de la lluvia de cenizas, aunque las cenizas transportadas por el aire pueden interferir con el funcionamiento de las bombas de cabeza de pozo. Los cortes de electricidad causados ​​por la caída de ceniza también pueden interrumpir las bombas eléctricas si no hay una generación de respaldo.

Los impactos físicos de la caída de ceniza pueden afectar el funcionamiento de las plantas de tratamiento de agua. Las cenizas pueden bloquear las estructuras de admisión, causar daños severos por abrasión a los impulsores de las bombas y sobrecargar los motores de las bombas. Las cenizas pueden ingresar a los sistemas de filtración, como los filtros de arena abiertos, tanto por lluvia radiactiva directa como a través de las aguas de entrada. En la mayoría de los casos, se requerirá un mayor mantenimiento para manejar los efectos de una caída de ceniza, pero no habrá interrupciones en el servicio.

El paso final del tratamiento del agua potable es la desinfección para garantizar que el agua potable final esté libre de microorganismos infecciosos. Dado que las partículas en suspensión (turbidez) pueden proporcionar un sustrato de crecimiento para los microorganismos y pueden protegerlos del tratamiento de desinfección, es extremadamente importante que el proceso de tratamiento del agua logre un buen nivel de eliminación de partículas en suspensión. Puede ser necesario aumentar la cloración para garantizar una desinfección adecuada.

Muchos hogares y algunas comunidades pequeñas dependen del agua de lluvia para su suministro de agua potable. Los sistemas de techo son muy vulnerables a la contaminación por lluvia de cenizas, ya que tienen una gran superficie en relación con el volumen del tanque de almacenamiento. En estos casos, la lixiviación de contaminantes químicos de la lluvia de cenizas puede convertirse en un riesgo para la salud y no se recomienda beber agua. Antes de que caiga ceniza, se deben desconectar las bajantes para proteger el agua del tanque. Otro problema es que el revestimiento superficial de ceniza volcánica fresca puede ser ácido. A diferencia de la mayoría de las aguas superficiales, el agua de lluvia generalmente tiene una alcalinidad muy baja (capacidad de neutralizar el ácido) y, por lo tanto, la caída de ceniza puede acidificar el agua del tanque. Esto puede dar lugar a problemas de plumbosolvencia, por lo que el agua es más agresiva con los materiales con los que entra en contacto.

Durante los eventos de caída de ceniza, comúnmente se imponen grandes demandas a los recursos hídricos para la limpieza y puede resultar en escasez. La escasez compromete servicios clave como la extinción de incendios y puede provocar la falta de agua para la higiene, el saneamiento y el consumo. Las autoridades municipales deben monitorear y manejar esta demanda de agua con cuidado, y es posible que deban aconsejar al público que utilice métodos de limpieza que no usen agua (p. ej., limpieza con escobas en lugar de mangueras).

Tratamiento de aguas residuales

Las redes de aguas residuales pueden sufrir daños similares a las redes de suministro de agua. Es muy difícil excluir las cenizas del sistema de alcantarillado. Los sistemas con líneas combinadas de aguas pluviales/alcantarillado corren mayor riesgo. Las cenizas entrarán en las líneas de alcantarillado donde hay entrada/infiltración de aguas pluviales a través de conexiones ilegales (p. ej., de bajantes del techo), conexiones cruzadas, alrededor de tapas de alcantarillas oa través de agujeros y grietas en las tuberías de alcantarillado.

Es probable que las aguas residuales cargadas de ceniza que ingresan a una planta de tratamiento provoquen fallas en el equipo mecánico de preselección, como las pantallas escalonadas o las pantallas giratorias. La ceniza que penetra más en el sistema se asentará y reducirá la capacidad de los reactores biológicos, además de aumentar el volumen de lodo y cambiar su composición.

