Předpověď sopečné činnosti

Obecné principy sopečné seismologieEdit

• Seismická aktivita (zemětřesení a otřesy) se objevuje vždy, když se sopky probouzejí a připravují na erupci, a je velmi důležitým článkem erupcí. U některých sopek obvykle pokračuje seismická aktivita na nízké úrovni, ale její zvýšení může signalizovat větší pravděpodobnost erupce. Klíčovými znaky jsou také typy zemětřesení, které se vyskytují, a místo, kde začínají a končí. Sopečná seismicita má tři hlavní formy: krátkoperiodické zemětřesení, dlouhoperiodické zemětřesení a harmonické otřesy.
• Krátkoperiodická zemětřesení se podobají běžným zemětřesením vyvolaným zlomy. Jsou způsobena praskáním křehkých hornin, když si magma razí cestu vzhůru. Tato krátkoperiodická zemětřesení znamenají růst magmatického tělesa v blízkosti povrchu a označují se jako vlny „A“. Tento typ seismických událostí se často označuje také jako vulkanotektonické (nebo VT) události či zemětřesení.
• Dlouhoperiodická zemětřesení pravděpodobně indikují zvýšený tlak plynu ve vodovodním systému sopky. Jsou podobná řinčení, které je někdy slyšet ve vodovodním systému domu a které je známé jako „vodní rány“. Tyto oscilace jsou ekvivalentem akustických vibrací v komoře, v kontextu magmatických komor uvnitř sopečného dómu jsou známé jako „B“ vlny. Jsou také známy jako rezonanční vlny a dlouhoperiodické rezonanční události.
• Harmonické otřesy jsou často důsledkem tlačení magmatu na nadložní horniny pod povrchem. Někdy mohou být natolik silné, že je lidé a zvířata pociťují jako hučení nebo bzučení, odtud jejich název.

Patterny seismicity jsou složité a často je obtížné je interpretovat; zvyšující se seismická aktivita je však dobrým indikátorem zvyšujícího se rizika erupce, zejména pokud začnou převládat dlouhoperiodické události a objeví se epizody harmonických otřesů.

Podobnou metodou mohou vědci odhalit sopečné erupce sledováním infrazvuku – podslyšitelného zvuku pod 20 Hz. Globální infrazvuková síť IMS, původně zřízená k ověřování dodržování smluv o zákazu jaderných zkoušek, má 60 stanic po celém světě, které pracují na detekci a lokalizaci erupcí sopek.

Seismické případové studieUpravit

V seismických záznamech erupce sopky Nevado del Ruiz v Kolumbii v roce 1985 byl poprvé pozorován vztah mezi dlouhoperiodickými událostmi a hrozícími sopečnými erupcemi. Výskyt dlouhoperiodických událostí byl poté použit k předpovědi erupce hory Mount Redoubt na Aljašce v roce 1989 a erupce sopky Galeras v Kolumbii v roce 1993. V prosinci 2000 předpověděli vědci z Národního centra pro prevenci katastrof v Mexico City erupci během dvou dnů v Popocatépetlu na předměstí Mexico City. Jejich předpověď vycházela z výzkumu, který provedl Bernard Chouet, švýcarský vulkanolog pracující v United States Geological Survey, který jako první vypozoroval souvislost mezi dlouhoperiodickými událostmi a blížící se erupcí. Vláda evakuovala desítky tisíc lidí; o 48 hodin později sopka vybuchla, jak bylo předpovězeno. Byla to největší erupce Popocatépetlu za posledních tisíc let, přesto se nikomu nic nestalo.

Otřesy ledovcůRedakce

Podobnosti mezi otřesy ledovců, ke kterým dochází při jejich nájezdu na mělčinu, a sopečnými otřesy mohou odborníkům pomoci vyvinout lepší metodu předpovídání sopečných erupcí. Přestože ledové hory mají mnohem jednodušší strukturu než sopky, fyzikálně se s nimi lépe pracuje. Mezi podobnosti mezi sopečnými a ledovcovými otřesy patří dlouhá doba trvání a amplitudy, stejně jako společné posuny frekvencí.

Emise plynůEdit

Plynové a popelové chocholy vyvržené z hory Pinatubo na Filipínách.

