Čilská sopka Villarrica náhle vybuchla 3. března 2015 a vyvrhla lávovou fontánu vysokou více než 2 kilometry. Erupce – první v sopce Villarrica za posledních 30 let – byla neočekávaná, pokud jde o její rychlý nástup a její sílu. Byla také pozoruhodně krátká. Během hodiny explozivní aktivita skončila. Přibližně za měsíc se sopka vrátila do svého obvyklého stavu, kdy se hluboko ve vrcholovém kráteru se strmými stěnami nacházelo vroucí lávové jezero.
Předpovídání takovýchto prudkých erupcí je pro aplikovanou vulkanologii svatým grálem. Vulkanologové za tímto účelem nasazují seismometry k detekci otřesů, tiltmetry a GPS k identifikaci vývěrů a multispektrální detektory ke sledování výstupu plynů a tepla. Infrazvukové senzory, které zaznamenávají nízkofrekvenční zvuky vydávané sopkami, jsou stále důležitější součástí této rozmanité sady nástrojů.
Vulkanologové tradičně využívají infrazvukové sledování jak k počítání výbuchů, tak ke sledování intenzity erupce, což jsou důležité schopnosti, když je výhled na sopku zakrytý . Nedávné studie ukázaly, že infrazvukový monitoring lze využít také k identifikaci důležitých prekurzorů erupcí . Villarrica poskytla náznaky svého neklidu prostřednictvím měnícího se charakteru infrazvuku. Nyní uznáváme, že měnící se zvuky Villarricy poskytly varování, že uvnitř kráteru stoupá láva .
Tato pozorování byla provedena náhodně v rámci výzkumného projektu sponzorovaného Národní vědeckou nadací, Volcano Acoustics: From Vent to Receiver, který zkoumal šíření infrazvuku produkovaného ve Villarrice na velké vzdálenosti. Během terénní expedice v roce 2015 jsme nainstalovali senzory na vrchol a boky sopky. Přestože erupce 3. března zničila vrcholové rozmístění, senzory mimo zónu poškození shromáždily data, která přinesla úplnou chronologii rostoucího neklidu sopky.
Vulkány jako obří hudební nástroje
Vulkány generují infrazvuk, nízkofrekvenční zvuky pod prahem lidského vnímání. Navzdory rozmanitému erupčnímu chování vyzařují mnohé sopky své nejintenzivnější zvuky v rozmezí několika oktáv 1 hertzu, což odpovídá zvukovým vlnovým délkám v řádu stovek metrů. Není náhodou, že tento rozměr je podobný rozměru sopečných kráterů, které hrají rozhodující roli při modulaci vyzařovaného zvuku .
V mnoha ohledech je sopka jako obří hudební nástroj. Stejně jako u sopek velikost hudebního rohu řídí výšku zvuku, který vydává: Větší rohy vydávají zvuky s nižší výškou. Hudební zvuky bývají příjemné díky rezonanci lesního rohu; z jeho zvonu se zvučně promítají tlakové vlny vzduchu, které se pohybují sem a tam v mosazné trubce. Důležitý je tvar zvonu, který určuje, zda je tón ostrý a krátký, nebo bohatý a doznívající. Tato vlastnost, která nezávisí na frekvenci nebo hlasitosti tónu, se obecně označuje jako jeho barva.
Stejně jako u hudebního rohu je barva a výška tónu sopky specifická pro tvar kráteru. Sopky s hlubokými krátery mají tendenci vydávat nízkofrekvenční zvuky, zatímco mělké krátery vyzařují zvuky o vyšší frekvenci . Úzké kanály často rezonují delší dobu, ale široké, miskovité krátery nemusí rezonovat vůbec. Přestože sopečné zdroje zvuku mohou být různé, průduchy na dně kráteru, které fungují jako ústí, často generují infrazvuk. Prudké vypuzování plynu z průduchů nebo z povrchu lávového jezera může vyvolat rezonanci kráteru.
