Un nuevo escenario de peligro en el Vesubio: impacto térmico mortal de las oleadas de nubes de cenizas separadas en 79CE en Herculano

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 5622 (2023) Citar este artículo

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Las corrientes de densidad piroclástica diluida son capaces de causar una gran devastación y mortalidad alrededor de los volcanes, y la temperatura es un parámetro crucial para evaluar su poder letal. El análisis de reflectancia en madera carbonizada de la antigua Herculano permitió una nueva reconstrucción de los eventos térmicos que afectaron a los edificios y a los humanos durante la erupción del Vesubio en el año 79 d.C. Aquí mostramos que el primer PDC que ingresó a la ciudad fue una nube de ceniza de corta duración, con temperaturas de 555–495 °C, capaz de causar la muerte instantánea de personas, dejando solo unos pocos decímetros de ceniza en el suelo, que nosotros interpretar como separado de las corrientes de alta concentración. Las corrientes piroclásticas posteriores que enterraron progresivamente la ciudad fueron en su mayoría PDC de mayor concentración a temperaturas más bajas, entre 465 y 390 y 350–315 °C. Charcoal demostró ser el único proxy capaz de registrar múltiples eventos térmicos extremos efímeros, revelando así por primera vez el impacto térmico real de la erupción 79CE. El impacto letal documentado para el PDC diluido producido durante erupciones volcánicas antiguas y recientes sugiere que tal peligro merece una mayor consideración en el Vesubio y en otros lugares, especialmente el peligro subestimado asociado con las oleadas de nubes de cenizas calientes desprendidas, que, aunque de corta duración, pueden exponer los edificios a un calor intenso. daños y personas a la muerte.

Las corrientes de densidad piroclástica diluida se encuentran entre los fenómenos volcánicos más letales. Son corrientes piroclásticas que abrazan el suelo (PDC, por sus siglas en inglés) altamente turbulentas, que pueden originarse en la ventilación como oleadas diluidas (especialmente durante las erupciones freatomagmáticas), o pueden estar asociadas con corrientes subterráneas basales confinadas en valles de alta concentración, de las cuales pueden desprenderse y moverse de forma independiente. , incluso a través de topografías accidentadas, lo que hace que sus caminos sean altamente impredecibles1,2,3. Los PDC diluidos son responsables de algunos de los desastres volcánicos más mortíferos, como el ocurrido el 8 de mayo de 1902 en St Pierre, Martinica, cuando casi 30 000 personas murieron instantáneamente4,5,6, o el 15 de septiembre de 1991 en Mt Unzen, Japón. , que causó 44 muertes7,8, o el 5 de noviembre de 2010 en Merapi, Indonesia, donde murieron más de 200 personas9,10.

Los principales factores que causan víctimas y lesiones por los PDC diluidos surgen de una combinación de (1) quemaduras debido a sus altas temperaturas11,12,13,14,15,16,17, (2) presión dinámica4,6; (3) lesiones por gases ácidos18, (4) asfixia por inhalación de cenizas14,19.

Debido a su baja densidad y turbulencia, los PDC diluidos son propensos a mezclarse rápidamente con el aire ambiente, disipando rápidamente su temperatura inicial, por lo que los PDC diluidos rara vez se asocian con altas temperaturas. Por el contrario, el PDC diluido que envuelve flujos de alta concentración, conocidos como oleadas de nubes de ceniza2,3, pueden mantener temperaturas muy altas siempre que estén acoplados con el flujo basal de alta concentración23, que en cambio son térmicamente conservadores20,21,22, y que transfieren continuamente hacia arriba tanto la masa como la energía térmica11,23. Esto implica que si y donde ocurre el desprendimiento de la nube de ceniza debido a efectos topográficos (p. ej., 2,3), incluso en tramos distales (p. ej., 14,24), su temperatura inicial puede ser tan alta como la alta concentración basal original. actual.

Sin embargo, una vez que se desprenden, las nubes de ceniza diluidas y turbulentas son eventos de corta duración, que muy a menudo dejan en el suelo solo unos pocos centímetros de ceniza antes de despegar, con muy poco potencial de preservación en el registro geológico, a menos que sean enterrados de manera inmediata y conservadora por otros. depósitos de la misma erupción (p. ej., caída y/o depósitos de PC no erosivos). El escaso potencial de conservación ha llevado a un número limitado de estudios sobre este tipo de depósitos y fenómenos relacionados1,2,3,5,6,7,25,26,27,28, y posiblemente a una subestimación del riesgo de oleadas de nubes de ceniza. especialmente de sus impactos térmicos.

Los sitios arqueológicos de Herculano y Pompeya son probablemente los casos históricos más espectaculares y famosos de la interacción entre las corrientes piroclásticas, los humanos y los asentamientos (Fig. 1). Se encontraron cientos de esqueletos de víctimas humanas preservados dentro de capas de depósitos piroclásticos emplazados durante la erupción del Monte Vesubio en el año 79 EC13,14,15,16,29.

Ubicación del sitio arqueológico de Herculano y estratigrafía de la erupción del Vesubio del año 79 d.C. (a) Mapa general de Google Earth (Map data ©2022 TerraMetrics) de la llanura de Campanian con ubicaciones de los sitios arqueológicos de Herculano, Oplontis, Pompeya y Stabiae; (b) mapa de la antigua ciudad de Herculano que informa los cinco sitios de muestreo: Collegium Augustalium (puntos rojos), Decumanus Maximus (puntos verdes), Tiendas/Casas ABCD (puntos naranjas) ubicadas en el lado norte de la ciudad, House of the Frame (puntos amarillos). punto) situado en el centro de la ciudad, y Fornici y playa previa a la erupción (puntos azules) a lo largo del lado suroeste; (c) Vista panorámica hacia el este del sitio arqueológico de Herculano; la línea amarilla discontinua indica la parte superior de los depósitos piroclásticos del 79 d.C. que enterraron la ciudad antigua y sobre los cuales se construyó la ciudad moderna; el cono de la cumbre del Vesubio (1281 m snm) está al fondo; los números rojos indican la ubicación aproximada de los sitios de muestreo indicados en (b); (d) detalle de la base misma de la secuencia piroclástica 79CE; los depósitos de la marejada de la nube de ceniza S1 descansan sobre unos pocos centímetros de arena negra de la playa, descansando a su vez sobre el sustrato duro; (e) Muro junto al mar (oeste) del sitio arqueológico de Herculano que muestra la estratigrafía completa de la erupción del Vesubio del año 79 d. C., anotada según 30,31; el triángulo a 19 m snm es el punto de vista de (c).

