At opklare hvornår, hvor og hvordan af vulkanudbrud

Der er omkring 1, 500 potentielt aktive vulkaner på verdensplan og omkring 50 udbrud forekommer hvert år. Men det er stadig svært at forudsige, hvornår og hvordan disse udbrud vil ske, eller hvordan de vil udfolde sig. Nu, ny indsigt i de fysiske processer inde i vulkaner giver forskerne en bedre forståelse af deres adfærd, som kunne være med til at beskytte de 1 milliard mennesker, der bor tæt på vulkaner.

Kuppelbyggerende vulkaner, som ofte er aktive, er blandt de farligste typer vulkaner, da de er kendt for deres eksplosive aktivitet. Denne type vulkan går ofte i udbrud ved først stille og roligt at producere en kuppelformet ekstrudering af tyk lava på toppen, som er for tyktflydende til at flyde. Når det til sidst bliver destabiliseret, det bryder af og producerer hurtige strømme af varm gas, størknede lavastykker og vulkansk aske, kaldet pyroklastiske skyer, der flyder ned langs siderne af vulkanen med et hurtigt togs hastighed.

"Farerne forbundet med dem kan være meget spontane og svære at forudsige, " sagde professor Thomas Walter, en professor i vulkanologi og geofarer ved universitetet i Potsdam i Tyskland. "Det er derfor, det er så vigtigt at forstå dette fænomen med lavakupler."

Lidt er kendt om lavakuplers opførsel, dels fordi der ikke er mange data tilgængelige. Prof. Walter og hans kolleger ønsker bedre at forstå, hvordan de dannes, om de kan variere væsentligt i form, og hvordan deres indre struktur er. I løbet af de sidste fem år, gennem et projekt kaldet VOLCAPSE, de har brugt innovative teknikker til at overvåge lavakupler ved at bruge højopløsningsradardata fanget af satellitter samt nærbilleder fra kameraer, der er sat op i nærheden af ​​vulkaner.

"Pixel for pixel, vi kunne bestemme, hvordan formen, morfologi og struktur af disse lavakupler ændrede sig, " sagde prof. Walter. "Vi sammenlignede (webkamerabillederne) med satellitradarobservationer."

Tidsforskydning

Projektet fokuserede på nogle få kuppelbyggende vulkaner såsom Colima i Mexico, Mount Merapi i Indonesien, Bezymianny i Rusland, og Mount Lascar og Lastarria i Chile. Det indebar dels at besøge dem og installere instrumenter såsom time-lapse-kameraer drevet af solpaneler, der kunne fjernstyres. Hvis en lavakuppel begyndte at dannes, for eksempel, holdet kunne justere indstillingerne, så det optog billeder i højere opløsning oftere.

På grund af høje højder og barske vejrforhold, opsætningen af ​​kameraerne var mere udfordrende end forventet. "Det var en skarp indlæringskurve, men også forsøg og fejl, fordi ingen kunne fortælle os, hvad vi kunne forvente ved disse vulkaner, da det aldrig blev gjort før, " sagde prof. Walter.

Under deres besøg, holdet brugte også droner. Disse ville flyve over en lavakuppel og fange billeder i høj opløsning fra forskellige perspektiver, som kunne bruges til at skabe detaljerede 3D-modeller. Temperatur- og gassensorer på dronerne gav yderligere information.

Prof. Walter og hans kolleger brugte dataene til at skabe computersimuleringer, såsom hvordan væksten af ​​lavakupler ændrer sig fra udbrud til udbrud. De fandt ud af, at nye lavakupler ikke altid dannes på samme sted:en lavakuppel kan dannes på toppen af ​​en vulkan under et udbrud, mens den næste gang bygger sig op på en af ​​dens flanker. Holdet var forundret, da en ledning inde i en vulkan bringer magma til overfladen under et udbrud, hvilket ville betyde, at det ændrer sin orientering mellem et udbrud og det næste. "Det var meget overraskende for os, " sagde prof. Walter.

Stress felt

De var i stand til at forklare, hvordan dette sker ved at undersøge fordelingen af ​​indre kræfter - eller stressfelt - i en vulkan. Når magma udstødes under et udbrud, det ændrer, hvordan kræfterne fordeles indvendigt og forårsager en reorientering af kanalen.

Holdet fandt også ud af, at der var et systematisk mønster for, hvordan stressfeltet ændrede sig, hvilket betyder, at de ved at studere lavakuplernes position kunne vurdere, hvor de var dannet i fortiden, og hvor de ville dukke op i fremtiden. Dette kan hjælpe med at bestemme, hvilke områder i nærheden af ​​en vulkan, der sandsynligvis vil være mest påvirket af udbrud, der endnu skal komme.

"Dette er et meget cool resultat for forudsigelig forskning, hvis du ønsker at forstå, hvor lavakuplen kommer til at ekstrudere (eller kollapse) fra i fremtiden, " han sagde.

