NASA-ledet kampagne studerer Hawaiis ikoniske vulkaner

Kilauea vulkanen på øen Hawaii er en af ​​jordens mest aktive vulkaner, tiltrækker videnskabsmænd og turister fra hele verden til at studere og overvære dens spektakulære udstillinger af naturen. Denne måned, et NASA-ledet videnskabshold udforsker Kilauea og den tilstødende vulkan Mauna Loa fra luften, jord og rum. Deres mål:at bedre forstå vulkanske processer og farer.

I slutningen af ​​januar, videnskabsmænd fra NASA, USGS Hawaiian Volcano Observatory (HVO), Hawaii Volcanoes National Park, og flere universiteter påbegyndte en seks-ugers feltkampagne for at studere sammenhængen mellem vulkanske gasser/termiske emissioner og vegetationens sundhed og omfang; strømmen af ​​lava fra vulkanerne; termiske anomalier; gasfaner; andre aktive vulkanske processer; og måder at afbøde vulkanske risici. Kampagnen, som også studerer Hawaiis koralrev, vil levere forløberdata til NASAs Hyperspectral Infrared Imager (HyspIRI) satellitmissionskoncept for at studere jordens økosystemer og naturlige farer såsom vulkaner, skovbrande og tørke.

Flyver højt for at komme ned på Hawaiis vulkaner

Et ER-2-fly i høj højde fra NASAs Armstrong Flight Research Center, Palmdale, Californien, baseret på Marine Corps Base Hawaii på øen Oahu, er den vigtigste platform for HyspIRI luftbårne kampagne. ER-2 bærer Airborne Visible and Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS), udviklet af NASAs Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Californien; og MODIS-ASTER Airborne Simulator (MASTER), udviklet af NASAs Ames Research Center, Moffett Field, Californien. Denne uge, et Gulfstream III-fly fra NASAs Johnson Space Center, Houston, vil deltage i kampagnen. Det vil bære JPL's Glacier and Land Ice Surface Topography Interferometer (GLISTIN) instrument, som vil indsamle højopløselige data for at måle topografiske ændringer fra nye Kilauea lavastrømme.

"De data indsamlet under HyspIRI luftbårne kampagne vil fremme vores forståelse af vulkanske processer på Hawaii og andre steder i verden, " sagde Ben Phillips, leder for NASAs fokusområde Jordoverflade og indre, NASA hovedkvarter, Washington. "Sådanne observationer kan informere fremtidige beslutninger fra vulkanfareberedskab og regulerende agenturer."

Flyver ved 65, 000 fod (19, 800 meter), over 95 procent af Jordens atmosfære, ER-2 kan nøje replikere de data, en fremtidig satellit kunne indsamle. Instrumenterne ombord er designet til omhyggeligt at måle reflekteret sollys og udsendt termisk stråling i hundredvis af forskellige kanaler. Dataene giver forskerne kvantitativ og nøjagtig information om jordens overfladesammensætning, gastyper og temperatur. Ved at kombinere disse data med jordbaserede valideringsmålinger, forskere kan studere atmosfæriske, geologiske og økologiske processer for at forstå vores naturlige miljø.

Hvad vil de studere?

Vog:JPL-forskeren Vincent Realmuto bruger MASTER- og AVIRIS-data til at studere vog, øen Hawaiis berygtede vulkanske luftforurening. Hans hold studerer Kilaueas frigivelse af varme og gas, kortlægning af dens gasfaners sammensætning og kemiske udvikling.

Da Kilaueas topmøde genoptog udbrud i 2008, svovldioxidemissionerne steg dramatisk. Svovldioxid omdannes til sulfataerosol for at skabe vog:en skadelig, ætsende suspension af svovldioxid og fine sulfataerosoler. Lokalsamfund i vindretningen af ​​Kilauea lider under negative virkninger. For at hjælpe offentligheden med at håndtere vog, Vog Measurement and Prediction Project (VMAP) ved University of Hawaii-Manoa (UH) producerer prognoser for vog-bevægelse og koncentration på tværs af Hawaii-øerne. VMAP bruger svovldioxidemissionsrater målt af HVO til at indstille de indledende betingelser for vog-prognosen. Nøjagtigheden af ​​prognoserne vurderes ved at sammenligne dem med luftkvalitetsmålinger fra et sparsomt netværk af jordstationer.

Realmutos team bruger MASTER-data til at kortlægge svovldioxidkoncentrationer ved Kilaueas topmøde og spore ændringer i koncentrationen med afstanden fra toppen. AVIRIS-data bruges til at kortlægge koncentrationer og rumlige fordelinger af sulfataerosoler nede mod toppen. Dataene vil hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå, hvor hurtigt svovldioxidgas omdannes til sulfataerosoler, og lav kort over, hvordan taksterne varierer fra sted til sted. Gas- og aerosolkortene, der stammer fra de luftbårne data, vil blive valideret med jordbaserede data indsamlet af HVO- og UH-forskere. De validerede kort vil blive brugt til at initialisere VMAP-prognoserne for at vurdere virkningen af ​​de nye dataprodukter på deres nøjagtighed.

