Przewidywanie aktywności wulkanicznej

Ogólne zasady sejsmologii wulkanicznejEdit

• Aktywność sejsmiczna (trzęsienia ziemi i wstrząsy) zawsze występuje, gdy wulkany budzą się i przygotowują do erupcji, i jest bardzo ważnym ogniwem erupcji. Na niektórych wulkanach aktywność sejsmiczna zwykle utrzymuje się na niskim poziomie, ale jej wzrost może sygnalizować większe prawdopodobieństwo erupcji. Kluczowymi oznakami są również rodzaje występujących trzęsień ziemi oraz miejsce ich rozpoczęcia i zakończenia. Sejsmiczność wulkaniczna ma trzy główne formy: krótkookresowe trzęsienie ziemi, długookresowe trzęsienie ziemi i drżenie harmoniczne.
• Krótkookresowe trzęsienia ziemi są jak normalne trzęsienia ziemi generowane przez uskok. Są one spowodowane pękaniem kruchych skał, gdy magma wymusza swoją drogę w górę. Te krótkookresowe trzęsienia ziemi oznaczają wzrost ciała magmy w pobliżu powierzchni i są znane jako fale A. Tego typu zdarzenia sejsmiczne są często określane również jako zdarzenia wulkaniczno-tektoniczne (lub VT) lub trzęsienia ziemi.
• Długotrwałe trzęsienia ziemi są uważane za wskazujące na zwiększone ciśnienie gazu w systemie hydraulicznym wulkanu. Są one podobne do brzęczenia słyszanego czasem w domowym systemie hydraulicznym, które znane jest jako „uderzenie wodne”. Oscylacje te są odpowiednikiem drgań akustycznych w komorze, w kontekście komór magmowych w kopule wulkanicznej i znane są jako fale „B”. Są one również znane jako fale rezonansowe i długookresowe zdarzenia rezonansowe.
• Wstrząsy harmoniczne są często wynikiem napierania magmy na skały nadległe pod powierzchnią. Czasami mogą być wystarczająco silne, aby być odczuwane przez ludzi i zwierzęta jako brzęczenie lub szum, stąd ich nazwa.

Wzorce sejsmiczności są złożone i często trudne do zinterpretowania; jednak rosnąca aktywność sejsmiczna jest dobrym wskaźnikiem rosnącego ryzyka erupcji, zwłaszcza jeśli zdarzenia długookresowe stają się dominujące i pojawiają się epizody wstrząsów harmonicznych.

Korzystając z podobnej metody, naukowcy mogą wykrywać erupcje wulkanów poprzez monitorowanie infradźwięków – niesłyszalnych dźwięków o częstotliwości poniżej 20 Hz. IMS Global Infrasound Network, pierwotnie utworzona w celu weryfikacji zgodności z traktatami o zakazie prób jądrowych, posiada 60 stacji na całym świecie, które pracują nad wykrywaniem i lokalizowaniem wybuchających wulkanów.

Sejsmiczne studia przypadkówEdit

Zależność między zdarzeniami długookresowymi a zbliżającymi się erupcjami wulkanicznymi została po raz pierwszy zaobserwowana w zapisach sejsmicznych erupcji Nevado del Ruiz w Kolumbii w 1985 roku. Występowanie zdarzeń długookresowych zostało następnie wykorzystane do przewidzenia erupcji Mount Redoubt na Alasce w 1989 roku oraz erupcji Galeras w Kolumbii w 1993 roku. W grudniu 2000 roku naukowcy z Narodowego Centrum Zapobiegania Katastrofom w Mexico City przewidzieli erupcję w ciągu dwóch dni w Popocatépetl, na obrzeżach Mexico City. Ich prognoza opierała się na badaniach przeprowadzonych przez Bernarda Choueta, szwajcarskiego wulkanologa pracującego w United States Geological Survey, który jako pierwszy zaobserwował związek między zjawiskami długookresowymi a zbliżającą się erupcją. Rząd ewakuował dziesiątki tysięcy ludzi; 48 godzin później wulkan wybuchł zgodnie z przewidywaniami. Była to największa erupcja Popocatépetl od tysiąca lat, ale nikt nie ucierpiał.

