無人機和激光將如何幫助預(yù)測火山爆發(fā)

這是我們2018年夏季旅行系列“把它帶到極端”的一部分，它研究了當(dāng)人們把日常技術(shù)和瘋狂的情況混合在一起時會發(fā)生什么。

地球上有5億多人生活在活火山的陰影中。 從小，我就是其中之一。

我在華盛頓的塔科馬度過了我的童年，觀察著那顆華麗的定時炸彈，那就是雷尼爾山。 從40英里外的這個有利點，這座山是淡藍色和白色的，蝕刻著冰川的黑暗陰影。 它的輪廓坐在前景在整個一年的日出。 夏天，滿月就在它后面升起。

雖然雷尼爾山已經(jīng)有一個世紀(jì)沒有顯示出任何活動的跡象，而且它的最后一次主要噴發(fā)是在大約1000年前，但科學(xué)家們相信山下的巖漿可能會再次升起。

美國宇航局噴氣推進實驗室的火山學(xué)家戴夫·皮耶里說：“在最基本的層面上，火山是地球內(nèi)部試圖到達地球外部的地方?！?/p>

火山今年給了我們驚人的提醒，他們有能力殺死和破壞社區(qū)。 五月，夏威夷大島上的Kilauea在緩慢、破壞財產(chǎn)的爬行中滲出熔巖并產(chǎn)生火山煙霧。 下個月，危地馬拉的火山爆發(fā)（西班牙語為“火火山”），掩埋了火山灰、熔巖、巖石和泥漿的村莊。 官方報道說，169人死亡，256人仍然失蹤。

富戈、雷尼爾山和圣海倫山都是成層火山，它們排放出數(shù)英里高的白色熾熱碎片云，并噴出高速的火山灰和熔巖。 相比之下，Kilauea是一座盾牌火山，通常產(chǎn)生緩慢移動的熔巖.. 1980年，當(dāng)圣海倫山爆發(fā)時，它向空中發(fā)射了超過15英里的火山碎片和火山灰，造成57人死亡，主要是窒息。

有300多萬人住在雷尼爾山附近，每年有200萬人參觀雷尼爾山國家公園，這座火山突然兇猛殺人的潛力是一個主要的問題。 但也有一些好消息：科學(xué)家用來發(fā)現(xiàn)預(yù)示火山爆發(fā)跡象的儀器在不斷改進。

新的數(shù)字工具可以讓他們快速收集小地震的數(shù)據(jù)，提示火山事件。 利用激光雷達，利用脈沖光測量距離，火山學(xué)家可以創(chuàng)建精確的三維地圖，查看過去的樹木和其他植物生命，以揭示火山的真實地形。 便攜式質(zhì)譜儀的進步讓科學(xué)家“看到”火山內(nèi)部發(fā)生了什么，你知道，在火山爆發(fā)前警告人們。

熔巖、巖石和熱灰并不是雷尼爾山唯一能向我們投擲的東西。 居住在雷尼爾山河谷的近8萬人，以及整個塔科馬工業(yè)港，都在這座山所能生產(chǎn)的最危險的副產(chǎn)品之一：拉哈爾。

拉哈是一種快速移動的死亡污泥。 當(dāng)熾熱的巖石碎片瞬間融化冰川時就會發(fā)生這種情況。 熔巖和碎片可以達到1400華氏度，與融化的冰川水混合，由此產(chǎn)生的瀉湖傾瀉到山坡上，席卷了它路徑上的一切和每個人。

拉合爾可以有濕水泥的稠度，以每小時50英里的速度移動。 當(dāng)他們終于從他們開始的地方休息幾十英里時，他們可能仍然像剛出爐的烤雞一樣熱（大約華氏160度）。 當(dāng)拉哈斯來的時候，你需要快速到達高地。

太平洋西北地震網(wǎng)絡(luò)的臨時主任保羅·博丁告訴我，當(dāng)我們在雷尼爾山上徒步穿越一條山脊時，“它們可能很熱，也可能很快，而且它們很厚，而且會對結(jié)構(gòu)造成破壞?！?/p>

當(dāng)我在山坡上跋涉時，我意識到，如果我不得不跑過一個瀉湖，我現(xiàn)在就會遇到麻煩。

徒步前往雷尼爾山地震站。

博丁和軟件程序員喬恩·康諾利都在華盛頓大學(xué)工作，他們正在帶領(lǐng)我上下山道，在一些地方散落著光滑的頁巖石，在另一些地方則點綴著一些細小的紫色野花。 我們要去雷尼爾山國家公園北側(cè)弗里蒙特山地震站。 近3英里后，我們沿著一片陡峭的草地前進，這片草地可能給了赫迪，瑞士阿爾卑斯山兒童文學(xué)孤兒，一些嚴(yán)重的眩暈。

