Hunga Tonga Shockwave [IT] - [EN]

in Discovery-it4 months ago
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Il giorno 15 gennaio 2022 ha avuto luogo nel regno di Tonga una grande eruzione del vulcano sottomarino Hunga Tonga. In questo articolo cercheremo di fare chiarezza sulla propagazione della sua onda d'urto, interessandoci un po' di argomenti di geofisica, meteorologia, chimica e ovviamente aerodinamica.On January 15, 2022, a major eruption of the underwater volcano Hunga Tonga took place in the kingdom of Tonga. In this article we will try to explain the propagation of its shock wave, focusing on topics of geophysics, meteorology, chemistry and obviously aerodynamics.

L'eruzione / The eruption (credit: wikipedia)

IntroduzioneForeword
Un' eruzione vulcanica è sempre un evento geofisico estremo. Un enorme rilascio di materia in stato sia solido sia gassoso (o, nel caso della lava, liquido ad altissima viscosità) provoca eventi potenzialmente pericolosi non solo dal punto di vista delle alte temperature ma anche per quanto riguarda la propagazione di terremoti, onde marine anomale (tsunami), emissione di cenere (pericolosa sia per la vita sia per la meccanica, in particolare nei motori degli aviogetti) e, come ogni esplosione che si rispetti, genera un'onda pressoria che si propaga velocemente: ora cercheremo di spiegare quanto velocementeA volcanic eruption is always an extreme geophysical event. An enormous release of both solid and gaseous matter (or, in the case of lava, high viscosity liquid) causes potentially dangerous events not only from the point of view of high temperatures but also as regards the propagation of earthquakes, anomalous sea waves (tsunami), ash emission (dangerous for both life and mechanics, in particular in jet aircraft engines) and, like any explosion, it generates a pressure wave that spreads quickly: now we will try to explain how fast.
Cenni sulle esplosioniExplosions Elements
Generalmente si considera esplosione una reazione chimica molto veloce e fortemente esotermica nella quale una sostanza tende a dissociarsi in molecole più piccole attraverso una reazione di combustione. La velocità di propagazione del fronte di fiamma all'interno del mezzo permette di classificare le esplosioni in due grandi famiglie: le deflagrazioni, ove il fronte di fiamma viaggia a velocità inferiori a quella del suono e le detonazioni, ove il fronte di fiamma viaggia a velocità supersoniche.An explosion is generally speaking a very fast and strongly exothermic chemical reaction in which a substance tends to dissociate into smaller molecules through a combustion reaction. The propagation speed of the flame front inside the medium makes it possible to classify them into two families: deflagrations, where the flame front travels at speeds lower than that of sound, and detonations, where it travels at supersonic speeds.
Ad esempio la nitroglicerina, C3H5N3O9 o meglio C3H5(ONO2)3 , facilmente (è una molecola piuttosto instabile, per usare un eufemismo) si dissocia secondo la seguente reazione: 4C3H5(ONO2)3 -> 6N2 + 12CO2 + 10H2O + O2: è davvero molto facile intuire che se da 4 molecole di un liquido (la nitroglicerina) otteniamo 29 molecole di gas la reazione deve essere fortemente esotermica e che una certa espansione dovrà per forza avvenire. La massa si conserva ma il volume aumenta. In questo caso si parla di detonazione in qunato il fronte di fiamma è supersonico. Parecchio supersonico.For example, if we take nitroglycerin, C3H5N3O9 or better C3H5(ONO2)3, it very easily (it is a rather unstable molecule) dissociates according to this reaction: 4C3H5(ONO2)3 -> 6N2 + 12CO2 + 10H2O + O2: it is easy to understand that if from 4 molecules of a liquid (nitroglycerin) we obtain 29 gas molecules the reaction must be strongly exothermic and that a certain gas expansion must necessarily take place. In this case we speak of detonation because the flame front is supersonic. Quite supersonic.
Parliamo di vulcaniLet's talk about volcanoes
E' vero che nel caso di un esplosivo deflagrante all'interno dello stesso il fronte di fiamma si propaghi a velocità largamente supersoniche ma questo non accade in altri tipi di esplosioni, ad esempio in quelleche stiamo considerando. I vulcani infatti generano sicuramente delle esplosioni a causa del rilascio immediato di enormi quantità di gas. Non è propriamente un'esplosione da combustione ma gli effetti fisici possono sicuramente essere paragonati.It is true that in the case of a deflagrating explosive, inside it, the flame front spreads at largely supersonic speeds, but this does not happen in other types of explosions. Volcanoes in fact certainly generate explosions due to the immediate release of enormous quantities of gas. It's not really a combustion explosion but the physical effects can definitely be compared. It is something much slower but still very dangerous.
Intanto iniziamo a dire che sarebbe meglio chiamare la repentina variazione pretoria dovuta a questo tipo di esplosioni non onda d'urto bensì semplicemente onda di pressione proprio perchè, evidentemente, non vi sono evidenze che possa superare la velocità del suono. In verità anche negli esplosivi deflagranti, l'onda d'urto può estendersi per parecchi metri ma prima o poi si trasforma in una semplice onda di pressione, ovvero un luogo di punti spaziotemporali nell'intorno dei quali si possono misurare repentine variazioni pressorie.Meanwhile, let's say that it would be better to refer at the sudden pressure variation, due to this type of explosion not, as a shock wave but simply as a pressure wave precisely because, obviously, there is no evidence that it can exceed the speed of sound. In truth, even in detonating explosives, the shock wave can extend for several meters but sooner or later it turns into a simple pressure wave, that is a place of space / time points around which sudden pressure variations can be measured. Still quite dangerous anyway.
Propagazione aerea dell'ondaAirwave propagation
Ogni fenomeno che si trasmette per mezzo dell'aria e grazie alle interazioni tra le sue molecole viaggia alla velocità del suono che è facilmente determinabile e pari a circa 340 m/sec a 288 K (o se preferite 1225 km/h a 15°C).Every phenomenon that is transmitted through the air and due to the interactions between its molecules travels at the speed of sound which is equal to about 340 m / sec at 288 K (or if you prefer 1225 km / h at 15 ° C).
Questo è dovuto semplicemente alle caratteristiche delle molecole che costituiscono l'aria. Occorre immaginarle un po' come le palline del pendolo di Newton, che dimostrano bene la conservazione della quantità di moto: ogni "particella" d'aria (ovvero ogni agglomerato di molecole, diciamo una sfera da 20 molecole di ossigeno e 80 di idrogeno se proprio vogliamo immaginarne una come se fosse una pallina) "trasmette" adiabaticamente (cioè senza scambio di calore) la sua quantità di moto ad un'altra adiacente. Misurando la velocità di propagazione di questo "trasferimento di informazioni" scopriremo che è proprio quella del suono (che è appunto una perturbazione adiabatica dell'aria in cui le variazioni pressorie sono in genere assolutamente trascurabili, come ad esempio come accade con le vibrazioni delle corde negli strumenti musicali).This is simply due to the characteristics of the molecules that make up the air. It is necessary to imagine them a bit like the balls of Newton's pendulum, which demonstrate well the conservation of momentum: every "particle" of air (that is, every agglomeration of molecules, let's say a sphere of 20 oxygen molecules and 80 of hydrogen if we really want to imagine one as if it were a ball) "transmits" its momentum adiabatically (ie without heat exchange) to another adjacent one. By measuring the propagation speed of this "information transfer" we will discover that it is precisely the velocity of sound (which is precisely an adiabatic perturbation of the air in which the pressure variations are generally absolutely negligible, such as for example as happens with the vibrations of the strings in musical instruments and in many other phenomena).


