Tulivuoritoiminnan ennustaminen

Tulivuoren seismologian yleiset periaatteetEdit

• Seismistä toimintaa (maanjäristyksiä ja vapinaa) esiintyy aina, kun tulivuoret heräävät ja valmistautuvat purkautumaan, ja se on erittäin tärkeä yhteys purkauksiin. Joillakin tulivuorilla seisminen aktiivisuus jatkuu normaalisti matalalla tasolla, mutta sen lisääntyminen voi olla merkki suuremmasta purkauksen todennäköisyydestä. Myös maanjäristysten tyypit ja niiden alkamis- ja päättymispaikat ovat keskeisiä merkkejä. Tuliperäisellä seismisyydellä on kolme päämuotoa: lyhytjaksoinen maanjäristys, pitkäjaksoinen maanjäristys ja harmoninen vapina.
• Lyhytjaksoiset maanjäristykset ovat kuin tavallisia vikojen aiheuttamia maanjäristyksiä. Ne johtuvat hauraan kallion murtumisesta, kun magma työntyy ylöspäin. Nämä lyhytjaksoiset maanjäristykset merkitsevät magmakappaleen kasvua lähellä pintaa, ja niitä kutsutaan A-aalloiksi. Tämäntyyppisiä seismisiä tapahtumia kutsutaan usein myös vulkaanis-tektonisiksi (tai VT) tapahtumiksi tai maanjäristyksiksi.
• Pitkäkestoisten maanjäristysten uskotaan osoittavan kaasunpaineen nousua tulivuoren putkistossa. Ne ovat samankaltaisia kuin talon vesijohtoverkostossa joskus kuultava kolina, joka tunnetaan nimellä ”water hammer”. Nämä värähtelyt vastaavat akustisia värähtelyjä kammiossa, kun kyseessä ovat magmakammiot tulivuoren kupolin sisällä, ja niitä kutsutaan B-aalloiksi. Niitä kutsutaan myös resonointiaalloiksi ja pitkäjaksoisiksi resonanssitapahtumiksi.
• Harmoniset värähtelyt ovat usein seurausta siitä, että magma työntyy pinnan alla olevaa kalliota vasten. Ne voivat joskus olla niin voimakkaita, että ihmiset ja eläimet voivat tuntea ne huminana tai surinana, mistä nimi johtuu.

Seismisen aktiivisuuden kaavat ovat monimutkaisia ja niitä on usein vaikea tulkita; lisääntyvä seisminen aktiivisuus on kuitenkin hyvä indikaattori lisääntyvästä purkausriskistä, erityisesti jos pitkäjaksoiset tapahtumat tulevat hallitseviksi ja harmonisen värinän jaksoja esiintyy.

Käyttämällä samankaltaista menetelmää tutkijat pystyvät havaitsemaan tulivuorenpurkauksia tarkkailemalla infraääntä – alle 20 Hz:n kuuluvaa ääntä. IMS:n maailmanlaajuisessa infraääniverkostossa, joka perustettiin alun perin ydinkokeiden kieltosopimusten noudattamisen tarkistamiseksi, on 60 asemaa eri puolilla maailmaa, jotka työskentelevät purkautuvien tulivuorten havaitsemiseksi ja paikallistamiseksi.

Seismiset tapaustutkimuksetToimitus

Pitkän jakson tapahtumien ja uhkaavien tulivuorenpurkausten välinen yhteys havaittiin ensimmäisen kerran Kolumbiassa sijaitsevan Kolumbiassa sijainneen Nevado del Ruizin vuoden 1985 tulivuorenpurkauksen seismisissä tallenteissa. Pitkäjaksoisten tapahtumien esiintymistä käytettiin sitten ennustamaan Mount Redoubtin purkausta vuonna 1989 Alaskassa ja Galerasin purkausta vuonna 1993 Kolumbiassa. Joulukuussa 2000 Meksikossa sijaitsevan katastrofien ehkäisyn kansallisen keskuksen tiedemiehet ennustivat Meksikon kaupungin laitamilla sijaitsevan Popocatépetlin purkauksen tapahtuvan kahden päivän kuluessa. Heidän ennusteensa perustui tutkimukseen, jonka oli tehnyt Yhdysvaltain geologian tutkimuskeskuksessa työskennellyt sveitsiläinen vulkanologi Bernard Chouet, joka havaitsi ensimmäisenä pitkän jakson tapahtumien ja lähestyvän purkauksen välisen yhteyden. Hallitus evakuoi kymmeniätuhansia ihmisiä. 48 tuntia myöhemmin tulivuori purkautui ennustetusti. Kyseessä oli Popocatépetlin suurin purkaus tuhanteen vuoteen, mutta kukaan ei loukkaantunut.