A pesar de que el 79 EC es una de las erupciones más estudiadas, el momento exacto y las causas de la muerte en Pompeya y Herculano todavía se debaten, lo que tiene implicaciones para los estudios antropológicos vulcanológicos, arqueológicos y forenses.

En Herculano, el hallazgo dentro de una serie de cobertizos para botes y en la costa de cientos de esqueletos incrustados en el primer depósito de oleaje de ceniza (conocido como S130 o EU2/3pf31 Fig. 1e), junto con la postura real de los cadáveres de las víctimas. y los efectos inducidos por el calor en cráneos y huesos, se han detectado como evidencia de exposición intensa al calor, muerte súbita y rápida desaparición de tejidos blandos del cuerpo como resultado de la exposición del esqueleto a aproximadamente 500 °C13,14,15,16. El hallazgo único de un cerebro vitrificado de un esqueleto que aún se conserva en su contexto arqueológico original en el sitio también se ha informado como evidencia de un evento térmico temprano muy alto y el subsiguiente enfriamiento rápido de la oleada temprana de nubes de ceniza17,32.

Otros autores propusieron que la preservación del colágeno en algunas costillas puede indicar exposición a temperaturas más bajas33. Por lo tanto, la determinación de la temperatura y la naturaleza de las corrientes piroclásticas (PC) del Vesubio del año 79 d.C. que mataron a los habitantes de Herculano sigue siendo un tema de debate, especialmente porque el impacto en los cuerpos humanos, así como en cualquier otro objeto, no solo depende de la temperatura de la PC, sino también en su duración y tasa de intercambio de calor. Los indicadores geológicos de las temperaturas de emplazamiento de la secuencia de PC que sepulta a Herculano han indicado hasta ahora valores promedio de alrededor de 350 a 400 ° C; estos se derivan de la magnetización térmica remanente (TRM) de los clastos líticos34,35,36 y la reflectancia de las piezas de carbón extraídas de los depósitos de PC37. También se han documentado valores atípicos de temperatura tanto más altos (hasta > 450 °C) como más bajos (hasta < 240 °C)13,17,36,37, estos últimos especialmente donde las PC interactuaron con edificios, ya sea intactos o colapsados, y agua de mar. Sin embargo, ninguno de los estudios y métodos mencionados anteriormente se ha centrado directamente en la temperatura de los PDC diluidos tempranos y mal conservados que entraron en Herculano, mataron instantáneamente a las personas y apenas enterraron sus cadáveres13,14,15,16.

Aquí exploramos el potencial del análisis de reflectancia del carbón formado durante el entierro progresivo de Herculano en el año 79 EC, para mostrar el impacto de temperatura extremadamente alta de la primera nube de ceniza, que mató a personas y afectó infraestructuras. Discutiremos cómo las distribuciones polimodales de los valores de reflectancia del carbón, generalmente pasadas por alto y suavizadas por valores promedio10,22,37,38,39,40,41,42,43,44, registran eventos térmicos polifásicos. En particular, dada la naturaleza no retrógrada del proceso de carbonificación, los eventos tempranos de alta temperatura de corta duración pueden registrarse mediante la carbonización incompleta de la madera (es decir, la carbonificación en desequilibrio que puede afectar solo la parte exterior de la madera23), y conservarse si el entierro posterior ocurrió a una temperatura más baja (es decir, una carbonificación en equilibrio que puede transformar en carbón los dominios de madera que aún no estaban carbonizados pero que no pueden sobreimprimir la reflectancia alcanzada por los dominios de carbón formados a temperatura más alta23).

El sitio arqueológico de Herculano representa un estudio de caso único para corroborar y probar la validez y la sensibilidad de la reflectancia del carbón como geotermómetro para ambientes vulcanológicos y bioarqueológicos. Los resultados pueden contribuir en gran medida a cerrar la brecha entre los estudios forenses, arqueológicos y vulcanológicos realizados en el área de Herculano, lo que limita la reconstrucción del principal evento térmico letal. Este estudio destaca la capacidad de transporte térmico de las corrientes efímeras de densidad piroclástica diluida, que se interpretan aquí como oleadas de nubes de ceniza separadas, cuyo peligro aún se subestima en gran medida.

Las ciudades romanas de Herculano, Pompeya, Oplontis y Stabiae fueron devastadas y enterradas durante la erupción del Vesubio Plinio en el año 79 d.C. La estratigrafía de esta icónica erupción, descrita en dos cartas por el testigo Plinio el Joven, ha sido reconstruida como correspondiente a 8 unidades principales de erupción (30,31,45,46,47; Fig. 1e). Según Plinio, la erupción ocurrió entre el 24 y el 25 de agosto. Durante las primeras fases, una columna eruptiva sostenida se elevó a 30–33 km en la atmósfera45, emplazando lapilli de precipitación de piedra pómez blanca fonolítica. Herculano no se vio afectado por esta temprana fase pliniana de caída, cuyo principal eje de dispersión estaba orientado al SE hacia Pompeya.

Durante la tarde/noche del 24 de agosto, la precipitación de lapilli de piedra pómez cambió a una composición gris y fonofrítica, y se formaron algunas corrientes piroclásticas debido a colapsos parciales de la columna pliniana. Estos primeros flujos, reconocidos en Oplontis, Misenum, Stabiae y Herculaneum46, fueron descritos por Plinio el Joven como nubes que "viajan como arroyos sobre la tierra"48. Los depósitos de PC asociados que forman las unidades basales en Herculano se han denominado S1–S227 o EU2/3pf y EU3pf46 (Fig. 1e). De aquí en adelante, nos referiremos a la unidad basal como S1 y S2.

