Monitorowanie wulkanów
advertisement
fizyka wczoraj, dziś, jutro Monitorowanie wulkanów Zbigniew Wiśniewski Wulkany niejednokrotnie gościły na łamach tego czasopisma. Wpływ na to miała zarówno osobista fascynacja autora procesami wulkanicznymi, jak i ich niezwykłe znaczenie dla rozwoju naszej planety. Stanowią one też najbardziej spektakularne zjawisko geofizyczne, jakie występuje na Ziemi. Wulkany odgrywają bardzo ważną rolę w kształtowaniu warunków życia na naszej planecie i od razu dodajmy – nie jest to rola jednoznacznie negatywna. Wręcz przeciwnie, bez wulkanów najprawdopodobniej życie na naszej planecie nie byłoby możliwe. I to z kilku powodów. Po pierwsze, rzeźba naszej planety jest w dużej części wynikiem eksplozji wulkanów. Na przykład wzgórze wawelskie jest w rzeczywistości wygasłym wulkanem. Po drugie, w momencie eksplozji wulkanu zachodzi jednoczesna emisja gazów. Gazy te zmieniają skład ziemskiej atmosfery. Zanim powstał człowiek, to właśnie wulkany były głównym dostarczycielem dwutlenku węgla do atmosfery, a jak wiadomo, ilość dwutlenku węgla w znacznym stopniu determinuje warunki klimatyczne na danej planecie. Poza tym dwutlenek węgla jest niezbędny do istnienia wegetacji. Obecnie sytuacja się odwróciła. Ilość dwutlenku węgla emitowanego przez wulkany to mniej niż jeden procent tego, co emituje człowiek. Inny efekt aktywności wulkanów, nawet ważniejszy od poprzedniego, to emisja wszelkiego rodzaju pyłów, które z jednej strony odcinają naszą planetę od światła, a z drugiej 20 Fizyka w Szkole 2/2013 Rys. 1. Typowy obraz stożka wulkanicznego otrzymany techniką InSAR Źródło: ESA strony stanowią izolator termiczny chroniący Ziemię przed ucieczką ciepła. Mimo przedstawionego przeze mnie optymistycznego obrazu wulkanów nie mogę jednak ukryć jednego faktu. Otóż wybuchy wulkaniczne to jednak zjawiska niszczycielskie. Istotne jest więc ostrzeganie przed nimi, jak i dokładne monitorowanie ich przebiegu. Zanim nastąpi eksplozja Co może być zapowiedzią erupcji wulkanu? Procesowi budzenia się wulkanu towarzyszą zazwyczaj ruchy magmy pod jego powierzchnią. Należy się więc spodziewać, że przemieszczenia lawy wewnątrz wulkanu będą wpływać na ukształtowanie powierzchni ziemi. Zjawisko przypomina obserwację kota w worku. Aby stwierdzić, że kot się poruszył (a więc żyje), niekoniecznie trzeba zajrzeć do środka worka. Wystarczy przyjrzeć się samemu workowi. Oczywiście de- formacje wywołane ruchem kota są lepiej widoczne niż te spowodowane przemieszczeniami lawy wewnątrz wulkanu. Dlatego do obserwacji ruchów powierzchni wulkanów używa się subtelniejszych metod. Używa się mianowicie metod interferencyjnych. Najbardziej znaną z nich jest technika zwana InSAR (interferometric synthetic aperture radar). W ogromnym skrócie polega ona na obserwacji amplitudy i fazy promieniowania odbitego od danej powierzchni. Przy czym pomiaru fazy dokonuje się, mierząc obraz interferencyjny powstały przy nakładaniu się promieniowania padającego i odbitego. Dokładnie tak jak w przypadku szkolnych eksperymentów interferencyjnych obserwuje się charakterystyczne prążki (rys. 1). Przemieszczenia gruntu powodują oczywiście przemieszczenia prążków, co pozwala wnioskować o zmianie fizyka wczoraj, dziś, jutro ukształtowania terenu. Opisywana metoda służyła