At vide, hvor en vulkan vil bryde ud fra, er én ting, men at vide, hvornår det vil gøre det, er en anden sag, og de fysiske faktorer, der styrer dette, er heller ikke godt forstået. Selvom der er en sammenhæng mellem hvor ofte udbrud forekommer og deres størrelse, med store udbrud, der forekommer meget sjældent sammenlignet med mindre, mangel på pålidelige data gør det svært at undersøge de processer, der kontrollerer udbrudsfrekvens og omfang.

"Når du går tilbage i den geologiske optegnelse, (sporene af) mange udbrud forsvinder på grund af erosion, " sagde professor Luca Caricchi, en professor i petrologi og vulkanologi ved universitetet i Genève i Schweiz.

Desuden, det er ikke muligt at få direkte adgang til disse processer, da de foregår dybt nede under en vulkan, i dybder på 5 til 60 kilometer. At måle kemien og teksturerne af magma, der udstødes under et udbrud, kan give nogle fingerpeg om de interne processer, der førte til begivenheden. Og magmakamre kan nogle gange undersøges, når de dukker op ved jordens overflade på grund af tektoniske processer. Det er stadig vanskeligt at udtrække information fra bestemte tidsperioder, da det 'billede' du får er som en film, hvor alle billederne er foldet sammen til et enkelt skud. "Det er kompliceret at genfinde udviklingen i tide - hvad der virkelig skete under filmen, " sagde prof. Caricchi.

Prof. Caricchi og hans kolleger bruger en ny tilgang til at forudsige gentagelsesraten af ​​udbrud. Tidligere forudsigelser var typisk baseret på statistiske analyser af de geologiske registreringer af en vulkan. Men gennem et projekt kaldet FEVER sigter holdet på at kombinere denne metode med fysisk modellering af de processer, der er ansvarlige for hyppigheden og størrelsen af ​​udbrud. En lignende tilgang er blevet brugt til at vurdere, hvornår jordskælv og oversvømmelser vil forekomme igen.

Brug af fysiske modeller bør især være nyttigt til at lave forudsigelser for vulkaner, hvor der er få data tilgængelige. "For at ekstrapolere vores resultater fra et sted, hvor vi ved meget, som i Japan, du har brug for en fysisk model, der fortæller dig, hvorfor forholdet mellem frekvens og størrelse ændres, " sagde prof. Caricchi.

For at skabe deres model, holdet har inkorporeret variabler, der påvirker trykket i magma-reservoiret eller hastigheden for akkumulering af magma i dybden under vulkanen. Viskositeten af ​​skorpen under vulkanen og størrelsen af ​​magma reservoiret, for eksempel, spille en rolle. De har udført over en million simuleringer ved hjælp af alle de mulige kombinationer af værdier, der kan forekomme. Forholdet mellem frekvens og størrelse, de opnåede fra deres model, svarede til det, der blev estimeret ved at bruge vulkanske optegnelser, så de tror, ​​de var i stand til at fange de involverede grundlæggende processer.

"Det er en slags kamp mellem mængden af ​​magma og egenskaberne af skorpen, " sagde prof. Caricchi. "De er de to store spillere, der kæmper mod hinanden for endelig at føre til dette forhold."

Tektoniske plader

Imidlertid, holdet fandt også, at forholdet mellem størrelsen og hyppigheden af ​​ændringer på tværs af vulkaner i forskellige regioner. Prof. Caricchi mener, at dette skyldes forskelle i geometrien af ​​tektoniske plader i hvert område. "Vi kan se, at den hastighed, hvormed en plade subducerer sig under en anden, og også subduktionsvinklen, synes at spille en vigtig rolle i at definere hyppigheden og størrelsen af ​​et resulterende udbrud, " sagde han. Holdet begynder nu at inkorporere denne nye information i deres model.

At være i stand til at forudsige hyppigheden og omfanget af fremtidige udbrud ved hjælp af en model kan hjælpe med bedre at vurdere farerne. I Japan, for eksempel, et af landene med de mest aktive vulkaner, Det er vigtigt at kende sandsynligheden for fremtidige udbrud af forskellige størrelser, når man beslutter sig for, hvor man skal bygge infrastruktur såsom atomkraftværker.

Det er også uvurderligt i tætbefolkede områder, som i Mexico City, som er omgivet af aktive vulkaner, herunder Nevado de Toluca. Prof. Caricchi og hans kolleger studerede denne vulkan, som ikke er gået i udbrud i omkring 3, 000 år. De fandt ud af, at når den magmatiske aktivitet genstartes, det ville tage omkring 10 år, før et stort udbrud potentielt kunne forekomme. Denne viden ville forhindre Mexico City i at blive evakueret, hvis de første tegn på aktivitet opdages.

"Når aktiviteten starter igen, du ved, du har ti år til at følge udviklingen af ​​situationen, " sagde prof. Caricchi. '(Folk) vil nu vide lidt mere om, hvad de kan forvente."