Det finns ca 1, 500 potentiellt aktiva vulkaner över hela världen och cirka 50 utbrott inträffar varje år. Men det är fortfarande svårt att förutsäga när och hur dessa utbrott kommer att hända eller hur de kommer att utvecklas. Nu, ny insikt om de fysiska processerna inuti vulkaner ger forskare en bättre förståelse av deras beteende, som skulle kunna hjälpa till att skydda de 1 miljard människor som bor nära vulkaner.

Kupolbyggande vulkaner, som ofta är aktiva, är bland de farligaste typerna av vulkaner eftersom de är kända för sin explosiva aktivitet. Denna typ av vulkan får ofta ett utbrott genom att först tyst producera en kupolformad extrudering av tjock lava vid dess topp som är för trögflytande för att flyta. När det så småningom blir destabiliserat, den bryter av och producerar snabbrörliga strömmar av het gas, stelnade lavabitar och vulkanisk aska, kallas pyroklastiska moln, som strömmar ner längs vulkanens sidor med hastigheten av ett snabbt tåg.

"Riskerna i samband med dem kan vara mycket spontana och svåra att förutsäga, sa professor Thomas Walter, en professor i vulkanologi och geofaror vid universitetet i Potsdam i Tyskland. "Det är därför det är så viktigt att förstå detta fenomen med lavakupoler."

Lite är känt om beteendet hos lavakupoler, dels för att det inte finns mycket data tillgänglig. Prof. Walter och hans kollegor vill bättre förstå hur de bildas, om de kan variera avsevärt i form och hur deras inre struktur är. Under de senaste fem åren, genom ett projekt som heter VOLCAPSE, de har använt innovativa tekniker för att övervaka lavakupoler genom att använda högupplösta radardata som fångats av satelliter samt närbilder från kameror som har satts upp nära vulkaner.

"Pixel för pixel, vi kunde bestämma hur formen, morfologin och strukturen hos dessa lavakupoler förändrades, ", sa Prof. Walter. "Vi jämförde (webbkamerabilderna) med satellitradarobservationer."

Time-lapse

Projektet fokuserade på några kupolbyggande vulkaner som Colima i Mexiko, Mount Merapi i Indonesien, Bezymianny i Ryssland, och Mount Lascar och Lastarria i Chile. Det handlade delvis om att besöka dem och installera instrument som time-lapse-kameror som drivs av solpaneler som kunde fjärrstyras. Om en lavakupol började bildas, till exempel, teamet kunde justera inställningarna så att de tog bilder med högre upplösning oftare.

På grund av höga höjder och svåra väderförhållanden, att sätta upp kamerorna var mer utmanande än väntat. "Det var en skarp inlärningskurva, men också försök och misstag, eftersom ingen kunde berätta för oss vad vi kan förvänta oss vid dessa vulkaner eftersom det aldrig gjordes förut, sade Prof. Walter.

Under sina besök, teamet använde också drönare. Dessa skulle flyga över en lavakupol och fånga högupplösta bilder från olika perspektiv, som kan användas för att skapa detaljerade 3D-modeller. Temperatur- och gassensorer på drönarna gav ytterligare information.

Prof. Walter och hans kollegor använde data för att skapa datorsimuleringar, till exempel hur tillväxten av lavakupoler förändras från utbrott till utbrott. De fann att nya lavakupoler inte alltid bildas på samma plats:en lavakupol kan bildas på toppen av en vulkan under ett utbrott medan den nästa gång byggs upp på en av dess flanker. Laget var förbryllat, eftersom en ledning inuti en vulkan för magma till ytan under ett utbrott, vilket skulle innebära att den ändrar sin orientering mellan ett utbrott och nästa. "Det var mycket överraskande för oss, sade Prof. Walter.

Stressfält

De kunde förklara hur detta händer genom att undersöka fördelningen av inre krafter - eller spänningsfält - i en vulkan. När magma stöts ut under ett utbrott, det ändrar hur krafterna fördelas inuti och orsakar en omorientering av ledningen.

Teamet fann också att det fanns ett systematiskt mönster för hur stressfältet förändrades, vilket innebär att de genom att studera lavakupolernas position kunde uppskatta var de hade bildats i det förflutna och var de skulle dyka upp i framtiden. Detta kan hjälpa till att avgöra vilka områden nära en vulkan som sannolikt kommer att vara mest påverkade av utbrott som ännu inte kommer.

"Det här är ett väldigt häftigt resultat för prediktiv forskning om du vill förstå var lavakupolen kommer att spruta ut (eller kollapsa) ifrån i framtiden, " han sa.