do pomiaru małych przemieszczeń gruntów na stosunkowo dużych obszarach. Dolną granicą wrażliwości wspomnianej metody jest połowa długości użytej fali. W przypadku rys. 1 można było wykryć różnice wysokości rzędu 2,8 cm. Nawet tak małe zmiany mogą mieć nieocenioną wartość. Jeśli 2 na przestrzeni 100 m teren podniósł się o kilka centymetrów, to znaczy, że coś od spodu usiłuje go podnieść. Jeśli mówimy o dużych obszarach oświetlanych danym promieniowaniem, pojawia się oczywiście pytanie o źródło tego promieniowania. Można oczywiście nad danym obszarem rozmieścić wieże z nadajnikami, które będą nadawać odpowiednie sygnały, jak również sieć anten do odbioru tych sygnałów. W praktyce jednak stosuje się do rozwiązania tego problemu wyspecjalizowane satelity. Zastosowanie satelitów do monitorowania wulkanów to kwintesencja nauki zwanej wulkanologią satelitarną. Rozwiązanie to ma kilka zalet. W zasadzie w sytuacjach przed eksplozją nie ma sensu stałe monitorowanie wulkanu. Wystarczy, że odpowiednią fotkę zrobi się raz na jakiś czas. W okresie pomiędzy wykonywaniem zdjęcia wulkanu nasz satelita może zajmować się innymi problemami, czyli mamy urządzenie wielozadaniowe. W tym czasie możemy np. dokonywać pomiarów meteorologicznych. Drugą cechą charakteryzującą satelity jest fakt, że w większości przypadków satelita nie wisi stale w jednym miejscu, lecz zmienia swoje położenie, przesuwając się od wulkanu do wulkanu, a to oznacza, że za pomocą jednego satelity możemy obserwować wiele wulkanów. Jedną z najważniejszych cech opisujących użyteczność satelity z punktu widzenia wulkanologii stosowanej jest wysokość orbity. To ona determinuje podstawowe parametry obserwacyjne istotne z punktu widzenia wulkanologii satelitarnej. Pierwszy z nich to obszar, który satelita widzi, czyli rozdzielczość przestrzenna. Drugi dotyczy tego, jak często satelita przelatuje nad danym wulkanem. Ten drugi parametr w wulkanologii satelitarnej nosi nazwę rozdzielczości czasowej. Aby odpowiedzieć sobie na pytanie, jaki jest związek pomiędzy rozdzielczością czasową a wysokością satelity, nie wystarczy przeanalizować najbardziej podstawowe równanie, znane od czasów Newtona i obecne w programie nauczania szkoły średniej, opisujące ruch ciał po okręgu w polu grawitacyjnym, wyrażające równość siły grawitacji i odśrodkowej: GMm 2 (Rz + h) 2 = mω (Rz + h). Z tej zależności można otrzymać wzór na czas obiegu satelity wokół Ziemi. Jest on następujący: . Zależność ta stanowi analog III prawa Keplera. Analizując tę zależność, dochodzimy do wniosku, że im niższa orbita, tym krótszy okres. Czyli dla nisko latających satelitów powinna poprawiać się rozdzielczość czasowa. Tymczasem jest dokładnie odwrotnie. Wraz z obniżaniem się wysokości satelity maleje bowiem jego pole widzenia, co pogarsza rozdzielczość czasową. Obecnie istnieją dwa podstawowe typy systemów monitorujących wulkany. Typ pierwszy to systemy o dużej rozdzielczości czasowej, ale o małej rozdzielczości przestrzennej. Typ drugi, jak łatwo się domyślić, to systemy o dużej rozdzielczości przestrzennej, lecz małej czasowej. Wynika to z faktu, że tor satelity obserwowany z Ziemi zazwyczaj nie jest kołowy. Tak więc z punktu widzenia obserwatora naziemnego istotniejszy niż czas obiegu jest czas rewizyty (ang. revisit