财讯：监测圣海伦斯火山的新工具

本篇文章5907字，读完约15分钟

原始中国测绘杂志中国测绘学会在《中国测绘》年第七期在圣海伦火山( mount st helens )喷发40年后，研究者使用强大的新工具监视着世界上最危险的山脉之一。 年初，印度尼西亚anak krakatau岛的火山开始坍塌。 这是微小的变化，小到当时没人观察。 火山的南侧和西南侧以每月约4毫米的速度向海滑动，但这种变化非常小，研究者在整理卫星雷达数据后才发现。 但是到了6月，这座火山开始出现明显的振动迹象。 火山在一连串的小喷发中将火山灰和岩石喷到天空，升温。 另一个卫星设备记录了anak krakatau火山的热辐射达到了146兆瓦，是正常值的100倍以上。 随着活动的增加，滑移速度每月上升到10毫米。 之后，12月22日，南部的侧翼掉进海里，发生海啸，附近的爪哇和苏门答腊沿岸地区有430人死亡。 虽然没有人预见到这场灾难，但根据2019年的研究，卫星和地面设备已经收集了一系列前兆信号，这些信号有助于预测将来anak krakatau火山和其他山上发生的类似情况。 印度尼西亚anak krakatau岛火山去年12月22日喷发时，该岛的一部分陷落在海里，引起了致命的海啸。 图片来源: Nurulhidayat/Antara Foto/Bisnis Indonesia，来自路透社的anak krakatau火山意外坍塌是研究者试图监视世界各地千万个潜在危险的火山时面临的一点 但这也强调了这个行业的一点进步，有望为科学家提供预测更好灾害的机会。 由于可以感知山脉微小运动的卫星数据、跟踪地下深处熔融岩石的地面传感器、以及研究者可以将这些数据全部组合输入模拟火山系统内部过程的模型，火山的理论理解也显着增加。 现在研究者正在进行机器学习实验，通过筛选大量数据来识别微小的模式。 例如，anak krakatau火山是显示复苏迹象的几个月前的运动。 从40年前美国历史上最大的火山危机1980年5月18日开始，华盛顿州的st helens火山爆发在这个行业取得了很大的进步。 这件事始于史上最大的滑坡，造成57人死亡，灰烬覆盖了华盛顿和邻近各州的大部分地区，关闭了该地区几天。 但这也是火山科学的转折点，为许多资金和人员流入这个行业，迅速提高科学技术水平奠定了基础。 爆炸前几个月，科学家蜂拥而至，仔细追踪了频繁的地震、火山口喷出的气体、从北侧隆起的不祥突起等行动。 位于华盛顿温哥华的美国地质调查局( usgs )级联火山观测站负责人seth moran说:“这是现代科学仪器采集的第一次真正重要的火山喷发。” “因此，在很多方面都成为关注世界各地火山的基准。 “印度尼西亚的anak krakatau火山于去年12月22日喷火时，火山的西南部分坍塌到海里，引起了大规模的海啸。 上图是去年5月和2019年3月拍摄的卫星影像 图像来源: orbital horizon/copernicussentineldata 2019/Gallo images自getty以来，基于地面和空的监视数据急剧增加，计算能力增加。 最终，研究者希望新的工具和技术能使他们接近目标。 这个目标是在一定的时间范围内为火山爆发的可能性分配概率，就像气象学家给任何特定的日子降雨或下雪一样。 伦敦大学研究生火山学家christopher kilburn说:“人们回顾这个时期，我认为他们是物理火山学的黄金时代。 “历史上大爆炸1980年3月16日，st helens山出现了初步迹象，发生了一连串小地震。 然后，一周后，蒸汽爆炸冲破火顶上的冰形成了火山口，几天内扩大到了400米。 来自usgs和其他机构的研究小组在山上保持警惕 飞机飞过烟雾火山口测量火山产生的气体，地震仪记录了岩浆(熔融岩石)在地表下移动的震动。 火山学家爬上斜坡，用卷尺和激光测量设备测量了突起的北侧。 岩浆在火山中明显上升，正在向斜坡前进，研究者们警告说即将发生重大喷火。 