BAB 6 Steady explosive eruptions
INTRODUCTION Pada bagian (bab) sebelumnya telah dibahas bagaimana magma mengembang (terbentuk) di permukaan, volatile dissolves ketika mulai meluruh dan membentuk gelembung gas. Perkembangan pada Magma menyebabkan eksolusi gas dan peningkatan gelembung gas melalui diffusi, dekrompresi, dan tubrukan gelembung gas.
Pada bab ini membahas apa yang terjadi pada erupsi saat magma berkembang dengan cepat, untuk mengetahui bahwa sedikit terjadi tubrukan gelembung selama proses perkembangan magma, oleh karena itu banyak sedikitnya semburan gas dan magma yang keluar dari rekahan di permukaan memiliki kecepatan tertentu, yang dikenal dengan kecepatan keluar (exit velocity)
Nilai dari exit velocity bisa berkisar dari puluhan sampai beberapa ratus meter per sekon. Perlu diperhitungkan bagaimana karakteristik magma selama stage awal dari naiknya magma, dari hasil perhitungan tersebut dapat diketahui seberapa besar pengaruh gas terhadap percampuran magma dan gas yang mengembang setelah fragmentasi.
Pengaruh gelembung gas pada fragmentasi magma Gelembung gas menjadi inti dari perkembangan magma, dan berpengaruh pada kecepatan perkembangan magma. Cara mudah untuk mengilustrasikan hal tersebut dengan membayangkan fluk masa yang terdapat pada system dike.
Massa dari material yang masuk ke dalam system dike harus sama dengan massa yang dierupsikan melalui celah (vent) fluks massa dapat di ukur di titik manapun di seluruh permukaan. nilai fluks massa di semua titik di satu permukaan bernilai sama.
Sebelum gelembung terbentuk di dalam magma, bulk density memiliki nilai yang sama dengan densitas magma. Saat magma terbentuk, bulk density dari campuran gas dan magma berkurang karena densitas gas jauh lebih kecil dibanding densitas magma. persamaan 6.1 memperlihatkan bahwa jika fluks massa tetap konstan saat melalui system dike. Kemudian bulk density dari campuran gas-magma berkurang, sebagai kompensasi kecepatan mengembang, u, dari campuran meningkat.
percepatan campuran gas-magma Energy untuk percepatan disediakan oleh ekspansi gas yang terjadi pada campuran gas-magma yang berkembang dan tekanannya berkurang. Efek tersebut bisa diilustrasikan dengan yang terjadi ketika ban sepeda yang di pompa. Proses menekan atau memasukkan udara ke dalam ban, menekan udara dan meningkatkan tekanan di dalam ban. Melakukan hal tersebut memerlukan energy, dan dengan pompa itu mengkonversi energy dari makanan yang dimakan oleh pemompa. Pada saat pesepeda memompa ban, badan dari pompa tersebut akan terasa sedikit panas hal ini dikarenakan adanya sedikit energy yang memanaskan gas, setelah selesai memompa dan kepala pompa dilepas dari dop, maka akan ada udara yang keluar dari pompa, hal ini dikarenakan tekanan udara di dalam pompa lebih tinggi dari pada udara luar.
Kembali kepada masalah berkembangnya campuran gas-magma, tekanan berkurang, gas didalam gelembung mengembang, sedikit mendingin, dan melepas energy. Energy meningkat dan percepatan campuran gas-magma di system dike dan distribusi energy pada system dirumuskan pada persamaan energy seperti berikut:
Secara bersamaan konservasi energy juga dibutuhkan untuk menghitung gaya yang bekerja pada perkembangan magma yang disebabkan oleh pergerakannya, dan menghasilkan persamaan disebut persamaan momentum:
Pengendali exit velocity Kecepatan gas dan piroklastik berukuran kecil yang meninggalkan saluran pada erupsi yang eksplosif memiliki 2 alasan yaitu : ditentukan dari laju dimana produk gabungan dengan atmosfer sekitar sampai muncul di permukaan, dan ditentukan dari cara piroklastik yang besar berpasangan dengan uap dari gas dan partikel kecil untuk jatuh ke permukaan. Ini adalah pengukuran distribusi dari clast yang besar di sekitar vent dimana masih bisa dilakukan analisis kondisi selama erupsi pre historik.