Los depósitos S1 están hechos de 20–80 cm de espesor de ceniza masiva a gris pálido estratificada, gruesa a fina30 (Fig. 1d). El tamaño de ceniza dominante y el espesor reducido de S1 se interpretaron como evidencia de que Herculano fue golpeado al principio por una oleada piroclástica diluida distal14. Los esqueletos de unas 350 personas16, que buscaron refugio a lo largo de la playa en doce cámaras frente al mar, ahora llamadas Fornici (Fig. 1), y en la playa, fueron encontrados dentro del depósito de ceniza fina S1. En el pueblo, casi completamente abandonado por los ciudadanos de Herculano durante las primeras etapas de la erupción, se descubrieron solo unas pocas decenas de víctimas, como el caso de la encontrada en la Casa del Esqueleto, las dos en el Apodyterium16 y la que yacía en una cama en el Collegium Augustalium17.

El depósito de cenizas S1 no consolidado es reconocible en muy pocos lugares de la ciudad. En la entrada de Fornici (Fig. 1b, c) tiene un espesor de entre 35 y 60 cm, mientras que dentro de las cámaras alcanza los 150 cm30.

A lo largo de la costa anterior a la erupción, ahora a -5 m por debajo del nivel del mar actual (Fig. 1c, e), S1 se encuentra directamente sobre arena negra de playa de unos pocos cm de espesor (Fig. 1d). Aquí S1 oscila entre ca. 15 a 50 cm de espesor y contiene numerosas piezas de madera carbonizada a parcialmente carbonizada y tejas más raras30. S1 está cubierto por ca. Capa masiva de 70–100 cm de espesor hecha de ceniza y lapilli de piedra pómez gris que incrusta fragmentos de carbón y otro material arqueológico, que corresponde a la capa S230 (Fig. 1e). Los restos humanos encontrados a lo largo de la playa flotaban dentro del depósito de ceniza fina S114,15,16. Por encima de S1 y S2, la secuencia piroclástica está formada por una sucesión de 20 m de espesor de toba lapilli masiva soportada por una matriz de ceniza rica en lava y sedimentos líticos, depositada a lo largo de la transición de las fases magmática y freatomagmática de la erupción30,31 por alta concentración PDCs que progresivamente enterraron el poblado (Fig. 1).

La reflectancia es la propiedad óptica del carbón para reflejar la luz incidente y aumenta a medida que aumenta el grado de carbonificación38,39,44,49,50. Usamos carbón del sitio arqueológico de Herculano como sustituto para reconstruir los eventos termales que afectaron a la ciudad durante la erupción del 79 d.C. Se recolectaron fragmentos de madera carbonizada de cinco sitios diferentes distribuidos a lo largo de la trayectoria del flujo, desde el lado norte más proximal (Collegium Augustalium, Decumanus Maximus y Stores/Houses ABCD), área central (la Casa del Marco) hasta el área suroeste distal a lo largo del playa previa a la erupción (Fornici, Fig. 1b).

Se tomaron muestras de un total de 40 muestras de fragmentos de carbón (ver detalles en la Tabla de Material Suplementario S1): 12 del Collegium Augustalium, 9 de las Tiendas/Casas ABCD ubicadas a lo largo del Cardo III superior, 3 a lo largo del Decumanus Maximus, 1 en la Casa del Marco a lo largo del Cardo II superior y 15 fragmentos en la playa de Fornici/frontal. Los fragmentos de carbón son tanto de arbustos y árboles arrancados por el flujo a lo largo de los flancos del volcán como de manufacturas (muebles y edificios). Según estudios taxonómicos51, el 90% de la madera empleada para la construcción de casas y muebles en el momento de la erupción de los romanos era madera de coníferas (madera de abeto48).

La medida de la reflectancia (Ro) es un indicador muy robusto y experimentalmente bien restringido de la temperatura a la que se formó el carbón38,39,50,52. Este método ha sido ampliamente aplicado como geotermómetro en diferentes contextos de carbonificación: ambiente diagenético de entierro, donde el material orgánico se carboniza lentamente44,53,54, incendios forestales49,55,56, incendios naturales y antropogénicos42,57 depósitos volcánicos10,22,23,36, 37,38,40,41,58. A pesar de las enormes diferencias en los procesos de carbonificación, el tratamiento de los datos de reflectancia para recuperar paleotemperaturas en ambientes volcánicos generalmente ha seguido el mismo enfoque que para el carbón diagenético, mediante el cálculo del valor medio de reflectancia y la desviación estándar relacionada, de cincuenta a cien medidas. para cada muestra10,22,23,36,37,41. Sin embargo, en ambientes volcánicos, donde los eventos térmicos de corta duración pueden no ser conducentes a una carbonificación completa, algunos autores también han propuesto el uso del promedio de los tres valores máximos de reflectancia40 para capturar mejor la carbonificación de desequilibrio en condiciones térmicas máximas, con la temperatura obtenida sigue representando solo un mínimo ya que se desconoce la duración del proceso de calentamiento38. Estudios recientes han demostrado además que el carbón vegetal sepultado en depósitos de PC puede mostrar distribuciones polimodales de datos de reflectancia dentro de muestras individuales y argumentó que diferentes poblaciones de reflectancia pueden, en cambio, registrar múltiples eventos térmicos experimentados por el fragmento de madera10,23. Esto es posible ya que el proceso de carbonificación no es retrógrado y requiere escalas de tiempo del orden de horas para completarse38,50. Por lo tanto, una distribución de reflectancia polimodal puede indicar la superposición de eventos térmicos posteriores. Para ser preservados, estos deben estar a temperaturas progresivamente más bajas: (1) los primeros eventos de alta temperatura deben ser de corta duración para que la madera solo pueda carbonizarse parcialmente a valores altos de reflectancia, dejando otros dominios frescos; (2) los eventos posteriores de temperatura más baja pueden afectar solo a los dominios frescos que confieren la distribución polimodal a la reflectancia del carbón en la muestra única. Debe tenerse en cuenta que si el evento térmico posterior ocurre a una temperatura más alta que la primera, toda la pieza de carbón se restablecería en condiciones de T más altas, lo que daría como resultado una población unimodal de valores de reflectancia.

En base a estos hallazgos recientes, en el procesamiento de datos consideraremos la presencia de distribuciones polimodales para desentrañar la sucesión de eventos térmicos posteriores, identificando, además del valor medio y la desviación estándar, las modas principales. El promedio de los tres valores máximos de Ro (3Ro max) se utilizará para evaluar la temperatura mínima del evento térmico máximo40.