Newton's cradle (credit: wikipedia)

Risultati attesiExpected results
Per quanto fin ora esposto dobbiamo aspettarci fondamentalmente due cose: un'eruzione vulcanica crea un'onda pressoria e quest'ultima si propaga alla velocità del suono in ogni direzione.For what has been stated so far, we must basically expect two things: a volcanic eruption creates a pressure wave and the latter propagates at the speed of sound in every direction.
Conoscendo quindi la distanza sulla terra di un punto qualsiasi dal vulcano, potremo aspettarci di misurare una repentina variazione di pressione dopo un tempo pari alla distanza divisa per la velocità del suonoKnowing therefore the distance on earth of any point from the volcano, we can expect to measure a sudden change in pressure after a time equal to that distance divided by the speed of sound.
Considerazioni storicheHistorical considerations
La possibilità di calcolare la distanza di un fenomeno basandosi sulla velocità del suono è sempre stata di grande importanza nella storia. Ad esempio in guerra, per conoscere la distanza di un pezzo di artiglieria, si potevano osservare i fenomeni relativi allo sparo (fiamme e fumo dal cannone) molto prima di sentire il boato. Misurando il tempo trascorso tra l'osservazione dello sparo (che è praticamente istantanea viaggiando la luce a quasi 300.000 km/sec) e il manifestarsi del boato si poteva calcolare più o meno precisamente la distanza dalla postazione di tiro. Oggi lo stesso sistema si usa quando, dopo aver visto un fulmine, si misurano diversi secondi prima di sentire il tuono. E' lo stesso principio. Su alcuni orologi cronografici, una scala graduata detta telemetro permette di leggere direttamente sul quadrante la distanza se si fa partire la lancetta del cronometro all'osservazione del fenomeno e la si ferma quando si sente il boato.The ability to calculate the distance from a phenomenon based on the speed of sound has always been of great importance in history. For example in war, to know the distance of a piece of artillery, one could observe the phenomena related to the shot (flames and smoke from the cannon) long before hearing the roar. By measuring the time elapsed between the observation of the shot (which is practically instantaneous, the light travels at almost 300,000 km / sec...) and the occurrence of the roar it was possible to calculate more or less precisely the distance from the firing position. Today the same system is used when, after seeing a lightning bolt, you measure several seconds before hearing the thunder. It is the same principle. On some chronograph watches, a graduated scale called * telemeter * allows you to read the distance directly on the dial if you start the stopwatch hand when observing the phenomenon and stop it when you hear the roar.


