BAB 6 Steady explosive eruptions

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, di dalam
aliran gas adalah
• 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
0.15
0.48
30
90
160
130
70
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 r2.
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
r2 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.