Todas las muestras analizadas no se ven afectadas por la alteración posdeposicional ni por la remineralización (Fig. 2a′–i′). Los datos de reflectancia muestran distribuciones unimodales y polimodales en diferentes muestras (Fig. 2a''-i''). Ambas tendencias se han descrito informando en la Fig. 2 y la Tabla 1 el número de mediciones realizadas en cada muestra, la reflectancia media, la desviación estándar, los modos principales, el valor de reflectancia máxima y la media de los 3 valores de reflectancia máxima. Los valores de los modos principales y la dispersión de datos a su alrededor son similares entre las muestras (Fig. 2 y Tabla 1). Los datos de muestras pertenecientes a la misma fuente de madera (p. ej., armazón de cama o viga de casa) se presentan junto con un histograma de frecuencia única. Los resultados se describen para los cinco sitios de muestreo.

Ubicación del sitio de muestreo de fragmentos de madera carbonizada y resultados del análisis de reflectancia. Las imágenes de a a i muestran los lugares donde se recolectaron los fragmentos de madera carbonizada (a—imagen de la viga de soporte dentro del Collegium Augustalium b—foto del marco de la cama carbonizada dentro del Collegium Augustalium; c—foto de los restos del cuerpo del hombre acostado en el lecho cuando ocurrió la erupción; d—vista panorámica del Decumanus Maximus; e—viga de la casa carbonizada a lo largo del Decumanus Maximus y depósito de cenizas S1 (in situ); f—particular del afloramiento del depósito de cenizas S1 a lo largo del Decumanus Maximus; g—vista de las Tiendas/Casas ABCD a lo largo del III Cardo Superiore; h—vista de la Casa del Marco y foto de semilla carbonizada recuperada dentro de la Casa del Marco; i—vista panorámica de las cámaras Fornici ubicadas a lo largo del pre- costa de la playa de la erupción y l: fotografía de un grupo de esqueletos encontrados dentro de una de las cámaras. Microfotografías de a′ a i′ de muestras de carbón vegetal bajo la luz reflejada de trozos pulidos que muestran ausencia de mineralización o alteración de las muestras; histogramas de conteo Ro vs indicados con letras a′′–c′′, e′′–i′′, mostrando la distribución de datos de reflectancia y la media de Ro, las modas y la media de los 3 valores máximos de Ro.

La mayor parte del carbón muestreado proviene de sitios que fueron completamente excavados en la década de 1960, y en ese momento no se documentó la estratigrafía de los depósitos volcánicos. Por lo tanto, algunas muestras no pueden ubicarse con precisión dentro de la estratigrafía de la erupción. Sin embargo, las muestras se recolectaron de los primeros 1 a 2 m sobre el suelo y, con base en las secuencias estratigráficas que aún se conservan en el sitio, pueden referirse a los depósitos S1-S2, y posiblemente a la unidad arriba (Fig. 1 ). En la siguiente sección detallaremos lo contrario solo para aquellos sitios donde las muestras pueden asociarse con una unidad volcánica específica.

Se realizaron 668 mediciones de reflectancia en 12 muestras de carbón vegetal tomadas del Collegium Augustalium: 7 muestras de una viga de soporte del techo en uso durante la restauración de estructuras después del terremoto del 62 d. C., trabajo en progreso en el momento de la erupción del 79 d. C. (Fig. 2a ), 4 muestras del armazón de una cama (Fig. 2b) y una muestra del depósito de cenizas que cubría los restos del cuerpo de un hombre encontrado acostado en la cama (Fig. 2c)17 (Ver Material Suplementario Tabla S1). La ceniza que cubre el cuerpo y el lecho de madera es rica en lapilli de piedra pómez gris, cuya comparación con secuencias estratigráficas similares encontradas en el pueblo sugiere S2 como la mejor atribución. Las muestras de la viga de soporte y el depósito de cenizas sobre el esqueleto muestran una distribución de datos polimodal (Fig. 2a ′′, c ′′) con dos y tres modos principales, respectivamente. Los fragmentos de la viga de soporte analizados muestran una reflectancia media (Ro media) de 1,047 (STDEV = 0,365) y dos modos principales en Ro = 0,890 y 1,120. La media de los 3 valores máximos de reflectancia (3Ro max) es 2,235. El carbón de la ceniza que cubre el cuerpo del hombre infiere datos medios de Ro de 1,370 (STDEV. = 0,326) y tres modas principales en Ro = 1,260, 1,550 y 1,750. La media del 3Ro max es 2.007. Los fragmentos de carbón del marco de la cama muestran una distribución de datos unimodal (Fig. 2b ') con una media de Ro correspondiente a 0.902 (STDEV = 0.159). Debido a su distribución de datos unimodal, los dos modos principales 0.830 y 0.950 están muy cerca del valor medio de Ro. La media del 3Ro max es 1.354.

Los fragmentos de carbón recolectados a lo largo del Decumanus Maximus (Fig. 2d) pertenecen a la viga de una casa (dos muestras, Fig. 2e), ubicada frente al Collegium Augustalium, y a un depósito de ceniza fina estratificada preservada que descansa directamente sobre el suelo (una muestra , Fig. 2f) atribuible a S1. En consideración a su elevación sobre el suelo, la viga de la casa presumiblemente estaba enterrada dentro de la sucesión de toba lapilli que enterró al pueblo (EU3pf2b y EU4-8 en la Fig. 1). Se analizaron fragmentos del centro y del borde de la viga de la casa para comparar el grado de carbonificación; mientras que se extrajeron múltiples trozos de carbón del depósito de cenizas finas recolectadas (S1 o EU2/3pf en la Fig. 1e).

Los resultados de las 136 mediciones de reflectancia realizadas indicaron una distribución de datos unimodal para la muestra de vigas de la casa, con valores de reflectancia que oscilan entre 0,500 y 1,350. El valor medio de Ro corresponde a 0,972 (STDEV = 1,112) y el valor de la moda principal de 0,980 es casi idéntico al valor medio de Ro. La media de las 3 Ro max es 1.244. Las 67 mediciones de reflectancia realizadas de trozos de madera carbonizada recuperados del depósito de cenizas indican una distribución polimodal con tres modos distintos. El valor medio de Ro es 0,903 (STDEV = 0,418), mientras que las modas identificadas corresponden a 0,250, 1,000 y 1,350. La media del 3Ro max es 1.525.

