Förutsägelse av vulkanisk aktivitet

Allmänna principer för vulkanseismologiEdit

• Seismisk aktivitet (jordbävningar och skakningar) uppstår alltid när vulkaner vaknar och förbereder sig för ett utbrott och är en mycket viktig länk till utbrott. Vissa vulkaner har normalt en fortsatt låg seismisk aktivitet, men en ökning kan signalera en större sannolikhet för ett utbrott. De typer av jordbävningar som inträffar och var de börjar och slutar är också viktiga tecken. Vulkanisk seismicitet har tre huvudformer: kortperiodiska jordbävningar, långperiodiska jordbävningar och harmonisk tremor.
• Kortperiodiska jordbävningar är som normala förkastningsgenererade jordbävningar. De orsakas av sprickbildning i sprött berg när magma tränger sig uppåt. Dessa kortperiodiska jordbävningar visar att en magmakropp växer nära ytan och kallas för A-vågor. Denna typ av seismiska händelser kallas ofta också för vulkan-tektoniska (eller VT) händelser eller jordbävningar.
• Långvariga jordbävningar tros indikera ett ökat gastryck i en vulkans rörsystem. De liknar det klirrande som ibland hörs i husens rörsystem och som kallas ”vattenslag”. Dessa svängningar motsvarar akustiska vibrationer i en kammare, i samband med magmakammare i vulkaniska kupoler, och är kända som ”B-vågor”. De är också kända som resonansvågor och långperiodiska resonanshändelser.
• Harmoniska skakningar är ofta resultatet av att magma trycker mot den överliggande berggrunden under ytan. De kan ibland vara tillräckligt starka för att uppfattas som brummande eller surrande av människor och djur, därav namnet.

Mönster för seismicitet är komplexa och ofta svåra att tolka, men ökad seismisk aktivitet är en bra indikator på ökande utbrottsrisk, särskilt om långperiodiska händelser blir dominerande och episoder av harmoniska skakningar uppträder.

Med hjälp av en liknande metod kan forskare upptäcka vulkanutbrott genom att övervaka infra-ljud-subauditiva ljud under 20 Hz. IMS Global Infrasound Network, som ursprungligen inrättades för att kontrollera efterlevnaden av avtalen om förbud mot kärnvapentester, har 60 stationer runt om i världen som arbetar med att upptäcka och lokalisera vulkanutbrott.

Seismiska fallstudierRedigera

Ett samband mellan händelser med långa perioder och förestående vulkanutbrott observerades för första gången i de seismiska registreringarna från 1985 års utbrott av Nevado del Ruiz i Colombia. Förekomsten av långperiodiska händelser användes sedan för att förutsäga 1989 års utbrott av Mount Redoubt i Alaska och 1993 års utbrott av Galeras i Colombia. I december 2000 förutspådde forskare vid det nationella centret för förebyggande av katastrofer i Mexico City ett utbrott inom två dagar vid Popocatépetl, i utkanten av Mexico City. Deras förutsägelse baserades på forskning som hade utförts av Bernard Chouet, en schweizisk vulkanolog som arbetade vid United States Geological Survey och som först observerade ett samband mellan händelser med långa perioder och ett nära förestående utbrott. Regeringen evakuerade tiotusentals människor. 48 timmar senare fick vulkanen ett utbrott som förutspåtts. Det var Popocatépetls största utbrott på tusen år, men ingen människa skadades.

IsbergsbävningarRedigera

Likheter mellan isbergsbävningar, som uppstår när de går på grund, och vulkaniska bävningar kan hjälpa experterna att utveckla en bättre metod för att förutsäga vulkanutbrott. Även om isberg har mycket enklare strukturer än vulkaner är de fysiskt sett lättare att arbeta med. Likheterna mellan vulkaniska och isbergsbävningar är bland annat långa varaktigheter och amplituder samt gemensamma förskjutningar i frekvenser.

GasutsläppRedigera

Gas- och askplym utbröt från berget Pinatubo, Filippinerna.

