A vulkáni tevékenység előrejelzése

A vulkánszeizmológia általános elveiSzerkesztés

• A szeizmikus tevékenység (földrengések és rengések) mindig a vulkánok ébredésekor és a kitörésre való felkészüléskor jelentkezik, és nagyon fontos kapcsolat a kitörésekkel. Egyes vulkánok általában folyamatosan alacsony szintű szeizmikus aktivitást mutatnak, de a növekedés jelezheti a kitörés nagyobb valószínűségét. A bekövetkező földrengések típusa, valamint az, hogy hol kezdődnek és hol érnek véget, szintén kulcsfontosságú jelek. A vulkáni szeizmicitásnak három fő formája van: rövid periódusú földrengés, hosszú periódusú földrengés és harmonikus rengés.
• A rövid periódusú földrengések olyanok, mint a normál törés által generált földrengések. Ezeket a törékeny kőzet törése okozza, ahogy a magma felfelé nyomul. Ezek a rövid periódusú földrengések egy felszínközeli magmatest növekedését jelzik, és “A” hullámoknak nevezik őket. Az ilyen típusú szeizmikus eseményeket gyakran vulkántektonikus (vagy VT) eseményeknek vagy földrengéseknek is nevezik.
• A hosszú periódusú földrengésekről úgy vélik, hogy a vulkán vízvezetékrendszerében megnövekedett gáznyomást jelzik. Hasonlóak a házak vízvezetékrendszerében néha hallható csörömpöléshez, amelyet “vízkalapácsnak” neveznek. Ezek a rezgések a vulkáni kupolán belüli magmakamrák összefüggésében egy kamrában zajló akusztikus rezgéseknek felelnek meg, és “B-hullámokként” ismertek. Ezeket rezonanciahullámoknak és hosszú periódusú rezonanciaeseményeknek is nevezik.
• A harmonikus rengések gyakran a felszín alatti fedő kőzetre nyomuló magma következményei. Néha elég erősek lehetnek ahhoz, hogy az emberek és az állatok zúgásként vagy zümmögésként érzékeljék őket, innen ered az elnevezésük.

A szeizmicitás mintázata összetett és gyakran nehéz értelmezni; a növekvő szeizmikus aktivitás azonban jól jelzi a növekvő kitörési kockázatot, különösen, ha a hosszú periódusú események dominánssá válnak és harmonikus rengések epizódjai jelennek meg.

A kutatók egy hasonló módszerrel a vulkánkitöréseket az infrahang – 20 Hz alatti hallható hangok – megfigyelésével tudják észlelni. Az IMS Globális Infrahang Hálózat, amelyet eredetileg a nukleáris kísérletek betiltásáról szóló szerződések betartásának ellenőrzésére hoztak létre, világszerte 60 állomással dolgozik a kitörő vulkánok észlelésén és lokalizálásán.

Szeizmikus esettanulmányokSzerkesztés

A hosszú periódusú események és a közelgő vulkánkitörések közötti kapcsolatot először a kolumbiai Nevado del Ruiz 1985-ös kitörésének szeizmikus feljegyzéseiben figyelték meg. A hosszú periódusú események előfordulását ezután az alaszkai Mount Redoubt 1989-es kitörésének és a kolumbiai Galeras 1993-as kitörésének előrejelzésére használták. 2000 decemberében a mexikóvárosi Nemzeti Katasztrófamegelőzési Központ tudósai két napon belüli kitörést jósoltak a Mexikóváros külvárosában található Popocatépetlnél. Előrejelzésükhöz Bernard Chouet svájci vulkanológus kutatásait használták fel, aki az Egyesült Államok Geológiai Szolgálatánál dolgozott, és aki először figyelt meg kapcsolatot a hosszú periódusú események és a közelgő kitörés között. A kormány több tízezer embert evakuált; 48 órával később a vulkán az előrejelzésnek megfelelően kitört. Ez volt a Popocatépetl legnagyobb kitörése ezer év óta, mégsem sérült meg senki.

JéghegyremegésekSzerkesztés

A zátonyra futáskor fellépő jéghegyremegések és a vulkáni rengések közötti hasonlóságok segíthetnek a szakembereknek egy jobb módszer kidolgozásában a vulkánkitörések előrejelzésére. Bár a jéghegyek sokkal egyszerűbb szerkezetűek, mint a vulkánok, fizikailag könnyebb velük dolgozni. A vulkáni és jéghegyi rengések közötti hasonlóságok közé tartozik a hosszú időtartam és amplitúdó, valamint a közös frekvenciaeltolódások.

GázkibocsátásSzerkesztés

A Fülöp-szigeteki Pinatubo hegyből kitört gáz- és hamufelhő.