Aeronave

El daño principal que sufren las aeronaves que vuelan hacia una nube de cenizas volcánicas es la abrasión de las superficies orientadas hacia adelante, como el parabrisas y los bordes de ataque de las alas, y la acumulación de cenizas en las aberturas de la superficie, incluidos los motores. La abrasión de los parabrisas y las luces de aterrizaje reducirá la visibilidad obligando a los pilotos a confiar en sus instrumentos. Sin embargo, algunos instrumentos pueden proporcionar lecturas incorrectas ya que los sensores (p. ej., tubos de Pitot) pueden bloquearse con cenizas. La ingestión de cenizas en los motores provoca daños por abrasión en las aspas del ventilador del compresor. La ceniza erosiona las cuchillas afiladas del compresor, lo que reduce su eficiencia. La ceniza se derrite en la cámara de combustión para formar vidrio fundido. Luego, la ceniza se solidifica en las palas de la turbina, bloqueando el flujo de aire y provocando que el motor se pare.

La composición de la mayoría de las cenizas es tal que su temperatura de fusión está dentro de la temperatura de funcionamiento (>1000 °C) de los grandes motores a reacción modernos. El grado de impacto depende de la concentración de cenizas en el penacho, el tiempo que la aeronave pasa dentro del penacho y las acciones tomadas por los pilotos. De manera crítica, el derretimiento de cenizas, particularmente del vidrio volcánico, puede resultar en la acumulación de cenizas resolidificadas en las paletas de guía de la boquilla de la turbina, lo que resulta en la parada del compresor y la pérdida total de empuje del motor. El procedimiento estándar del sistema de control del motor cuando detecta un posible bloqueo es aumentar la potencia, lo que agravaría el problema. Se recomienda que los pilotos reduzcan la potencia del motor y salgan rápidamente de la nube realizando un giro descendente de 180°.Los gases volcánicos, que están presentes en las nubes de ceniza, también pueden dañar los motores y los parabrisas acrílicos, y pueden persistir en la estratosfera como un aerosol casi invisible durante períodos prolongados.

Ocurrencia

Hay muchos casos de daños a aviones a reacción como resultado de un encuentro con cenizas. El 24 de junio de 1982, un Boeing 747-236B (Vuelo 9) de British Airways atravesó la nube de cenizas de la erupción del Monte Galunggung, Indonesia, lo que provocó la falla de los cuatro motores. El avión descendió 24.000 pies (7.300 m) en 16 minutos antes de que los motores se reiniciaran, lo que permitió que la aeronave realizara un aterrizaje de emergencia. El 15 de diciembre de 1989, un Boeing 747-400 (Vuelo 867) de KLM también perdió potencia en los cuatro motores después de volar hacia una nube de ceniza desde Mount Redoubt, Alaska. Después de caer 14.700 pies (4.500 m) en cuatro minutos, los motores se encendieron solo 1 o 2 minutos antes del impacto. El daño total fue de US $ 80 millones y se necesitaron 3 meses de trabajo para reparar el avión.En la década de 1990, aviones comerciales (algunos en el aire, otros en tierra) sufrieron daños adicionales por valor de 100 millones de dólares EE.UU. como consecuencia de la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991.

En abril de 2010, el espacio aéreo de toda Europa se vio afectado, con la cancelación de muchos vuelos, algo sin precedentes, debido a la presencia de ceniza volcánica en la atmósfera superior procedente de la erupción del volcán islandés Eyjafjallajökull. El 15 de abril de 2010, la Fuerza Aérea de Finlandia detuvo los vuelos de entrenamiento cuando se encontraron daños por la ingestión de polvo volcánico por parte de los motores de uno de sus cazas Boeing F-18 Hornet. El 22 de abril de 2010, los vuelos de entrenamiento de la RAF Typhoon del Reino Unido también se suspendieron temporalmente después de que se encontraran depósitos de ceniza volcánica en los motores de un avión. En junio de 2011, hubo cierres similares del espacio aéreo en Chile, Argentina, Brasil, Australia y Nueva Zelanda, luego de la erupción de Puyehue-Cordón Caulle, Chile.

