Forudsigelse af vulkansk aktivitet

Generelle principper for vulkansk seismologiRediger

• Seismisk aktivitet (jordskælv og rystelser) forekommer altid, når vulkaner vågner og forbereder sig på at gå i udbrud, og er et meget vigtigt led i forbindelse med vulkanudbrud. Nogle vulkaner har normalt fortsat lav seismisk aktivitet på lavt niveau, men en stigning kan være et tegn på større sandsynlighed for et udbrud. De typer af jordskælv, der forekommer, og hvor de starter og slutter, er også vigtige tegn. Vulkanisk seismicitet har tre hovedformer: kortperiodiske jordskælv, langperiodiske jordskælv og harmonisk tremor.
• Kortperiodiske jordskælv ligner normale forkastningsgenererede jordskælv. De er forårsaget af brud i sprødt bjergart, når magma tvinger sig opad. Disse kortperiodiske jordskælv er tegn på vækst af et magmalegeme nær overfladen og er kendt som A-bølger. Denne type seismiske hændelser kaldes ofte også for vulkansk-tektoniske (eller VT) hændelser eller jordskælv.
• Langvarige jordskælv menes at indikere øget gastryk i en vulkanes rørsystem. De svarer til den klirren, der nogle gange kan høres i et hus’ VVS-system, og som er kendt som “vandslag”. Disse svingninger svarer til akustiske vibrationer i et kammer, i forbindelse med magmakamre i den vulkanske kuppel, og er kendt som “B-bølger”. De er også kendt som resonansbølger og langperiodiske resonansbegivenheder.
• Harmoniske rystelser er ofte resultatet af, at magma skubber mod den overliggende klippe under overfladen. De kan nogle gange være stærke nok til at kunne mærkes som brummen eller summen af mennesker og dyr, deraf navnet.

Mønstre for seismicitet er komplekse og ofte vanskelige at fortolke; stigende seismisk aktivitet er dog en god indikator for stigende udbrudsrisiko, især hvis langperiodiske hændelser bliver dominerende, og der opstår episoder med harmonisk rysten.

Med en lignende metode kan forskere opdage vulkanudbrud ved at overvåge infralyd – sub-audible lyde under 20 Hz. IMS Global Infrasound Network, der oprindeligt blev oprettet for at kontrollere overholdelsen af traktater om forbud mod atomprøvesprængninger, har 60 stationer rundt om i verden, der arbejder på at opdage og lokalisere vulkanudbrud.

Seismiske casestudierRediger

En sammenhæng mellem langtidsbegivenheder og forestående vulkanudbrud blev første gang observeret i de seismiske optegnelser fra 1985-udbruddet af Nevado del Ruiz i Colombia. Forekomsten af langtidsbegivenheder blev derefter brugt til at forudsige udbruddet i 1989 af Mount Redoubt i Alaska og udbruddet i 1993 af Galeras i Colombia. I december 2000 forudsagde forskere fra det nationale center for forebyggelse af katastrofer i Mexico City et udbrud inden for to dage ved Popocatépetl i udkanten af Mexico City. Deres forudsigelse var baseret på forskning udført af Bernard Chouet, en schweizisk vulkanolog, der arbejdede for United States Geological Survey, og som for første gang observerede en sammenhæng mellem langvarige begivenheder og et forestående udbrud. Regeringen evakuerede titusindvis af mennesker; 48 timer senere gik vulkanen i udbrud som forudsagt. Det var Popocatépetls største udbrud i tusind år, men ingen mennesker kom til skade.

IsbjergskælvRediger

Sammenfald mellem isbjergskælv, som opstår, når de går på grund, og vulkanske skælv kan hjælpe eksperter med at udvikle en bedre metode til at forudsige vulkanudbrud. Selv om isbjerge har meget enklere strukturer end vulkaner, er de fysisk set lettere at arbejde med. Lighederne mellem vulkanske og isbjerges rystelser omfatter lange varigheder og amplituder samt fælles forskydninger i frekvenser.

GasemissionerRediger

Gas- og askefane i udbrud fra Mount Pinatubo, Filippinerne.