Att veta var en vulkan kommer att få ett utbrott är en sak, men att veta när det kommer att göra det är en annan sak och de fysiska faktorerna som styr detta är inte heller väl förstådda. Även om det finns ett samband mellan hur ofta utbrott inträffar och deras storlek, med stora utbrott som förekommer mycket sällan jämfört med mindre, bristen på tillförlitliga data gör det svårt att undersöka de processer som styr utbrottsfrekvensen och omfattningen.

"När du går tillbaka i det geologiska rekordet, (spåren av) många utbrott försvinner på grund av erosion, sa professor Luca Caricchi, en professor i petrologi och vulkanologi vid universitetet i Genève i Schweiz.

Vidare, det är inte möjligt att komma åt dessa processer direkt eftersom de sker djupt nere under en vulkan, på 5 till 60 kilometers djup. Att mäta kemin och texturerna hos magma som drivs ut under ett utbrott kan ge några ledtrådar om de interna processer som ledde till händelsen. Och magmakammare kan ibland undersökas när de dyker upp på jordens yta på grund av tektoniska processer. Att extrahera information från specifika tidsperioder är dock fortfarande svårt eftersom "bilden" du får är som en film där alla bildrutor är hopfällda till en enda bild. "Det är komplicerat att hämta utvecklingen i tid - vad som verkligen hände under filmen, " sa prof. Caricchi.

Prof. Caricchi och hans kollegor använder ett nytt tillvägagångssätt för att förutsäga återkommande utbrott. Tidigare förutsägelser baserades vanligtvis på statistiska analyser av de geologiska uppgifterna om en vulkan. Men genom ett projekt kallat FEVER siktar teamet på att kombinera denna metod med fysisk modellering av de processer som är ansvariga för utbrottens frekvens och storlek. Ett liknande tillvägagångssätt har använts för att uppskatta när jordbävningar och översvämningar kommer att inträffa igen.

Att använda fysiska modeller bör särskilt vara användbart för att göra förutsägelser för vulkaner där det finns lite tillgänglig data. "För att extrapolera våra resultat från en plats där vi vet mycket, som i Japan, du behöver en fysisk modell som berättar varför förhållandet mellan frekvens och storlek förändras, " sa prof. Caricchi.

För att skapa sin modell, teamet har inkorporerat variabler som påverkar trycket i magma-reservoaren eller ackumuleringshastigheten för magma på djupet under vulkanen. Viskositeten av jordskorpan under vulkanen och storleken på magma reservoaren, till exempel, spela en roll. De har utfört över en miljon simuleringar med alla möjliga kombinationer av värden som kan uppstå. Förhållandet mellan frekvens och magnitud som de fick från sin modell liknade det som uppskattades med hjälp av vulkaniska register så att de tror att de kunde fånga de grundläggande processerna inblandade.

"Det är en slags kamp mellan mängden magma och egenskaperna hos skorpan, " sa Prof. Caricchi. "De är de två stora spelarna som slåss mot varandra för att äntligen leda till det här förhållandet."

Kontinentalplattor

Dock, teamet fann också att förhållandet mellan storleken och frekvensen av förändringar över vulkaner i olika regioner. Prof. Caricchi tror att detta beror på skillnader i geometrin hos tektoniska plattor i varje område. "Vi kan se att hastigheten med vilken en platta subducerar under en annan, och även subduktionsvinkeln, tycks spela en viktig roll för att definiera frekvensen och omfattningen av ett resulterande utbrott, " sa han. Teamet börjar nu införliva denna nya information i sin modell.

Att kunna förutsäga frekvensen och omfattningen av framtida utbrott med hjälp av en modell skulle kunna hjälpa till att bättre bedöma faror. I Japan, till exempel, ett av länderna med de mest aktiva vulkanerna, Att känna till sannolikheten för framtida utbrott av olika storlekar är viktigt när man bestämmer var man ska bygga infrastruktur som kärnkraftverk.

Det är också ovärderligt i tätbefolkade områden, som i Mexico City, som är omgiven av aktiva vulkaner, inklusive Nevado de Toluca. Prof. Caricchi och hans kollegor studerade denna vulkan, som inte har brutit ut på cirka 3, 000 år. De fann att när den magmatiska aktiviteten återupptas, det skulle ta cirka 10 år innan ett stort utbrott potentiellt kunde inträffa. Denna kunskap skulle förhindra Mexico City från att evakueras om första tecken på aktivitet upptäcks.

"När aktiviteten startar om, du vet att du har tio år på dig att följa utvecklingen av situationen, " sa prof. Caricchi. '(Människor) kommer nu att veta lite mer om vad de kan förvänta sig."