Detección

Las nubes de cenizas volcánicas son muy difíciles de detectar desde un avión ya que no existen instrumentos de cabina a bordo para detectarlas. Sin embargo, un nuevo sistema llamado Airborne Volcanic Object Infrared Detector (AVOID) ha sido desarrollado recientemente por el Dr. Fred Prata mientras trabajaba en CSIRO Australia y el Instituto Noruego para la Investigación del Aire, que permitirá a los pilotos detectar penachos de ceniza hasta 60 km (37 millas).) adelante y vuele con seguridad alrededor de ellos. El sistema utiliza dos cámaras infrarrojas de muestreo rápido, montadas en una superficie orientada hacia el frente, que están sintonizadas para detectar cenizas volcánicas. Este sistema puede detectar concentraciones de ceniza de <1 mg/m3 a > 50 mg/m3, dando a los pilotos una advertencia de aproximadamente 7 a 10 minutos. La cámara fue probada por la compañía aérea easyJet,AIRBUS y Nicarnica Aviation (cofundada por el Dr. Fred Prata). Los resultados mostraron que el sistema podría funcionar a distancias de ~60 km y hasta 10 000 pies, pero no más altas sin algunas modificaciones significativas.

Además, las imágenes terrestres y satelitales, el radar y el lidar se pueden usar para detectar nubes de ceniza. Esta información se pasa entre agencias meteorológicas, observatorios volcánicos y compañías aéreas a través de los Centros de Aviso de Cenizas Volcánicas (VAAC). Hay un VAAC para cada una de las nueve regiones del mundo. Los VAAC pueden emitir avisos que describen la extensión actual y futura de la nube de ceniza.

Sistemas aeroportuarios

La ceniza volcánica no solo afecta las operaciones en vuelo, sino que también puede afectar las operaciones aeroportuarias en tierra. Pequeñas acumulaciones de ceniza pueden reducir la visibilidad, crear pistas y calles de rodaje resbaladizas, infiltrarse en los sistemas eléctricos y de comunicación, interrumpir los servicios terrestres, dañar edificios y aeronaves estacionadas. La acumulación de ceniza de más de unos pocos milímetros requiere su eliminación antes de que los aeropuertos puedan reanudar sus operaciones por completo. Las cenizas no desaparecen (a diferencia de las nevadas) y deben eliminarse de manera que eviten que el viento y los aviones las vuelvan a movilizar.

Transporte de tierra

Las cenizas pueden interrumpir los sistemas de transporte en grandes áreas durante horas o días, incluidos los caminos y los vehículos, los ferrocarriles, los puertos y el transporte marítimo. La caída de ceniza reducirá la visibilidad, lo que puede hacer que la conducción sea difícil y peligrosa. Además, los autos que viajan rápido levantarán cenizas, creando nubes ondulantes que perpetúan los peligros continuos de visibilidad. Las acumulaciones de ceniza disminuirán la tracción, especialmente cuando están mojadas, y cubrirán las marcas viales. La ceniza de grano fino puede infiltrarse en las aberturas de los automóviles y desgastar la mayoría de las superficies, especialmente entre las partes móviles. Los filtros de aire y de aceite se bloquearán y será necesario reemplazarlos con frecuencia. El transporte ferroviario es menos vulnerable, con interrupciones causadas principalmente por la reducción de la visibilidad.

El transporte marítimo también puede verse afectado por las cenizas volcánicas. La caída de ceniza bloqueará los filtros de aire y aceite y desgastará cualquier pieza móvil si se ingiere en los motores. La navegación se verá afectada por una reducción de la visibilidad durante la caída de ceniza. La ceniza vesiculada (piedra pómez y escoria) flotará en la superficie del agua en "balsas de piedra pómez" que pueden obstruir las tomas de agua rápidamente, lo que provoca un sobrecalentamiento de la maquinaria.

