En ny studie har visat att övervakning av ohörbara lågfrekvenser som kallas infraljud som produceras av en typ av aktiv vulkan kan förbättra prognosen för betydande, potentiellt dödliga utbrott.

Forskare från Stanford och Boise State University analyserade infraljudet som upptäcktes av övervakningsstationer på sluttningarna av vulkanen Villarrica i södra Chile, en av de mest aktiva vulkanerna i världen. Det särpräglade ljudet härrör från att en lavasjö roar sig inuti en krater vid vulkanens topp och ändras beroende på vulkanens aktivitet.

Studien visade hur förändringar i detta ljud signalerade en plötslig höjning av sjönivån, tillsammans med snabba upp-och-ned-rörelser av den stigande sjön nära kraterns kant strax före ett stort utbrott 2015. Spåra infraljud i realtid och integrera det med andra data, såsom seismiska avläsningar och gasutsläpp, kan hjälpa varna invånare och turister i närheten att en vulkan är på väg att spränga sin stack, sa forskarna.

"Våra resultat pekar på hur infraljud kan hjälpa till att förutsäga vulkanutbrott, "säger studieförfattaren Leighton Watson, en doktorand i labbet av Eric Dunham, docent vid institutionen för geofysik vid Stanford School of Earth, Energi- och miljövetenskap och även medförfattare. "Infraljud är potentiellt en viktig information tillgänglig för vulkanologer för att bedöma sannolikheten för ett utbrott timmar eller dagar framåt."

Studien, publicerad 14 februari i tidningen Geofysiska forskningsbrev , leds av Jeffrey Johnson, docent i geofysik vid Boise State University i Idaho.

Sovande gigantiska vrål vaken

Villarrica är ett pittoreskt berg med en höjd av 9, 300 fot. Den snötäckta vulkanen hägrar över en sjö och mittemot staden Pucón, som sväller till en fjärdedel miljoner människor under sommarturistsäsongen. På natten, invånarna i Pucón kan ofta se en skarlet sken från Villarricas lavasjö, normalt gömd långt under vulkanens kant.

Den illavarslande lugn som hade hållits i Villarrica sedan dess sista utbrott i mitten av 1980-talet slutade tidigt på morgonen den 3 mars, 2015. En glödlampa av lava som skjuts upp från bergstoppen nästan en mil in i himlen, spy aska och skräp och utlöste blixtar från de tjocka värmegenererade molnen som omsluter toppmötet. Cirka 4, 000 människor evakuerade närområdet. Utbrottet visade sig vara kortlivat, dock, och med minimal risk för mudslid och översvämningar från smält snö, evakuerade återvände snart till sina hem.

Infraljudsövervakningsstationer etablerade i Villarrica bara två månader före evenemanget 2015 och underhålls av medförfattaren Jose Palma från University of Concepcion i Chile fångade dess före och efter soniska aktivitet. Studerar dessa data, forskargruppen såg att under uppbyggnaden av utbrottet tonhöjden för infraljudet ökade, medan signalens varaktighet minskade. Flyovers i flygplan dokumenterade förändringarna i Villarricas lavasjö, tillåter forskare att utforska samband mellan dess höjd och ljudgenerering.

Watson erbjöd en musikalogi för att förklara detta förhållande. Liknar en person som blåser in i en trombon, explosioner från gasbubblor som stiger och sedan spricker vid ytan av lavasjön skapar ljudvågor. Precis som formen på en trombon kan ändra tonhöjden på tonerna den producerar, kraterens geometri som rymmer lavasjön modulerar dess ljud. När lavasjön är djupt nere i vulkanens krater, ljudet registreras vid en lägre tonhöjd eller frekvens - "precis som när en trombon förlängs, "sa Watson. När lavasjön stiger upp i kratern, som kan utlösa ett utbrott, ljudets tonhöjd eller frekvens ökar, "precis som när trombonen dras tillbaka, sa Watson.

Varningsskyltar

Framtida forskning kommer att försöka knyta infraljudsgenerering till andra kritiska variabler i vulkanövervakning och utbrottsprognoser, som seismicitet. Inför ett utbrott, seismisk aktivitet i form av små jordbävningar och darrningar ökar nästan alltid. Denna seismicitet härrör från flera mil under jorden när magma rör sig genom vulkanens "VVS -system" av sprickor och ledningar som förbinder vulkanens öppning med magmakamrar i vår planets skorpa. Vulkanologer tror att förändringar i lavasjönivåer - och deras tillhörande infraljud - beror på injektion av ny magma genom vulkaniskt VVS, öka oddsen för ett våldsamt utbrott.

På det här sättet, insamlingen av infraljud bör visa sig vara fördelaktigt för prognosändamål vid "öppna vent" vulkaner som Villarrica, där en utsatt sjö eller lavakanaler förbinder vulkanens inre med atmosfären. Stängda ventiler, dock, där den sammanslagna magman förblir instängd under sten tills ett explosivt utbrott inträffar, genererar inte samma typ av infraljud och innebär därmed ytterligare prognosutmaningar. Ett exempel på en vulkan med sluten ventil är Mount St. Helens i sydvästra staten Washington, vars utbrott 1980 fortfarande är det mest dödliga och destruktiva utbrottet i USA:s historia.

"Vulkaner är komplicerade och det finns för närvarande inga universellt tillämpbara sätt att förutsäga utbrott. Med all sannolikhet, det kommer aldrig att finnas, "Sa Dunham." Istället vi kan titta på de många indikatorerna på ökad vulkanaktivitet, som seismicitet, gasutsläpp, markdeformation, och - som vi ytterligare visat i denna studie - infraljud, för att göra robusta prognoser för utbrott. "