Το παρακάτω μοντέλο απεικονίζει μια σχηματική τομή ενός ηφαιστείου που εκδηλώνει εκρηκτική ηφαιστειακή δράση, τυπική μιας Πλινιακής έκρηξης (Plinian eruption). Υπάρχουν διάφορα επίπεδα πίεσης στη μαγματική στήλη (magma column) κάτω από το ηφαίστειο και στη εκρηκτική στήλη (eruption column) πάνω από το ηφαίστειο. Παρακάτω περιγράφεται το τι συμβαίνει σε αυτά τα επίπεδα πίεσης και εξηγούνται οι δυναμικές διαδικασίες που σχετίζονται με την έκρηξη.

Γραφική προσομείωση μιας Πλινιακής έκρηξης.
(δημιουργία Jeff Sale & Vic Camp, τροποποίηση Τ. Σολδάτος).

ΜΑΓΜΑΤΙΚΗ ΣΤΗΛΗ

Η έκρηξη τροφοδοτείται από το μάγμα που βρίσκεται κάτω από το σημείο της έκρηξης. Στη μαγματική στήλη υπάρχουν δύο κρίσιμα επίπεδα πίεσης:

1) Επιφάνεια απόμιξης (exsolution surface).
Βρίσκεται στο μαγματικό θάλαμο κάτω από το ηφαίστειο και χωρίζει την περιοχή, όπου το μάγμα είναι κορεσμένο σε διαλελυμένα πτητικά αέρια, από την υπερκείμενη περιοχή απόμιξης ή φυσαλιδοποίησης (vesiculation region), όπου τα αέρια απομιγνύονται και σχηματίζουν φυσαλίδες.

2) Επιφάνεια διαμελισμού (fragmentation surface).
Βρίσκεται στο πάνω τμήμα της μαγματικής στήλης και χωρίζει την περιοχή απόμιξης από την υπερκείμενη εκρηκτική στήλη. Ο διαμελισμός ή θρυμματισμός του μάγματος προκαλείται από τη γρήγορη διαστολή και έκρηξη των φυσαλίδων.

Η απόμιξη των αερίων στο μάγμα ("βρασμός") ονομάζεται φυσαλιδοποίηση. Καθώς το μάγμα ανέρχεται σε ολοένα και μικρότερα βάθη αποσυμπιέζεται. Όταν η περιβάλλουσα πίεση των πετρωμάτων γίνει μικρότερη από την πίεση των αερίων, τότε αρχίζει η ανάπτυξη φυσαλίδων, γεγονός που συμβαίνει στην επιφάνεια απόμιξης. Κατ΄αυτόν τον τρόπο δημιουργείται μέσα στον ηφαιστειακό πόρο "ένας αφρός" μάγματος-αερίων. Καθώς η άνοδος συνεχίζεται οι φυσαλίδες διαστέλλονται τόσο, που κάποια στιγμή (όταν ο όγκος τους γίνει περίπου το 75% του συνολικού όγκου της μαγματικής στήλης) εκρήγνυνται. Το αποτέλεσμα είναι αυτός ο "αφρός" μάγματος-αερίων να θρυμματιστεί και να κατακερματιστεί, γεγονός που συμβαίνει στην επιφάνεια διαμελισμού.

Η απελευθέρωση των αερίων περιορίζεται μέσα στον ηφαιστειακό πόρο και η ταχύτητα εξόδου εξαρτάται κυρίως από το ποσοστό αερίων στο μάγμα. Συχνά, όταν η πίεση εξόδου είναι μεγάλη και η αντίσταση των πετρωμάτων που φράσουν το στόμιο του πόρου είναι μικρή, το στόμιο του πόρου διαβρώνεται και διευρύνεται. Επακόλουθο είναι η ταχύτητα εξόδου να αυξάνεται, και το μίγμα ενώ είχε ταχύτητα μικρότερη του ήχου να αποκτά ταχύτητα μεγαλύτερη του ήχου.

Μαγματική στήλη.

ΕΚΡΗΚΤΙΚΗ ΣΤΗΛΗ

Η επιφάνεια διαμελισμού είναι το σημείο απ΄όπου ξεκινά η έκρηξη. Η περιοχή υπέρθερμων αερίων και πυροκλαστικών υλικών πάνω από την επιφάνεια διαμελισμού ονομάζεται εκρηκτική στήλη (eruption column). Αυτή μεταφέρει τα πυροκλαστικά υλικά από το έδαφος στην ατμόσφαιρα. Οι εκρηκτικές στήλες πλινιακών ηφαιστειακών εκρήξεων φτάνουν συνήθως σε ύψη μεταξύ 2 και 45 km.