Patek Philppe Multiscale Telemere - (credit: Patek Philippe)

Torniamo al vulcano di Tonga: Dov'è esattamente?Let's return to the Volcano: where is it?
Il vulcano è localizzato alle seguenti coordinate:The volcano is located at these coordinates:

20.536°S 175.382°W

Nota: le coordinate sono espresse in gradi e decimi di gradoNote: coordinates are given in decimal degrees
Più o meno siamo in mezzo all'oceano PacificoMore or less we are in the middle of Pacific Ocean
A che ora esattamente è avvenuta l'eruzione?What time did the eruption occur?
15 gennaio 2022, 04:14:45 UTCJanuary, 15 2020, 04:14:45 UTC
Fino a dove si è sentito il boato?How far was the boom heard?
Ci sono riporti dalla Nuova Zelanda, distante 2000 km, dove il suono è arrivato approssimativamente due ore dopo (ricordate, la velocità del suono è di circa 1000 km/h).There are reports from New Zealand, 2000 km away, where the sound arrived two hours later (remember, the speed of sound is roughly 1000 km/h).
A quanto ammonta la variazione di pressione misurata?How high is the measured pressure variation?
Ci sono state diverse misurazioni e, come prevedibile, maggiore è la distanza e minore sarà l'intensità dell'onda. In linea di massima abbiamo riporti di 7 hPa in Nuova Zelanda, 2.5 hPa in Svizzera e 2 hPa in InghilterraThere have been several measurements and, as expected, the greater the distance, the lower the intensity of the wave. In general, we have reports of 7 hPa in New Zealand, 2.5 hPa in Switzerland and 2 hPa in England.
La misurazione più interessanteThe most interesting record
Tra le tante misurazioni (di cui alcune palesemente errate, poi vedremo quali) la più interessante è sicuramente quella di Dan Holley, meteorologo alla BBC. Qui il suo profilo twitter.Watton, nel Norfolk (UK), dista 16500 km dal vulcano. La prima onda, quella delle 19:15 UTC del 15 gennaio è relativa al tragitto più breve. In effetti per percorrere 16500 km il suono impiega 13 ore e 30 minuti e l'eruzione è iniziata alle 04:14 UTC. Il ritardo di un'ora è perfettamente ammissibile in quanto essendo l'onda di pressione un fenomeno non particolarmente "fine", non è detto che possa anche viaggiare ad una velocità leggermente inferiore a quella del suono oppure, come più probabile, che non sia stata provocata dalla prima esplosione dell'eruzione ma da un'altra seguente e più intensa. Interessante notare anche la seconda onda che invece è relativa al tragitto più lungo (ovvero quello che ha "aggirato" dalla parte opposta il nostro pianeta ed è stata registrata alle 02:00 del giorno seguente.Among many measurements (some of which are clearly incorrect, later we will see which ones) the most interesting is certainly that of Dan Holley, a meteorologist at the BBC. Here his twitter profile .Watton, in Norfolk (UK), is 16,500km from the volcano. The first wave, that of 19:15 UTC on January 15th, refers to the shortest route. In fact, the sound takes 13 hours and 30 minutes to travel 16500 km and the eruption started at 04:14 UTC. The delay of one hour is perfectly admissible since the pressure wave being a not particularly "fine" phenomenon, it is not certain that it can also travel at a speed slightly lower than that of sound or, as more likely, that it is was not caused by the first explosion of the eruption but by another following and more intense. It is also interesting to note the second wave which instead relates to the longest journey (ie the one that "bypassed" our planet on the opposite side and was recorded at 02:00 on the next day.

