Pero Santorini es, en esencia, lo que queda de una isla debido a una enorme explosión volcánica que destruyó los primeros asentamientos existentes, haciendo desaparecer gran parte del territorio de la antigua isla y provocando la creación de la caldera geológica actual (Profitis Illas).
La cima que se eleva en el centro de la caldera se llama Nea Kameni y la pequeña isla vecina Palea Kameni se han formado en los últimos 2 milenios por las erupciones repetidas de lava de dacita (roca ígnea volcánica) y cenizas. Las más importantes erupciones en los últimos 300 años tuvieron lugar en 1707-1712, 1866-1870, 1925-1928 y 1939-1941.
La última erupción ocurrió en 1950 y supuso una cúpula de lava de extrusión.
El nombre actual es de origen italiano, en concreto debido a los mercaderes venecianos medievales que la llamaron Santa Irene en italiano en honor a la patrona de la isla Santa Irene de Tesalónica. Previamente fue llamada Thera, Kallistē (la más hermosa) o Strongylē (la redonda).
Una gigantesca laguna central, más o menos ovalada, de unos 12 km de longitud y 7 km de anchura, está rodeada por 3 lados por altos acantilados de unos 300 metros de altura. Las pendientes de la isla descienden desde lo alto del acantilado hasta el circundante mar Egeo. En el cuarto lado, la laguna está separada del mar por una isla mucho más pequeña llamada Therasia. La laguna se une al mar por 2 sitios, al noroeste y al sudoeste. Las aguas en el centro de la laguna tienen una profundidad de unos 400 metros, haciendo así posible la navegación de todo tipo de buques.
Es el centro volcánico más activo del arco volcánico del sur del Egeo, si bien lo que hoy en día queda es realmente una caldera inundada. En la isla tuvo lugar una de las mayores erupciones volcánicas de la prehistoria reciente, la cual ocurrió hace aproximadamente 3.500 años. Investigaciones recientes sitúan tal fecha en el año 1.627 a. C.. La erupción dejó una enorme caldera, al igual que se perdió buena parte de su superficie, rodeada por depósitos de ceniza volcánica y, según algunas teorías, pudo haber causado indirectamente el colapso de la civilización Minoica de la isla de Creta, situada 110 km al sur, causando un gigantesco maremoto. Otra teoría sostiene que la erupción de Thera podría ser la inspiración principal de la leyenda de la Atlántida.
La explosión fue muy intensa y la emisión de polvo oscureció la atmósfera lo suficiente como para que el hecho fuera observado en China. El enfriamiento del tiempo ha quedado registrado en anillos de los árboles incluso en Canadá. En Egipto, jeroglíficos datados de ese periodo muestran que la nube lo asoló; un escriba egipcio escribió: «El sol se ha ocultado, nadie se ve la sombra, las cosechas han muerto, ahora debemos sobrevivir». Este fenómeno duró 9 días en Egipto, medio día en China y se estima que una hora en la Antártida.
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