Nowatorska technologia obserwacji gazów wulkanicznych ma udoskonalić modele prognozowania erupcji

Finansowany z grantu ERBN projekt BRIDGE (Bridging the gap between Gas Emissions and geophysical observations at active volcanoes) stawia sobie za cel ni mniej ni więcej tylko „poczynienie ogromnych postępów naukowo-technicznych w wulkanologii”. Przedsięwzięcie oparło się na spostrzeżeniu, że mimo najnowszych osiągnięć technologicznych wkład obserwacji gazów wulkanicznych w monitorowanie wulkanów nadal jest skąpy.

Skutkuje to brakiem zdolności do przeprowadzania wysokoczęstotliwościowych obserwacji strumienia i składu gazów wulkanicznych w czasie rzeczywistym. Dotychczas geochemicy mieli trudności techniczne z wychwytywaniem składu chemicznego i strumienia gazów wulkanicznych w wysokiej częstotliwości (1 Hz) oraz z zastosowaniem stałego zestawu instrumentów. Ponadto mała rozdzielczość czasowa istniejących obserwacji uniemożliwiała analizowanie szybko przebiegających procesów wulkanicznych, takich jak te zachodzące krótko przed erupcją.

Technologia BRIDGE rozwiązuje te problemy za pomocą innowacyjnych instrumentów do obserwacji w częstotliwości 1 Hz strumieni wulkanicznych SO2 i CO2. Informacje uzyskane z użyciem tych instrumentów można łączyć z danymi geofizycznymi, aby wypełniać luki w aktualnym stanie wiedzy i przygotowywać udoskonalone modele różnych cech wulkanicznych, między innymi mechanizmów wywołujących wybuchowe erupcje wulkaniczne.

Jak można wyjaśnić fakt, że obserwacje gazów wulkanicznych pozostają tak daleko w tyle?

Prof. Alessandro Aiuppa: Gazy wulkaniczne są stosunkowo nowym zagadnieniem badawczym. Podczas gdy techniki geofizyczne o bardziej ustalonej pozycji są wykorzystywane do badania wulkanów od ponad stulecia – na przykład sejsmiczności, która jest monitorowana od połowy/końca XIX w. – gazy wulkaniczne spotkały się z zainteresowaniem naukowym dopiero w latach 30.-50. XX w. Obserwacje gazów wulkanicznych z wykorzystaniem instrumentów rozpoczęły się dopiero w latach 70. XX w., a ich konsolidacja miała miejsce zaledwie w pierwszej dekadzie XXI w.

To „późne” zainteresowanie się naukowców gazami wulkanicznymi wyjaśnia lukę, jaka powstała w geofizyce.

Co zapewnia dokładność i efektywność obserwacji wulkanicznych?

Mimo iż deterministyczna prognoza początku erupcji wulkanicznej nadal stanowi wyzwanie, wulkanolodzy mają teraz znacznie jaśniejszy obraz procesów, które doprowadzają do erupcji wulkanu i nie ma wątpliwości, że kluczową rolę odgrywają magmowe składniki lotne. Przechodzą z roztopionego krzemianu do fazy gazowej, kiedy następuje dekompresja magmy w drodze na powierzchnię. Powstawanie i rozprężanie się tej eksolucyjnej fazy gazowej prowadzi do wzrostu ciśnienia magmy, co wywołuje erupcję. Niezwykle istotne jest zatem studiowanie ich składu i strumienia.

Niestety konieczność bezpośredniego próbkowania wyziewów wulkanicznych i ich analizowania w laboratorium utrudniała dotychczas analizę szybko zachodzących procesów wulkanicznych, mając tym samym ograniczony wpływ na doskonalenie lub doświadczalną walidację modeli wypływu magmy (i odgazowywania) na krótko przed erupcją.

Jak zamierzacie rozwiązać ten problem?

Naszym celem jest udoskonalenie istniejących technik i opracowanie nowych technologii badania gazów wulkanicznych. Zaprojektowaliśmy, wyprodukowaliśmy, przetestowaliśmy i rozmieściliśmy w terenie nową generację czujników gazów wulkanicznych i z powodzeniem przygotowaliśmy pierwsze prototypy w pełni zautomatyzowanych sieci kamer UV. Zapewniają nam długofalowe i ciągłe obserwacje wulkanicznego strumienia SO2 w wysokiej rozdzielczości czasowej (> 1 Hz do 25 Hz) z kompaktową, solidną i łatwą w użyciu konfiguracją.

Dopracowaliśmy także nowatorską technologię o nazwie Multi-GAS (Multi-component Gas Analyser System) – czujnik gazu, który stał się punktem odniesienia w prawie ciągłym monitorowaniu składu smugi gazu wulkanicznego in situ. Wreszcie udało nam się także w pełni wywiązać z trudnego zadania, które polegało na opracowaniu pierwszego DIAL-Lidara do bezpośredniej teledetekcji strumienia wulkanicznego CO2.

