Forutsigelse av vulkansk aktivitet - Prediction of volcanic activity

Prediksjon av vulkanutbrudd , eller vulkanutbruddsprognoser , er en tverrfaglig overvåking og forskningsinnsats for å forutsi tid og alvorlighetsgrad for vulkanutbrudd . Av spesiell betydning er spådommen om farlige utbrudd som kan føre til katastrofalt tap av liv, eiendom og forstyrrelse av menneskelige aktiviteter.

Mount St. Helens brøt eksplosivt ut 18. mai 1980 klokken 08:32 PDT

Seismiske bølger (seismicitet)

Generelle prinsipper for vulkanseismologi

  • Seismisk aktivitet (jordskjelv og skjelv) skjer alltid når vulkaner våkner og forbereder seg på å bryte ut og er en veldig viktig kobling til utbrudd. Noen vulkaner har normalt fortsatt lavt nivå av seismisk aktivitet, men en økning kan signalisere større sannsynlighet for et utbrudd. Jordskjelvetypene som oppstår og hvor de begynner og slutter, er også nøkkeltegn. Vulkansk seismisitet har tre hovedformer: kortvarig jordskjelv , langvarig jordskjelv og harmonisk tremor .
  • Kortvarige jordskjelv er som normale feilgenererte jordskjelv. De er forårsaket av brudd på sprø berg når magma tvinger seg oppover. Disse kortvarige jordskjelvene betyr veksten av et magmakropp nær overflaten og er kjent som A-bølger. Denne typen seismiske hendelser blir ofte også referert til som vulkan-tektoniske (eller VT) hendelser eller jordskjelv.
  • Langsiktige jordskjelv antas å indikere økt gasstrykk i en vulkans rørsystem. De ligner på klangene som noen ganger høres i husets rørleggeranlegg, som er kjent som " vannhammer ". Disse svingningene tilsvarer akustiske vibrasjoner i et kammer, i sammenheng med magmakamre i den vulkanske kuppelen og er kjent som 'B' bølger. Disse er også kjent som resonansbølger og langvarige resonanshendelser.
  • Harmoniske skjelvinger er ofte et resultat av magma som skyver mot den overliggende steinen under overflaten. Noen ganger kan de være sterke nok til å føles som humrende eller summende av mennesker og dyr, derav navnet.

Mønstre med seismicitet er komplekse og ofte vanskelige å tolke; økende seismisk aktivitet er imidlertid en god indikator på økende utbruddrisiko, spesielt hvis langvarige hendelser blir dominerende og episoder med harmonisk tremor opptrer.

Ved hjelp av en lignende metode kan forskere oppdage vulkanutbrudd ved å overvåke infraryd - sub-hørbar lyd under 20 Hz. IMS Global Infrasound Network, opprinnelig satt opp for å verifisere samsvar med atomforsøksforbudsavtaler, har 60 stasjoner over hele verden som jobber for å oppdage og lokalisere vulkaner som brister.

Seismiske casestudier

Et forhold mellom langvarige hendelser og forestående vulkanutbrudd ble først observert i seismikkregistrene fra 1985-utbruddet av Nevado del Ruiz i Colombia. Forekomsten av langvarige hendelser ble deretter brukt til å forutsi 1989-utbruddet av Mount Redoubt i Alaska og 1993-utbruddet av Galeras i Colombia. I desember 2000 spådde forskere ved National Center for Prevention of Disasters i Mexico City et utbrudd innen to dager i Popocatépetl , i utkanten av Mexico City. Deres spådom brukte forskning som ble gjort av Bernard Chouet , en sveitsisk vulkanolog som jobbet ved United States Geological Survey, og som først observerte et forhold mellom langvarige hendelser og et nært forestående utbrudd. Regjeringen evakuerte titusenvis av mennesker; 48 timer senere brøt vulkanen ut som forutsagt. Det var Popocatépetls største utbrudd i tusen år, men ingen ble skadet.

Isberg skjelver

Likheter mellom isfjell rystelser som oppstår når de gått på grunn, og vulkanske rystelser kan bidra til ekspertene utvikle en bedre fremgangsmåte for å forutsi vulkanske utbrudd . Selv om isfjell har mye enklere strukturer enn vulkaner, er de fysisk lettere å jobbe med. Likhetene mellom vulkanske skjelv og isfjellskjelv inkluderer lange varigheter og amplituder , så vel som vanlige frekvensendringer .