I fremtiden, data indsamlet under en rumbåren HyspIRI-mission kan bidrage væsentligt til Hawaii luftkvalitetsovervågning. Disse observationer vil blive brugt til at estimere svovldioxid- og sulfatkoncentrationer ved en rumlig opløsning på omkring 200 fod (60 meter) på tidsskalaer fra timer til dage. "Sådanne rettidige observationer kan bruges til at spore ændringer i vulkanernes adfærd og kan få vulkanobservatorier og luftkvalitetsembedsmænd til at øge deres undersøgelse af sådanne ændringer, " sagde Realmuto. "Erfaringen, vi får fra HyspIRI luftbårne kampagne, vil give os mulighed for øjeblikkeligt at gøre brug af data fra en rumbåren HyspIRI mission."

Forbindelser mellem vulkaner og planter:Forsker Chad Deering fra Michigan Technological University, Houghton, leder en undersøgelse for at opdage ændringer i vulkansk tilstand ved at bruge AVIRIS- og MASTER-data til at fjernmåle mulige forbindelser mellem vulkanske gasser og deres termiske emissioner, og sundheden og omfanget af vegetation nær vulkaner. Når et lavvandet magmareservoir fyldes op, det kan signalere enten starten på et udbrud af en aktiv, men i øjeblikket ikke i udbrud, vulkan som Mauna Loa, eller væsentlige ændringer i adfærd ved en vulkan i udbrud som Kilauea. Stigende magma frigiver gasser gennem overfladen. Detektering og karakterisering af disse gasemissioner og deres indirekte virkninger på vegetationen kan hjælpe fareforvaltere til bedre at opdage væsentlige ændringer i vulkansk adfærd og overvåge skift i aktivitetens placering.

Sådan transporteres vulkanske gasser og aerosoler:JPL-forsker David Pieri bruger instrumenter på små ubemandede luftplatforme (fritflyvende ubemandede fly og forbundne aerostatdrager) til at udføre jordbaseret validering af MASTER- og AVIRIS-data. De ubemandede fly og drager opereres i samarbejde med NASA Ames og NASA's Wallops Flight Facility, Wallops Island, Virginia. Instrumenterne tager prøver af svovldioxid, kuldioxid og aerosoler ved Kilauea. Dataene vil forbedre forståelsen af, hvordan gasser og aerosoler transporteres i atmosfæren og vil hjælpe med at forbedre estimater af vulkanske gasemissioner. Pieris team vil også erhverve samtidige data med Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) instrument på NASAs Terra rumfartøj for at hjælpe med at udvikle en strategi til at udvide ASTERs 15-årige datasæt af globale vulkanobservationer ind i fremtiden.

Måder at forbedre estimater af termiske vulkandata:Et hold ledet af forsker Michael Ramsey fra University of Pittsburgh bruger et nyt jordbaseret instrument til at indsamle multispektrale termiske infrarøde data ved Kilaueas lavasø, mens ER-2 flyver over hovedet. Målet er at udvikle en tilgang til at korrigere HyspIRI-satellittens termiske infrarøde data på overflader med høj temperatur for at tage højde for temperaturblanding og tilsyneladende ændringer i udsendt stråling. Korrektionerne vil forbedre nøjagtigheden af ​​estimater af vulkansk (og naturbrand) termisk output og ændringer i sammensætning. Begge estimater bruges typisk til at overvåge igangværende vulkansk aktivitet.

Detektion af termisk anomali:USGS-forsker Greg Vaughan er ved at udvikle en ny algoritme til at detektere og forudsige vulkansk uro eller relaterede farer baseret på varmesignaler, der går forud for dem. Den forudsete advarselsalgoritme vil blive automatiseret, i stand til at spotte unormal termisk adfærd ved de fleste vulkaner verden over, og følsom nok til at registrere relativt subtile varmesignaturer. Den nye tilgang, som udnytter HyspIRI-satellitmissionens forudsete muligheder, skal give videnskabsfolk mulighed for at opdage små, varme anomalier, som nuværende termiske alarmsystemer måske går glip af. Vaughan vil sammenligne HyspIRI luftbårne kampagnedata med HVO's egne luftbårne data i høj opløsning. Observationerne vil blive slået sammen med satellitdata for at generere udvidede tidsserier for at teste og forfine den nye tilgang.

Måling af ændringer i lavastrømningsvolumen:JPL-forsker Paul Lundgren leder de kommende GLISTIN-flyvninger, som vil indsamle topografidata i høj opløsning over aktive Kilauea lavastrømme for at måle ændringer. Mere nøjagtig sporing af ændringer i lavastrømningsvolumen vil forbedre modeller, der bruges til at forstå karakteristika ved aktive udbrud, såsom ændringer i udbrudshastigheden.

"Hvis den bliver udsendt til en vulkankrise, GLISTIN kunne levere vigtige målinger af lavastrømningsvolumener eller lavakuppelvækst, som ikke er mulige med nuværende satellitter, " siger Lundgren. "Det kan hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå og forudsige mængden af ​​vulkanudbrud såvel som vulkanadfærd."