Wstrząsy gór lodowychEdit

Podobieństwa między wstrząsami gór lodowych, które występują, gdy osiadają one na mieliźnie, a wstrząsami wulkanicznymi mogą pomóc ekspertom w opracowaniu lepszej metody przewidywania erupcji wulkanicznych. Chociaż góry lodowe mają znacznie prostszą strukturę niż wulkany, to fizycznie łatwiej jest z nimi pracować. Podobieństwa między wstrząsami wulkanicznymi i gór lodowych obejmują długi czas trwania i amplitudy, a także wspólne przesunięcia częstotliwości.

Emisje gazówEdit

Pióropusz gazu i popiołu wybuchł z Mount Pinatubo, Filipiny.

Jak magma zbliża się do powierzchni, a jej ciśnienie spada, gazy uciekają. Proces ten jest bardzo podobny do tego, co dzieje się, gdy otwierasz butelkę napoju gazowanego i ucieka dwutlenek węgla. Dwutlenek siarki jest jednym z głównych składników gazów wulkanicznych, a rosnące jego ilości zwiastują zbliżanie się coraz większych ilości magmy do powierzchni. Na przykład 13 maja 1991 r. z góry Pinatubo na Filipinach uwalniały się coraz większe ilości dwutlenku siarki. 28 maja, zaledwie dwa tygodnie później, emisja dwutlenku siarki wzrosła do 5 000 ton, czyli dziesięciokrotnie więcej niż wcześniej. Góra Pinatubo wybuchła 12 czerwca 1991 roku. W kilku przypadkach, na przykład przed erupcją Mount Pinatubo i erupcją Galeras w Kolumbii w 1993 roku, emisja dwutlenku siarki spadła do niskiego poziomu przed erupcją. Większość naukowców uważa, że ten spadek poziomu gazu spowodowany jest uszczelnieniem kanałów gazowych przez stwardniałą magmę. Takie zdarzenie prowadzi do wzrostu ciśnienia w systemie hydraulicznym wulkanu i zwiększa szansę na wybuchową erupcję. System wieloskładnikowego analizatora gazów (Multi-GAS) jest pakietem instrumentów służących do wykonywania w czasie rzeczywistym pomiarów o wysokiej rozdzielczości pióropuszy gazów wulkanicznych. Pomiary stosunku CO2/SO2 wykonywane przez Multi-GAS mogą pozwolić na wykrycie przederupcyjnego odgazowania wznoszących się magm, poprawiając przewidywanie aktywności wulkanicznej.

Deformacja gruntuEdit

Wzniesienie wulkanu sygnalizuje, że magma zgromadziła się w pobliżu powierzchni. Naukowcy monitorujący aktywny wulkan będą często mierzyć nachylenie zbocza i śledzić zmiany w tempie pęcznienia. Zwiększone tempo pęcznienia, zwłaszcza jeśli towarzyszy mu wzrost emisji dwutlenku siarki i wstrząsy harmoniczne, jest z dużym prawdopodobieństwem oznaką zbliżającego się wydarzenia. Deformacja Mount St. Helens przed erupcją 18 maja 1980 r. była klasycznym przykładem deformacji, ponieważ północna strona wulkanu wybrzuszała się ku górze, podczas gdy pod spodem gromadziła się magma. Większość przypadków deformacji gruntu jest zazwyczaj wykrywalna tylko przez skomplikowane urządzenia używane przez naukowców, ale i tak mogą oni w ten sposób przewidzieć przyszłe erupcje. Wulkany hawajskie wykazują znaczące deformacje gruntu; przed erupcją dochodzi do nadmuchania gruntu, a następnie oczywistej deflacji po erupcji. Wynika to z płytkiej komory magmowej wulkanów hawajskich; ruch magmy jest łatwo zauważalny na powierzchni ziemi.