Jäävuoren vapinat Muokkaa

Jäävuoren karilleajon yhteydessä tapahtuvien jäävuoren vapinoiden ja tulivuoren vapinoiden väliset yhtäläisyydet voivat auttaa asiantuntijoita kehittämään paremman menetelmän tulivuorenpurkausten ennustamiseen. Vaikka jäävuorilla on paljon yksinkertaisempi rakenne kuin tulivuorilla, ne ovat fyysisesti helpompia käsitellä. Tulivuoren ja jäävuoren vapinan yhtäläisyyksiä ovat muun muassa pitkät kestot ja amplitudit sekä yhteiset taajuussiirtymät.

KaasupäästötEdit

Kaasu- ja tuhkapilvi purkautui Filippiineillä sijaitsevan Pinatubo-vuoren purkautumisessa.

Kun magma lähestyy pintaa, ja sen paine laskee, kaasuja pääsee irti. Tämä prosessi on samankaltainen kuin se, mitä tapahtuu, kun avaat pullon hiilihappojuomaa ja hiilidioksidi karkaa. Rikkidioksidi on yksi vulkaanisten kaasujen pääkomponenteista, ja sen lisääntyvät määrät kertovat siitä, että yhä suurempi määrä magmaa saapuu lähelle pintaa. Esimerkiksi 13. toukokuuta 1991 Filippiineillä sijaitsevasta Pinatubo-vuoresta vapautui yhä enemmän rikkidioksidia. Vain kaksi viikkoa myöhemmin, 28. toukokuuta, rikkidioksidipäästöt olivat kasvaneet 5 000 tonniin eli kymmenkertaisiksi aiempaan verrattuna. Pinatubo-vuori purkautui myöhemmin 12. kesäkuuta 1991. Monissa tapauksissa, kuten ennen Pinatubo-vuoren purkausta ja vuonna 1993 tapahtuneessa Galerasin purkauksessa Kolumbiassa, rikkidioksidipäästöt ovat laskeneet alhaiselle tasolle ennen purkauksia. Useimmat tutkijat uskovat, että tämä kaasupitoisuuksien lasku johtuu siitä, että kovettunut magma sulkee kaasukanavat. Tällainen tapahtuma johtaa paineen nousuun tulivuoren putkistossa ja lisää räjähdysmäisen purkauksen mahdollisuutta. Monikomponenttikaasuanalysaattorijärjestelmä (Multi-GAS) on laitepaketti, jota käytetään reaaliaikaisten korkearesoluutioisten mittausten tekemiseen tulivuoren kaasupilvistä. Multi-GAS-mittaukset CO2/SO2-suhteista voivat mahdollistaa nousevien magmojen purkautumista edeltävän kaasunpoiston havaitsemisen, mikä parantaa tulivuoritoiminnan ennustamista.

Maanpinnan muodonmuutosMuutos

Tulivuoren paisuminen viestii siitä, että magmaa on kerääntynyt lähelle pintaa. Aktiivista tulivuorta tarkkailevat tutkijat mittaavat usein rinteen kallistusta ja seuraavat paisumisnopeuden muutoksia. Paisumisnopeuden lisääntyminen, varsinkin jos siihen liittyy rikkidioksidipäästöjen ja harmonisten värinöiden lisääntyminen, on suurella todennäköisyydellä merkki lähestyvästä tapahtumasta. Mount St. Helensin muodonmuutos ennen 18. toukokuuta 1980 tapahtunutta purkausta oli klassinen esimerkki muodonmuutoksesta, sillä tulivuoren pohjoispuoli pullistui ylöspäin, kun magma kerääntyi sen alle. Useimmissa tapauksissa maanpinnan muodonmuutokset ovat yleensä havaittavissa vain tiedemiesten käyttämillä kehittyneillä laitteilla, mutta he voivat silti ennustaa tulevia purkauksia tällä tavoin.Havaijin tulivuorilla on havaittavissa merkittävää maanpinnan muodonmuutosta; maanpinta paisuu ennen purkautumista ja sitten purkautumisen jälkeinen selvä deflaatio. Tämä johtuu Havaijin tulivuorten matalasta magmakammiosta; magman liikkeet ovat helposti havaittavissa maanpinnan yläpuolella.

