Science

W sercu wulkanu: kiedy wyprawa naukowa wymyka się spod kontroli

Krater wulkanu Poás w Kostaryce, gdy istniało jeszcze jezioro

Na początku 2024 r. geofizyk Corentin Caudron planuje podróż do Kostaryki, aby zbadać aktywność wulkanu Poás, mierząc emisje dźwięków w jeziorze wypełniającym jego krater. Miał dołączyć do 20-osobowego zespołu i przywieźć kluczowe dane do monitorowania wulkanu. Ale natura zdecydowała inaczej. Artykuł opublikowany w The Conversation.

Corentin Caudron, Wolny Uniwersytet w Brukseli (ULB)

Jest 18 lutego 2024 r. Minęło 10 lat od mojej pierwszej wizyty w Kostaryce i pierwszych badań terenowych w tym kraju znanym z intensywnej aktywności wulkanicznej. Wróciłem do tego fantastycznego kraju z jasnym celem badawczym: zmierzeniem aktywności wulkanu Poás, który od 1828 r. doświadczył 39 erupcji, i przedstawieniem moich ustaleń na międzynarodowym warsztacie.

Ale tym razem stanąłem przed niewielkim problemem, ponieważ powód mojej wizyty dosłownie… wyparował.

Rzeczywiście, miesiąc wcześniej, ostatnia kropla. Nasze długo oczekiwane doświadczenie „przelało się”. Jezioro Poás w Kostaryce zostało całkowicie wyparowane przez wzmożoną aktywność wulkanu, która rozpoczęła się kilka miesięcy temu. Pomiar pęcherzyków za pomocą mikrofonu zanurzonego w wodzie wymaga… wody.

Trochę wstyd, zwłaszcza że zostałem zaproszony do wzięcia udziału w tym spotkaniu, aby zaprezentować przydatność innowacyjnej techniki po długiej misji w Nikaragui i Gwatemali.

Ta misja była planowana od miesięcy. Po moim rozczarowaniu postanowiłem pojechać mimo wszystko. Sądzę, że będę mógł pomóc moim kolegom w pomiarach, a także będę mógł spotkać się z moimi kolegami z Kostaryki, z którymi współpracuję od prawie 10 lat, przetwarzając ich dane sejsmiczne.

Oczekiwanie na spektakularne erupcje

Przez wiele lat specjalizowałem się w monitorowaniu wulkanów za pomocą pasywnych metod sejsmicznych, które opierają się na wykorzystaniu ciągłych drgań podłoża, a nie trzęsień ziemi.

Szczególnie interesują mnie poszukiwania sygnałów poprzedzających erupcje freatyczne, tj. erupcje bez emisji magmy na powierzchnię; Poás produkuje ich wiele, gdy jest aktywny.

Brak magmy na powierzchni znacznie komplikuje zadanie agencji monitorujących, takich jak ewakuacja ludności lub turystów odwiedzających wulkany, ponieważ wczesne sygnały ostrzegawcze, jeśli istnieją, są niezwykle wątłe. Jednak erupcje są w stanie wstrzyknąć popiół na wysokości do 10 km, kosząc każdego, kto spaceruje w pobliżu.

Chociaż wybuchy wulkanu Poás nigdy nie pochłonęły życia żadnego człowieka, przypominają one wybuch wulkanu Ontake w Japonii w 2014 r., który pochłonął ponad 50 ofiar, lub spektakularną erupcję Wyspy Białej w Nowej Zelandii w 2019 r., w której zginęło 22 osoby spośród turystów odwiedzających tę niezamieszkaną wyspę.

Najnowsze badania wskazują nawet, że tego typu mechanizm mógł wywołać najsilniejszy paroksyzm od stulecia podczas słynnej erupcji wulkanu Hunga w 2022 roku na Wyspach Tonga, w wyniku której popiół i para wodna zostały wyrzucone na wysokość 60 km nad poziomem morza.