Når magma nærmer sig overfladen, og dens tryk falder, slipper gasser ud. Denne proces svarer meget til det, der sker, når man åbner en flaske sodavand, og kuldioxiden slipper ud. Svovldioxid er en af hovedbestanddelene i vulkanske gasser, og stigende mængder heraf varsler, at der kommer stadig større mængder magma nær overfladen. Den 13. maj 1991 blev der f.eks. frigivet en stigende mængde svovldioxid fra Pinatubo-bjerget i Filippinerne. Den 28. maj, blot to uger senere, var udledningen af svovldioxid steget til 5.000 tons, hvilket er ti gange så meget som tidligere. Pinatubo-bjerget gik senere i udbrud den 12. juni 1991. Ved flere lejligheder, f.eks. før Pinatubo-udbruddet og Galeras-udbruddet i 1993 i Colombia, er svovldioxidemissionerne faldet til et lavt niveau før udbruddene. De fleste forskere mener, at dette fald i gasniveauet skyldes, at den hærdede magma forsegler gaspassagerne. En sådan hændelse fører til et øget tryk i vulkanens rørsystem og en øget chance for et eksplosivt udbrud. Et multi-komponent gasanalysesystem (Multi-GAS) er en instrumentpakke, der bruges til at foretage højopløsningsmålinger i realtid af vulkanske gasfaner med høj opløsning. Multi-GAS-målinger af CO2/SO2-forhold kan gøre det muligt at detektere den præ-eruptive afgasning af opstigende magmaer, hvilket forbedrer forudsigelsen af vulkansk aktivitet.

JorddeformationRediger

Svulmen af en vulkan signalerer, at magma har ophobet sig nær overfladen. Forskere, der overvåger en aktiv vulkan, vil ofte måle hældningen af skråningen og følge ændringer i svulmningshastigheden. En øget hævelse, især hvis den ledsages af en stigning i svovldioxidemissionerne og harmoniske rystelser, er med stor sandsynlighed et tegn på en forestående begivenhed. Deformationen af Mount St. Helens forud for udbruddet den 18. maj 1980 var et klassisk eksempel på deformation, da vulkanens nordside bølgede opad, mens magma ophobede sig under den. De fleste tilfælde af deformation af jorden kan normalt kun påvises ved hjælp af sofistikeret udstyr, som forskerne bruger, men de kan stadig forudsige fremtidige udbrud på denne måde. de Hawaiiske vulkaner viser en betydelig deformation af jorden; der er en oppustning af jorden før et udbrud og derefter en tydelig deflation efter udbruddet. Dette skyldes de hawaiianske vulkaners lavvandede magmakammer; magmabevægelser kan let bemærkes på jorden ovenover.

Termisk overvågningRediger

Både magmabevægelser, ændringer i gasfrigivelsen og hydrotermisk aktivitet kan føre til ændringer i den termiske emissivitet på vulkanens overflade. Disse kan måles ved hjælp af flere teknikker:

• fremadrettet infrarød radiometri (FLIR) fra håndholdte enheder, der er installeret på stedet, på afstand eller i luften;
• satellitbilleder med infrarødt bånd;
• in-situ termometri (varme kilder, fumaroler)
• varmefluxkort
• ændringer i entalpi i geotermiske brønde

HydrologiRediger

Der er 4 hovedmetoder, der kan anvendes til at forudsige et vulkanudbrud ved hjælp af hydrologi:

• Borehuls- og brøndhydrologiske og hydrauliske målinger anvendes i stigende grad til at overvåge ændringer i en vulkanes underjordiske gastryk og termiske regime. Øget gastryk vil få vandstanden til at stige og pludselig falde lige før et udbrud, og termisk fokusering (øget lokal varmestrøm) kan reducere eller udtørre grundvandsmagasiner.
• Detektering af lahars og andre strømme af murbrokker tæt på deres kilder. Forskere fra USGS har udviklet et billigt, holdbart, bærbart og let installeret system til at detektere og løbende overvåge ankomsten og passagen af affaldsstrømme og oversvømmelser i floddale, der afvander aktive vulkaner.
• Sediment før udbruddet kan blive opsamlet af en flodkanal omkring vulkanen, der viser, at det egentlige udbrud kan være nært forestående. Det meste sediment transporteres fra vulkansk forstyrrede vandområder i perioder med kraftig nedbør. Dette kan være en indikation af morfologiske ændringer og øget hydrotermisk aktivitet i mangel af instrumentelle overvågningsteknikker.
• Vulkanisk aflejring, der kan være placeret på en flodbred, kan let blive eroderet, hvilket vil udvide eller uddybe flodkanalen dramatisk. Derfor kan overvågning af flodkanalernes bredde og dybde bruges til at vurdere sandsynligheden for et fremtidigt vulkanudbrud.

FjerndetektionRediger

Fjerndetektion er en satellit-sensorers registrering af elektromagnetisk energi, der absorberes, reflekteres, udstråles eller spredes fra overfladen af en vulkan eller fra dens udbrudsmateriale i en udbrudssky.

