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火山预报?新技术能够更好地预测火山爆发

时间: 2017年07月31日 | 作者: Annie Sneed | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
研究人员从天气预报得到启示,将卫星测量与模型结合起来预测火山活动。

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2010年春,冰岛艾雅法拉火山(Eyjafjallajökull volcano)在冰盖下爆发,炽热的火山岩浆混杂着大量融水,气体和火山冲向超过10千米的高空。数百人被疏散撤离,火山爆发造成的混乱远远超出了冰岛范围,一些欧洲国家的领空关闭了几天。万幸的是,艾雅法拉火山爆发没有造成人员伤亡,但依旧导致了相当大范围的混乱。

 

尽管火山爆发可能会造成伤害和破坏——即使有些是非致命性的,而科学家仍旧无法准确地预测它们。即使科学家曾成功预测过几次火山爆发,他们还是缺乏一种标准的预测方法。英国牛津大学的火山学家David Pyle说“就进行预测来说,火山学领域的研究远远落后于气象学等领域。”火山的活动情况复杂且难以预测,当然,大部分火山活动都发生在地底,这使得研究和预测它们要比天气系统难得多。Pyle说:“现在真正的挑战是,对于那些我们没有观测到之前的喷发的火山,以及现在没有密切关注的火山来说,我们很难预测接下来会发生什么。”他补充道,今天科学家用于火山爆发预测的方法是“定性的”。法国萨瓦大学的一个研究团队试图建立一种更可靠、更精确的、以数据驱动的方法,利用卫星和数据同化(data assimilation)技术,来预测诸如艾雅法拉火山之类的爆发活动,还可能创建每日甚至每小时的火山预报。

 

数据同化被广泛运用于气象学等领域,我们的天气预报就依赖于这种技术。它结合了一个系统模型(比如天气或气候)和现实数据点,以进行对未来的预测。这种技术的长处在于模型可不断调整——它将预测结果与现实世界的数据相比较,并实时进行自我校准。

 

在发表于《地球科学前沿》杂志(Frontiers in Earth Science)的一项新研究,萨瓦大学研究人员将数据同化技术应用到一个火山模型中,观察这项技术是否能准确预测火山爆发的一个重要参数:岩浆超压。这是由于火山岩浆外推造成的过高压力,与上覆岩层产生的向内压力有关。这项研究的第一作者法国地球科学研究所的博士研究员Mary Grace Bato说“每座火山都有自己的临界超压值,如果达到了这个值,那你就知道在几天或几个月内可能会发生一场火山爆发。”预测系统中这个参数如何变化的能力,有助于火山学家更好地做出预测。

 

研究团队为了他们的研究,创造出了一个基于格里姆(Grímsvötn)火山的简化模型,该火山同样位于冰岛。他们随即利用合成的关于火山外地面如何变形的卫星数据,随时报告给模型并作出预测。Bato提供了一种理解地表形变与岩浆超压关系的简单思路:“想象火山的岩浆库是一个气球。如果你不断地把岩浆装进气球,气球会膨胀并导致其顶部的地表发生形变。我们可以使用GPS或雷达卫星数据测量形变,然后推断出岩浆超压。”这个团队还使用卫星数据对其模型对于未来岩浆超压的预测进行优化。美国地质调查局喀斯喀特火山观测站(Cascades Volcano Observatory)的地质学家解释道,这种基于物理的技术尚未投入当前实践。他说,今天的火山预报依赖于监测数据、来自全球火山数据库的信息、当地对火山过去活动情况的了解以及基于经验的科学发现的信息。

 

当研究人员将预测结果和模拟火山进行对比时,他们发现数据同化能准确预测岩浆超压的变化。除了能用于预测的优点外,这种技术还有助于约束火山的地下特征。Bato解释道,“它证明科学家能够用数据同化更好地了解火山内部的各个部分以及发生在火山内部的活动”,如岩浆库的几何结构和岩浆流入储层的几率。“这些参数都非常难推算,因为它们深藏在超过10千米深的地底深处。

 

Bato指出,他们的研究只是检验数据同化应用于火山预报的开始。团队使用了一个非常简化的模型,且他们的方法依赖于合成数据。在现实世界中,火山活动更加混乱而复杂,研究方法需要采用真正的全球定位系统(GPS)和雷达卫星数据。他们的研究也并未体现火山爆发的其他重要预测因素,如地震和产生的火山气体——尽管研究人员计划在未来的研究中涵盖这些测量值。

 

科学家们仍需要加深对岩浆超压发生时间点的了解,岩浆超压是研究的主要着眼点,它将预报现实世界的火山喷发活动。“从概念上讲,临界超压值一定存在。但是这个值通常是未知的,每座火山可能都不一样,同一座火山的临界超压值也可能随着时间的推移而改变”,Dzurisin解释道,“尽管如此,能够预测岩浆超压将是向前迈出的重要一步。”Dzurisin认为,数据同化将更广泛运用于火山学领域。他说:“这种方法似乎有望应用于火山爆发预测领域。”“但我们还有很长的路要走。”牛津大学的Pyle也认为这种方法有潜力。“这显然是一种进步的方”,他这么说。

 

接下来,Bato的团队计划使用真正的卫星数据,将他们的方法应用于冰岛的格里姆(Grímsvötn)火山。Bato说:“有朝一日,我希望我们能为临近活火山的那些城市或乡镇提供每日甚至每时的预报,因为这才是这类研究的价值所在。”

 

翻译:黄颖颖  

审校:张哲

 

原文链接:https://www.scientificamerican.com/article/volcano-forecast-new-technique-could-better-predict-eruptions/


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