Forskeren undersøger de mest dødelige vulkanske fænomener på jorden

Som mange der voksede op i Østtyskland, Dr. Gert Lube længtes altid efter at rejse og udforske forskellige steder. Ti år efter Berlinmurens fald, da han var første års geologistuderende ved University of Greifswald, han hørte om en ekskursion til Island og greb lejligheden.

På trods af at turen kun var åben for 2. og 3. års studerende, Dr. Lube formåede at tale sig frem til at mærke efter. Det var en rejse, der for altid ville ændre sit livs forløb og vække hans interesse for vulkanologi.

"Jeg er opvokset i et land med lukkede grænser, og så greb jeg enhver lejlighed, der kom til at rejse til udlandet og se landskaber, som jeg ikke havde set før. Jeg så min første vulkan på denne ekskursion, og jeg var ret forbløffet over, hvor anderledes et vulkansk landskab var end noget, jeg havde oplevet indtil da.

"Jeg vidste ekstremt lidt om vulkaner på dette tidspunkt, men at Island fieldtrip var lidt af en start. Da jeg kom tilbage, Jeg spurgte min professor, om jeg kunne lave et forskningsprojekt i området, og jeg ledte efter folk, der kunne fortælle mig mere om vulkaner, "Dr. Lube siger.

Hans søgen efter mere viden førte til flere stipendier i Storbritannien ved University of Bristol og University of Cambridge - herunder en periode som vulkanolog ved Montserrat Volcano Observatory i Vestindien - inden han afsluttede sin ph.d. ved Kiel Universitet i den nordtyske delstat Slesvig-Holsten.

Godt to årtier senere og Dr. Lube er nu lektor i fysisk vulkanologi ved Massey University, hvor han leder forskningsgruppen Physical Volcanology and Environmental Fluid Mechanics. Dr. Lubes forskningsinteresser omfatter eksplosiv vulkanisme, fysik og sedimentologi af naturlige granulære væskestrømme, vulkanstratigrafi og naturfare videnskab.

Hurtigt bevægelige dødelige bølger af varme, giftige gasser og aske

På Massey, Dr. Lube leder også den store udbrudssimulator, den pyroklastiske strømudbrud i stor skala forsøgsanlæg-PELE for kort-placeret i det gamle kedelhus på Manawatū-campus.

Pyroklastiske strømme-også kendt som pyroklastiske tæthedsstrømme (PDC'er)-er hurtigtgående laviner af varme, giftige gasser og aske, der kan nå temperaturer på 700C og ødelægge alt i deres vej under vulkanudbrud. Det var pyroklastiske strømme, der ødelagde den romerske by Pompeji i 79 e.Kr.

Tidligere i år, Dr. Lube offentliggjorde et papir i det prestigefyldte peer-review-tidsskrift Naturanmeldelser Jord og miljø , efter at have været inviteret til at afslutte artiklen. Papiret, Flerfasestrømningsadfærd og risikoforudsigelse af pyroklastiske densitetsstrømme, co-skrevet af Dr. Lube og hans kolleger fra University of Oregon (U.S.), det nationale institut for geofysik og vulkanologi i Italien og Boise State University (USA) overvejer, hvordan vores forståelse af pyroklastiske tæthedsstrømme er gået frem i det sidste årti.

Den dødelige karakter af pyroklastiske densitetsstrømme gør udviklingen af ​​robuste faremodeller til en prioritet. Imidlertid, i papiret beskriver Dr. Lube, hvordan kompleksiteten af ​​gas -partikelinteraktioner inde i PDC'er, såvel som deres fjendtlige natur, foretager kvantitative målinger af interne flowegenskaber, og validering af faremodeller udfordrende.

Inden for det sidste årti, store fremskridt fra store eksperimenter, feltobservationer og beregningsmæssige og teoretiske modeller har givet ny indsigt i PDC'ernes gådefulde interne struktur og identificeret centrale processer bag deres væskelignende bevægelse.

Den fremadrettede gennemgang skitserer også fremtidige forskningsveje og udfordringer om, hvordan de seneste fremskridt i forståelsen skal bruges til at udvikle robuste faremodeller, der kan implementeres i tryghed for den offentlige sikkerhed.

Udvikling af robuste faremodeller

Det er netop dette behov for offentlig sikkerhed, fareprognose og afbødning, der vejleder Dr. Lube's forskning. Han kombinerer sit feltarbejde med vulkanaktivitet før og efter udbrud for at kvantificere, hvad der sker i luften og derefter bruge beregningsmæssige og eksperimentelle metoder til at syntetisere vulkanske processer for at forstå dem bedre og til at udvikle faremodeller.

"I vulkanologi er det område, jeg bedst kan lide, den proces, der involverer enhver form for flydende materiale. Det er for det meste meget eksplosive processer, såsom vulkanske laviner, der løb ned ad bjerge eller vulkanske fjer, der stammer fra vulkanske ventilationsåbninger med en hastighed på flere hundrede meter i sekundet og derefter lave nogle skøre ting i atmosfæren, mens de interagerer med landskabet og infrastrukturen.

"At prøve at forstå disse komplekse og kaotiske processer på en måde, så du kan forudsige dem, er noget, der virkelig driver mig, fordi det er her, jeg ser muligheden for at gøre noget nyttigt med vores videnskab."

Hans forskning involverer at arbejde med mange mangeårige interessenter, herunder ministeriet for civilforsvar og beredskab, bevaringsministeriet, hæren, og politi, om evakueringsplaner og procedurer lige efter udbrud for New Zealands centrale plateauvulkaner.