Comunicaciones

Las redes de telecomunicaciones y transmisión pueden verse afectadas por las cenizas volcánicas de las siguientes maneras: atenuación y reducción de la intensidad de la señal; daño al equipo; y sobrecarga de la red a través de la demanda del usuario. La atenuación de la señal debida a las cenizas volcánicas no está bien documentada; sin embargo, ha habido informes de comunicaciones interrumpidas después de la erupción de Surtsey de 1969 y la erupción del Monte Pinatubo de 1991. La investigación realizada por Auckland Engineering Lifelines Group, con sede en Nueva Zelanda, determinó teóricamente que los impactos en las señales de telecomunicaciones de las cenizas se limitarían a los servicios de baja frecuencia, como la comunicación por satélite. La interferencia de la señal también puede ser causada por rayos, ya que con frecuencia se generan dentro de las columnas de erupciones volcánicas.

Los equipos de telecomunicaciones pueden dañarse debido a la caída directa de cenizas. La mayoría de los equipos modernos requieren un enfriamiento constante de las unidades de aire acondicionado. Estos son susceptibles de bloquearse con cenizas, lo que reduce su eficiencia de enfriamiento. Las fuertes caídas de ceniza pueden hacer que las líneas de telecomunicaciones, mástiles, cables, antenas, antenas parabólicas y torres colapsen debido a la carga de ceniza. La ceniza húmeda también puede causar una corrosión acelerada de los componentes metálicos.

Los informes de erupciones recientes sugieren que la mayor interrupción de las redes de comunicación es la sobrecarga debido a la gran demanda de los usuarios. Esto es común en muchos desastres naturales.

Ordenadores

Las computadoras pueden verse afectadas por la ceniza volcánica, y su funcionalidad y facilidad de uso disminuyen durante la caída de ceniza, pero es poco probable que fallen por completo. Los componentes más vulnerables son los componentes mecánicos, como los ventiladores de refrigeración, las unidades de CD, el teclado, los ratones y las almohadillas táctiles. Estos componentes pueden atascarse con cenizas de grano fino y dejar de funcionar; sin embargo, la mayoría se puede restaurar para que funcione limpiando con aire comprimido. La ceniza húmeda puede causar cortocircuitos eléctricos dentro de las computadoras de escritorio; sin embargo, no afectará a las computadoras portátiles.

Edificios y estructuras

Los daños a edificios y estructuras pueden variar desde el colapso total o parcial del techo hasta daños menos catastróficos de los materiales exteriores e internos. Los impactos dependen del grosor de la ceniza, ya sea húmeda o seca, el techo y el diseño del edificio y la cantidad de ceniza que ingresa al edificio. El peso específico de la ceniza puede variar significativamente y la lluvia puede aumentarlo entre un 50 y un 100 %. Los problemas asociados con la carga de cenizas son similares a los de la nieve; sin embargo, la ceniza es más severa ya que 1) la carga de la ceniza es generalmente mucho mayor, 2) la ceniza no se derrite y 3) la ceniza puede obstruir y dañar las canaletas, especialmente después de la lluvia. Los impactos de la carga de cenizas dependen del diseño y la construcción del edificio, incluida la pendiente del techo, los materiales de construcción, la extensión del techo y el sistema de soporte, y la antigüedad y el mantenimiento del edificio.Por lo general, los techos planos son más susceptibles a daños y derrumbes que los techos inclinados. Los techos hechos de materiales lisos (láminas de metal o vidrio) tienen más probabilidades de arrojar cenizas que los techos hechos con materiales ásperos (paja, asfalto o tejas de madera). El colapso del techo puede provocar lesiones y muertes generalizadas y daños a la propiedad. Por ejemplo, el colapso de los techos por las cenizas durante la erupción del Monte Pinatubo el 15 de junio de 1991 mató a unas 300 personas.