LämpötilaseurantaEdit

Kaikki magman liikkeet, muutokset kaasun vapautumisessa ja hydroterminen aktiivisuus voivat johtaa lämpöemissiivisyyden muutoksiin tulivuoren pinnalla. Näitä voidaan mitata useilla tekniikoilla:

• eteenpäin suuntautuvalla infrapunaradiometrialla (forward looking infrared radiometry, FLIR) käsikäyttöisistä laitteista, jotka on asennettu paikan päälle, etäältä tai ilmasta;
• infrapunakaistaisilla satelliittikuvilla;
• in-situ-lämpötilamittaus (kuumat lähteet, fumarolit)
• lämpövirtakartat
• geotermisten kaivojen entalpian muutokset

HydrologiaEdit

On neljä päämenetelmää, joita voidaan käyttää tulivuorenpurkauksen ennustamiseen hydrologian avulla:

• Borehole- ja porakaivojen hydrologisia ja hydraulisia mittauksia käytetään yhä useammin seuraamaan muutoksia tulivuoren maanalaisessa kaasunpaineessa ja lämpöjärjestelmässä. Lisääntynyt kaasunpaine saa vedenpinnan nousemaan ja yhtäkkiä laskemaan juuri ennen purkausta, ja terminen fokusoituminen (lisääntynyt paikallinen lämpövirtaus) voi pienentää tai kuivattaa pohjavesikerroksia.
• Laahareiden ja muiden roskavirtojen havaitseminen lähellä niiden lähteitä. USGS:n tutkijat ovat kehittäneet edullisen, kestävän, kannettavan ja helposti asennettavan järjestelmän, jonka avulla voidaan havaita ja seurata jatkuvasti roskavirtojen ja tulvien saapumista ja kulkua jokilaaksoissa, jotka valuttavat aktiivisia tulivuoria.
• Tulivuorta ympäröivään jokiviemäriin saatetaan poimia purkausta edeltävää sedimenttiä, joka osoittaa, että varsinainen purkaus saattaa olla lähellä. Suurin osa sedimentistä kulkeutuu vulkaanisesti häiriintyneiltä valuma-alueilta rankkasateiden aikana. Tämä voi olla osoitus morfologisista muutoksista ja lisääntyneestä hydrotermisestä aktiivisuudesta instrumentaalisten seurantatekniikoiden puuttuessa.
• Jokivarressa mahdollisesti oleva vulkaaninen kerrostuma voi helposti erodoitua, mikä leventää tai syventää jokikanavaa dramaattisesti. Siksi jokikanavan leveyden ja syvyyden seurantaa voidaan käyttää arvioitaessa tulevan tulivuorenpurkauksen todennäköisyyttä.

Kaukokartoitus Muokkaa

Kaukokartoitus on satelliitin antureilla tapahtuvaa sähkömagneettisen energian havaitsemista, joka absorboituu, heijastuu, säteilee tai siroaa tulivuoren pinnasta tai sen purkautuneesta aineesta purkauspilvessä.