Cabe señalar que las muestras pertenecientes al núcleo y al borde de la viga de la casa (ERC-54A y ERC-54B Supplementary Material Table S1) muestran el mismo grado de carbonización.

Se realizaron un total de 500 mediciones de reflectancia en las nueve muestras de carbón recolectadas dentro de las Tiendas/Casas ABCD ubicadas a lo largo del lado NNO de la ciudad (Fig. 2g). Estos fragmentos de carbón pertenecen a las vigas del piso del segundo piso de estas Tiendas/Casas (Tabla de Material Suplementario S1).

Los resultados de los datos de reflectancia de las cuatro tiendas/casas se fusionaron en un histograma de frecuencia única (Fig. 2g′′). La distribución de datos muestra claramente una tendencia polimodal con dos modas claras. La media de Ro es equivalente a 0,601 (STDEV = 0,153), las dos modas identificadas corresponden a 0,440 y 0,690, mientras que la media de las 3 Ro max es 0,988.

La Casa del Marco está ubicada en el centro de la ciudad a lo largo del Cardo II superior (Fig. 1b). En el interior de la casa se encontraron semillas carbonizadas, pertenecientes a una planta aún no identificada, asociadas a los restos óseos de un niño (Fig. 2h). Como lo demuestra el análisis morfológico macroscópico de la fina ceniza que llena el cráneo del niño y sus inclusiones, como también lo atestiguan las tomografías computarizadas que se le practicaron, este fino depósito de ceniza es similar a aquel en el que se encontraron los restos óseos del hombre dentro del Collegium. Augustalium, por lo que esta joven víctima murió instantáneamente a la llegada de S1 como todos los demás residentes de Herculano16, probablemente fue engullida y enterrada por S2. Las cincuenta mediciones de reflectancia realizadas en una semilla indican una distribución de datos unimodal (Fig. 2h '), concentrada en un rango de reflectancia estrecho entre 0.550 y 0.800. La media de Ro corresponde a 0,698 (STDEV = 0,052), la moda principal es 0,750, muy cercana al valor de la media de Ro; la media del 3Ro max es 0.813.

Las 15 muestras de carbón recolectadas dentro de Fornici y a lo largo de la playa costera previa a la erupción (Fig. 2i) muestran carbonificación completa y parcial (Tabla de material complementario S1). Se extrajeron muestras de madera carbonizada del depósito de cenizas S1 donde se desenterraron los cadáveres de las víctimas (Fig. 1e). Las mediciones de reflectancia del 751 indican una distribución de datos polimodal con dos modos principales. El valor medio de Ro determinado en este sitio es el más bajo respecto a los demás sitios de muestreo, correspondiente a 0.436 (STDEV = 0.154). Los dos modos principales identificados son 0,300 y 0,450, mientras que la media del 3Ro max es 0,852.

Los experimentos de pirólisis con diferentes plantas y protocolos de calentamiento han producido varias curvas que correlacionan el aumento de la temperatura y la reflectancia del carbón vegetal38,39,42,43,44,49,50,55,56. Estas curvas de pirólisis tienen tendencias similares, pero se producen diferencias (consulte el texto del material complementario S1, la figura S1, la tabla S2). Con base en las especies de madera carbonizada y en el proceso investigado de carbonificación asociado con las corrientes piroclásticas, nuestras estimaciones de temperatura se refieren a la curva by55 (consulte la Tabla de material complementario S2 y el diagrama de flujo en la Fig. S2).

La Tabla 1 muestra la conversión de los valores de reflectancia en temperatura. Debido a la distribución polimodal mostrada por casi todas las muestras analizadas, consideramos los modos principales de Ro, en lugar de las medias de Ro, como los valores de reflectancia más representativos de cada muestra. Además, utilizamos los valores de 3Ro max medidos, para la evaluación de la temperatura mínima del evento térmico más alto40.

Las temperaturas más altas se detectaron en la parte norte de la ciudad en Collegium Augustalium ya lo largo del Decumanus Maximus, donde los valores de 3Ro max del carbón vegetal muestran un rango de temperatura entre 495 y 555 °C.

Los modos Ro entre 0.690 y 1.260 reconocibles tanto en el lado norte como en el suroeste de la ciudad, muestran una temperatura decreciente de 465 a 390 °C (Cuadro 1).

Los modos Ro más bajos, que oscilan entre 0,250 y 0,450, se identificaron en Decumanus Maximus y Stores/Houses ABCD, pero predominantemente en muestras de carbón recolectadas en Fornici y a lo largo de la playa previa a la erupción. Las temperaturas relativas oscilan entre 315 y 350 °C. En la Tabla 1 se reportan en detalle los valores de reflectancia convertidos en temperatura y organizados por sitio de muestreo.

En la tabla se informan en detalle los resultados obtenidos del análisis de reflectancia realizado en las 40 muestras recolectadas en Herculaneum divididas por sitio de muestreo. Se informa la fuente de la muestra, la distribución de datos (unimodal o polimodal), el número de fragmentos medidos (N), el valor medio de Ro, la desviación estándar, los modos de Ro y la media de los valores máximos de 3Ro medidos y la conversión de temperatura relativa, utilizando la curva de pirólisis55.

Las corrientes de densidad piroclástica diluida han sido fatales durante numerosos eventos volcánicos en la historia. A pesar de los numerosos episodios, el peligro de PDC de baja concentración todavía se subestima y no se contempla completamente en los mapas de peligro. Según2 la zona vulnerable debería extenderse al doble respecto de las corrientes piroclásticas basales de alta concentración asociadas.

La subconsideración del peligro de tales corrientes piroclásticas turbulentas, diluidas y de alta temperatura radica en la poca preservación en el registro estratigráfico de sus depósitos delgados y fáciles de lavar a pesar de su alto impacto térmico en personas y objetos.

Los episodios volcánicos recientes ocurridos en 1991 en Unzen7,8,26,59, en 2010 en el volcán Merapi9,12, en 2018 en Guatemala60,61 y en 2019 en Nueva Zelanda62,63 destacan la necesidad de profundizar nuestra comprensión del peligro de los PDC diluidos en términos de su impacto térmico11.