Monitoring termicznyEdit

Zarówno ruch magmy, zmiany w uwalnianiu gazów, jak i aktywność hydrotermalna mogą prowadzić do zmian emisyjności termicznej na powierzchni wulkanu. Zmiany te mogą być mierzone za pomocą kilku technik:

• radiometria w podczerwieni patrząc w przód (FLIR) z urządzeń ręcznych zainstalowanych na miejscu, w odległości lub w powietrzu;
• obrazowanie satelitarne w paśmie podczerwieni;
• termometria in-situ (gorące źródła, fumarole)
• mapy strumienia ciepła
• zmiany entalpii w odwiertach geotermalnych

HydrologiaEdit

Istnieją 4 główne metody, które mogą być wykorzystane do przewidywania erupcji wulkanu poprzez wykorzystanie hydrologii:

• Pomiary hydrologiczne i hydrauliczne w otworach wiertniczych i studniach są coraz częściej wykorzystywane do monitorowania zmian w podpowierzchniowym ciśnieniu gazu i reżimie termicznym wulkanu. Zwiększone ciśnienie gazu sprawi, że poziom wody wzrośnie i nagle spadnie tuż przed erupcją, a skupienie termiczne (zwiększony lokalny przepływ ciepła) może zmniejszyć lub wysuszyć warstwy wodonośne.
• Wykrywanie laharów i innych spływów gruzowych w pobliżu ich źródeł. Naukowcy z USGS opracowali niedrogi, trwały, przenośny i łatwy do zainstalowania system do wykrywania i ciągłego monitorowania nadejścia i przejścia strumieni gruzu i powodzi w dolinach rzecznych, które odwadniają aktywne wulkany.
• Osady przederupcyjne mogą być zbierane przez kanał rzeczny otaczający wulkan, który wskazuje, że rzeczywista erupcja może być bliska. Większość osadów jest transportowana z zaburzonych wulkanicznie działów wodnych w okresach silnych opadów. Może to być wskaźnikiem zmian morfologicznych i zwiększonej aktywności hydrotermalnej przy braku instrumentalnych technik monitoringu.
• Złoża wulkaniczne, które mogą być umieszczone na brzegu rzeki mogą łatwo ulec erozji, co spowoduje drastyczne poszerzenie lub pogłębienie koryta rzecznego. Dlatego monitorowanie szerokości i głębokości kanałów rzecznych może być wykorzystane do oceny prawdopodobieństwa przyszłej erupcji wulkanicznej.

TeledetekcjaEdit

Teledetekcja to wykrywanie przez czujniki satelity energii elektromagnetycznej, która jest pochłaniana, odbijana, promieniowana lub rozpraszana od powierzchni wulkanu lub od jego materiału erupcyjnego w chmurze erupcyjnej.