Kandungan magmatik gas dan exit velocity Semakin besar kandungan gas, semakin besar total energi yang tersedia untuk melepaskan selama pemuaian gas, oleh karena itu semakin besar energi yang tersedia untuk percepatan naiknya campuran gas piroklast. Semakin besar kandungan gas dari magma, semakin dalam kedalaman dimana gelembung akan meletus terlebih dahulu. Semakin dalam kedalaman ledakan semakin besar penurunan tekanan dari gas saat naik, dan oleh karena itu semakin besar energi dilepaskan pada ekspansi gas. Semakin besar kandungan gas, semakin dalam level fragmentasi. Semakin dalam fragmentasi berarti perubahan dari tinggi ke rendah gesekan dinding terjadi lebih dalam, secara keseluruhan gesekan hilang selama naik semakin berkurang, jadi energi tersebut bisa digunakan untuk percepatan.
Bentuk dike, geometri vent dan exit velocity Ada faktor lain yang memengaruhi kontrol dari kecepatan dimana membekunya erupsi magma menembus saluran, dan juga mempengaruhi apa yang terjadi tepat diatas saluran. Magma naik dari daerah sumber tekanan tinggi menuju ke permukaan pasti menuju ke tekanan yang sama dengan tekanan atmosfer sesudah meninggalkan saluran. Tapi ini tidak selalu terjadi, alasannya adalah setiap fluida (gas/cair) telah berasosiasi dengan kecepatan natural dimana tekanan berganti menyebar dan menembus. Tekanan berganti di udara adalah apa yang kita tahu sebagai suara, dan juga kecepatan alami ini disebut sebagai kecepatan suara dalam fluida.
Sebelum pemecahan, gelembung gas mengalami deformasi, tekanan berubah ketika berjalannya gelombang suara. Sesudah pemecahan gumpalan magma menghentikan gas dan mereka tertekan dan tertarik oleh gas sebagai perambatan gelombang suara. Ini telah ditunjukkan diatas bahwa ini adalah keadaaan tekanan untuk penyebaran gas oleh magma untuk mendapatkan energi untuk mempercepat kecepatan magma di saluran lebih dari 100 m/s. Jadi magma ini dapat erupsi pada kecepatan sejauh kemampuan magma itu sendiri, menjadi supersonik.
ini adalah konsep dalam mekanika fluida, dimana fluida mengalir melewati pipa menjadi supersonik, di daerah dimana terjadi transisi, pipa pertama mengkerut mengecil dan lalu api keluar dengan jumlah yang cukup. hal ini perlu terjadi untuk memberi kenaikan pada bentuk karakter akhir dari jet engine, dan bentuk berapi tersebut disebut sebagai Lavalle nozzle
namun tidak ada jaminan bahwa dike akan mempunyai bentuk yang tepat untuk terjadi transisi ke supersonik, lebar dike, t, dikontrol oleh distribusi tekanan yang menyebabkan dike menyebar, pada stage awal pada pemukaan saluran, kemungkinannya adalah dike akan mendekati bagian yang sempit ke arah permukaan, tidak kesamping. Jika supersonik transisi tidak dapat terjadi, cara terbaik magma dapat menuju ke permukaan yaitu pada kecepatan lokal suara. Kondisi ini disebut Choked flow dan ketika aliran terhambat, tekanan magma dalam saluran dapat lebih tinggi dari tekanan atmosfer, dan kecepatan erupsi akan menjadi lebih rendah jika transisi terjadi. Disitu akan terjadi ekspansi yang besar baik keatas maupun kesamping, magmatik gas hanya diatas saluran, dengan tekanan yang disesuaikan dengan atmosfer dan kecepatan gas dan piroklastik untuk percepatan sama, tapi kurang dari itu akan terjadi jika percepatan berubah secara halus.
Plume rise (Naiknya Plume) Hal pertama yang terjadi ketika aliran gas dan clasts keluar dari celah (vent) adalah jet mulai menggabungkan udara dari atmosfer dan sekitarnya dalam suatu proses yang dikenal dengan entrainment. Jet gas adalah aliran gas yang naik keatas melalui udara sehingga dapat menyebabkan turbulen bercampur antara udara dan tepi jet. Sel konveksi besar turbulen ini terjadi letusan karena meningkatnya karekteristik kolom sehingga kolom udara naik karena udara yang bercampur didalamnya. Lebar kolom akan meningkat akibat dari penambahan udara, tetapi tingkat ekspansi pada awalnya gas vulkanik dan clats yang ada dikolom jauh lebih panas dibandingkan dengan entrained udara sehingga membutuhkan proses pendinginan.