Amint a magma közeledik a felszínhez és csökken a nyomása, gázok szabadulnak ki. Ez a folyamat nagyjából olyan, mint amikor kinyitunk egy üveg szénsavas italt, és a szén-dioxid kiszökik. A kén-dioxid a vulkáni gázok egyik fő összetevője, és növekvő mennyisége azt jelzi, hogy egyre nagyobb mennyiségű magma érkezik a felszín közelébe. Például 1991. május 13-án a Fülöp-szigeteki Pinatubo hegyből egyre nagyobb mennyiségű kén-dioxid szabadult fel. Május 28-án, alig két héttel később a kén-dioxid-kibocsátás 5000 tonnára, a korábbi mennyiség tízszeresére nőtt. A Pinatubo később, 1991. június 12-én kitört. Számos alkalommal, például a Pinatubo-hegy kitörése előtt és az 1993-as kolumbiai Galeras kitörés előtt a kén-dioxid-kibocsátás a kitörések előtt alacsony szintre csökkent. A legtöbb tudós úgy véli, hogy ezt a gázszintcsökkenést a gázjáratoknak a megkeményedett magma általi lezárása okozza. Egy ilyen esemény megnövekedett nyomást eredményez a vulkán vízvezetékrendszerében, és megnő a robbanásszerű kitörés esélye. A többkomponensű gázelemző rendszer (Multi-GAS) egy olyan műszercsomag, amelyet a vulkáni gázfúvókák valós idejű, nagy felbontású méréseire használnak. A CO2/SO2 arányok Multi-GAS mérései lehetővé tehetik a feltörekvő magmák kitörést megelőző gáztalanításának kimutatását, ami javítja a vulkáni aktivitás előrejelzését.

A talaj deformációjaSzerkesztés

A vulkán duzzadása azt jelzi, hogy a felszín közelében magma halmozódott fel. Az aktív vulkánt megfigyelő tudósok gyakran mérik a lejtő dőlését, és nyomon követik a duzzadás mértékének változásait. A duzzadás megnövekedett üteme, különösen, ha azt a kén-dioxid-kibocsátás és a harmonikus rengések növekedése kíséri, nagy valószínűséggel egy közelgő esemény jele. Az 1980. május 18-i kitörést megelőzően a Mount St. Helens deformációja klasszikus példája volt a deformációnak, mivel a vulkán északi oldala felfelé domborodott, miközben alatta magma gyűlt fel. A legtöbb esetben a talajdeformáció általában csak a tudósok által használt kifinomult berendezésekkel észlelhető, de így is meg tudják jósolni a jövőbeli kitöréseket. a hawaii vulkánok jelentős talajdeformációt mutatnak; a kitörés előtt a talaj felfúvódása, majd a kitörés utáni nyilvánvaló deflációja figyelhető meg. Ez a hawaii vulkánok sekély magmakamrájának köszönhető; a magma mozgása könnyen észrevehető a felette lévő talajon.

HőfigyelésSzerkesztés

A magma mozgása, a gázkibocsátás változásai és a hidrotermikus aktivitás egyaránt a vulkán felszínén a hőkibocsátás változásához vezethet. Ezek többféle technikával mérhetők:

• előre tekintő infravörös radiometria (FLIR) a helyszínen, távolról vagy a levegőből telepített kézi eszközökkel;
• infravörös sávú műholdas felvételekkel;
• in-situ hőmérés (forró források, fumarolák)
• hőáramlási térképek
• geotermikus kutak entalpiaváltozásai

HidrológiaSzerkesztés

A hidrológia segítségével 4 fő módszerrel lehet előrejelezni egy vulkánkitörést:

• A vulkánok felszín alatti gáznyomásában és termikus rendszerében bekövetkező változások nyomon követésére egyre gyakrabban használnak fúrólyukakból és kutakból végzett hidrológiai és hidraulikai méréseket. A megnövekedett gáznyomás hatására a vízszintek emelkednek és hirtelen csökkennek közvetlenül a kitörés előtt, a termikus fókuszálás (megnövekedett helyi hőáramlás) pedig csökkentheti vagy kiszáríthatja a víztartó rétegeket.
• A laharok és más törmelékáramok felderítése a forrásuk közelében. Az USGS tudósai kifejlesztettek egy olcsó, tartós, hordozható és könnyen telepíthető rendszert a törmelékáramok és áradások érkezésének és áthaladásának észlelésére és folyamatos megfigyelésére az aktív vulkánokat elvezető folyóvölgyekben.
• A vulkánt körülvevő folyócsatornában a kitörés előtti üledék felszedhető, ami azt mutatja, hogy a tényleges kitörés közeledhet. A legtöbb üledéket a vulkanikusan megzavart vízgyűjtőkből a heves esőzések idején szállítják el. Ez műszeres megfigyelési technikák hiányában a morfológiai változások és a fokozott hidrotermikus aktivitás jele lehet.
• A folyópartra kerülő vulkáni üledék könnyen erodálódhat, ami drámaian kiszélesíti vagy elmélyíti a folyócsatornát. Ezért a folyócsatorna szélességének és mélységének megfigyelése felhasználható egy jövőbeli vulkánkitörés valószínűségének felmérésére.

TávérzékelésSzerkesztés

A távérzékelés a vulkán felszínéről vagy a kitörési felhőben lévő kitört anyagról elnyelt, visszavert, kisugárzott vagy szórt elektromágneses energia műhold érzékelőivel történő érzékelése.