我們是來監(jiān)視這個偏僻的地方進行大規(guī)模技術(shù)升級的。

一旦我們到達車站，我看到一個非常高的桿被蓋伊電線支撐，頂部有一個天線和一個太陽能電池板。 在山下，一個大湯罐大小的地震儀埋在地下。 像這樣的地震儀發(fā)出的電流會根據(jù)地震的劇烈程度而變化，從而產(chǎn)生科學(xué)家用來測量地震震級的數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)數(shù)字化之前，通過調(diào)頻廣播將信息傳送出去大約55英里。 博丁告訴我，問題在于，距離的移動允許大量的噪聲在數(shù)據(jù)變?yōu)榱愫土阒芭で鷶?shù)據(jù)。 結(jié)果類似于拍攝一張褪色寶麗來快照的超高分辨率照片。

地震研究小組預(yù)計本月將安裝一系列新的技術(shù)：計算機數(shù)據(jù)記錄器，大約是額外厚的外部硬盤的大小，將在此過程中更早地數(shù)字化數(shù)據(jù)，以保持其盡可能無噪音。 一個新的地震儀可以提供更豐富的數(shù)據(jù)，通過測量運動的上下，側(cè)對側(cè)和來回。 這很好，博丁告訴我，因為這就是地震或噴發(fā)時地面的移動方式。

更好的是，新的地震儀可以測量更廣泛的運動范圍，從表明巖漿在地表以下移動的小地震擺動到更大的地震震動。

更高的保真度數(shù)據(jù)將極大地促進地震學(xué)家試圖預(yù)測噴發(fā)，更豐富的數(shù)據(jù)集將幫助科學(xué)家區(qū)分冰川何時移動或冰落。

人類一直生活在這樣的威脅下：地球?qū)⑼蝗皇ダ碇牵诘責(zé)嵬L(fēng)口附近殺死每個人。

在公元前6600年左右，土耳其中部一幅新石器時代的壁畫展示了附近一個村莊附近噴發(fā)的雙高點哈桑Dag?火山。 為了驗證這兩座山峰是否實際上是現(xiàn)在的火山，加州大學(xué)洛杉磯分校的科學(xué)家使用鋯石地質(zhì)年代學(xué)來確定從火山中提取的火山巖樣品，然后將這些樣品的日期與壁畫的考古日期進行比較。

2014年1月《科學(xué)新聞》報道，“重疊的時間框架表明，該地區(qū)的人類可能目睹了這次噴發(fā)?！?/p>

更近一點，在公元前15世紀(jì)到16世紀(jì)之間，塞拉火山（現(xiàn)為希臘圣托里尼）爆發(fā)，地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為這是有史以來最具爆炸性的事件。 地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為火山爆發(fā)是在火山爆炸指數(shù)上測量的7次。 刻度從0到8，每個VEI比前面的數(shù)字強10倍。 許多人推測，據(jù)估計，這次Thera噴發(fā)相當(dāng)于40枚原彈，是柏拉圖失去的亞特蘭蒂斯城的靈感。

一個完整外殼中的地震儀坐在一個單獨站在藍色盒子頂部的地震儀的左邊。

沒有目擊者的描述，這一打擊動搖了古老的米諾安文明，但有許多細節(jié)關(guān)于克拉卡托，印度尼西亞(V EI6)，在1883年。 這個毀滅性的事件是如此的響亮，在3000英里外聽到了。 它將火山灰擴散到亞洲各地，產(chǎn)生了一場100英尺高的海嘯，在幾小時內(nèi)至少造成36,000人死亡，在未來五年內(nèi)降低了全球氣溫，并在1886年之前在全球產(chǎn)生了壯觀的日落。

它也恰好是現(xiàn)代火山學(xué)的分水嶺時刻。

英國北安普敦大學(xué)的地質(zhì)學(xué)教授、副校長尼克·佩特福德說，克拉卡托是火山爆發(fā)的第一個現(xiàn)代研究的動力。 科學(xué)家們測量了從海底到地表的距離，這一過程稱為深度探測，以繪制被破壞島嶼的新地形。 他們還觀察了世界各大海洋海嘯的趨勢。 最后，他們比較了世界各地的氣壓測量。