Salah satu efek dari entrainment adalah dimana material-material letusan kolom meningkat, kecepatan semakin menurun. Hal ini dapat dipertimbangkan dengan menggunakan prinsip konservatif momentum, rumusnya adalah : m1.v1 = m2.v2 Dimana : m1 = masa awal dari jet letusan v1 = kecepatan awal jet naik ke atas m2 = masa jet mencapai diatas v2 = kecepatan jet mencapai diatas Sebagai letusan kolom dan entrains udara, masa kolom meningkat sehingga gaya konservatif sangat membutuhkan kecepatan, untuk gerakan magma di bawah tanah, semua pertimbangan yang sama berlaku untuk gerakan di atas tanah.
Pengaruh keduanya adalah energi panas yang terkandung dalam magma gas. Ciri khas erupsi jet adalah memiliki suhu ~ 900-1150 C. Suhu udara entrained bergantung pada lokasi geografis dari vent tersebut akan tetapi biasanya suhu berkisar ~ 0 C. Volume udara pada akhirnya entrained oleh kolom letusan sangat bervariasi tergantung pada fluks massa dan isi gas magma saat meletus tetapi, secara umum, akan berada di antara 100 dan 10^5 kali volume gas yang dirilis pada letusan. ketika panas dari jet letusan dan clasts dibagi dengan udara entrained suhu kolom.
Inertial region, umunya didominasi naiknya kilometer vent. plume di atas beberapa Convective region, Zona dimana plume naik sebagai hasil buoyancy. Plume terus naik pada convective region yang banyak udara maka suhu plume semakin berkurang. Ekspansi gas-gas menyebabkan berkurangna pada energi internal, oleh karena itu temepratur dari gas dan juga dari piroklastik dimana masih dibawa suspensi di dalam plume. Piroklastik tersebut terus hilang dari plume, karena kemampuan gas mendukung clasts berkurang seperti pada pada kecepatan dan densitasnya menurun. Umbrella region, dimana plume masih memiliki inersia naik dengan perlahan melalui buoyancy netral.
6.6 Jatuhnya Butiran dari Eruption plume 6.6.1 Naiknya butiran pada eruption plume 6.6.2 Jatuhnya Butiran dari Eruption plume
6.6.1 Naiknya butiran pada eruption plume Butiran pada eruption plume akan jatuh di udara di bawah pengaruh gravitasi dan terjadi percepatan sampai gaya gravitasi kebawah seimbang dengan gaya gesek udara yang berlawanan arah. Selain itu, butiran magma juga didorong ke atas bersama naikknya aliran gas. Gaya gravitasi mencoba untuk membuat butiran tersebut jatuh dan gaya dorong mendesak butiran bersama aliran gas ke atas.
Pada praktiknya, kedua gaya mencapai keseimbangan dan untuk butiran yang bulat dapat ditulis dengan: d = diameter butiran σ= densitas butiran ρg = densitas gas g = percepatan gravitasi CD= koefisien gaya dorong UT= kecepatan terminal
Kecepatan terminal pada butiran, aliran gas adalah di dalam Untuk butiran dengan densitas tertentu, persamaan di atas menunjukkan bahwa semakin besar butiran, semakin besar kecepatan pada saat jatuh melalui aliran gas.
Aliran gas lebih berat untuk mendorong butiran yang lebih besar ke atas dari pada butiran yang lebih kecil. Hal ini ditunjukkan pada tabel berikut Radius (m) (ms -1 ) Net upward velocity (ms -1 ) 0.02 30 130 0.15 90 70 0.48 160 0 Tabel 6.3 di atas mendemonstrasikan bahwa butiran paling kecil terbawa ke atas pada kecepatan paling besar relatif terhadap permukaan tanah. Butiran paling besar mempunyai kecepatan terminal yang sama dengan kecepatan aliran gas sehingga tersuspensi dalam eruption plume pada ketinggian tetap di atas permukaan ketika partikel yang lebih kecil terus bergerak ke atas.