period). Jest to czas, po jakim satelita dokona obserwacji tego samego punktu Ziemi. Osobom zainteresowanym technologią satelitarną, chcącym się dowiedzieć, ja- kie parametry opisują ruch satelity, jak wyznaczyć jego położenie w danym momencie i co z tym wszystkim ma wspólnego efekt Dopplera, serdecznie polecam książkę Jacka Januszewskiego Systemy satelitarne GPS, Galileo i inne. My tymczasem wróćmy do naszych wulkanów. Czy to na pewno lawa? Deformacje terenu mogą być wywoływane przez różne czynniki. W przypadku wulkanu prawdopodobnie jest to lawa, choć w sumie niekoniecznie. Może to być równie dobrze woda. Co zrobić, aby się przekonać, z którą substancją mamy do czynienia? Należy się tu odwołać do innych technik, np. do pomiaru przyśpieszenia ziemskiego. Tego typu pomiary noszą nazwę grawimetrii. Zastosowanie grawimetrii pozwala nam odpowiedzieć na pytanie o gęstość substancji, która spowodowała odkształcenie, a – jak wiadomo – lawa ma znacznie większą gęstość niż woda. Pomiar polega na stworzeniu na zagrożonym terenie w miarę gęstej siatki grawimetrów i obserwacji czasowych zmian wartości przyśpieszenia grawitacyjnego. Zmiany wartości przyśpieszenia ziemskiego g odzwierciedlają oczywiście przesunięcia płynów pod powierzchnią. Porównując je ze zmierzonymi odkształceniami, możemy oszacować gęstość znajdującej się pod powierzchnią substancji, co z kolei pozwala odpowiedzieć na pytanie, co to właściwie jest. Przy czym często z punktu widzenia monitorowania ruchów lawy istotniejsze są czasowe zmiany wartości przyśpieszenia grawitacyjnego w czasie niż jego dokładna wartość. Ta odmiana grawimetrii nosi nazwę grawimetrii 4D [1]. Do pomiarów bezwzględnej wartości przyśpieszenia ziemskiego wykorzystuje się urządzenia zwane grawimetrami. Zasada ich działania jest materializacją typowych zadań rachunkowych z fizyki. Sam pomiar polega albo na pomiarze czasu spadania swobodnego kulki w szklanej ru- Fizyka w Szkole 2/2013 21 fizyka wczoraj, dziś, jutro rze, albo na pomiarze okresu drgań wahadła fizycznego. Z kolei pomiary różnicowe zazwyczaj polegają na pomiarze zmiany odkształcenia sprężyny obciążonej znaną masą. Czy o czymś nie zapomnieliśmy? No raczej tak. Zapomnieliśmy, że zanim wybuchnie wulkan, to często ziemia drży, a drgania ziemi to oczywiście domena sejsmologii. Dlatego wokół wulkanów często rozmieszcza się stacje sejsmologiczne. Oczywiście jeśli wulkan nie jest kompletnie martwy (tak jak wspomniane uprzednio wawelskie wzgórze), to zawsze związana jest z nim jakaś aktywność sejsmiczna. Oczywiście problem pojawia się wtedy, gdy ta aktywność zaczyna wzrastać. Sejsmolodzy wyróżniają trzy rodzaje aktywności sejsmicznej związanej z wulkanami. Pierwszy z nich to krótkie wstrząsy związane z pęknięciami skał, towarzyszącymi przemieszczaniu się magmy. Ich przeciwieństwem są długotrwałe wstrząsy związane ze wzrostem ciśnienia gazów we wnętrzu wulkanu. Najwięcej powodów do niepokoju dostarczają jednak wstrząsy harmoniczne. Towarzyszą one zazwyczaj procesowi przebijania się magmy do powierzchni. Stanowią więc ostateczny sygnał ostrzegawczy przed spodziewaną erupcją. Monitorowanie przepływu lawy Kiedy wulkan wybuchnie, to najlepiej trzymać się z daleka od rozgrzanej lawy, jednak aby móc przewidzieć jej dalszy ruch, wypadałoby coś o niej