但是，即将发生的事件震惊了科学家。 5月18日上午8点32分，巨大的山体滑坡从山体上落下，山顶、雪、冰一起滑落。 压力的释放引起了火山的剧烈爆炸 岩石、灰、气体、蒸汽以超音速向上和向外移动了25公里。 1980年5月18日，史上最大规模的巨大滑坡在st helens山体的北侧移动，引起了喷火。 图片来源: usgs说:“从5月18日的火山喷发中，我们学到了陡峭的火山不稳定，以及它们如何破裂引起大的冲击波和侧方爆炸。”1980年喷发的usgs夏威夷火山观测所的研究地质学家don swanson说:“现在是这样。 “1980年5月18日，st helens火山爆发，喷出巨大的灰烬，高度至少30公里，进入平流层。 图片来源: corbis是从getty冰岛艾亚费亚德拉冰盖尔火山( eyjafjallajokull )于年4月16日发生时的卫星图片中传输的。 由于爆炸，欧洲部分地区的空交通中断了几天。 图片来源: digitalglobe发现getty火山爆发后，科学家分解了景观，散布着小山。 这些小山和丘陵就这样沿着坡道运来了。 这些特征与在世界各地多个火山附近发现的特征一致。 从历史记录来看，火山学家认识到550多座火山发生了约1000次同样的滑坡。 德国波茨坦地球科学研究中心的火山学家thomas walter说:“大火山不仅在崩溃、成长，而且在崩溃。 “st helens火山的喷发带来了其他经验教训，如过热的火山灰和气体以飓风般的速度从山上倾泻下来造成致命的破坏，泥石流破坏了沿途的一切。 火山爆发刺激了火山学的巨大迅速发展，爆炸后10年间，usgs在西北太平洋、夏威夷、阿拉斯加建立了火山观测站。 今天，usgs火山灾害项目的资金几乎是st helens火山爆发前的十倍。 1985年哥伦比亚火山泥石流造成大约23000人死亡后，usgs制定了《火山灾害援助计划》，支持其他国家防备火山喷发危机。 1991年，usgs的研究者与菲律宾科学家合作判断了皮纳图博火山( mount pinatubo )的风险后，这个项目很快说明了其价值。 火山大爆发前数万人撤出了这个地区 今天的研究者仍然可以从st helens、pinatubo和其他几十座火山中吸取很多经验教训。 一般来说，地震的振动是火山搅动的第一个征兆。 岩浆被推到地面就会喷火，即使岩浆开始从地幔上升，也有可能引起地震。 现在地震台网络监视着世界上几十座最危险的火山。 同样的岩浆运动也有可能像st helens火山爆发前一样使火山膨胀。 现在，研究者可以使用gps接收机和最近采用的卫星雷达(在anak krakatau火山岛检测到这种运动)安全连续地记录运动。 如果火山山口和通风口的二氧化碳含量上升，即使在看到或感觉到警告信号之前，也有可能出现故障。 岩浆中含有溶解气体，随着这种熔融材料的上升和压力的下降，气体分离进入植入。 二氧化碳是火山气体中溶解度最低的东西，先逃跑，岩浆还在火山深处。 意大利西西里岛巴勒莫大学的火山岩地球化学家alessandro aiuppa说:“原理上，岩浆喷出到达地面之前应该一直接收气体信号。” 从历史上看，科学家必须从火山口和火山口附近收集气体样本，这是一项危险的工作，只产生了偶然的消息。 2005年，意大利研究者设计了一个和鞋盒一样大的多组分气体分析仪系统( multi-gas )。 火山学家把这些传感器安装在通风口附近，也安装在飞越活火山山口的无人机上，测定了火山释放的5种重要气体的含量。 aiuppa说:“这对火山气体科学来说是真正的革命，意味着可以在计算机上实时进行每秒一次的火山气体成分测量。” 爆炸预报multi-gas仪器在西西里岛北岸的火山stromboli用于火灾试验。 意大利科学家在2005年在火山上设置了这些传感器、照相机和光谱仪，之后一直在收集气体数据。 2007年2月，熔岩开始喷出，火山渗出来了。 