6.6.2 Jatuhnya Butiran dari Eruption plume Gambar 6.8 Contoh variasi kecepatan naikknya eruption plume vs. ketinggian
Pada setiap kasus kecepatan paling tinggi saat aliran gas keluar dari vent dan kemudian menurun dengan cepat pada daerah dorongan gas. Kecepatan tetap pada region konvektif sebelum menurun dengan cepat dekat bagian atas dari plume. Pada 2 kasus berbeda gambar 6.8 mengilustrasikan, ketinggian diperoleh butiran dengan ukuran tergantung pada konsisi erupsi: erupsi dengan flux massa lebih besar (erupsi 1) memproduksi plume yang lebih tinggi dan membawa butiran dengan ukuran lebih tinggi di atas vent dari pada plume dengan flux massa yang lebih kecil (erupsi 2).
Erupsi plume merupakan area dengan turbulensi tinggi jadi sebuah butiran yang telah mencapai ketinggian maksimum tidak akan tersuspensi dengan pasif pada ketinggian ini tetapi malah akan tetap bergerak berkeliling karena arus eddy. Akhirnya butiran tersebut berada di tepi eruption plume, meninggalkan plume karena tidak didukung oleh aliran gas sehingga butiran akan jatuh ke tanah.
6.7 Kolom letusan tidak stabil Dalam plume erupsi stabil, udara ikut ke dalam kolom yang cukup panas menjadi termal apung meskipun beban piroklastik itu ikut membawa. Bagian ini terlihat pada apa yang terjadi pada sebuah plume erupsi jika tidak dapat mencapai daya apung termal.
Kepadatan plume dan stabilitas kolom Kita mulai dengan mempertimbangkan bagaimana kepadatan plume erupsi bervariasi dengan ketinggian. Tabel 6.4 menunjukkan kepadatan massa khas untuk gas-magma campuran karena mereka meninggalkan lubang letusan. Dari nilai-nilai ini jelas bahwa, bahkan di erupsi paling kaya gas, campuran gas-magma lebih padat daripada udara ketika meletus dari lubang.
plume mencapai titik di mana kecepatan kenaikan yang diabaikan tapi kepadatan sebagian besar dari material plume (kepadatan keseluruhan campuran gas dan piroklastik) masih lebih besar dari udara sekitarnya. Dalam situasi ini plume bisa naik lagi bersama material di dalamnya akan jatuh kembali ke permukaan tanah dalam aliran berkelanjutan membentuk semacam air mancur besar melewati lubang. Efek ini biasanya disebut sebagai runtuhnya kolom, meskipun akan lebih baik digambarkan sebagai ketidakstabilan kolom
Penyebab ketidakstabilan kolom dalam banyak kasus, plume erupsi dalam letusan stabil pada awalnya stabil tapi dalam keadaan tertentu, menjadi tidak stabil pada tahap berikutnya. Ada dua alasan utama mengapa kolom letusan mungkin menjadi tidak stabil sebagai letusan yang menerus. fluks massa dapat meningkat secara signifikan atau kandungan gas dari magma yan meletus dapat turun.
diambil kasus massal fluks meningkat terlebih dahulu. Fluks massa, Mf, diberikan oleh dimana r adalah jari-jari ventilasi, ρb adalah densitas bulk dari campuran gas-magma dan u adalah kecepatan keluar dari campuran gas-magma. Jadi fluks massa sebanding dengan r 2. Sebagai campuran gas-magma muncul dari lubang itu mulai naik ikut udara di sekitar margin nya. Luas permukaan A, di mana udara yang dapat ikut adalah di mana x adalah jarak vertikal digerakkan oleh jet gas dalam satu detik. Dengan demikian luas permukaan di mana udara dapat entrained sebanding dengan radius lubang. Karena fluks massa peningkatan material vulkanik bertambah besar sebanding dengan r 2 sedangkan jumlah atmosfer sekitarnya entrained meningkat hanya dalam proporsi r, entrainment tidak mengimbangi dengan fluks massa meningkat.
Jadi, situasi dapat dihubungi di mana gasmagma campuran belum cukup terbawa udara pada saat itu mencapai puncak daerah gas-dorong untuk mengapung. Dalam situasi seperti letusan membanggakan akan berhenti menjadi stabil dan akan runtuh. Efek ini dapat dilihat dalam contoh pada Gambar 6.10a. Berikut letusan Plinian dimulai dari lubang dengan radius 12 m.