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Onde pressorie / Pressure waves. Credit: Dan Holley

Misurzioni italianeItalian measurements
Noi italiani siamo sempre un po' pasticcioni quando abbiamo a che fare con le misurazioni temporali. Non sono passati molti anni da quando al Gran Sasso, per un problemino di sincronizzazione degli orologi, abbiamo fatto credere erroneamente a tutti per qualche giorno che i neutrini fossero superluminali (più veloci della luce).We Italians are always a bit of a bummer when it comes to time measurements. It has not been many years since at the Gran Sasso, for a problem with clocks synchronization , we made everyone mistakenly believe for a few days that neutrinos were superluminal (faster than light).
Ancora una volta non ci siamo smentiti su questo pianoOnce again we have not proven wrong.
Ieri sera leggendo qualche post su Facebook ho notato un post di un importante centro universitario che si occupa di misurazioni geofisiche dove si dichiara una velocità dell'onda superiore a 500 m/sec (è in Italiano ma i numeri e le unità di misura sono facilmente comprensibili da tutti):On Facebook I noticed a post from an important university that deals with geophysical measurements where a wave speed of more than 500 m / sec is declared (it is in Italian but the numbers are easily understood by everyone):

IMG_8943.PNG

Più veloce del suono?Faster than sound?
Probabilmente no e per questo ho commentato che se le misurazioni fossero state corrette la cosa sarebbe certamente stata interessante. Letteralmente il mio commento, come potete vedere, chiede semplicemente di confermare i dati non appena possibile.Probably not and that's why I commented that, if the measurements were correct, it would certainly be interesting. Literally my comment, as you can see, simply asks to confirm the data as soon as possible.

IMG_8944.PNGMy comment: Interesting. Especially because it travelled faster than sound. Will You tell us something when it will be confirmed?

Cosa è successoWhat happened next
Non molto per la verità. Il post è stato cancellato (come il mio commento) e sostituito da un altro dove secondo loro "come qualcuno ci ha fatto notare". Per la precisione hanno scritto: Assumendo in circa 10000 km la distanza in linea d’aria dalla Costa Rica con il tempo di propagazione che corrisponde a 7 ore e 45 minuti, troviamo una velocità di propagazione di 358 m/s pari a 1290 km/h. Resta, come qualcuno ci aveva fatto notare, un valore un po’ alto, quasi corrispondente alla velocità del suono. Altri siti e commenti parlano di 1100-1190 km/h. Possibile che ci siano ancora alcuni dettagli da controllare, ma questo farà parte, eventualmente, di approfondimenti scientifici. Nota: loro misuravano la differenza di tempi tra la misurazione di una stazione in Costa Rica e la loro in Italia.Not much actually. The post has been deleted (like my comment) and replaced by another where according to them "as someone pointed out to us". To be precise, they wrote: Assuming in about 10000 km the distance from Costa Rica with the propagation time that corresponds to 7 hours and 45 minutes, we find a propagation speed of 358 m / s equal to 1290 km / h. It remains, as someone had pointed out to us, a somewhat high value, almost corresponding to the speed of sound. Other sites and comments speak of 1100-1190 km / h. It is possible that there are still some details to check, but this will eventually be part of scientific insights. Note: they measured the difference in time between the wave measurement of a station in Costa Rica and their one in Italy.
Ho contattato anche un responsabile dell'Osservatorio, ottimo divulgatore scientifico e persona sicuramente preparata, per spiegare che la mia non voleva essere polemica ma solo una sana curiosità scientifica. In fondo sono cose come queste che permettono nuove scoperte. Per ora purtroppo nessuna risposta.I also contacted a technician of the Observatory, an excellent science communicator and a certainly competent person, to explain that mine did not want to be controversial but only a healthy scientific curiosity. After all, things like these allow for new discoveries. Unfortunately no answer for now.
ConclusioniConclusions
Allo stato attuale delle conoscenze non è impossibile che nelle immediate vicinanze di un ordigno deflagrante l'onda d'urto si propaghi a velocità supersoniche ma presto l'onda perde energia a causa dell'interazione con l'aria atmosferica e la rimanente onda pressoria viaggerà al massimo alla velocità del suono. Questo a maggior ragione accade quando l'esplosione non aveva nemmeno all'inizio un fronte supersonico come è più che probabile quando si parla di vulcani.In the current state of knowledge it is not impossible that in the immediate vicinity of an explosive device the shock wave propagates at supersonic speeds but soon the wave loses energy due to the interaction with atmospheric air and the remaining pressure wave will travel at no more than the speed of sound. This happens certainly when the explosion did not even initially have a supersonic front as it is more than likely when it comes to volcanoes.
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Very informative thank you

Outstanding Photo
well done