En el caso de la erupción del Fuego de Guatemala de 2018, en la que murieron más de 300 personas (aunque las evaluaciones independientes lamentablemente sugieren hasta 2900 muertes)11,60, oleadas de nubes de ceniza de baja concentración que anulaban flujos de alta concentración confinados en el valle que mataron a muchos de ellos por asfixia y quemaduras graves60. Los cuerpos de algunas víctimas fueron encontrados en altos topográficos, lejos de las lagunas del valle donde se acumularon corrientes piroclásticas espesas y de alta concentración, y estaban cubiertos solo en parte por finas capas de ceniza que mostraban una actitud pugilística como resultado de la exposición a altas temperaturas60. Por lo tanto, ciertamente fueron asesinados por la alta temperatura de la nube de ceniza turbulenta desprendida en la periferia de los flujos de alta concentración, más que por el impacto de la presión dinámica. Similar fue el caso de la marejada de nube de ceniza desprendida ocurrida el 15 de septiembre de 1991 en el monte Unzen, Japón, que causó 44 muertes7,8 en un alto relieve que delimitaba un valle inciso donde el PDC de alta concentración continuaba confinado. Estos trágicos eventos volcánicos muestran notables similitudes con la erupción más icónica del Vesubio 79CE.

Los efectos inducidos por el calor que sufrieron las víctimas, en particular la explosión y calcinación de cráneos, vaporización de cerebros, huesos agrietados y carbonizados, dientes rotos, contracción de extremidades y degradación térmica de las hemoproteínas sanguíneas14,15,16 indican la aparición de una enfermedad extremadamente temprana. evento térmico alto superior a la temperatura estimada previamente de unos 500 °C. A diferencia de Pompeya, donde muchos cuerpos muestran la típica postura post-mortem conocida como actitud pugilística, la falta de tal actitud de cadáver en Herculano atestigua la rápida desaparición de los tejidos blandos, ya que la postura pugilística se debe a la deshidratación y acortamiento de los músculos inducidos por la intensa calor14,16. Sin embargo, hasta ahora, no se han realizado mediciones directas de eventos PC tempranos de alta temperatura en Herculaneum.

Nuestro estudio sobre la reflectancia del carbón registra por primera vez la ocurrencia de eventos térmicos posteriores a temperaturas decrecientes que afectaron a Herculano. Al comparar la estratigrafía piroclástica (Fig. 1e) y la estratigrafía térmica registrada por la distribución polimodal de la reflectancia del carbón, podemos reconstruir la sucesión de eventos de PC que impactaron la ciudad.

El primer PDC diluido (S1 o EU2/3pf según los autores) ingresó a Herculano con una temperatura superior a 550 °C registrada por muestras recolectadas en el Collegium Augustalium y el Decumanus Maximus (Tabla 1). Esta es la temperatura mínima del evento térmico ya que la reflectancia del carbón polimodal registra una carbonificación temprana incompleta que testimonia un evento de corta duración, incapaz de alcanzar el equilibrio total, que en los experimentos se suele alcanzar después de al menos 24 h, a temperatura constante, para piezas de madera de 2 × 5 cm38.

Este evento temprano > 550 °C fue seguido más tarde por la sucesión de PC que finalmente enterraron la ciudad bajo depósitos volcánicos de 20 m de espesor (Fig. 1e). Estos flujos posteriores se caracterizaron por temperaturas más bajas, como lo atestigua la presencia de múltiples modos dentro de la misma muestra de carbón de la que inferimos al menos dos eventos de carbonización a temperaturas que oscilan entre 390 y 465 °C y entre 315 y 350 °C, respectivamente. Las temperaturas más bajas de estos últimos eventos pueden explicarse por la participación progresiva de las aguas subterráneas durante el curso de la erupción (ver fase freatomagmática31; Fig. 1e).

La ocurrencia de un evento temprano de PDC diluido de corta duración a > 550 °C que deja solo una fina capa de ceniza en el suelo, y luego seguido por la deposición de depósitos piroclásticos de menor temperatura pero más gruesos, permite comprender las condiciones para la formación y preservación de un cerebro vitrificado descubierto recientemente dentro del cráneo de una víctima en el Collegium Augustalium17. La transformación en vidrio de tejido cerebral fresco en un ambiente cálido solo es posible si se cumplen dos condiciones: (1) el evento de calentamiento es de corta duración, de modo que el tejido no se vaporiza por completo15, y (2) una vez que el PDC diluido se ha desaparecido, el cuerpo no está completamente sepultado en un depósito caliente, condición necesaria para permitir el enfriamiento muy rápido requerido para lograr la vitrificación17,66. Esto permite reconocer que S1 fue un evento efímero, extremadamente caliente, diluido, y que transcurrió un intervalo de tiempo suficiente para el rápido enfriamiento del cuerpo aún parcialmente expuesto al aire antes de que los siguientes PCs entraran progresivamente y cubrieran el poblado. La temperatura más baja de estos depósitos posteriores de PC explica la preservación del cerebro vitrificado, así como los altos valores de reflectancia dentro de las distribuciones polimodales. Si la PC posterior estuviera a temperaturas más altas, el cerebro vitrificado se habría recalentado por encima de la temperatura de transición vítrea y se habría perdido en su ultraestructura neuronal, que en cambio se conserva integralmente32, y los fragmentos de carbón se habrían restablecido por completo a Ro unimodal más alta. valores.

La temperatura de la ceniza S1, que anteriormente solo se deducía de forma genérica por los efectos del calor tanto en los esqueletos de las víctimas13,14,15,16 como en el cerebro vitrificado17,64, ahora se registra a una temperatura mínima de > 550 °C mediante altos valores de reflectancia en carbón polimodal conjuntos de datos, mientras que todos los demás datos paleotérmicos del resto de la secuencia piroclástica indican temperaturas más bajas de procesos diacrónicos relacionados con el posterior entierro de la ciudad34,36,37,65,66.