Dlaczego warto słuchać wulkanów?

Przez ostatnie pięć lat badałem pejzaże dźwiękowe wulkanów: dźwięki emitowane przez wulkan w środowisku wodnym, aby określić ilość emitowanych gazów.

Ponieważ wstępne wyniki moich pomiarów dźwiękowych były bardzo obiecujące, organizatorzy warsztatów zaprosili mnie do użycia hydrofonów w celu pomiaru odgazowania wulkanu Poás.

Terry Plank i Conor Bacon z prestiżowego Uniwersytetu Columbia (USA) otrzymali dofinansowanie od Moore Foundation, zwanej AVERT, aby zebrać naukowców na tym wulkanie w celu przetestowania innowacyjnych metod monitorowania wulkanów. Z pomocą naukowców z Ovsicori, w szczególności Maartena de Moora, Geoffroya Avarda, Henriette Bakkar, Leonardo van der Laata i Johna Bolañosa Paniagua, udało im się zebrać 30 naukowców szczególnie zmotywowanych tą inicjatywą. W szczególności zespół AVERT planuje swobodnie udostępniać dane społeczności.

Pomysł mierzenia dźwięku emitowanego przez bąbelki w celu przewidywania erupcji wulkanów nie jest wcale nowy. Ten rodzaj pomiaru sięga lat 80. i 90., kiedy francuscy badacze Jean Vandemeulebrouck i jego współpracownicy wysunęli hipotezę, że aktywność wulkanu można śledzić za pomocą dźwięków rejestrowanych w wodzie.

Co może być bardziej logiczne niż słuchanie dźwięków emitowanych przez pęcherzyki wulkaniczne za pomocą mikrofonów? Aby monitorować hałas pęcherzyków, dane muszą być próbkowane przy bardzo wysokich częstotliwościach, aby uchwycić dźwięki pęcherzyków, które osiągają tysiące herców.

To z kolei wymagało dużej ilości miejsca do przechowywania, co w tamtym czasie okazało się przeszkodą, ponieważ trudno było przechowywać duże ilości danych. To jeden z powodów, dla których ta metodologia została zapomniana na kilka dekad. Niemniej jednak [results of the last century were very promising].

W 2020 roku postanowiliśmy zająć się tym prostym pomysłem, ale przy użyciu nowoczesnych technologii. Od czasu mojego doktoratu interesowałem się ponownym przyjrzeniem się podwodnemu pejzażowi dźwiękowemu. W tamtym czasie przeczytałem kilka prac naukowych, które uznałem za fascynujące, ale nigdy nie znalazłem czasu ani pieniędzy na badanie tych dźwięków wodnych. Ostatecznie musiałem poczekać, aż obejmę stanowisko w laboratorium Jeana Vandemeulebroucka (ISTerre w Grenoble), aby ponownie zająć się tym pomysłem z nim, a przede wszystkim pozyskać fundusze.

Przegrzany wulkan?

Tak właśnie „odkryłem” wulkan Poás i jego jezioro w 2010 roku. Po wielu testach w różnych stosunkowo spokojnych środowiskach wulkanicznych udało nam się wysłać hydrofon do Poás, znanego z gwałtownej aktywności hydrotermalnej.

W marcu i czerwcu 2023 roku wulkan zaszczycił nas wspaniałymi sygnałami dzięki naszym kolegom z Kostaryki, również odpowiedzialnym za monitoring, którzy zgodzili się zejść jak najbliżej jeziora o odczynie hiperkwaśnym (pH ~ 0) i zanurzyć w nim nasz instrument.

Sygnały te nie wydają się jednak być związane z erupcjami freatycznymi, a możliwość porównania ich z danymi około dwudziestu naukowców, którzy jednocześnie zbierali uzupełniające dane, była warta wykorzystania.