• ‘Felhőérzékelés: A tudósok a vulkánok szokatlanul hideg kitörési felhőit két különböző termikus hullámhosszúságú adat felhasználásával tudják megfigyelni, hogy javítsák a kitörési felhők láthatóságát és megkülönböztessék őket a meteorológiai felhőktől
• ‘Gázérzékelés: A kén-dioxid is mérhető távérzékeléssel néhány olyan hullámhosszon, mint az ózon. A teljes ózontérképező spektrométerek (TOMS) képesek mérni a vulkánok által kitörésekkor kibocsátott kén-dioxid gáz mennyiségét. A vulkánok által kibocsátott szén-dioxidot a NASA Orbiting Carbon Observatory 2 segítségével a rövidhullámú infravörös tartományban észlelték.
• Hőérzékelés: Új, jelentős termikus jelek vagy “forró foltok” jelenléte jelezheti a talaj új felmelegedését egy kitörés előtt, egy folyamatban lévő kitörést vagy egy nagyon friss vulkáni lerakódás jelenlétét, beleértve a lávafolyásokat vagy piroklasztikus áramlásokat.
• Deformációérzékelés: A műholdas térbeli radaradaradatok felhasználhatók a vulkáni építmény hosszú távú geometriai változásainak, például a kiemelkedésnek és a süllyedésnek az észlelésére. Ebben a módszerben, az interferometrikus szintetikus apertúra radarban (InSAR) a radarképekből generált digitális magassági modelleket kivonják egymásból, hogy differenciális képet kapjanak, amely a topográfiai változások sebességét mutatja.
• Erdőfigyelés: A közelmúltban kimutatták, hogy a kitörési törések helyét hónapokkal vagy évekkel a kitörések előtt meg lehet jósolni az erdők növekedésének megfigyelésével. Ezt a fák növekedésének megfigyelésén alapuló eszközt a 2002-2003-as vulkánkitörések során a Niyragongo-hegyen és az Etnán is igazolták.
• Infrahang érzékelés: A vulkánkitörések észlelésének viszonylag új megközelítése a Nemzetközi Megfigyelő Rendszer (IMS) infrahang-hálózat infrahang-érzékelőinek használata. Ez az észlelési módszer több szenzor jeleit veszi fel, és háromszögeléssel határozza meg a kitörés helyét.

Tömegmozgások és tömegtörésekSzerkesztés

A tömegmozgások és tömegtörések megfigyelése a szeizmológiából (geofonok), a deformációból és a meteorológiából kölcsönzött technikákat használja. A földcsuszamlások, kőomlások, piroklasztikus áramlások és iszapömlések (laharok) a vulkáni anyag kitörések előtti, alatti és utáni tömegtöréseinek példái.

A leghíresebb vulkáni földcsuszamlás valószínűleg a Szent Helens-hegy 1980-as kitörése előtt az intrudáló magmából felépült dudor meghibásodása volt, ez a földcsuszamlás “kibontotta” a sekély magmás intrúziót, ami katasztrofális meghibásodást és váratlan oldalirányú kitörési robbanást okozott. A sziklaomlások gyakran a fokozott deformáció időszakában következnek be, és műszeres megfigyelés hiányában a fokozott aktivitás jelei lehetnek. Az iszapárfolyamok (laharok) a piroklasztikus áramlásokból és hamulerakódásokból származó, remobilizált hidratált hamu lerakódások, amelyek akár nagyon sekély szögben, nagy sebességgel mozognak lefelé a lejtőn. Nagy sűrűségük miatt képesek nagy tárgyak, például megrakott fakitermelő teherautók, házak, hidak és sziklák mozgatására. Lerakódásaik általában a vulkáni építmények körül egy második törmelékrajongó gyűrűt alkotnak, a belső rajongó elsődleges hamulerakódásokból áll. A legfinomabb rakományuk lerakódását követően a laharok a visszamaradó víz miatt továbbra is árvízveszélyt jelenthetnek. A lahar lerakódások kiszáradása hónapokig is eltarthat, amíg járhatóvá válnak. A lahartevékenységből származó veszélyek egy nagy robbanásszerű kitörés után több évvel is fennállhatnak.

Egy amerikai tudóscsoport kidolgozott egy módszert a laharok előrejelzésére. Módszerüket a washingtoni Rainier-hegyen található kőzetek elemzésével dolgozták ki. A figyelmeztető rendszer a friss és a régebbi kőzetek közötti különbségek észlelésétől függ. A friss kőzetek rosszul vezetik az elektromosságot, és a víz és a hő hatására hidrotermikusan megváltoznak. Ezért, ha ismerik a kőzetek korát, és így azok szilárdságát, meg tudják jósolni egy lahar útját. A Mount Rainier-hegyre egy akusztikus áramlásfigyelő (AFM) rendszert is telepítettek, hogy elemezzék a talajrengéseket, amelyek laharhoz vezethetnek, és ezzel korábbi figyelmeztetést adjanak.