Los PDC diluidos se caracterizan por altos coeficientes de incorporación de aire27,67, por lo tanto, la alta temperatura registrada de S1 no puede explicarse por una corriente diluida generada en la ventilación y que se propaga como una oleada de 7 km a lo largo de la pendiente del Vesubio. En su lugar, proponemos una nueva interpretación para el primer evento de Herculano como una nube de ceniza desprendida de corrientes piroclásticas cercanas de alta concentración, como ocurrió en Unzen en 19917,68 y Volcán de Fuego en 201811. Corrientes piroclásticas de alta concentración, especialmente donde el valle confinado, puede mantener temperaturas muy altas por kilómetros desde el respiradero ya que el arrastre de aire es muy limitado (p. ej., 20, 21, 22), mientras que las nubes de ceniza predominantes también pueden mantener una temperatura alta similar mientras se les suministre masa y energía. calor desde abajo23. Sin embargo, tan pronto como la nube de ceniza se separa de la corriente basal de alta concentración y se convierte en una oleada diluida independiente, la temperatura cae rápidamente debido al rápido arrastre de aire y al intercambio de calor promovido por el tamaño de grano fino de los piroclastos.

Herculano se construyó frente a la orilla del mar en un relieve de unos 10 a 15 m por encima del nivel del mar (Fig. 1), por lo tanto, en un alto topográfico probablemente flanqueado al norte y al sur por valles a lo largo de los cuales habrían estado confinadas las partes más densas de las corrientes piroclásticas. y actualmente enterrado debajo de la ciudad moderna (Fig. 3a, c).

Escenario de la entrada de la marejada de la nube de ceniza S1 en Herculano. (a) Mapa DTM (20 m) del volcán Vesubio (Qgis Software versión 3.18 Zurich) con distribución de área S1 según30 y ubicación de Herculano. Dirección inferida de los flujos piroclásticos confinados en el valle (flechas rectas de color rojo oscuro) y oleadas de nubes de ceniza asociadas (flechas negras delgadas y curvas) que llegaron a Herculano y la costa previa a la erupción (línea roja delgada). ( b ) Reconstrucción transversal A-A ′ (no a escala) del desprendimiento de la nube de ceniza de las PC de alta concentración confinadas en el valle que actuaron como la fuente de alta temperatura (>> 550 ° C) de la nube de ceniza. (c) Reconstrucción longitudinal B-B′ (no a escala) de la nube de ceniza S1 que envuelve la ciudad a T > 550 °C y su interacción con el agua de mar a lo largo de la costa antes de la erupción, lo que reduce rápidamente la velocidad y reduce la temperatura (350 –400 °C).

El escenario más probable para S1 en Herculano es, en nuestra interpretación, el de una nube de cenizas desacoplada2 de su corriente piroclástica confinada en el valle de alta concentración principal justo en las proximidades de la ciudad, de modo que la nube de cenizas podría formarse a alta temperatura (Fig. 3a–c). Un escenario similar fue reconstruido para las primeras fases de la erupción de Fogo A (Azores)69.

Una vez cruzada la ciudad, 200 m aguas abajo respecto al Decumanus Maximus, la nube de ceniza S1 saltó a la playa y a las cámaras frente al mar (Fornici, Fig. 1), donde mató instantáneamente a las personas allí refugiadas13. Los efectos térmicos detectados en los huesos de las víctimas encontrados en el Fornici13,14,15,16 coinciden con la temperatura de la nube de ceniza > 550 °C medida río arriba en el Collegium Augustalium y el Decumanus Maximus. La preservación dispersa del colágeno óseo no parece ser evidencia de una baja temperatura de la nube de ceniza como afirman algunos autores33, pero parece estar relacionado con la cantidad de transferencia de calor a la que estuvieron expuestos los cuerpos y huesos de las víctimas durante el proceso. Evento de nube de ceniza de corta duración. De hecho, se ha demostrado que la mayor o menor extensión de los efectos del calor sobre el esqueleto, o incluso sobre un solo elemento óseo, está estrechamente relacionada con el menor o mayor hacinamiento de las víctimas dentro de los Fornici, y también con la cantidad de masa carnosa presente en diferentes distritos anatómicos, incluso a nivel de un solo hueso15,16. Sin embargo, la persistencia de proteínas como el colágeno y otros componentes orgánicos de los huesos en Herculano probablemente sea independiente de la exposición a un calor más o menos intenso, pero puede estar más bien correlacionada con el entorno del entierro en el que se incrustaron los esqueletos de las víctimas hasta su descubrimiento después. unos 2000 años70. En Herculano, después de una muerte súbita y una rápida desaparición de los tejidos blandos inducida térmicamente, los esqueletos se enterraron en un suelo anóxico alcalino permanentemente saturado de agua70, un entorno capaz de inhibir los cambios químicos del ataque microbiano71,72, lo que permitió la supervivencia a largo plazo de la materia orgánica en el hueso. .

La temperatura promedio más baja entre 325 y 350 °C (Tabla 1) detectada por el carbón en Fornici puede explicarse por el rápido intercambio de calor debido a la interacción de la nube de ceniza con los cuerpos humanos y el agua de mar cercana. Las observaciones directas de las corrientes piroclásticas que ingresan al mar después de viajar a lo largo de las laderas de los estratovolcanes (p. ej., 73, 74) muestran que se inflan y enfrían rápidamente debido al arrastre de agua de mar. Este efecto ha sido documentado en la cercana Villa dei Papiri37, y está de acuerdo con ejemplos bien documentados, incluyendo la oleada de cenizas de 1902 que destruyó Saint Pierre, Martinica4,5 y las oleadas de cenizas de Secche di Lazzaro, Stromboli75, donde la combinación de Los efectos topográficos y el hundimiento del agua de mar en la interacción del oleaje costero con el agua promovieron la repentina expansión del oleaje e incluso el reflujo cuesta arriba del oleaje enfriado y diluido. Otra causa del descenso de la temperatura del depósito que incrusta los cuerpos de las víctimas en el Fornici podrían ser los propios cuerpos, como fuente directa de una gran cantidad de vapor de agua producido por la vaporización y rápida desaparición de los tejidos corporales blandos inducida por la exposición de un gran número de víctimas al calor extremo15,16, ambiente presumiblemente caracterizado por una temperatura superior a la del propio depósito.

