Au-dessus de la mer Tyrrhénienne italienne, au large de la côte nord de la Sicile, 13 étudiants sont assis au sommet du volcan Stromboli alors qu'il entre en éruption. Des cendres tombent sur leurs épaules et font ping-ping-ping leurs casques. Le sol sous leurs pieds tremble.

« C'est une chose de lire et de parler du risque sismique et volcanique ; c'en est une autre d'en faire l'expérience, " a déclaré la géophysicienne Tiziana Vanorio, professeur assistant à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement (Stanford Earth). "Je voulais partager cela avec eux."

Le voyage vers Stromboli avait commencé la veille dans la ville natale de Vanorio, Pouzzoles, une ville portuaire colorée fondée par les Grecs et plus tard occupée par les Romains, au centre d'une caldeira volcanique, ou dépression, connu sous le nom de Campi Flegrei. Vanorio, les 13 étudiants et deux enseignants associés sont montés à bord d'un hydroptère à Naples et ont navigué vers le sud à travers les eaux bleues profondes de la Tyrrhénienne pendant près de quatre heures tranquilles avant d'apercevoir de la fumée, vapeur et gaz soufflant du cône de Stromboli.

Atteindre le sommet s'avérerait plus ardu - une montée de cinq heures sur des pentes abruptes de cendres et de roches. La sédimentologue Nora Nieminski, un chercheur postdoctoral à Stanford Earth et un instructeur invité sur le voyage, a sprinté pour filmer des images de drones qu'elle aiderait plus tard les étudiants à manipuler pour créer des modèles 3D du volcan. Mais le reste du groupe marchait sans hâte. A mi-chemin vers le haut, ils se sont arrêtés pour se reposer près d'une cicatrice sombre sur le flanc nord du volcan connue sous le nom de Sciara del Fuoco, où le volcan s'est effondré sur lui-même.

Dionne Thomas, '20, un étudiant du voyage qui se spécialise en génie chimique, se souvient avoir senti la saleté et la cendre, voir la mer Tyrrhénienne reflétant le lavis d'orange et de bleu du ciel en fin d'après-midi, et compte à rebours les minutes entre les petits éclats de lave d'une caldeira en amont. Alors qu'elle remarquait le poids de l'épuisement de la longue montée, elle a dit, "Je me sentais vraiment fort."

Thomas et les 12 autres étudiants du voyage ont visité Stromboli dans le cadre d'un séminaire de trois semaines dans le sud de l'Italie axé sur les volcans, l'archéologie et la science du béton romain - un matériau exceptionnellement durable qui peut contenir des idées pour de futurs matériaux plus durables ou même adaptés à la construction d'habitats sur Mars.

Offert dans le cadre du programme d'études à l'étranger Bing de Stanford, le séminaire est l'occasion d'établir des liens viscéraux entre science et histoire, et d'acquérir une meilleure compréhension de la Terre en cours de route.

Le laboratoire de la nature

La province napolitaine du sud de l'Italie est un endroit idéal pour se plonger dans la science des risques naturels et comment ils ont joué dans la vie quotidienne et l'innovation au cours de milliers d'années. Densément peuplé et parsemé de dizaines de volcans, la région est l'une des plus dangereuses de la planète. Les ruines d'un port romain et d'une villa d'empereur se trouvent au large, engloutie comme l'Atlantide à la suite de troubles dans la croûte terrestre. "Peu d'endroits sur Terre connaissent ce genre de sismicité et de volcanisme, tout en étant une ville ancienne et fonctionnant comme une société moderne, " dit Vanorio. " C'est la beauté de l'endroit. "

Sous-jacentes aux excursions du séminaire et aux cours quotidiens de géophysique, les propriétés du béton romain et la modélisation 3D à partir d'images de drones étaient un exercice plus vaste pour trouver des liens entre différents domaines d'étude. Ce n'est pas un hasard si les étudiants choisis pour participer au séminaire représentaient un large éventail de spécialités, dont l'informatique, la physique, classiques, génie chimique et sciences politiques.

« Il y a encore des questions scientifiques auxquelles nous ne savons pas répondre, " dit Vanorio, qui a découvert des processus naturels profonds dans le sous-sol des Campi Flegrei qui reflètent ceux du béton romain, et a utilisé des textes historiques pour faire la lumière sur les forces et les caractéristiques des matériaux volcaniques et artificiels. "Plus nous exploitons les connaissances dans différentes disciplines, plus nous pourrons aborder et résoudre ces problèmes."