"Pyroklastiske tæthedsstrømme forekommer på alle New Zealands vulkaner, de forårsager mere end en tredjedel af alle vulkanske dødsfald, de bringer direkte mere end 500 millioner mennesker i fare globalt, hvilket gør dem til de farligste vulkanske fænomener, man kender, "Dr. Lube siger.

Vågner vulkaner

Det sidste store udbrud af Mt Taranaki, en af ​​New Zealands højrisikovulkaner opstod omkring 1854, og selvom det kan være i dvale nu, Dr. Lube siger, at det ikke er et spørgsmål om, om det vil bryde ud, men når.

"Taranaki er en af ​​de mest aktive vulkaner, vi har i New Zealand på geologiske tidsplaner og dets tvillingebror i Indonesien, Mt Merapi, er den farligste vulkan i verden. Derfor er noget af min forskning centreret i Indonesien for ikke at forstå, hvordan Merapi -vulkanen i sig selv fungerer, men hvordan vi kan omsætte denne viden til at forudsige, hvad der helt sikkert vil ske sandsynligvis i vores generation. Selvom Taranaki er i dvale nu, der er en meget stor chance for, at det vågner og får udbrudsfaser, der vil vare årtier i vores levetid. "

Indonesia is the nation with the largest number of active volcanoes—over 120 active volcanoes and around five million people within the danger zones—but its vulnerability to natural hazards does not end there, says Dr. Lube. It is also prone to earthquakes, oversvømmelser, and tsunamis.

"It's very sad how people get struck by natural disasters again and again, and they lose everything and then they very bravely rebuild their lives again. Over my decade of work in Indonesia I have become good friends not only with the researchers there but also the locals. It is very different to New Zealand where we are relatively safe; even if we have natural hazards, we can deal with these much better than in a third-world country like Indonesia."

One-of-a-kind eruption simulator

I løbet af det sidste årti, Dr. Lube and Massey colleagues have been at the forefront of the development of new volcanic hazards models. At the PELE, the large-scale eruption simulator facility, the researchers synthesize the natural behavior of volcanic super-hazards and generate these flows as they occur in nature, men i mindre skala.

The team has made important discoveries of the complex processes behind the motion and the internal structure of the hot currents

The limited knowledge on volcanoes and the difficulties in developing mathematical models prompted Dr. Lube to build Massey's one-of-a-kind eruption simulator. "The problem with volcanoes is that they are extremely violent and so wild that we know in fact very little about them. We know very little about how they operate inside and that makes it extremely difficult to develop mathematical and physical models to inform decision-makers and forecast what kind of damage they can do, and how they interact with natural topography, with buildings and infrastructure."

The simulator scales down all the physical properties of a large event so they can be safely observed and measured. It is composed of a 13-meter high tower, where volcanic material is heated inside a hopper and released down a 12-meter channel, while high-speed cameras and sensors capture the data. The experimental eruptions typically only last 10 to 20 seconds but take about one month to prepare.

"The pyroclastic flow simulator is unique in the world and is the only place where we can synthesize conditions just as they would occur in a volcanic eruption. It's been very cool for volcanology in New Zealand and globally and has led to international experts visiting us in Manawatū and wanting to collaborate and do research with us."

Kiwi ingenuity

Perhaps the most surprising thing about the simulator was how relatively easy it was to get it built with the help of local engineers and some Marsden funding. "I've been quite lucky in that I got to know some local engineers at the time, who were excited enough about this project to help in designing, building and testing a facility at a scale for which there was no previous blueprint and scientific experience out there. I årenes løb, we continued to work with the same engineers to advance our measurement capabilities and to add scenarios for a large number of volcanoes and hazard scenarios, " Dr. Lube says.

Since 2019, Dr. Lube and his team lead an international initiative to intercompare and advance current volcanic flow hazard models. In a just started Marsden-funded project "Turbulent volcanic killers—how volcanic eruptions become ferocious, " the volcanologists plan to investigate the physical processes behind the destructiveness of pyroclastic flows.

As part of the Marsden research, the team will investigate the exact processes that occurred on Whakaari / White Island last year. When the island erupted in December 2019 the tragic death of 21 people and major injuries of 26 people visiting the island was caused by the pyroclastic density currents.

Whakaari / White Island

Så, does Dr. Lube think the eruption on White Island could have been foreseen? Although the volcanologists at earth-science research and monitoring body GNS Science had seen an increase in volcanic activity in the months preceding its massive eruption, Dr. Lube says with current knowledge the timing of the eruption on 9 December 2019 could have not been predicted with any certainty.

He points out that White Island had been and continuous to be in a very active state with several outbreaks in the past decade, the last of which in 2016 was very similar to the one in 2019—the main difference being the lack of tourists on the island at the time.

Hellere, han siger, the big question is whether people should be allowed to be anywhere near the vent sides of a volcano [the opening through which lava and gasses erupt]. "In my opinion, definitely not and I see a lot of change in legislation as a result of this disaster."

Dr. Lube says White Island was unusual in that the pyroclastic was slow and low in energy:"Despite this, the pyroclastic density current was the only killer which just goes to prove how extremely lethal these phenomena are and it drives me more to try and understand how they work."

Our scientific understanding of how volcanoes work is changing, in part fuelled by numerous collaborations by experts in the field and a desire to help prepare for future eruptions and save lives.

Far from being a narrow field, Dr. Lube explains, the study of volcanology is broad and involves mathematics, physics, chemistry and computational science. "You can't be an expert in all these fields and working with these experts who come to Massey is really important."

"It is very collegial, and we have to work as a large global research community because these volcanic hazards are real hazards and many of us, especially those working in New Zealand have to inform decision-makers of what to do in certain situations. It is important for public safety."