Por lo tanto, interpretamos que la primera oleada de nube de ceniza S1 fue de muy corta duración, alcanzando la costa y el Fornici todavía a > 500 °C, sin dejar casi ningún depósito pero matando a la gente allí13,14. La interacción de la oleada de la nube de ceniza y el agua de mar causó la inflación de la oleada y el asentamiento de la ceniza enfriada inmediatamente después, que luego incrustó los esqueletos de las personas que ya habían muerto instantáneamente por el calor extremo (Fig. 3b A–A′ perfil). Esta interpretación explica la aparente discrepancia de las temperaturas registradas en la orilla del mar y también la diferencia de espesor de S1, que tiene un espesor máximo de 20 cm en la ciudad, mientras que alcanza los 50 cm a lo largo de la costa antes de la erupción (hasta 150 cm en el Fornici según to30), donde la deposición fue controlada por la nube de ceniza mezclada con agua enfriada y desacelerada.

Los resultados de este estudio tienen implicaciones sin precedentes para la mitigación del riesgo volcánico en el Vesubio y posiblemente en otros lugares. La zona roja del Vesubio, donde está prevista la evacuación total de unas 700.000 personas en caso de una futura erupción76, se diseñó en función de la probabilidad de invasión de PC derivada del registro geológico77. Si bien este es sin duda el objetivo a lograr, sigue siendo incierto si la progresión de la agitación volcánica permitirá suficiente tiempo para alcanzar la evacuación completa esperada antes de la erupción78. Además, las ignimbritas plinianas76 de colapsos direccionales y parciales de la columna eruptiva que fluye confinada a lo largo de los valles y propensas a desprendimientos de nubes de ceniza, son más probables con respecto a las ignimbritas formadoras de calderas axisimétricas79 de PC que cubren todas a la vez toda la zona roja77. Dadas estas premisas, sugerimos que los edificios dentro de la zona roja, independientemente de la necesidad de evacuar a todas las personas antes de la erupción, deben ser reforzados para poder resguardar a las personas del impacto térmico de las marejadas de nubes de ceniza en caso de que no se logre la evacuación total en tiempo. De hecho, mientras que las zonas expuestas a una alta presión dinámica de PC de alta concentración y alta velocidad verán inevitablemente el colapso de edificios y estructuras con muy pocas posibilidades de supervivencia, otras zonas pueden verse afectadas por nubes de cenizas desprendidas de corta duración donde el potencial de supervivencia es crítico. depende de la capacidad de los refugios para evitar la infiltración del gas polvoriento caliente. Esto podría permitir que las personas que no tuvieron la oportunidad de evacuar antes sobrevivan y esperen el rescate o puedan irse antes de que otros PC puedan impactar el área.

La preparación de muestras de carbón y el análisis de reflectancia se realizaron en el Laboratorio ALBA de la Universidad Roma Tre, Roma. Las muestras se limpiaron suavemente de partículas de ceniza y se colocaron en una mezcla de resina epoxi y endurecedor. Después de 48 h, se pulieron con papeles de carborundo de diferente granulometría (250, 500, 1000) y posteriormente se pulieron con polvos de alúmina de tamaño de grano decreciente (1, 0,3, 0,1 μm). Las muestras se analizaron bajo inmersión en aceite con un sistema de microscopio-fotómetro Zeiss Axioskop 40 A pol (sistema MPS) equipado con una lámpara de tungsteno-halógeno (12 V, 100 W), un objetivo de aceite Epiplan-Neofluar 50 × /1.0, utilizando aceite filtrado de 546 nm luz incidente.

Para la calibración del fotómetro de reflexión se utilizaron prismas monocristalinos previo a la realización de las medidas de reflectancia mediante el sistema MPS 200 de J&M para garantizar una calibración en un amplio rango de madurez térmica: espinela (Ro = 0.426), zafiro (Ro = 0,595), itrio-aluminio-granate (Ro = 0,905) y gadolinio-galio-granate (Ro = 1,726).

La calibración del instrumento se repitió después de la medición de cada muestra para mantener la máxima precisión y el coeficiente de determinación (R2), de la línea de regresión (basado en tres estándares) igual o superior a 0,99998. Para una buena representatividad estadística, se realizaron un mínimo de 50 mediciones de reflectancia en cada muestra de carbón, seleccionando solo los fragmentos cuyas superficies estaban inalteradas.

La versión en línea contiene material complementario disponible. En caso de mayor información contacte al autor correspondiente AP

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Descargar referencias

Los autores agradecen al Parque Arqueológico de Herculano por el acceso al sitio y el permiso para recolectar muestras de madera. También agradecemos al Laboratorio Académico de Análisis de Cuenca (ALBA) de la Universidad Roma Tre por el uso del equipo para el análisis de Reflectancia de carbón. También agradecemos a los Revisores anónimos por contribuir a la mejora del manuscrito.

Esta investigación fue financiada por la Beca de Departamentos de Excelencia, MIUR-Italia (ARTICOLO 1, COMMI 314–337 LEGGE 232/2016). Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Departamento de Ciencias, Geología, Universidad de Roma Tre, Largo S. Leonardo Murialdo 1, 00146, Roma, Italia

Alessandra Pensa, Guido Giordano y Sveva Corrado

ISPRA-Instituto Italiano de Protección e Investigación Ambiental, Via Vitaliano Brancati 48, 00144, Roma, Italia

alessandra piensa

Departamento de Ciencias Biomédicas Avanzadas, Laboratorio de Osteobiología Humana y Antropología Forense, Universidad Federico II de Nápoles, Via Pansini 5, 80131, Nápoles, Italia

Pier Paolo Petrone

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Este manuscrito ha sido escrito por AP y GG, discutido y revisado por PP, SC, figuras, tablas y material complementario preparados por AP y GGAP. PP y GG recolectaron muestras de carbón en el sitio arqueológico de Herculano. AP realizó análisis de reflectancia de carbón en el Laboratorio ALBA de la Universidad Roma TRE. PP, ha coordinado investigaciones sobre restos humanos en Herculanoum durante décadas.

Correspondencia a Alessandra Pensa.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Pensa, A., Giordano, G., Corrado, S. et al. Un nuevo escenario de peligro en el Vesubio: impacto térmico mortal de oleadas de nubes de cenizas separadas en 79CE en Herculano. Informe científico 13, 5622 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32623-3

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Recibido: 02 noviembre 2022

Aceptado: 30 de marzo de 2023

Publicado: 06 abril 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32623-3

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