Gassutslipp

Gass og askeplume brøt ut fra Mount Pinatubo, Filippinene.

Når magma nærmer seg overflaten og trykket avtar, slipper gasser ut. Denne prosessen er omtrent som det som skjer når du åpner en flaske med brus og karbondioksid slipper ut. Svoveldioksid er en av hovedkomponentene i vulkanske gasser, og økende mengder av dette varsler ankomsten av økende mengder magma nær overflaten. For eksempel ble 13. mai 1991 frigjort en økende mengde svoveldioksid fra Pinatubo-fjellet på Filippinene . 28. mai, bare to uker senere, hadde svoveldioksidutslippene økt til 5000 tonn, ti ganger den tidligere mengden. Mount Pinatubo brøt ut senere 12. juni 1991. Ved flere anledninger, som før Mount Pinatubo-utbruddet og 1993-utbruddet i Galeras , Colombia , har svoveldioksidutslipp sunket til lave nivåer før utbrudd. De fleste forskere mener at dette fallet i gassnivåer er forårsaket av forsegling av gasskanaler av herdet magma. En slik hendelse fører til økt trykk i vulkanens VVS-system og økt sjanse for et eksplosivt utbrudd. Et flerkomponent gassanalysatorsystem (Multi-GAS) er en instrumentpakke som brukes til å ta sanntidsmålinger med høy oppløsning av vulkanske gassplommer. Multi-GAS-målinger av CO 2 / SO 2- forhold kan tillate deteksjon av pre-eruptiv avgassing av stigende magma, noe som forbedrer prediksjonen av vulkansk aktivitet.

Bakken deformasjon

Hevelse i en vulkan signaliserer at magma har samlet seg nær overflaten. Forskere som overvåker en aktiv vulkan vil ofte måle skråningen og spore endringer i hevelseshastigheten. En økt hevelse, spesielt hvis den ledsages av en økning i svoveldioksidutslipp og harmoniske skjelvinger, er et høyt sannsynlighetstegn for en forestående hendelse. Den deformasjon av Mount St. Helens før 18 mai 1980 utbrudd var et klassisk eksempel på deformasjon, som nordsiden av vulkanen ble svulmende oppover som magma var å bygge opp under. De fleste tilfeller av jorddeformasjon kan vanligvis bare påvises av sofistikert utstyr som brukes av forskere, men de kan fortsatt forutsi fremtidige utbrudd på denne måten. De hawaiiske vulkanene viser betydelig deformasjon på bakken; det er oppblåsning av bakken før et utbrudd og deretter en åpenbar deflasjon etter utbrudd. Dette skyldes det grunne magmakammeret til hawaiiske vulkaner; bevegelse av magma blir lett lagt merke til på bakken over.

Termisk overvåking

Både magmabevegelse, endringer i gassutslipp og hydrotermisk aktivitet kan føre til endringer i varmeemisjon ved vulkanens overflate. Disse kan måles ved hjelp av flere teknikker:

Hydrologi

Det er fire hovedmetoder som kan brukes til å forutsi et vulkanutbrudd ved bruk av hydrologi:

  • Borehullsmålinger og hydrologiske og hydrauliske målinger blir i økende grad brukt til å overvåke endringer i et vulkansk undergasstrykk og termisk regime. Økt gasstrykk vil få vannstanden til å stige og plutselig synke rett før et utbrudd, og termisk fokusering (økt lokal varmestrøm) kan redusere eller tørke ut vannfôr.
  • Oppdagelse av lahars og annet rusk strømmer nær kildene. USGS-forskere har utviklet et billig, holdbart, bærbart og enkelt installert system for å oppdage og kontinuerlig overvåke ankomst og passering av ruskstrømmer og flom i elvedaler som drenerer aktive vulkaner.
  • Sedimentet før utbruddet kan plukkes opp av en elvkanal som omgir vulkanen, og som viser at det faktiske utbruddet kan være nært forestående. Mest sediment transporteres fra vulkansk forstyrrede vannskill i perioder med kraftig nedbør. Dette kan være en indikasjon på morfologiske endringer og økt hydrotermisk aktivitet i fravær av instrumentelle overvåkningsteknikker.
  • Vulkanforekomster som kan plasseres på en elvebredde kan lett eroderes, noe som vil utvide eller utdype elvekanalen dramatisk. Derfor kan overvåking av elvekanalens bredde og dybde brukes til å vurdere sannsynligheten for et fremtidig vulkanutbrudd.