研究人员表示，火山在3月15日喷火前的两周内二氧化碳含量上升了10倍。 这些发现，火山学家可以建立这许多复杂火山的概念模型，其中爆炸发生在山顶下7至10公里深的岩浆室。 研究人员发现，如果二氧化碳排放量每天超过2,000吨，火山喷火的机会就会增加。 2019年8月，stromboli再次渗透到熔岩中，接下来的两周意大利人追踪到二氧化碳逐渐增加。 “所以，我知道会发生事件！ ”aiuppa说 这个团队提高了警戒，用倾斜仪测量了地面立场的微妙变化，密切监视了地面上的一些变化。 最终，他们确信他们看到的东西正在爆炸，他们在8月28日爆炸前几分钟通知了地方当局。 在西西里大陆的埃特纳火山( mount etna )，意大利研究者对火山爆发前产生的低频声波(二次声波)进行了少量跟踪。 科学家于2008年在etna火山上安装了这个系统，在随后的8年里拆除了59次火山喷发时的性能。 57件预测成功，每次喷火约1小时前向研究者发送了信息。 由于这次成功，小组于2005年编程开发了这个系统，自动向罗马的民防部门和火山附近的卡塔尼亚市发送了电子邮件和邮件警报。 研究人员开发这个系统的最初动机是找到检测未被监视的火山爆发的方法，因为远程爆炸也可能有很大的影响。 年，冰岛埃亚菲亚德拉冰盖火山( eyjafjallajö； kull )喷火，形成一根烟柱，整个欧洲的空交通中断了几个星期。 “火山风险无国界”意大利佛罗伦萨大学地球物理学家maurizio rawpe说，研究小组帮助etna火山建立了自动警报系统。 现在世界上只有不到陆上活火山一半的地面设备，很多时候这只是由几个地震仪组成的。 但是，在过去的十年里，研究者获得了使用安装在卫星上的仪器来监测整个火山的新方法。 数据泛滥年4月10日，印度尼西亚anak krakatau火山向天空喷射500米火山灰，印度尼西亚火山和地质灾害缓和中心发布了火山可能喷火的二次警报，但危害有限。 “2 0 1 8年致命海啸后，德国火山学家在anak krakatau火山中发现了惊人的模式。 这个模式在nasa卫星的中分辨率光谱仪( modis )记录的数据中非常明显。 据红外线频道报道，去年6月的热辐射上升了。 沃尔特说:“整个火山都很热，是有记录以来最激烈的活动。” “因为这显然是不正常的行为。 研究者利用卫星雷达的观测数据检测垂直和水平运动的微小变化，发现火山侧面坍塌前每月以10毫米的速度滑行(参见“移动中的岛屿”)。 根据移动中岛屿卫星雷达的数据，anak karakatau的地表在年12月22日爆炸前的12个月内发生了位移。 西南地区在爆炸中崩溃，引起了致命的海啸。 这种注意有助于预测火山什么时候爆发 “根据这项研究，即使地面设备的监测能力有限，科学家也可以通过卫星知道火山爆发和火山崩溃的前兆。 “作为火山学家，我们经常说我们缺乏数据。 “位于华盛顿温哥华的usgs黄石火山观测所负责人迈克尔·； 波兰表示:“但是现在卫星数据确实扩大了注意火山活动的能力。 随着欧洲航天局sentinel1a和1b雷达卫星的发射，火山学与年俱进。 利用干涉合成孔径雷达技术，他们可以以前所未有的分辨率和频繁的时间间隔跟踪火山的运动(参见“注意膨胀”) "这些卫星可以检测地表下亚厘米级的变形，意味着可以看到火山什么时候膨胀. " usgs火山灾害计划协调员、火山学家charles mandeville表示:“现在收集了很多这样的数据。 研究者将雷达数据、记录温度和二氧化硫排放量的卫星观测数据相结合，收集火山喷发前和喷发中的多维图像。 年使用卫星数据对南美47座最活跃的火山进行的研究表明，这些变量中至少有一个有时三个变量所有的一些变化都发生在火山爆发之前，有时发生在几年前。 为了利用这些数据，其中许多是免费数据，沃尔特和同事创建了一个名为mounts (从太空监视振动)的火山监视平台。 这个平台采用了来自现在sentinel卫星的数据和陆基地震新闻，目前监视着包括anak krakatau在内的17座火山。 