Vulkanen Kilauea på ön Hawaii är en av jordens mest aktiva vulkaner, drar både forskare och turister från hela världen för att studera och bevittna dess spektakulära uppvisningar av naturen. Den här månaden, en NASA-ledd forskargrupp utforskar Kilauea och den intilliggande vulkanen Mauna Loa från luften, mark och rymd. Deras mål:att bättre förstå vulkaniska processer och faror.

I slutet av januari, forskare från NASA, USGS Hawaiian Volcano Observatory (HVO), Hawaii Volcanoes National Park, och flera universitet inledde en sex veckor lång fältkampanj för att studera kopplingarna mellan vulkaniska gaser/termiska utsläpp och vegetationens hälsa och omfattning; flödet av lava från vulkanerna; termiska anomalier; gasplymer; andra aktiva vulkaniska processer; och sätt att mildra vulkaniska faror. Kampanjen, som också studerar Hawaiis korallrev, kommer att tillhandahålla prekursordata för NASA:s Hyperspectral Infrared Imager (HyspIRI) satellituppdragskoncept för att studera jordens ekosystem och naturrisker som vulkaner, skogsbränder och torka.

Flyger högt för att få ner på Hawaiis vulkaner

Ett ER-2-flygplan på hög höjd från NASA:s Armstrong Flight Research Center, Palmdale, Kalifornien, baserad på Marine Corps Base Hawaii på ön Oahu, är huvudplattformen för HyspIRIs luftburna kampanj. ER-2 bär Airborne Visible and Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS), utvecklad av NASA:s Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Kalifornien; och MODIS-ASTER Airborne Simulator (MASTER), utvecklad av NASAs Ames Research Center, Moffett Field, Kalifornien. Denna vecka, ett Gulfstream III-flygplan från NASA:s Johnson Space Center, Houston, kommer att gå med i kampanjen. Den kommer att bära JPL:s Glacier och Land Ice Surface Topography Interferometer (GLISTIN) instrument, som kommer att samla in högupplösta data för att mäta topografiska förändringar från nya Kilauea-lavaflöden.

"Data som samlades in under HyspIRIs luftburna kampanj kommer att främja vår förståelse av vulkaniska processer på Hawaii och på andra håll i världen, sa Ben Phillips, ledare för NASA:s fokusområde Earth Surface and Interior, NASAs högkvarter, Washington. "Sådana observationer kan ge information om framtida beslut av räddningspersonal och tillsynsmyndigheter."

Flyger vid 65, 000 fot (19, 800 meter), över 95 procent av jordens atmosfär, ER-2 kan på nära håll replikera data som en framtida satellit kan samla in. Instrumenten ombord är designade för att noggrant mäta reflekterat solljus och emitterad värmestrålning i hundratals distinkta kanaler. Data ger forskare kvantitativ och korrekt information om jordens ytsammansättning, typer av gaser och temperatur. Genom att kombinera dessa data med markbaserade valideringsmätningar, forskare kan studera atmosfäriska, geologiska och ekologiska processer för att förstå vår naturliga miljö.

Vad ska de studera?

Vog:JPL-forskaren Vincent Realmuto använder MASTER- och AVIRIS-data för att studera vog, ön Hawaiis ökända vulkaniska luftföroreningar. Hans team studerar Kilaueas utsläpp av värme och gas, kartläggning av dess gasplymers sammansättning och kemiska utveckling.

När Kilaueas toppmöte återupptogs 2008, svaveldioxidutsläppen ökade dramatiskt. Svaveldioxid omvandlas till sulfataerosol för att skapa vog:en skadlig, frätande suspension av svaveldioxid och fina sulfataerosoler. Samhällen medvind i Kilauea drabbas av negativa effekter. För att hjälpa allmänheten att hantera vog, Vog Measurement and Prediction Project (VMAP) vid University of Hawaii-Manoa (UH) producerar prognoser för vogrörelser och koncentration över Hawaiiöarna. VMAP använder svaveldioxidutsläppshastigheter uppmätta av HVO för att ställa in de initiala förutsättningarna för vog-prognosen. Noggrannheten i prognoserna utvärderas genom att jämföra dem med luftkvalitetsmätningar från ett glest nätverk av markstationer.

Realmutos team använder MASTER-data för att kartlägga svaveldioxidkoncentrationer vid Kilaueas toppmöte och spåra förändringar i koncentration med avståndet från toppen. AVIRIS-data används för att kartlägga koncentrationer och rumsliga fördelningar av sulfataerosoler i motvind på toppen. Uppgifterna kommer att hjälpa forskare att bättre förstå hur snabbt svaveldioxidgas omvandlas till sulfataerosoler, och skapa kartor över hur priserna varierar från plats till plats. Gas- och aerosolkartorna som härrör från luftburna data kommer att valideras med markbaserade data som samlats in av HVO- och UH-forskare. De validerade kartorna kommer att användas för att initiera VMAP-prognoserna för att bedöma effekten av de nya dataprodukterna på deras noggrannhet.