Když se magma blíží k povrchu a jeho tlak klesá, unikají plyny. Tento proces se podobá tomu, co se děje, když otevřete láhev šumivého nápoje a uniká oxid uhličitý. Oxid siřičitý je jednou z hlavních složek sopečných plynů a jeho rostoucí množství předznamenává příchod stále většího množství magmatu do blízkosti povrchu. Například 13. května 1991 se z hory Pinatubo na Filipínách uvolňovalo stále větší množství oxidu siřičitého. O pouhé dva týdny později, 28. května, se emise oxidu siřičitého zvýšily na 5 000 tun, tedy na desetinásobek předchozího množství. Hora Pinatubo později vybuchla 12. června 1991. V několika případech, například před erupcí hory Pinatubo a při erupci sopky Galeras v Kolumbii v roce 1993, klesly emise oxidu siřičitého před erupcí na nízkou úroveň. Většina vědců se domnívá, že tento pokles hladiny plynu je způsoben uzavřením plynových průchodů ztuhlým magmatem. Taková událost vede ke zvýšení tlaku ve vodovodním systému sopky a ke zvýšení pravděpodobnosti explozivní erupce. Systém vícesložkového analyzátoru plynů (Multi-GAS) je sada přístrojů, která se používá k měření sopečných plynů ve vysokém rozlišení v reálném čase. Měření poměru CO2/SO2 pomocí systému Multi-GAS může umožnit detekci přederupčního odplyňování stoupajícího magmatu a zlepšit tak předpověď sopečné činnosti.

Deformace podložíEdit

Potápění sopky signalizuje, že se magma nahromadilo v blízkosti povrchu. Vědci monitorující aktivní sopku často měří sklon svahu a sledují změny v rychlosti bobtnání. Zvýšená míra bobtnání, zejména pokud je doprovázena nárůstem emisí oxidu siřičitého a harmonickými otřesy, je s vysokou pravděpodobností známkou blížící se události. Deformace hory Mount St. Helens před erupcí 18. května 1980 byla klasickým příkladem deformace, kdy se severní strana sopky vyboulila směrem vzhůru, protože se pod ní hromadilo magma. Většina případů deformace půdy je obvykle zjistitelná pouze pomocí sofistikovaných zařízení, která vědci používají, ale přesto mohou tímto způsobem předpovídat budoucí erupce. havajské sopky vykazují výraznou deformaci půdy; před erupcí dochází k nafouknutí půdy a po erupci k jejímu zjevnému vyfouknutí. To je způsobeno mělkou magmatickou komorou havajských sopek; pohyb magmatu je snadno patrný na zemi nad ní.

Tepelný monitoringEdit

Jak pohyb magmatu, tak změny v uvolňování plynů a hydrotermální aktivita mohou vést ke změnám tepelného vyzařování na povrchu sopky. Ty lze měřit pomocí několika technik:

• infračervené radiometrie s přímým pohledem (FLIR) z ručních zařízení instalovaných na místě, na dálku nebo ze vzduchu;
• satelitních snímků v infračerveném pásmu;
• termometrie na místě (horké prameny, fumaroly)
• mapy tepelných toků
• změny entalpie geotermálních vrtů

HydrologieEdit

Existují 4 hlavní metody, které lze použít k předpovědi sopečné erupce pomocí hydrologie:

• Hydrologická a hydraulická měření ve vrtech a studnách se stále častěji používají ke sledování změn podpovrchového tlaku plynu a tepelného režimu sopek. Zvýšený tlak plynu způsobí zvýšení hladiny vody a její náhlý pokles těsně před erupcí a termální zaměření (zvýšený lokální tepelný tok) může snížit nebo vysušit vodonosné vrstvy.
• Detekce laharů a dalších suťových proudů v blízkosti jejich zdrojů. Vědci z USGS vyvinuli levný, odolný, přenosný a snadno instalovatelný systém pro detekci a nepřetržité monitorování příchodu a průchodu suťových proudů a záplav v říčních údolích, která odvodňují aktivní sopky.
• Před erupcí může říční koryto obklopující sopku zachytit sedimenty, které ukazují, že skutečná erupce se může blížit. Většina sedimentů je transportována ze sopečně narušených povodí v období silných dešťů. To může být při absenci instrumentálních monitorovacích technik známkou morfologických změn a zvýšené hydrotermální aktivity.
• Vulkanické usazeniny, které mohou být umístěny na břehu řeky, mohou být snadno erodovány, což dramaticky rozšíří nebo prohloubí říční koryto. Proto lze sledování šířky a hloubky říčních kanálů využít k posouzení pravděpodobnosti budoucí sopečné erupce.

Dálkový průzkumEdit

Dálkový průzkum je detekce elektromagnetické energie, která je pohlcena, odražena, vyzářena nebo rozptýlena z povrchu sopky nebo z jejího vyvrženého materiálu v erupčním mraku, pomocí satelitních senzorů.