Medio ambiente y agricultura

La ceniza volcánica puede tener un impacto perjudicial en el medio ambiente que puede ser difícil de predecir debido a la gran variedad de condiciones ambientales que existen dentro de la zona de caída de ceniza. Los cursos de agua naturales pueden verse afectados de la misma manera que las redes urbanas de suministro de agua. La ceniza aumentará la turbidez del agua, lo que puede reducir la cantidad de luz que llega a profundidades más bajas, lo que puede inhibir el crecimiento de las plantas acuáticas sumergidas y, en consecuencia, afectar a las especies que dependen de ellas, como los peces y los mariscos. La alta turbidez también puede afectar la capacidad de las branquias de los peces para absorber el oxígeno disuelto. También ocurrirá acidificación, lo que reducirá el pH del agua e impactará a la fauna y flora que vive en el medio ambiente. La contaminación por fluoruro ocurrirá si la ceniza contiene altas concentraciones de fluoruro.

La acumulación de cenizas también afectará los pastos, las plantas y los árboles que forman parte de las industrias de la horticultura y la agricultura. Las caídas de ceniza fina (<20 mm) pueden hacer que el ganado deje de comer y pueden inhibir la transpiración y la fotosíntesis y alterar el crecimiento. Puede haber un aumento en la producción de pastos debido a un efecto de mantillo y un ligero efecto fertilizante, como ocurrió después de las erupciones del Monte St. Helens de 1980 y del Monte Ruapehu de 1995/96. Las caídas más fuertes enterrarán completamente los pastos y el suelo, lo que provocará la muerte del pasto y la esterilización del suelo debido a la falta de oxígeno. La supervivencia de las plantas depende del espesor de las cenizas, la química de las cenizas, la compactación de las cenizas, la cantidad de lluvia, la duración del entierro y la longitud de los tallos de las plantas en el momento de la caída de las cenizas.

Los bosques jóvenes (árboles de menos de 2 años) corren el mayor riesgo de caídas de ceniza y es probable que sean destruidos por depósitos de ceniza de más de 100 mm. Es poco probable que la caída de cenizas mate a los árboles maduros, pero la carga de cenizas puede romper ramas grandes durante las caídas intensas de cenizas (>500 mm). También puede ocurrir la defoliación de los árboles, especialmente si hay un componente de ceniza gruesa dentro de la caída de ceniza.

La rehabilitación de la tierra después de la caída de cenizas puede ser posible dependiendo del espesor del depósito de cenizas. El tratamiento de rehabilitación puede incluir: siembra directa del depósito; mezcla de depósito con suelo enterrado; raspado del depósito de cenizas de la superficie terrestre; y aplicación de tierra vegetal nueva sobre el depósito de cenizas.

Interdependencia

La infraestructura crítica y los servicios de infraestructura son vitales para la funcionalidad de la sociedad moderna, para proporcionar: atención médica, policía, servicios de emergencia y líneas vitales como agua, aguas residuales y enlaces de energía y transporte. A menudo, las propias instalaciones críticas dependen de dichas líneas vitales para su funcionamiento, lo que las hace vulnerables tanto a los impactos directos de un evento peligroso como a los efectos indirectos de la interrupción de la línea vital.

Los impactos en las líneas de vida también pueden ser interdependientes. La vulnerabilidad de cada línea de vida puede depender de: el tipo de peligro, la densidad espacial de sus enlaces críticos, la dependencia de los enlaces críticos, la susceptibilidad al daño y la velocidad de restauración del servicio, el estado de reparación o la antigüedad, y las características institucionales o la propiedad.