I framtiden, data som samlats in under ett rymdburet HyspIRI-uppdrag kan avsevärt bidra till Hawaii-luftkvalitetsövervakningen. Dessa observationer kommer att användas för att uppskatta svaveldioxid- och sulfatkoncentrationer vid en rumslig upplösning på cirka 200 fot (60 meter) på tidsskalor från timmar till dagar. "Sådana aktuella observationer kan användas för att spåra förändringar i vulkanernas beteende och kan leda till att vulkanobservatorier och luftkvalitetstjänstemän ökar sin granskning av sådana förändringar, "Sa Realmuto. "Erfarenheterna vi får från HyspIRI luftburna kampanjen kommer att tillåta oss att omedelbart använda data från ett rymdburet HyspIRI-uppdrag."

Länkar mellan vulkaner och växter:Forskare Chad Deering från Michigan Technological University, Houghton, leder en utredning för att upptäcka förändringar i vulkaniskt tillstånd genom att använda AVIRIS- och MASTER-data för att på distans mäta möjliga kopplingar mellan vulkaniska gaser och deras termiska utsläpp, och hälsan och omfattningen av växtlighet nära vulkaner. När en grund magma-reservoar fylls på, det kan signalera antingen början av ett utbrott av en aktiv, men har inte utbrott just nu, vulkan som Mauna Loa, eller betydande förändringar i beteendet vid en vulkanutbrott som Kilauea. Stigande magma släpper ut gaser genom ytan. Att upptäcka och karakterisera dessa gasutsläpp och deras indirekta effekter på vegetationen kan hjälpa riskhanterare att bättre upptäcka betydande förändringar i vulkaniskt beteende och övervaka förändringar i platsen för aktiviteten.

Hur vulkaniska gaser och aerosoler transporteras:JPL-forskaren David Pieri använder instrument på små obemannade flygplattformar (frittflygande obemannade flygplan och bundna aerostatdrakar) för att utföra markbaserad validering av MASTER- och AVIRIS-data. De obemannade flygplanen och drakarna används i samarbete med NASA Ames och NASA:s Wallops Flight Facility, Wallops Island, Virginia. Instrumenten tar prover på svaveldioxid, koldioxid och aerosoler vid Kilauea. Data kommer att förbättra förståelsen för hur gaser och aerosoler transporteras i atmosfären och kommer att bidra till att förbättra uppskattningarna av vulkaniska gasutsläpp. Pieris team kommer också att skaffa samtidiga data med instrumentet Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) på NASA:s Terra-rymdfarkost för att hjälpa till att utveckla en strategi för att utöka ASTERs 15-åriga datamängd av globala vulkanobservationer in i framtiden.

Sätt att förbättra uppskattningar av termisk vulkandata:Ett team ledd av forskaren Michael Ramsey från University of Pittsburgh använder ett nytt markbaserat instrument för att samla in multispektral termisk infraröd data vid Kilaueas lavasjö när ER-2 flyger ovanför. Målet är att utveckla ett tillvägagångssätt för att korrigera HyspIRI-satellitens termiska infraröda data på ytor med hög temperatur för att ta hänsyn till temperaturblandning och uppenbara förändringar i emitterad strålning. Korrigeringarna kommer att förbättra noggrannheten i uppskattningar av vulkanisk (och löpeld) termisk effekt och förändringar i sammansättning. Båda uppskattningarna används vanligtvis för att övervaka pågående vulkanisk aktivitet.

Upptäckt av termisk anomali:USGS-forskaren Greg Vaughan utvecklar en ny algoritm för att upptäcka och förutse vulkanisk oro eller relaterade faror baserat på värmesignaler som föregår dem. Den tänkta varningsalgoritmen kommer att automatiseras, kunna upptäcka onormalt termiskt beteende vid de flesta vulkaner över hela världen, och tillräckligt känslig för att upptäcka relativt subtila värmesignaturer. Det nya tillvägagångssättet, som utnyttjar HyspIRI-satellituppdragets förutsedda kapacitet, bör tillåta forskare att upptäcka små, varma anomalier som nuvarande termiska larmsystem kan missa. Vaughan kommer att jämföra HyspIRIs luftburna kampanjdata med HVO:s egna högupplösta luftburna data. Observationerna kommer att slås samman med satellitdata för att generera utökade tidsserier för att testa och förfina det nya tillvägagångssättet.

Mätning av förändringar i lavaflödesvolym:JPL-forskaren Paul Lundgren leder de kommande GLISTIN-flygningarna, som kommer att samla in högupplösta topografidata över aktiva Kilauea-lavaflöden för att mäta förändringar. Mer exakt spårning av förändringar i lavaflödesvolymen kommer att förbättra modeller som används för att förstå egenskaperna hos aktiva utbrott, såsom förändringar i utbrottshastighet.

"Om den utplaceras till en växande vulkankris, GLISTIN kan ge viktiga mätningar av lavaflödesvolymer eller lavakupoltillväxt som inte är möjliga med nuvarande satelliter, ", säger Lundgren. "Det kan hjälpa forskare att bättre förstå och förutsäga volymen av vulkanutbrott såväl som vulkanbeteende."