wiedzieć. Wypadałoby wiedzieć, jak szybko wypływa, jaką ma temperaturę i prędkość, jaki ma skład chemiczny i jaki jej procent uległ już krystalizacji. To z kolei pozwoliłoby zdobyć informacje na najbardziej zasadniczy temat: jaki będzie prawdopodobny zasięg lawy i jaki będzie scenariusz czasowy jej rozprzestrzeniania się. No dobrze, ale jak zdobyć takie informacje? Znów idealnym narzędziem wydają się satelity. Najlepiej satelity 22 Fizyka w Szkole 2/2013 z czujnikami podczerwieni. Należy mieć na uwadze fakt, że wybuchająca lawa to przede wszystkim potężne źródło ciepła. Pierwsze tego typu pomiary wykonano w roku 1965, kiedy to pierwszy w historii satelita meteorologiczny Nimbus 1 dokonał pomiaru promieniowania podczerwonego emitowanego przez wulkan Kilauea. Współczesne systemy monitorujące zawierają zazwyczaj po kilka tzw. kanałów. Każdy z nich mierzy natężenie innych długości fali. Za przykład można podać zaawansowany radiometr o wysokiej rozdzielczości (ang. Advanced Very High Resolution Radiometer, AVHRR). Jest to przyrząd umieszczony na wyspecjalizowanych satelitach należących do Narodowej Administracji Oceanu i Atmosfery (USA) z serii NOAA i Metop-A. AVHRR wykorzystuje aż pięć różnych kanałów: Numer kanału Zakres długości fal 1 0,55–0,90 2 0,725–1,10 3 3,55–3,93 4 10,3–11,3 5 11,4–12,4 Dlaczego aż tyle? To wynika ze specyfiki samych pomiarów. Praktycznie nigdy nie obserwujemy sygnału od samej lawy. Obok sygnału pochodzącego z lawy systemy pomiarowe odbierają też sygnał będący wynikiem odbijania się światła słonecznego, emisji cieplnej nagrzanych skał itp. Istnieją też różne czynniki zakłócające. Na przykład chmury mogą znacznie utrudnić procesy obserwacyjne. A co się dzieje potem z tak otrzymanymi danymi? Obszar obserwacji jest dzielony na piksele. Są to zazwyczaj kwadraty o boku kilkuset metrów. Dla każdego z takich pikseli mierzy się całkowitą emisję w danej długości fali. To, co tak naprawdę interesuje wulkanologów, to te piksele, w których emisja jest nadzwyczaj wysoka. Integrując dane z kilku Rys. 2. Satelita NOAA długości fali, można otrzymać informacje o wielu innych interesujących parametrach lawy, takich jak zawartość fazy stałej w lawie, wydajność źródeł lawy itp. Następny krok to zintegrowanie otrzymanych danych z dokładnymi mapami terenu, takimi, jakie dostarcza np. Google. Mając wspomniane dane satelitarne i dane dotyczące ukształtowania terenu, można pokusić się o rozwiązanie równań ruchu lawy, a tym samym o przewidzenie jej dalszego ruchu. Nikomu nie trzeba mówić, jak ważne mogą być takie obliczenia. W przedstawionym tu artykule nie wyczerpaliśmy wszystkich technik obserwacji wulkanów, choć myślę, że przedstawiliśmy te najbardziej zaawansowane technologicznie. Jak widać, do monitorowania zagrożeń stwarzanych przez te niezwykle tajemnicze obiekty wykorzystuje się techniki od naziemnych po satelitarne. Olbrzymia jest przy tym rola modelowania komputerowego. Olbrzymi wysiłek naukowców wkładany w monitorowanie zachowania wulkanów ma jednak nieocenione znaczenie, zarówno poznawcze, jak i praktyczne. Są to prace, od których może zależeć życie wielu tysięcy ludzi. LITERATURA [1] Battaglia M., Gottsmann J., Carbone D., Fernández J., 4D volcano grawimetry, Geophysics, Vol. 73, No. 6, Doi: 10.1190/1.2977792.