När magman närmar sig ytan och trycket sjunker, läcker gaser ut. Denna process är ungefär som det som händer när du öppnar en flaska med kolsyrad dryck och koldioxid läcker ut. Svaveldioxid är en av huvudkomponenterna i vulkaniska gaser, och ökande mängder av den förebådar ankomsten av ökande mängder magma nära ytan. Den 13 maj 1991 släpptes till exempel en ökande mängd svaveldioxid ut från berget Pinatubo i Filippinerna. Den 28 maj, bara två veckor senare, hade utsläppen av svaveldioxid ökat till 5 000 ton, tio gånger mer än tidigare. Mount Pinatubo fick senare ett utbrott den 12 juni 1991. Vid flera tillfällen, t.ex. före Pinatubo-utbrottet och Galeras-utbrottet i Colombia 1993, har svaveldioxidutsläppen sjunkit till låga nivåer före utbrotten. De flesta forskare tror att denna minskning av gasnivåerna orsakas av att gaspassagerna förseglas av härdad magma. En sådan händelse leder till ökat tryck i vulkanens rörsystem och en ökad risk för ett explosivt utbrott. Ett multikomponentgasanalyssystem (Multi-GAS) är ett instrumentpaket som används för att i realtid göra högupplösande mätningar av vulkaniska gasplymer. Multi-GAS-mätningar av CO2/SO2-förhållanden kan göra det möjligt att upptäcka pre-eruptiv avgasning av uppstigande magma, vilket förbättrar förutsägelsen av vulkanisk aktivitet.

MarkdeformationRedigera

Vulkanens svallning signalerar att magma har ackumulerats nära ytan. Forskare som övervakar en aktiv vulkan kommer ofta att mäta sluttningens lutning och följa förändringar i svällningshastigheten. En ökad svällningshastighet, särskilt om den åtföljs av ökade svaveldioxidutsläpp och harmoniska skalv, är ett tecken med hög sannolikhet på en förestående händelse. Deformationen av Mount St. Helens före utbrottet den 18 maj 1980 var ett klassiskt exempel på deformation, eftersom vulkanens norra sida böljade uppåt när magma byggdes upp under den. De flesta fall av markdeformation kan vanligtvis bara upptäckas med hjälp av sofistikerad utrustning som används av forskare, men de kan ändå förutsäga framtida utbrott på detta sätt. de hawaiiska vulkanerna uppvisar en betydande markdeformation; marken är uppblåst före ett utbrott och därefter en tydlig deflation efter utbrottet. Detta beror på den grunda magmakammaren i Hawaiivulkanerna; rörelser av magma märks lätt på marken ovanför.

Termisk övervakningRedigera

Både magmarörelser, förändringar i gasutsläpp och hydrotermisk aktivitet kan leda till förändringar i termisk emissivitet på vulkanens yta. Dessa kan mätas med hjälp av flera olika tekniker:

• framåtblickande infraröd radiometri (FLIR) från handhållna enheter som installerats på plats, på avstånd eller i luften;
• satellitbilder med infrarött band;
• termometri på plats (varma källor, fumaroler)
• värmeflödeskartor
• entalpiförändringar i geotermiska brunnar

HydrologiRedigera

Det finns fyra huvudsakliga metoder som kan användas för att förutsäga ett vulkanutbrott genom användning av hydrologi:

• Mätningar av hydrologi och hydraulik i borrhål och brunnar används i allt större utsträckning för att övervaka förändringar av gastrycket under ytan och den termiska regimen i en vulkan. Ökat gastryck får vattennivåerna att stiga och plötsligt sjunka strax före ett utbrott, och termisk fokusering (ökat lokalt värmeflöde) kan minska eller torka ut akvifärer.
• Detektering av lahars och andra skräpflöden nära källorna. Forskare vid USGS har utvecklat ett billigt, hållbart, bärbart och lättinstallerat system för att upptäcka och kontinuerligt övervaka ankomsten och passagen av spillror och översvämningar i floddalar som avvattnar aktiva vulkaner.
• Sediment före utbrottet kan tas upp av en flodkanal som omger vulkanen och som visar att det egentliga utbrottet kan vara nära förestående. Det mesta sedimentet transporteras från vulkaniskt störda avrinningsområden under perioder med kraftiga regn. Detta kan vara en indikation på morfologiska förändringar och ökad hydrotermisk aktivitet i avsaknad av instrumentell övervakningsteknik.
• Vulkanisk avlagring som kan placeras på en flodbank kan lätt eroderas vilket dramatiskt breddar eller fördjupar flodkanalen. Därför kan övervakning av flodkanalens bredd och djup användas för att bedöma sannolikheten för ett framtida vulkanutbrott.

FjärranalysRedigera

Fjärranalys är en satellits sensorers upptäckt av elektromagnetisk energi som absorberas, reflekteras, strålar eller sprids från en vulkanens yta eller från dess utbrända material i ett utbrottsmoln.