Ale od lipca 2023 r. aktywność wulkaniczna znacznie wzrosła, przynosząc na powierzchnię tyle ciepła, że ​​jezioro o promieniu kilkuset metrów niemal całkowicie zniknęło w ciągu kilku miesięcy. W rezultacie stało się zbyt niebezpieczne, aby rozważać powrót do krateru.

Nieciekawy instrument?

Oto jesteśmy, w przededniu najbardziej obiecującej manipulacji z ponad dwudziestoma znanymi kolegami. Główny problem: nasz hydrofon nie jest już w najmniejszym stopniu interesujący. Javier Pacheco, emerytowany sejsmolog, który od dziesięcioleci odpowiada za monitorowanie wulkanów, który poinformował mnie o tym niepowodzeniu, pyta mnie, czy mam jakieś czujniki infradźwiękowe.

Przyrządy te są czułe na zmiany ciśnienia atmosferycznego, które są niezauważalne dla ludzi, ale łatwo wykrywalne przez wieloryby i słonie.

Ta metoda była używana z dużym powodzeniem do monitorowania wulkanów wytwarzających erupcje magmowe. Pytanie brzmi, czy technologia ta mogłaby być również używana do monitorowania erupcji freatycznych.

Jak na ironię, kolega z Liverpool University, Silvio De Angelis, pożyczył mi te instrumenty w ramach eksperymentu na Islandii i nadal są w ULB. Silvio od razu był entuzjastycznie nastawiony i uznał ten pomysł za bardzo interesujący. Wraz z moim postdoktorantem, Benem Roche, postanowiliśmy zabrać instrumenty do Ameryki Łacińskiej, aby sprawdzić, czy mogą się przydać. Ben zostanie tam dłużej, aby upewnić się, że wszystko działa prawidłowo. Kostarykańscy koledzy sejsmolodzy są zachwyceni, a amerykańscy organizatorzy przyjmują to z wielkim entuzjazmem. Optymizm powrócił, a te instrumenty udowodniły swoją wartość w monitorowaniu systemów magmowych.

I oto jesteśmy, w niedzielne popołudnie w lutym, w wspaniałym domku u stóp wulkanu, skąpani w bujnej atmosferze.

Pierwsze żarty od naszych kolegów: jesteśmy tutaj, aby mierzyć bąbelki, ale hej, nie ma już jeziora. Zachęcają nas mimo wszystko i proszą, abyśmy porozmawiali o infradźwiękach. Kostarykańczycy, Leonardo van der Laat i Henriette Bakkar, podkreślają potencjalny wkład, jaki te czujniki mogą wnieść: obecnie trudno jest wykryć erupcje, co również stanowi zagrożenie dla zespołu radosnych naukowców, którzy w ciągu najbliższych kilku dni wdrożą wiele metodologii na wulkanie. Zastrzeżenie na wypadek erupcji…

Wyjaśniam, że nadal mamy nadzieję być użyteczni i skromnie zarejestrować coś interesującego, obok najnowocześniejszych pomiarów wykonanych przez najnowszą generację dronów lub pionierskie instrumenty wykorzystujące flotę Starlink.

W mroźnym zimnie i całkowitej niewidzialności ponurej pogody spędziliśmy pierwsze kilka dni próbując ustawić nasze trzy instrumenty na krawędzi krateru, aby zobaczyć, do czego są zdolne. Pogoda jest szczególnie niesprzyjająca, a burze powaliły wiele drzew, odcinając drogi dojazdowe do szczytu.

To bardziej jak przebywanie w lesie deszczowym niż na wulkanie. Tylko okazjonalny alarm dwutlenku siarki przypomina nam, że rozstawiamy nasze instrumenty na niebezpiecznym wulkanie.

Radia regularnie wydają dźwięki, aby sprawdzić, czy wszystko jest w porządku i czy cicha erupcja, która może wyrzucić bomby wulkaniczne i/lub toksyczne gazy, nie wpłynęła na żadną z drużyn. Choć mniej gwałtowne niż erupcje magmowe, erupcje freatyczne nadal mogą wyrzucać pociski na przyzwoitą odległość od kraterów, co wyjaśnia dużą liczbę niedawnych ofiar.