• ‘Cloud sensing: Forskere kan overvåge de usædvanligt kolde udbrudsskyer fra vulkaner ved hjælp af data fra to forskellige termiske bølgelængder for at forbedre synligheden af udbrudsskyer og skelne dem fra meteorologiske skyer
• ‘Gasaflæsning: Svovldioxid kan også måles ved telemåling ved nogle af de samme bølgelængder som ozon. Total Ozone Mapping Spectrometers (TOMS) kan måle mængden af svovldioxidgas, der frigives af vulkaner i forbindelse med udbrud. Kuldioxidemissioner fra vulkaner er blevet påvist i det kortbølgede infrarøde område ved hjælp af NASA’s Orbiting Carbon Observatory 2.
• Termisk aftastning: Tilstedeværelsen af nye betydelige termiske signaturer eller “hot spots” kan indikere ny opvarmning af jorden før et udbrud, repræsentere et igangværende udbrud eller tilstedeværelsen af en meget nylig vulkansk aflejring, herunder lavastrømme eller pyroklastiske strømme.
• Deformationsaflæsning: Satellitbårne rumlige radardata kan bruges til at påvise langsigtede geometriske ændringer i det vulkanske bygningsværk, f.eks. opadgående og nedadgående. I denne metode, interferometrisk syntetisk aperture-radar (InSAR), subtraheres digitale højdemodeller, der er genereret fra radarbilleder, fra hinanden for at opnå et differentielt billede, der viser hastigheden af topografiske ændringer.
• Skovovervågning: For nylig er det blevet påvist, at placeringen af eruptive brud kan forudsiges måneder til år før udbruddet ved overvågning af skovvækst. Dette værktøj baseret på overvågning af træernes vækst er blevet valideret på både Niyragongo-bjerget og Etna-bjerget under vulkanudbruddene i 2002-2003.
• Infrasound sensing: En forholdsvis ny metode til detektering af vulkanudbrud indebærer anvendelse af infrasoundsensorer fra det internationale overvågningssystem (IMS) infrasound-netværk. Denne detektionsmetode tager signaler fra flere sensorer og anvender triangulering til at bestemme udbruddets placering.

Massebevægelser og massesvigtBearbejd

Ved overvågning af massebevægelser og massesvigt anvendes teknikker, der lånes fra seismologi (geofoner), deformation og meteorologi. Jordskred, stenfald, pyroklastiske strømme og mudderstrømme (lahars) er eksempler på massesammenbrud af vulkansk materiale før, under og efter udbrud.

Det mest berømte vulkanske jordskred var sandsynligvis sammenbruddet af en bule, der blev opbygget af indtrængende magma før Mt. St. Helens-udbruddet i 1980, dette jordskred “åbnede” den lavvandede magmatiske indtrængning og forårsagede katastrofalt sammenbrud og et uventet lateralt udbrudsudbrud. Klippeskred opstår ofte i perioder med øget deformation og kan være et tegn på øget aktivitet, hvis der ikke er instrumentel overvågning. Slamstrømme (lahars) er remobiliserede hydrerede askeaflejringer fra pyroklastiske strømme og askefaldsaflejringer, der bevæger sig nedad med høj hastighed, selv ved meget lave vinkler. På grund af deres høje tæthed er de i stand til at flytte store genstande som f.eks. lastede skovningsbiler, huse, broer og stenblokke. Deres aflejringer danner sædvanligvis en anden ring af affaldsfaner omkring vulkanske bygningsværker, idet den indre fan er primære askeaflejringer. Nedstrøms efter aflejringen af deres fineste last kan lahars stadig udgøre en fare for oversvømmelser fra det tilbageværende vand. Laharaflejringer kan være mange måneder om at tørre ud, indtil man kan gå på dem. De farer, der skyldes laharaktivitet, kan eksistere i flere år efter et stort eksplosivt udbrud.

Et hold amerikanske forskere har udviklet en metode til at forudsige lahars. Deres metode blev udviklet ved at analysere klipper på Mt. Rainier i Washington. Advarselssystemet afhænger af, at man noterer sig forskellene mellem friske sten og ældre sten. Friske klipper er dårlige ledere af elektricitet og bliver hydrotermisk ændret af vand og varme. Hvis de kender klippernes alder og dermed deres styrke, kan de derfor forudsige, hvilke veje en lahar vil gå. Der er også blevet opstillet et system af Acoustic Flow Monitors (AFM) på Mount Rainier for at analysere jordskælv, der kan resultere i en lahar, og dermed give en tidligere advarsel.