Fjernmåling

Fjernmåling er deteksjonen av en satellitt av sensorer av elektromagnetisk energi som absorberes, reflekteres, utstråles eller spres fra overflaten til en vulkan eller fra dens utbrutte materiale i en utbruddsky.

  • ' Cloud sensing : Forskere kan overvåke de uvanlig kalde utbruddskyene fra vulkaner ved hjelp av data fra to forskjellige termiske bølgelengder for å forbedre synligheten til utbruddskyene og skille dem fra meteorologiske skyer.
  • ' Gassmåling : Svoveldioksid kan også måles ved fjernmåling ved noen av de samme bølgelengdene som ozon. Total Ozon Mapping Spectrometers (TOMS) kan måle mengden svoveldioksydgass som frigjøres av vulkaner i utbrudd. Kullsyreutslipp fra vulkaner har blitt oppdaget i kortbølge-infrarød ved hjelp av NASAs Orbiting Carbon Observatory 2 .
  • Termisk sensing : Tilstedeværelsen av nye betydelige termiske signaturer eller 'hot spots' kan indikere ny oppvarming av bakken før et utbrudd, representerer et utbrudd som pågår eller tilstedeværelsen av en nylig vulkansk avsetning, inkludert lavastrømmer eller pyroklastiske strømmer.
  • Deformasjonssensing : Satellittbårne romlige radardata kan brukes til å oppdage langsiktige geometriske endringer i det vulkanske bygget, for eksempel løfting og depresjon. I denne metoden, interferometrisk syntetisk blenderadar (InSAR), blir digitale høydemodeller generert fra radarbilder trukket fra hverandre for å gi et differensialbilde, og viser hastigheter for topografisk endring.
  • Skogovervåking : Nylig har det blitt demonstrert at plasseringen av utbruddsbrudd kunne forutsies måneder til år før utbruddene ved overvåking av skogvekst. Dette verktøyet basert på overvåking av trærnes vekst er validert på begge Mt. Niyragongo og Mt. Etna i løpet av 2002-2003 vulkanutbruddshendelser.
  • Infrasound sensing : En relativt ny tilnærming til å oppdage vulkanutbrudd innebærer bruk av infralydsensorer fra International Monitoring System (IMS) infralydnettverk. Denne deteksjonsmetoden tar signaler fra flere sensorer og bruker triangulering for å bestemme plasseringen av utbruddet.

Massebevegelser og massesvikt

Overvåking av massebevegelser og svikt bruker teknikker som utlånes fra seismologi (geofoner), deformasjon og meteorologi. Skred, steinfall, pyroklastiske strømmer og gjørmestrømmer (lahars) er eksempler på massefeil av vulkansk materiale før, under og etter utbrudd.

Det mest berømte vulkanske skredet var sannsynligvis svikt i en bule som bygde seg opp fra inntrengende magma før Mt. St. Helens-utbruddet i 1980, "raset" dette grunne magmatiske innbruddet og forårsaket katastrofal svikt og en uventet lateral utbruddsprengning. Fjellfall forekommer ofte i perioder med økt deformasjon og kan være et tegn på økt aktivitet uten instrumentell overvåking. Slamstrømmer ( lahars ) er remobilisert hydrert askeforekomster fra pyroklastiske strømmer og askefallavsetninger, og beveger seg nedoverbakke selv i svært grunne vinkler ved høy hastighet. På grunn av sin høye tetthet er de i stand til å flytte store gjenstander som lastede tømmerbiler, hus, broer og steinblokker. Avsetningene deres danner vanligvis en andre ring av ruskvifter rundt vulkanske bygninger, og den indre viften er primær askeforekomst. Nedstrøms avfallet av deres fineste last kan lahars fortsatt utgjøre en flomfare fra restvannet. Det kan ta mange måneder å tørke ut Lahar-avleiringer, til de kan gåes på. Farene som følge av lahar-aktivitet kan eksistere flere år etter et stort eksplosivt utbrudd.

Et team av amerikanske forskere utviklet en metode for å forutsi lahars . Metoden deres ble utviklet ved å analysere bergarter på Mt. Rainier i Washington . Advarselssystemet avhenger av å merke forskjellene mellom ferske bergarter og eldre. Friske bergarter er dårlige ledere av elektrisitet og blir hydrotermisk endret av vann og varme. Derfor, hvis de vet bergartens alder, og derfor styrken til dem, kan de forutsi stiene til en lahar. Et system med akustiske strømningsmonitorer (AFM) har også blitt plassert på Mount Rainier for å analysere jordskjelv som kan resultere i en lahar , og gir en tidligere advarsel.