Pour Amara McCune, BS '18, qui a rejoint un précédent séminaire dans la région dirigé par Vanorio en 2016, le mélange de géophysique avec des plongées dans la culture de la région s'est avéré un mélange puissant. "La combinaison unique d'apprendre sur Pompéi, soulèvement volcanique et Rome tout en étant sur place, entendre des guides locaux et demander à des experts archéologiques et géologiques de souligner les caractéristiques d'un lieu pour une expérience d'apprentissage incroyablement riche, " elle a dit.

Poursuivant maintenant un doctorat. en physique, McCune a déclaré que le séminaire dans le sud de l'Italie l'avait aidé à élargir sa réflexion sur la façon dont elle pourrait appliquer son diplôme. "Cela m'a rendu plus ouvert à différents domaines et désireux d'apprendre l'histoire et les subtilités du monde naturel qui nous entoure, " elle a dit.

Lors du dernier voyage, les ténèbres tombèrent alors que le groupe, étourdi en prévision des puissantes éruptions du volcan, installés autour du bord de Stromboli. "Il explose violemment et sans avertissement - ces gros, explosions bruyantes suivies de cendres incandescentes volant dans l'air, " a expliqué Dulcie Head, un assistant d'enseignement sur le voyage et un doctorat. étudiant en géophysique.

À ce moment, les étudiants pouvaient voir la cendre tourbillonnant autour d'eux comme plus que de la terre volcanique. Ils savaient que des cendres similaires avaient été un ingrédient clé dans la construction de l'amphithéâtre, port et ancien marché de Pouzzoles, et même le Panthéon à Rome, avec son massif, dôme non renforcé – le plus grand du monde antique.

"Pozzuoli est peut-être le lieu où les Romains, en regardant la nature, ont été inspirés pour fabriquer un matériau iconique, " a déclaré Vanorio. Ils ont développé une recette de béton qui dure des milliers d'années en utilisant des cendres volcaniques, chaux, de minuscules roches volcaniques et de l'eau, tandis que le béton moderne s'effrite souvent en moins de 50 ans.

Au sommet du Stromboli, que les scientifiques surveillent attentivement pour la sécurité, les étudiants ont également eu assez de science de la Terre dans leur tête pour voir le volcan lui-même comme un laboratoire naturel. "Ce volcan produit littéralement de nouvelles roches alors que nous sommes assis ici. Il nous les jette, " expliqua Head. " C'est excitant de voir un processus aussi actif, où un événement naturel produit aussi de nouveaux matériaux."

Le groupe a rebondi et a glissé sur un chemin sur les pentes du volcan portant des masques à gaz pour protéger leurs poumons des cendres et du sable projetés par leurs pieds. De retour à leur hôtel au pied de l'île, ils ont enlevé leurs masques et lavé les détritus de Stromboli. Plus tard, le groupe a appris à calculer la trajectoire et la vitesse des projectiles de cendres en arc du volcan avec un logiciel de suivi des particules.

"C'était une façon pour nous d'utiliser des images en accéléré, " dit Vanorio. " Je voulais des étudiants en sciences de la Terre, des classiques, et des ingénieurs à apprendre à utiliser cet outil car nous nous retrouvons à utiliser de plus en plus ce genre d'images - souvent capturées par drone - que ce soit pour analyser des affleurements de roches inaccessibles ou cartographier de vastes sites antiques ou un bâtiment."

Ce qui aurait pu sembler être des calculs abstraits a pris une plus grande résonance à la lumière de la rencontre rapprochée du groupe avec l'éruption. "Je n'oublierai jamais les étincelles lumineuses de l'éruption contre la nuit noire, " dit Sylvia Choo, '20, qui se spécialise dans les classiques et la biologie. "C'était incroyable de faire l'expérience de la grande force de la nature."

Ville antique

Quelque 150 miles à travers la fraîche Tyrrhénienne, dans la caldeira Campi Flegrei ou "Burning Fields", se trouve au centre-ville de Pozzuoli. Dans cette ville connue de nombreux Italiens comme le lieu de naissance de Sophia Loren, les ruines d'un marché romain sont une plaque tournante pour les connexions interdisciplinaires.

Pozzuoli est assis sur un agité, Une bande de côte de la taille de Manhattan où l'odeur d'œuf pourri du soufre embaume l'air. le cratère de la Solfatare, la maison de Vulcain, le dieu romain du feu, gargouille à la périphérie de la ville. Et juste au large, sculptures, thermes, une villa, des mosaïques carrelées lumineuses et d'autres ruines archéologiques reposent à plus de 9 mètres sous le niveau de la mer, victimes de l'affaissement de la caldeira.