• ’Molnspaning: Forskare kan övervaka ovanligt kalla utbrottsmoln från vulkaner med hjälp av data från två olika termiska våglängder för att förbättra synligheten av utbrottsmoln och skilja dem från meteorologiska moln
• ’Gasavkänning: Svaveldioxid kan också mätas genom fjärranalys på några av samma våglängder som ozon. Total Ozone Mapping Spectrometers (TOMS) kan mäta mängden svaveldioxidgas som släpps ut av vulkaner vid utbrott. Koldioxidutsläpp från vulkaner har upptäckts i det kortvågiga infraröda området med hjälp av NASA:s Orbiting Carbon Observatory 2.
• Termisk avkänning: Förekomsten av nya signifikanta termiska signaturer eller ”hot spots” kan indikera ny uppvärmning av marken före ett utbrott, representera ett pågående utbrott eller förekomsten av en mycket färsk vulkanisk avlagring, inklusive lavaströmmar eller pyroklastiska flöden.
• Deformationsavkänning: Satellitburen rumslig radardata kan användas för att upptäcka långsiktiga geometriska förändringar i den vulkaniska byggnaden, t.ex. upphöjning och sänkning. I denna metod, interferometrisk syntetisk aperturradar (InSAR), subtraheras digitala höjdmodeller som genereras från radarbilder från varandra för att ge en differentiell bild som visar topografiska förändringar.
• Skogsövervakning: Nyligen har det visats att platsen för eruptiva sprickor kan förutsägas, månader till år före utbrotten, genom övervakning av skogstillväxten. Detta verktyg som bygger på övervakning av trädens tillväxt har validerats på både Niyragongo och Etna under vulkanutbrotten 2002-2003.
• Infraljudsavkänning: En relativt ny metod för att upptäcka vulkanutbrott innebär att man använder sig av infrasound-sensorer från det internationella övervakningssystemets (IMS) infrasound-nätverk. Denna detektionsmetod tar signaler från flera sensorer och använder triangulering för att bestämma platsen för utbrottet.

Massrörelser och massavbrottRedigera

För att övervaka massrörelser och massavbrott används tekniker som lånas från seismologi (geofoner), deformation och meteorologi. Jordskred, stenfall, pyroklastiska flöden och slamflöden (lahars) är exempel på massbrott av vulkaniskt material före, under och efter utbrott.

Det mest berömda vulkaniska jordskredet var troligen brottet i en utbuktning som byggdes upp av inträngande magma före Mt. St. Helens-utbrottet 1980, detta jordskred ”avtappade” den grunda magmatiska inträngningen, vilket orsakade katastrofalt brott och en oväntad lateral utbrottsutbrottsutbrott. Bergras inträffar ofta under perioder av ökad deformation och kan vara ett tecken på ökad aktivitet i avsaknad av instrumentell övervakning. Slamströmmar (lahars) är remobiliserade hydrerade askaavlagringar från pyroklastiska flöden och askfallsavlagringar, som rör sig nedåt även i mycket grunda vinklar med hög hastighet. På grund av sin höga densitet kan de förflytta stora föremål, t.ex. lastade timmerbilar, hus, broar och stenblock. Deras avlagringar bildar vanligen en andra ring av spillror runt vulkaniska byggnader, där den inre ringen utgörs av primära askavlagringar. Nedströms efter det att den finaste lasten har avsatts kan lahars fortfarande utgöra en risk för översvämningar från det kvarvarande vattnet. Det kan ta många månader för laharavlagringar att torka ut innan de kan beträdas. De faror som härrör från laharaktivitet kan finnas kvar flera år efter ett stort explosivt utbrott.

En grupp amerikanska forskare har utvecklat en metod för att förutsäga lahars. Deras metod utvecklades genom att analysera stenar på Mount Rainier i Washington. Varningssystemet beror på att man noterar skillnaderna mellan färska stenar och äldre stenar. Färska stenar är dåliga ledare för elektricitet och blir hydrotermiskt förändrade av vatten och värme. Om de känner till stenarnas ålder, och därmed deras styrka, kan de därför förutsäga vilka vägar en lahar tar. Ett system med akustiska flödesmonitorer (AFM) har också placerats ut på Mount Rainier för att analysera jordbävningar som kan resultera i en lahar, vilket ger en tidigare varning.