Lokale casestudier

Nyiragongo

Utbruddet av Nyiragongo-fjellet 17. januar 2002 ble spådd en uke tidligere av en lokal ekspert som hadde studert vulkanene i årevis. Han informerte de lokale myndighetene og et FN- undersøkelsesteam ble sendt til området; det ble imidlertid erklært trygt. Dessverre, da vulkanen brøt ut, ble 40% av byen Goma ødelagt sammen med mange menneskers levebrød. Eksperten hevdet at han hadde lagt merke til små endringer i den lokale lettelsen og hadde overvåket utbruddet av en mye mindre vulkan to år tidligere. Siden han visste at disse to vulkanene var forbundet med en liten sprekk, visste han at Nyiragongo-fjellet snart ville bryte ut.

Mount Etna

Britiske geologer har utviklet en metode for å forutsi fremtidige utbrudd av Etna . De har oppdaget at det er en forsinkelse på 25 år mellom hendelsene. Overvåking av dype skorpehendelser kan bidra til å forutsi nøyaktig hva som vil skje i årene som kommer. Så langt har de spådd at vulkansk aktivitet mellom 2007 og 2015 vil være halvparten av hva den var i 1972.

Sakurajima, Japan

Sakurajima er muligens et av de mest overvåkede områdene på jorden. Sakurajima-vulkanen ligger nær Kagoshima by , som har en befolkning på over 500 000 mennesker. Både det japanske meteorologiske byrået (JMA) og Kyoto Universitys Sakurajima Volcanological Observatory (SVO) overvåker vulkanens aktivitet. Siden 1995 har Sakurajima bare brutt ut fra toppmøtet uten utslipp av lava.

Overvåkningsteknikker ved Sakurajima:

  • Sannsynlig aktivitet signaliseres ved hevelse i landet rundt vulkanen når magma nedenfor begynner å bygge seg opp. I Sakurajima er dette preget av en økning i havbunnen i Kagoshima Bay - tidevannsnivået stiger som et resultat.
  • Når magma begynner å strømme, kan smelting og splitting av grunnstein oppdages som vulkanske jordskjelv. Ved Sakurajima forekommer de to til fem kilometer under overflaten. En underjordisk observasjonstunnel brukes til å oppdage vulkanske jordskjelv mer pålitelig.
  • Grunnvannsnivået begynner å endre seg, temperaturen på varme kilder kan øke og den kjemiske sammensetningen og mengden gasser som frigjøres kan endre seg. Temperatursensorer er plassert i borehull som brukes til å oppdage grunnvannstemperatur. Fjernmåling brukes på Sakurajima siden gassene er svært giftige - forholdet mellom HCl- gass ​​og SO 2 -gass øker betydelig kort tid før et utbrudd.
  • Når et utbrudd nærmer seg, måler tiltmeter-systemene små bevegelser av fjellet. Data videreformidles i sanntid til overvåkingssystemer hos SVO.
  • Seismometre oppdager jordskjelv som oppstår rett under krateret, og signaliserer utbruddet. De oppstår 1 til 1,5 sekunder før eksplosjonen.
  • Når en eksplosjon går, registrerer tiltmetersystemet vulkanens setning.

Ecuador

Geophysics Institute ved National Polytechnic School i Quito huser et internasjonalt team av seismologer og vulkanologer som har ansvar for å overvåke Ecuadors mange aktive vulkaner i Andesfjellene i Ecuador og på Galápagosøyene . Ecuador ligger i Ring of Fire der omtrent 90% av verdens jordskjelv og 81% av verdens største jordskjelv forekommer. De geologene studere eruptive aktivitet for vulkaner i landet, spesielt Tungurahua som vulkansk aktivitet startet 19. august 1999 og flere store utbrudd siden den tid, den siste starter 1. februar 2014.

Begrensninger

Utover å forutsi vulkansk aktivitet, er det svært spekulative forslag for å forhindre eksplosiv vulkansk aktivitet ved å kjøle ned magmakamrene ved hjelp av geotermisk kraftproduksjonsteknikk.

Se også

Merknader

Eksterne linker

  • WOVO (Verdensorganisasjon for vulkanobservatorier )
  • IAVCEI (International Association of Volcanology and Chemistry of the Earth's Interior)
  • SI (Smithsonian Global Volcanism Program)