但是，当他们开始这个项目时，研究者面临着一个新的罕见问题——数据太多的问题。 卫星提供的观测数据急剧增加，超出了研究者用通常的方法可以分解的范围。 沃尔特说:“火山太多，数据太多，解决数据集需要更聪明的方法。 “为了应对这个挑战，研究者转向了机器学习技术。 这是人工智能的形式，可以训练神经网络等计算机算法找到数据模式。 英国布里斯托尔大学的火山学家朱丽叶·比格斯与同事建立了神经网络，用900多座火山的30000张sentinel-1影像解决，显示了约100张值得关注的影像。 这些影像中，39个显示了实际的地面变形，意味着ai系统将火山学家的工作量减少了将近10倍。 现在他们测试了来自1000多座火山的约50万张影像。 “波兰说:“我不能注意每一张影像。 我认为机器学习对过滤这些大量的数据有真正的意义。 “关于mounts平台，科学家还开发了神经网络来搜索大的形状变化。 其他小组正在尝试开发能够筛选卫星温度和气体排放数据的算法。 anak krakatau火山岛于今年4月10日复活时，walter通过迅速分解卫星数据远程监视情况。 因为视野不好，所以不得不依赖穿透厚云的雷达数据。 沃尔特说，这些消息有助于科学家理解anak krakatau火山岛的行动，将来可能会被用于为印度尼西亚火山崩溃建立海啸警报系统。 根据biggs，卫星数据和ai的结合是有用的工具，可以引起人们潜在风险的观察，考虑地面设备的设置优先级。 我认为这种远程监视技术提供了有价值的消息，同时对科学家来说更安全，但不能完全取代接近火山的设备。 在美国，研究者不久将获得大量的新地面数据源。 2019年3月，美国立法者通过了支持国家火山早期警报系统( nvews )的法案。 实施后，nvews在美国104座火山上安装了数字宽带地震仪，建立了具有足够带宽的新数字遥测互联网，承载了来自许多不同地面传感器的数据。 未来的冲击在过去的40年里，科学家成功地预测了多个火山从20世纪80年代初期的st helens火山小型爆炸到etna火山的灰熔岩喷水的时间。 波兰说:“在时间方面取得了很多进展。 很多原因可能是仪器的数量，天基监测的出现，我们拥有的观测设备的增加。 但是，火山的爆发依然使人们感到吃惊。 年，日本ontake火山小规模爆发，造成63人死亡。 年6月，危地马拉费戈火山猛烈喷发，造成数百人死亡。 2019年新西兰白伊斯兰发生的小规模喷火夺去了21人的生命。 火山学家面临的课题之一是通过观察气体排放和地表形状变化等数据导出地下深处的状况。 每座火山都有自己独特的个性——独特的性质和结构 火山的个性特征强调了使用过去的喷火模式预测将来喷火的界限。 poland说火山学家看到第一个警告信号时，他们认为以前见过，同时知道会发生什么。 "但是火山本身并不知道. " 他说:“他们的快速发展方法多得令人难以置信，杂七杂八，在我们现阶段多得杂七杂八的理解还很笼统。 “随着对越来越多的数据和火山系统的理解，研究者想开发出能够模拟地表下发生的物理和化学反应的动力学模型。 这样火山学的迅速发展就与气象学的迅速发展相协调，后者可以利用大气的动态模型提前几天预报天气。 波兰先生说，火山系统这么多，杂乱无章，所以火山的预报从来没有气象预报那么好。 想象有一天打开报纸在天气预报旁边看火山预报，很感兴趣。 但是我们离那里还很远 “文/ jane palmer译者/一景(荷兰对地观测企业( neo bv )遥感地信咨询顾问来源:《nature》年5月18日官网，《nature》581期来源: nature/arre 声明:本文是《中国测绘》的原始复印件。 要允许合作，请在本公众号上留言。 或者，请拨打010-63881401。 “中国测绘”是你的投稿“中国测绘”测绘地理新闻迅速发展变迁的记者、思考者、传达者自然资源部主管面向中国测绘学会主办测绘地理新闻领域的全国综合刊物投稿邮箱(只接受电子投稿)