佩特福德說：“他們意識到世界各地氣象站的大氣壓力同時發(fā)生了巨大變化?！?他們的結(jié)論是，爆炸引發(fā)了至少六次環(huán)繞地球的壓力波。

盡管雷尼爾山的斜坡上有老化的技術(shù)，但這座山的監(jiān)測效果比冰川峰要好，我從我要去的地震站幾乎不能到達北方。 根據(jù)西雅圖時報，定居者直到19世紀(jì)50年代才意識到這是一座火山，當(dāng)時美洲原住民告訴博物學(xué)家喬治·吉布布斯一座曾經(jīng)吸煙的山。

很難通過經(jīng)常被沖毀的道路到達，冰川峰上只有一個地震站，而雷尼爾有八個。

那就是激光雷達（光探測和測距）進來的地方.. 美國地質(zhì)調(diào)查局和美國森林管理局資助了一項從飛機上安裝的攝像機拍攝激光雷達照片的努力，以揭示冰川峰在植被掩蓋下的樣子。 由于這座山的輪廓清晰可見，美國地質(zhì)勘探局可以確定進行地震測量的最佳區(qū)域。 它希望在冰川峰的斜坡上安裝四個新的地震臺。

有了激光雷達，科學(xué)家們可以看到華盛頓偏遠冰川峰的完整輪廓。

配備了質(zhì)譜儀的無人機也可用于預(yù)測噴發(fā)。

位于加州帕薩迪納的JPL的火山學(xué)家，距離雷尼爾山近1100英里，他們正在研制微小的質(zhì)譜儀，可以在陽光下探測氣體，可以安裝在無人機上。

這些裝置之所以有效，是因為火山在噴發(fā)前以特定的順序排放某些氣體，這一過程始于巖漿到達地表之前的幾年。 JPL的Pieri說，二氧化碳含量的增加意味著在噴發(fā)前可能有幾個月。 如果是二氧化硫？

他說：“那你就看著即將爆發(fā)。

三年前，哥斯達黎加大學(xué)的科學(xué)家在哥斯達黎加中部的Turrialba Volcano駕駛一架載有一臺小型質(zhì)譜儀的固定翼無人機，而Turrialba正處于噴發(fā)中，發(fā)射出一縷灰燼。 他們還在靠近西西里島的意大利小島Vulcano和那不勒斯附近的Solfatara火山口上空飛行了8架6公斤（13磅）質(zhì)譜儀。 與哥斯達黎加火山學(xué)家合作，JPL的Pieri同事希望制造一臺重達3公斤（6.6磅）的質(zhì)譜儀。

自2000年以來，美國航天局一直從其Terra衛(wèi)星上的一個裝置收集無人機收集的近距離數(shù)據(jù)。 這些圖像幫助科學(xué)家測量世界各地火山氣體和溫度的變化，幫助識別巖漿上升的警告信號。

無人機和衛(wèi)星比背包有很大的優(yōu)勢。 人們不必把它們帶到危險地帶。

皮耶里說：“我們使用這些無人機的動機之一是因為很多這些觀測是由地面上的人進行的，他們會被殺死?！?對皮耶里來說這不是理論上的風(fēng)險。

他想起了30歲的火山學(xué)家大衛(wèi)·約翰斯頓，他在距圣海倫山6英里的觀察哨里工作時喪生。

約翰斯頓在1980年3月接受美聯(lián)社記者采訪時說：“這就像站在炸藥桶旁邊，保險絲被點燃，但你不知道保險絲會持續(xù)多久。” 約翰斯頓在發(fā)現(xiàn)圣海倫山即將爆炸的跡象后關(guān)閉該地區(qū)，從而挽救了生命。

從那時起，科學(xué)家和工程師團隊一直在努力工作，以想出新的方法來警告一些人口稠密的地區(qū)，這些地區(qū)在這些爆炸性的山脈的致命陰影中涌現(xiàn)出來。 但總會有不愉快的驚喜。

皮耶里告訴我，“大多數(shù)火山都沒有監(jiān)測?！?/p>

我知道如果我長大的那顆漂亮的定時炸彈爆炸的話，我們很幸運能得到任何警告。 因此，我努力保持樂觀，希望科學(xué)和技術(shù)能找到更多的方法來確保我們的安全，當(dāng)?shù)厍驔Q定它已經(jīng)足夠了。