• ‚Cloud sensing: Vědci mohou sledovat neobvykle chladné erupční mraky sopek pomocí údajů ze dvou různých tepelných vlnových délek, aby zvýšili viditelnost erupčních mraků a odlišili je od meteorologických mraků
• ‚Snímání plynu: Oxid siřičitý lze také měřit pomocí dálkového průzkumu na některých stejných vlnových délkách jako ozon. Spektrometry TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometers) mohou měřit množství plynného oxidu siřičitého uvolňovaného sopkami při erupcích. Emise oxidu uhličitého ze sopek byly zjištěny v krátkovlnném infračerveném oboru pomocí sondy NASA Orbiting Carbon Observatory 2.
• Tepelné snímání: Přítomnost nových výrazných tepelných stop nebo „horkých míst“ může indikovat nové zahřátí země před erupcí, představovat probíhající erupci nebo přítomnost velmi nedávného sopečného ložiska, včetně lávových proudů nebo pyroklastických toků.
• Snímání deformace: Družicová prostorová radarová data lze použít k detekci dlouhodobých geometrických změn sopečné stavby, jako je vyzdvižení a prohloubení. Při této metodě, interferometrickém radaru se syntetickou aperturou (InSAR), se od sebe odečítají digitální výškové modely vytvořené na základě radarových snímků, čímž se získá diferenční obraz, který zobrazuje rychlost topografických změn.
• Monitorování lesů: Nedávno bylo prokázáno, že polohu erupčních zlomů lze předpovídat měsíce až roky před erupcemi na základě monitorování lesního porostu. Tento nástroj založený na sledování růstu stromů byl ověřen jak na hoře Niyragongo, tak na Etně během erupčních událostí sopek v letech 2002-2003.
• Snímání infrazvuku: Relativně nový přístup k detekci sopečných erupcí zahrnuje použití infrazvukových senzorů ze sítě infrazvukových senzorů Mezinárodního monitorovacího systému (IMS). Tato metoda detekce využívá signály z více senzorů a pomocí triangulace určuje polohu erupce.

Hmotnostní pohyby a masové poruchyEdit

Monitorování hmotnostních pohybů a poruch využívá techniky zapůjčené ze seismologie (geofony), deformace a meteorologie. Příkladem masových selhání sopečného materiálu před, během a po erupcích jsou sesuvy půdy, skalní řícení, pyroklastické proudy a bahenní proudy (lahary).

Nejznámějším sopečným sesuvem bylo pravděpodobně selhání výduti, která se vytvořila z vnikajícího magmatu před erupcí hory Svatá Helena v roce 1980, tento sesuv „odkorkoval“ mělkou magmatickou intruzi a způsobil katastrofické selhání a nečekaný boční erupční výbuch. Skalní řícení se často objevuje v obdobích zvýšené deformace a může být známkou zvýšené aktivity při absenci instrumentálního monitorování. Bahenní proudy (lahary) jsou remobilizované nánosy hydratovaného popela z pyroklastických proudů a nánosů popele, které se pohybují velkou rychlostí po svahu i pod velmi malým úhlem. Díky své vysoké hustotě jsou schopny přemisťovat velké předměty, jako jsou naložená auta na těžbu dřeva, domy, mosty a balvany. Jejich nánosy obvykle tvoří druhý prstenec suťových vějířů kolem sopečných staveb, přičemž vnitřní vějíř tvoří primární nánosy popela. Níže po proudu řeky po usazení jejich nejjemnějšího nákladu mohou lahary stále představovat nebezpečí plošných povodní ze zbytkové vody. Usazeniny laharů mohou vysychat mnoho měsíců, dokud se po nich nedá chodit. Nebezpečí plynoucí z činnosti laharů může existovat i několik let po velké explozivní erupci.

Tým amerických vědců vyvinul metodu předpovídání laharů. Jejich metoda byla vyvinuta na základě analýzy hornin na hoře Rainier ve Washingtonu. Varovný systém závisí na zaznamenání rozdílů mezi čerstvými a staršími horninami. Čerstvé horniny jsou špatnými vodiči elektřiny a vlivem vody a tepla se hydrotermicky mění. Pokud tedy znají stáří hornin, a tedy i jejich pevnost, mohou předpovědět cesty laharu. Na hoře Mount Rainier byl také umístěn systém akustických monitorů proudění (AFM), které analyzují otřesy půdy, jež by mohly vyústit v lahar, a poskytují tak včasné varování.