La erupción de 2010 de Eyjafjallajokull en Islandia destacó los impactos de la caída de cenizas volcánicas en la sociedad moderna y nuestra dependencia de la funcionalidad de los servicios de infraestructura. Durante este evento, la industria de las aerolíneas sufrió pérdidas por interrupción del negocio de 1500 a 2500 millones de euros por el cierre del espacio aéreo europeo durante seis días en abril de 2010 y los cierres posteriores hasta mayo de 2010.También se sabe que la caída de ceniza de este evento ha causado pérdidas de cultivos locales en las industrias agrícolas, pérdidas en la industria del turismo, destrucción de carreteras y puentes en Islandia (en combinación con el agua derretida de los glaciares) y costos asociados con la respuesta de emergencia y la limpieza.. Sin embargo, en toda Europa hubo más pérdidas asociadas con la interrupción de los viajes, la industria de seguros, el servicio postal y las importaciones y exportaciones en Europa y en todo el mundo. Estas consecuencias demuestran la interdependencia y diversidad de impactos de un solo evento.

Preparación, mitigación y gestión

La preparación para las lluvias de ceniza debe implicar el sellado de edificios, la protección de la infraestructura y los hogares, y el almacenamiento de suministros suficientes de alimentos y agua para que duren hasta que termine la lluvia de cenizas y pueda comenzar la limpieza. Se pueden usar máscaras contra el polvo para reducir la inhalación de cenizas y mitigar cualquier efecto en la salud respiratoria. Se pueden usar gafas para protegerse contra la irritación de los ojos.

En casa, mantenerse informado sobre la actividad volcánica y contar con planes de contingencia para lugares de refugio alternativos constituye una buena preparación para un evento de caída de ceniza. Esto puede prevenir algunos impactos asociados con la caída de cenizas, reducir los efectos y aumentar la capacidad humana para hacer frente a tales eventos. Algunos artículos, como una linterna, láminas de plástico para proteger los equipos electrónicos del ingreso de cenizas y radios que funcionan con baterías, son extremadamente útiles durante los eventos de caída de cenizas.

Se deben hacer planes de comunicación con anticipación para informar sobre las acciones de mitigación que se están realizando. Las piezas de repuesto y los sistemas de respaldo deben estar en su lugar antes de los eventos de caída de cenizas para reducir la interrupción del servicio y restaurar la funcionalidad lo más rápido posible. Una buena preparación también incluye la identificación de sitios de eliminación de cenizas, antes de que ocurra la caída de cenizas, para evitar un mayor movimiento de cenizas y ayudar a la limpieza.

Se han desarrollado algunas técnicas eficaces para el manejo de las cenizas, incluidos métodos y aparatos de limpieza, y acciones para mitigar o limitar los daños. Estos últimos incluyen la cobertura de aberturas tales como: tomas de aire y agua, motores de aeronaves y ventanas durante eventos de caída de ceniza. Es posible que se cierren las carreteras para permitir la limpieza de las caídas de ceniza, o que se establezcan restricciones de velocidad para evitar que los automovilistas desarrollen problemas de motor y queden varados después de una caída de ceniza. Para evitar mayores efectos en los sistemas de agua subterránea o en las redes de aguas residuales, se deben desbloquear los desagües y las alcantarillas y evitar que las cenizas ingresen al sistema. Las cenizas se pueden humedecer (pero no saturar) rociándolas con agua, para evitar la removilización de las cenizas y ayudar a la limpieza.La priorización de las operaciones de limpieza de instalaciones críticas y la coordinación de los esfuerzos de limpieza también constituyen una buena práctica de gestión.

Se recomienda evacuar el ganado en áreas donde la caída de ceniza pueda alcanzar los 5 cm o más.

Suelos de ceniza volcánica

El uso principal de la ceniza volcánica es el de enriquecedor del suelo. Una vez que la lluvia u otros procesos naturales arrastran los minerales de la ceniza al suelo, se mezclan con el suelo para crear una capa de andisol. Esta capa es muy rica en nutrientes y es muy buena para uso agrícola; la presencia de frondosos bosques en las islas volcánicas es a menudo el resultado de árboles que crecen y florecen en el andisol rico en fósforo y nitrógeno. La ceniza volcánica también se puede usar como reemplazo de la arena.