Près du front de mer moderne de Pozzuoli, trois colonnes se dressent au milieu des ruines de l'ancienne place du marché, ou Macellum. Les étudiants savaient, grâce à leurs études sur le campus au printemps, que le trio de marbre détenait un record de 2000 ans d'affaissement à long terme et de brèves périodes de soulèvement. Ainsi, lorsque les colonnes sont apparues lorsque le groupe est descendu pour la première fois de leur villa, s'exclamèrent plusieurs étudiants, "Oh, ils sont là!"

Se rassemblant près des colonnes pour une conférence de Vanorio tandis que le drone de Nieminski bourdonnait au-dessus, ils pouvaient voir des bandes de petits trous percés par des moules dites « mangeuses de pierres » – des mollusques marins qui foraient le long des colonnes alors que la montée et la descente de la caldeira modifiaient la quantité de structures s'étendant au-dessus de la ligne de flottaison. "Ils ont littéralement marqué l'histoire, " dit Choo.

En utilisant les compétences développées dans les séminaires sur le campus dirigés par Nieminski, les étudiants ont pu analyser l'histoire du Macellum et d'autres sites avec une touche plus légère. Ils ont construit des modèles 3D du marché à partir des images de drones de Nieminski et les ont manipulés avec un logiciel pour prendre des mesures et répondre aux questions scientifiques de leur propre invention.

Thomas, par exemple, examiné les différents matériaux dans les colonnes pour comprendre comment les intempéries et la pression de l'eau par le bas se sont jouées au fil du temps. Le projet, elle a dit, lui a permis de tisser des connaissances issues du génie chimique, physique et mathématiques, ainsi que les leçons de géophysique du séminaire. « Après ce séminaire, Je suis encore plus convaincu que de nombreux domaines peuvent se chevaucher, " elle a dit.

Terre agitée

Les hauts et les bas font partie du tissu de la vie à Pouzzoles. Au début des années 1980, le sol s'est élevé de plus de 6 pieds en seulement deux ans, un taux de soulèvement alarmant qui a remodelé la ville, laissant le port trop peu profond pour l'amarrage et forçant la relocalisation des écoles et des commerces.

La montée des fonds marins a également déclenché suffisamment de tremblements de terre pour inciter l'évacuation de près de 40, 000 personnes – dont Vanorio, puis adolescent – ​​pendant deux ans à partir de 1982. « Tout le monde était inquiet, " dit-elle. " Les gens s'attendaient à une éruption, et nous étions vraiment préoccupés par le risque sismique. Les maisons n'ont pas été modernisées sismiquement."

Mais comme les étudiants du séminaire ont appris à travers des conférences et des lectures cet été, l'épisode a averti les scientifiques de Stanford d'une ténacité inhabituelle dans la roche ici. D'autres caldeiras volcaniques, comme Yellowstone ou la Longue Vallée, situé à l'est du parc national de Yosemite, ont tendance à libérer l'énergie accumulée par le soulèvement assez rapidement lors des tremblements de terre. "Ces caldeiras subissent un soulèvement et puis presque immédiatement, l'activité sismique commence, " expliqua Vanorio. " Les roches se déforment puis se fracturent. "

A Pouzzoles, les tremblements de terre n'ont commencé que lorsque la caldeira des Campi Flegrei s'est déformée de près de 3 pieds. "La question du point de vue de la physique des roches a été, quel genre de roches dans le sous-sol sont capables de supporter une contrainte aussi importante sans se fissurer immédiatement ?" La roche coiffant cette caldeira, il s'avère, contient des minéraux fibreux reflétant ceux du béton romain qui lui permettent de s'étirer et de se plier avant de se rompre sous contrainte.

Au marché, Vanorio a également souligné que la durabilité du béton romain peut être constatée dans des sections des anciens murs où les briques en tuf - une sorte de roche volcanique - se sont érodées il y a longtemps, mais le mortier fait avec de la cendre volcanique et de la chaux subsiste encore. "À la fin de la journée, ces sites antiques sont constitués de matériaux terrestres qui se dégradent et changent avec le temps, " a déclaré Vanorio. "Nous pouvons utiliser la physique des roches pour comprendre ces matériaux et apprendre à mieux les préserver."

Vivre avec les risques naturels

Le cône emblématique du mont Vésuve s'élève à moins de 15 miles à l'ouest de Pozzuoli. Son éruption en 79 après JC est surtout connue pour avoir détruit Pompéi, mais le même événement a également enterré Herculanum, une station balnéaire perchée sur la base ouest du complexe stratovolcan.