• ’Pilvihavainto: Tutkijat voivat seurata tulivuorten epätavallisen kylmiä purkauspilviä käyttämällä kahdella eri lämpöaallonpituudella saatuja tietoja purkauspilvien näkyvyyden parantamiseksi ja niiden erottamiseksi meteorologisista pilvistä
• ’Kaasun havaitseminen: Rikkidioksidia voidaan myös mitata kaukokartoituksella joillakin samoilla aallonpituuksilla kuin otsonia. TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometers) voi mitata tulivuorten purkauksissa vapautuvan rikkidioksidikaasun määrää. Tulivuorten hiilidioksidipäästöjä on havaittu lyhytaaltoisessa infrapunassa NASAn Orbiting Carbon Observatory 2:n avulla.
• Lämpöhavainto: Uusien merkittävien lämpösignaalien tai ”kuumien pisteiden” esiintyminen voi osoittaa maanpinnan uutta lämpenemistä ennen purkausta, edustaa käynnissä olevaa purkausta tai hyvin tuoretta vulkaanista kerrostumaa, kuten laava- tai pyroklastisia virtoja.
• Muodonmuutosten havaitseminen: Satelliittipaikannustutkatietoja voidaan käyttää havaitsemaan pitkän aikavälin geometrisia muutoksia vulkaanisessa rakennelmassa, kuten kohoamista ja painumista. Tässä menetelmässä, interferometrinen synteettisen apertuurin tutka (InSAR), tutkakuvista luodut digitaaliset korkeusmallit vähennetään toisistaan, jolloin saadaan differentiaalikuva, joka näyttää topografisten muutosten nopeudet.
• Metsien seuranta: Hiljattain on osoitettu, että purkautuvien murtumien sijaintia voidaan ennustaa kuukausia tai vuosia ennen purkauksia seuraamalla metsien kasvua. Tämä puiden kasvun seurantaan perustuva työkalu on validoitu sekä Niyragongo- että Etna-vuorilla vuosien 2002-2003 tulivuorenpurkausten aikana.
• Infraäänen havaitseminen: Suhteellisen uusi lähestymistapa tulivuorenpurkausten havaitsemiseen on käyttää kansainvälisen seurantajärjestelmän (IMS) infraääniantureita. Tämä havaitsemismenetelmä ottaa signaalit useista antureista ja käyttää kolmiomittausta purkauksen sijainnin määrittämiseen.

Massojen liikkeet ja massojen rikkoontumiset Muokkaa

Massojen liikkeiden ja rikkoontumisten seurannassa käytetään seismologiasta (geofonit), deformaatiosta ja meteorologiasta lainattuja tekniikoita. Maanvyörymät, kivien putoamiset, pyroklastiset virrat ja mutavyöryt (laharit) ovat esimerkkejä vulkaanisen aineksen massahäviöistä ennen purkauksia, niiden aikana ja niiden jälkeen.

Kuuluisin vulkaaninen maanvyörymä oli luultavasti intrudoituneesta magmasta muodostuneen pullistuman rikkoutuminen ennen Pyhän Helinin vuoren purkautumista vuonna 1980; tämä maanvyörymä ”avasi” matalan magmaattisen intruusion, mikä aiheutti katastrofaalisen rikkoutumisen ja odottamattoman sivuttaispurkauksen. Kallionromahduksia tapahtuu usein lisääntyneen muodonmuutoksen aikana, ja ne voivat olla merkki lisääntyneestä aktiivisuudesta, jos välineellistä seurantaa ei ole. Mutavyöryt (laharit) ovat pyroklastisten virtojen ja tuhkaputouskerrostumien uudelleen mobilisoituneita hydratoituneita tuhkakerrostumia, jotka liikkuvat alaspäin jopa hyvin matalissa kulmissa suurella nopeudella. Suuren tiheytensä vuoksi ne pystyvät liikuttamaan suuria esineitä, kuten kuormattuja metsäautoja, taloja, siltoja ja lohkareita. Niiden kerrostumat muodostavat yleensä tulivuoren rakennelmien ympärille toisen romuviuhkan, jonka sisempi viuhka on primäärinen tuhkakerrostuma. Hienoimman kuormansa laskeutumisen jälkeen lahaarit voivat edelleen aiheuttaa jäännösveden aiheuttaman tulvavaaran. Laharikerrostumien kuivuminen voi kestää useita kuukausia, ennen kuin niiden päällä voidaan kävellä. Laharitoiminnasta johtuvat vaarat voivat olla olemassa useita vuosia suuren räjähdysmäisen purkauksen jälkeen.

Yhdysvaltalainen tutkijaryhmä kehitti menetelmän lahaarien ennustamiseksi. Heidän menetelmänsä kehitettiin analysoimalla kiviä Rainier-vuorella Washingtonissa. Varoitusjärjestelmä perustuu tuoreiden ja vanhempien kivien välisten erojen havaitsemiseen. Tuoreet kivet johtavat huonosti sähköä ja muuttuvat hydrotermisesti veden ja lämmön vaikutuksesta. Jos he siis tietävät kivien iän ja siten niiden lujuuden, he voivat ennustaa laharin kulkureitit. Mount Rainierille on asennettu myös akustisten virtausmonitorien (AFM) järjestelmä, jonka avulla voidaan analysoida maanpinnan järistyksiä, jotka voivat johtaa lahariin, ja varoittaa siitä aikaisemmin.