Η δυναμική συμπεριφορά της εκρηκτικής στήλης μεταβάλλεται καθώς αυτή από την επιφάνεια διαμελισμού ανεβαίνει προς τη στρατόσφαιρα. Με βάση αυτές τις μεταβολές η εκρηκτική στήλη χωρίζεται σε τρεις βασικές περιοχές:

1) Περιοχή αέριας ώσης (gas thrust region).
Βρίσκεται στο κατώτερο τμήμα της στήλης. Η προωθητική ενέργεια προέρχεται από την αποσυμπίεση των αερίων.

2) Περιοχή μεταγωγής (convective thrust region).
Βρίσκεται στο ανώτερο τμήμα της στήλης. Η προωθητική ενέργεια προέρχεται από την θερμική ενέργεια της στήλης.

3) Περιοχή ομπρέλας (umbrella region).
Βρίσκεται στην κορυφή της στήλης. Εδώ η κίνηση οφείλεται μόνο στην ορμή της στήλης.

Η περιοχή αέριας ώσης είναι η περιοχή όπου το μίγμα αερίων-πυροκλαστικών εκσφενδονίζεται κατακόρυφα προωθούμενο από την ενέργεια που παράγει η αποσυμπίεση εξαιτίας της διαστολής των αερίων στη βάση της εκρηκτικής στήλης. Η πυκνότητα του μίγματος που εξέρχεται από τον πόρο εξαρτάται από την αναλογία αερίων-πυροκλαστικών. Αρχικά το μίγμα έχει μεγαλύτερη πυκνότητα από τον αέρα λόγω των στερεών πυροκλαστικών που περιέχει, οπότε η ανοδική του κίνηση επιβραδύνεται.

Καθώς όμως κάποια στερεά αναβλήματα καταπίπτουν ως πυροκλαστικά πτώσης η πυκνότητα μειώνεται. Στη μείωση της πυκνότητας συμβάλλει επίσης και η θερμότητα της στήλης, η οποία θερμαίνει τον περιβάλλοντα ατμοσφαιρικό αέρα. Όταν η πυκνότητα του νέφους γίνει μικρότερη από αυτήν του ατμοσφαιρικού αέρα, η στήλη συνεχίζει την άνοδό της λόγω άνωσης και ρευμάτων μεταφοράς. Σε αυτό το σημείο η περιοχή αέριας ώσης δίνει τη θέση της στην περιοχή μεταγωγής, η οποία αποτελεί το 90% της εκρηκτικής στήλης. Τώρα, το ηφαιστειακό νέφος προωθείται από τη θερμική του ενέργεια, η οποία παραμένει σταθερή λόγω της προσφοράς θερμότητας από τα θερμά στερεά αναβλήματα.

Σε κάποιο ύψος, η πυκνότητα του νέφους θα γίνει ίση με την πυκνότητα του ατμοσφαιρικού αέρα, οπότε η άνοδος του νέφους θα ελέγχεται μόνο από την ορμή του. Στο σημείο αυτό η στήλη απλώνεται και σχηματίζει την περιοχή ομπρέλας. Στη βάση της ομπρέλας η πυκνότητα του νέφους είναι ίση με την πυκνότητα του περιβάλλοντα ατμοσφαιρικού αέρα, ενώ η ανοδική κίνηση προς την κορυφή της ομπρέλας οφείλεται μόνο στην ορμή. Συχνά, η περιοχή ομπρέλας επεκτείνεται πλευρικά αποκτώντας ασύμμετρο σχήμα, διότι επηρεάζεται από τους ισχυρούς ατμοσφαιρικούς ανέμους.

Εκρηκτική στήλη.
 

Έκρηξη του ηφαιστείου Rabaul Caldera (Παπούα Νέα Γουινέα, 1994). Η εκρηκτική στήλη ανήλθε σε ύψος 18 km όπου λόγω των ανέμων σχημάτισε το ηφαιστειακό νέφος. Photo: USGS

Εκρηκτική στήλη του ηφαιστείου Redoubt (Αλάσκα, 1990). Photo: Clucas R.

Εκρηκτική στήλη του ηφαιστείου Pinatubo (Φιλιππίνες, 1991). Photo: Clucas R.