Wieczorem dyskusje są ożywione. Od problemów z połączeniem z flotą Starlink po problemy z połączeniem sond grawitacyjnych dla grawimetrów, którzy planują pilnie wysłać instrument ze Szkocji, są pewne dobre wieści.

Liczne instrumenty rozmieszczone w październiku przez amerykańskich organizatorów wydają się prawidłowo rejestrować początki tej nowej sekwencji erupcyjnej. Nie przyjechaliśmy bez powodu. Pracuję nad danymi z tego wulkanu od prawie 10 lat, a dyskusje po dniach roboczych są szczególnie owocne. Od biologii po chemię aerozoli opisujemy nasze postępy w ciągu dnia, a współpraca z kolegami odpowiedzialnymi za monitorowanie pozwala nam robić postępy w badaniach rozpoczętych wiele lat temu. A nowe dane akustyczne zebrane przez nasze czujniki infradźwiękowe mogą być przydatne dla naszych kolegów, co jest ostatecznie najważniejsze.

Potrafimy wykryć niewidoczne erupcje

Po ponad dwóch tygodniach w Ameryce Środkowej muszę wrócić do nauczania i zostawić mojego postdoktora odpowiedzialnego za projekt, z pomocą moich kolegów, którzy w mniej niż 24 godziny zbudowali system monitorowania i tłumienia zakłóceń nie-wulkanicznych. Rury z PVC służą do filtrowania hałasu wywołanego przez wiatr i lepszej izolacji zakłóceń wulkanicznych.

Oczywiście, żegnam się z całym zespołem warsztatowym z żalem, ale jestem pewien, że wszystko pójdzie gładko, biorąc pod uwagę kompetencje naszych lokalnych kolegów, wspieranych przez Bena, i niezawodne wsparcie Terry'ego, Conora i Maartena, organizatorów warsztatów.

Jest mnóstwo wiadomości, a dzięki WhatsApp jestem informowany na bieżąco w czasie niemal rzeczywistym o sukcesie instalacji i obiecujących początkowych wynikach. Po czterech dniach system jest gotowy do pracy i zainstalowany w odpowiedniej odległości od regularnych erupcji freatycznych.

Kilka dni później otrzymałem pierwsze wyniki, które przerosły wszelkie oczekiwania. Sygnały są nie tylko doskonałej jakości, ale także bogate w informacje.

Sejsmicznie niewidoczne erupcje są systematycznie wykrywane przez czujniki infradźwiękowe. Zabijanie dwóch ptaków jednym kamieniem: system jest przydatny do monitorowania, ponieważ dane są przesyłane w czasie rzeczywistym i umożliwi nam prowadzenie badań.

Szybko pojawiają się pytania badawcze… Dlaczego wulkan przestaje emitować drgania sejsmiczne, gdy nie ma wody? – Jaki jest związek z częstotliwością drgań? – Dlaczego jest tak dynamiczna?

Ale przede wszystkim jest to fantastyczne narzędzie do monitorowania. Po wzroście aktywności na początku marca moi koledzy wykrywają teraz erupcje tylko za pomocą tego narzędzia! Nawet na wakacjach mogą polegać całkowicie na możliwościach wykrywania tego nowego systemu za pośrednictwem swoich smartfonów. Tak więc, w przypadku braku wibracji hydroakustycznych, te infradźwiękowe fale ciśnieniowe nauczyły nas wiele o tym fascynującym systemie wulkanicznym.

Corentin Caudron, wulkanolog, Wolny Uniwersytet w Brukseli (ULB)

Niniejszy artykuł jest przedrukiem z The Conversation na podstawie licencji Creative Commons.

Source

Related Articles

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Back to top button