Nasza gotowa do rozlokowania, wieloinstrumentowa sieć czujników gazu daje możliwość szybkiego reagowania na przyszłe kryzysy wulkaniczne w UE lub poza jej granicami. Najważniejsze przyrządy monitorujące gazy, opracowane w ramach projektu BRIDGE, są właśnie wysyłane do kilku obserwatoriów wulkanów na świecie, gdzie są włączane do lokalnych sieci monitoringu.

Czy może pan wyjaśnić, jak działają te instrumenty?

Nasze kamery UV są przyrządami CCD wykorzystywanymi do rejestrowania serii zdjęć smugi wulkanicznej (atmosferycznego rozproszenia gazów wulkanicznych). Zdjęcia wykonywane są z użyciem filtrów optycznych, które umożliwiają pokazanie ograniczonych odcinków wpadającego promieniowania słonecznego. Dzięki ekspozycji dwóch kamer jednocześnie selektywna absorpcja wpadającego światła słonecznego przez wulkaniczne SO2 może zostać określona ilościowo i przekształcona na strumień SO2 (masa SO2 uwalniana na jednostkę czasu przez dany wulkan).

Nasze instrumenty Multi-GAS są zwartymi multiczujnikami, złożonymi ze spektrometrów podczerwieni i czujników elektrochemicznych. Gazy wulkaniczne/smugi są aktywnie pompowane do wnętrza czujnika Multi-GAS. Stężenia różnych gazów (H2O, CO2, SO2, H2S, H2, HCl) mierzone są w czasie rzeczywistym (z częstotliwością 1 Hz). Multi-GAS jest na stałe umieszczany na szczycie wulkanu, a dane są przesyłane telemetrycznie do obserwatorium. W ten sposób uzyskiwane są precyzyjne rejestry czasowe składu gazów wulkanicznych.

Wreszcie DIAL-Lidar składa się zasadniczo z nadajnika (laser) i odbiornika (teleskop). Lidar to po prostu radar optyczny: impuls laserowy jest przesyłany do atmosfery i część jego fotonów ulega rozproszeniu wstecznemu do teleskopu przez cząsteczki powietrza i aerozole. Moc optyczna odpowiadająca strumieniowi fotonów (przekształconych przez fotodetektor w sygnał elektroniczny) jest proporcjonalna do właściwości fizyko-chemicznych atmosfery wzdłuż wiązki laserowej. Powietrze tłumi impuls laserowy z powodu rozproszenia cząsteczek i aerozoli oraz swoistej absorpcji gazów: jeżeli długość fali laserowej zbiega się z liniami absorpcyjnymi docelowego gazu, tłumienie będzie silniejsze.

DIAL wykorzystuje ten efekt: w odróżnieniu od lidara, przesyłane są dwie długości fal, ON i OFF, z których tylko ta pierwsza jest absorbowana przez gaz docelowy. Jeżeli linia absorpcyjna jest wąska, a długości fal ON i OFF są wystarczająco bliskie, stężenie gazu docelowego wzdłuż ścieżki optycznej lidara można wyprowadzić na podstawie stosunku sygnałów OFF i ON. Na nasze konkretne potrzeby opracowaliśmy nowatorski DIAL-Lidar na bazie lasera barwnikowego, który wykorzystuje złożony nadajnik łączący seedujący laser Nd:YAG z laserem barwnikowym z dwusiatkowym systemem przestrajania. Nadajnik jest wykorzystywany do wytwarzania promieniowania laserowego o długości ~2010 nm, które to spektrum elektromagnetyczne jest absorbowane przez atmosferyczny CO2.

Czy jesteście zadowoleni z wyników prób w terenie?

Bardzo. Wszystkie opracowane instrumenty zostały z powodzeniem rozmieszczone na aktywnych wulkanach i są obecnie źródłem szerokiego strumienia danych, dostarczając kluczowych informacji na temat zachowania wulkanu. Partnerom naszego projektu udało się ukończyć nowatorski schemat interpretacyjny płytkich krustalnych procesów wulkanicznych, oparty na połączonej analizie pozyskiwanych jednocześnie gazów wulkanicznych i sygnałów geofizycznych (sejsmicznych, infradźwiękowych, geodezyjnych i termicznych).

Jakie pana zdaniem są najważniejsze wnioski płynące z tego projektu?

Kluczowy wniosek z projektu BRIDGE jest taki, że zrozumienie zachowania wulkanu wymaga multidyscyplinarnego podejścia. Osiągnięcia projektu BRIDGE sprawiają, że przedsięwzięcie staje się emblematyczne, pokazując że integracja gazów wulkanicznych i danych geofizycznych jest kluczem do pogłębienia wiedzy o mechanizmach wznoszenia gazów/magmy w kanałach magmowych w czasie uśpienia oraz przed erupcją wulkaniczną i w jej czasie.

Nasz multidyscyplinarny monitoring na wulkanach Stromboli i Etna, który umożliwiają sieci obserwacyjne zbudowane w ramach BRIDGE, dowodzi, że możliwe jest bardziej precyzyjne prognozowanie erupcji pod warunkiem łącznego analizowania gazów i sygnałów geofizycznych.

BRIDGE
Dofinansowanie z FP7-IDEAS-ERC.
strona projektu BRIDGE w serwisie CORDIS
witryna projektu