• ’Cloud sensing: Naukowcy mogą monitorować niezwykle zimne chmury erupcyjne z wulkanów, wykorzystując dane z dwóch różnych długości fal termicznych, aby zwiększyć widoczność chmur erupcyjnych i odróżnić je od chmur meteorologicznych
• ’Gas sensing: Dwutlenek siarki może być również mierzony za pomocą teledetekcji przy niektórych z tych samych długości fal co ozon. Total Ozone Mapping Spectrometry (TOMS) mogą mierzyć ilość dwutlenku siarki uwalnianego przez wulkany podczas erupcji. Emisje dwutlenku węgla z wulkanów zostały wykryte w krótkofalowej podczerwieni za pomocą należącego do NASA Orbitalnego Obserwatorium Węglowego 2.
• Detekcja termiczna: Obecność nowych znaczących sygnatur termicznych lub „gorących punktów” może wskazywać na nowe ogrzewanie gruntu przed erupcją, reprezentować trwającą erupcję lub obecność bardzo niedawnego depozytu wulkanicznego, w tym przepływów lawy lub przepływów piroklastycznych.
• Wykrywanie deformacji: Satelitarne przestrzenne dane radarowe mogą być wykorzystane do wykrywania długoterminowych zmian geometrycznych w gmachu wulkanu, takich jak wypiętrzenie i depresja. W tej metodzie, interferometryczny radar z syntetyczną aperturą (InSAR), cyfrowe modele wysokościowe wygenerowane z obrazów radarowych są odejmowane od siebie, aby uzyskać obraz różnicowy, pokazujący tempo zmian topograficznych.
• Monitoring lasów: Ostatnio wykazano, że lokalizacja pęknięć erupcyjnych może być przewidywana, miesiące do lat przed erupcjami, poprzez monitorowanie wzrostu lasu. To narzędzie oparte na monitorowaniu wzrostu drzew zostało zatwierdzone zarówno na Mt. Niyragongo jak i Mt. Etna podczas erupcji wulkanów w latach 2002-2003.
• Detekcja infradźwięków: Stosunkowo nowe podejście do wykrywania erupcji wulkanicznych polega na wykorzystaniu czujników infradźwiękowych z sieci infradźwiękowej International Monitoring System (IMS). Ta metoda wykrywania pobiera sygnały z wielu czujników i wykorzystuje triangulację do określenia lokalizacji erupcji.

Ruchy masowe i awarie masoweEdit

Monitorowanie ruchów masowych i awarii wykorzystuje techniki zapożyczone z sejsmologii (geofony), deformacji i meteorologii. Osuwiska, obrywy skalne, spływy piroklastyczne i spływy błotne (lahary) są przykładami masowych awarii materiału wulkanicznego przed, podczas i po erupcjach.

Najsłynniejszym wulkanicznym osuwiskiem była prawdopodobnie awaria wybrzuszenia, które powstało z intruzji magmy przed erupcją Mt. St. Helens w 1980 roku, to osuwisko „odkorkowało” płytką intruzję magmową powodując katastrofalną awarię i niespodziewany boczny wybuch erupcji. Obrywy skalne często występują w okresach zwiększonej deformacji i mogą być oznaką zwiększonej aktywności w przypadku braku monitoringu instrumentalnego. Spływy błotne (lahary) to zdemobilizowane uwodnione osady popiołu z przepływów piroklastycznych i osadów popiołu, przemieszczające się z dużą prędkością w dół zbocza nawet pod bardzo płytkimi kątami. Ze względu na swoją dużą gęstość są w stanie przemieszczać duże obiekty, takie jak załadowane ciężarówki do wyrębu lasu, domy, mosty i głazy. Ich osady zazwyczaj tworzą drugi pierścień wachlarzy gruzowych wokół budowli wulkanicznych, przy czym wewnętrzny wachlarz stanowią osady pierwotnego popiołu. W dolnym biegu rzeki po osadzeniu się najdrobniejszego ładunku, lahary mogą nadal stwarzać zagrożenie powodziowe przez wodę resztkową. Osady laharów mogą wysychać przez wiele miesięcy, aż do momentu, gdy można po nich chodzić. Zagrożenia wynikające z aktywności laharów mogą istnieć kilka lat po dużej erupcji wybuchowej.

Zespół amerykańskich naukowców opracował metodę przewidywania laharów. Ich metoda została opracowana poprzez analizę skał na Mt. Rainier w Waszyngtonie. System ostrzegania polega na zauważeniu różnic pomiędzy świeżymi skałami a starszymi. Świeże skały są słabymi przewodnikami elektryczności i ulegają zmianom hydrotermicznym pod wpływem wody i ciepła. Dlatego, jeśli zna się wiek skał, a co za tym idzie ich wytrzymałość, można przewidzieć drogę laharu. System Akustycznych Monitorów Przepływu (AFM) został również umieszczony na Mount Rainier w celu analizy wstrząsów gruntu, które mogą spowodować lahar, zapewniając wcześniejsze ostrzeżenie.

.