Vulkanické nepokoje a měnící se kvalita zvuku
Sopečný infrazvuk si zaslouží zvláštní pozornost, pokud se mění v čase. K tomu může dojít, když sopky mění svůj tvar, když se propadají stěny kráterů, hroutí se dna nebo stoupá a klesá lávové jezero. Například dynamika lávového jezera sopky Villarrica je považována za příčinu změny infrazvuku, která vedla k prudké erupci v roce 2015. Kolísání frekvence bylo dříve připisováno oscilujícím stupňům lávového jezera , ale v roce 2015 vědci zaznamenali systematické změny, které vedly až k násilné erupci 3. března. Studie Johnsona a kol. zaznamenala dvě základní pozorování: Frekvenční obsah zvuků se kolem 1. března zvýšil (z 0,7 na 0,95 hertzů) a změnil se i jejich témbr (obr. 1). Před 1. březnem byly patrné dozvuky, ale poté se zvuk stal jakoby dunivým. Jinými slovy, akustický zdroj kráteru se utlumil.
Kráter Villarrica připomíná trychtýř s kuželovitou horní částí a úzkým kanálem pod ní. Absence rezonance na začátku března je důležitá, protože podle numerických modelů značí vysoký stav lávového jezera nacházejícího se v blízkosti flérové části kráteru. Během typického stavu pozadí Villarrica je hladina lávového jezera hlouběji – a často skrytá – v šachtě se svislými stěnami. Ke 2. březnu infrazvukové signály naznačují, že se lávové jezero blíží k okraji kráteru; z rohu se stal reproduktor, jak ilustruje video níže.
Spouštěč dramatické lávové fontány z 3. března, která začala ve tři hodiny ráno místního času, zůstává záhadou, ale jejím konečným výsledkem byl prudký paroxyzmus, který způsobil materiální škody, donutil tisíce lidí k evakuaci a dostal se na titulní stránky novin po celém světě. Infrazvuková pozorování napověděla, že hladina lávového jezera dosáhla několik dní před erupcí vysoké úrovně. Tyto poznatky nám mohou pomoci předvídat budoucí erupce u sopek s otevřenými výduchy.
Vulkanická rezonance na steroidech
Každá sopka má jedinečnou infrazvukovou signaturu. Ve srovnání se sopkou Volcán Villarrica, jejíž rezonance se během několika dní vyvinula od nápadné k nepřítomné, byl infrazvuk z ekvádorské sopky Cotopaxi pozoruhodný tím, že se v roce 2016 ozýval trvale (obr. 2). Oscilace infrazvuku sopky Villarrica trvaly kumulativně několik sekund, ale jediná oscilace na Cotopaxi trvala 5 sekund. V některých infrazvukových signálech bylo zjištěno až 16 oscilací, které, což je neuvěřitelné, trvaly více než minutu (Obrázek 3).
.
.
.
.
Studie událostí na Cotopaxi zaznamenaných v roce 2016 označuje tyto krásné signály jako infrazvukové tornillos, což je španělský výraz pro šrouby, protože záznam tlaku připomíná profil šroubu . Takové průběhy svědčí o výjimečně nízkém tlumení, a tedy vysokém faktoru kvality akustického zdroje v kráteru. (Zdroje s vyšším faktorem kvality mají menší tlumení a zvoní nebo vibrují déle.)
Pokud je Villarrica jako velký trombón s délkou přední trubice, která se v čase mění, pak je Cotopaxi jako obří tuba, jejíž rozměry se po většinu let 2015 a 2016 relativně nemění. Poté, co exploze v srpnu 2015 otevřely kráter Cotopaxi, se viditelné potrubí z jeho 5 900 metrů vysokého vrcholu prudce prodloužilo směrem dolů. Po celou první polovinu roku 2016 nebylo dno kráteru viditelné pro letadla přelétající nad vrcholem. Letecká pozorování ukázala, že kráter se svislými stěnami je hluboký nejméně 200 metrů, což je rozměr potvrzený modelovaným infrazvukem, který naznačuje 350metrovou šachtu.
Zdroje rezonance kráteru
Cesta infrazvuku od zdroje sopky k přijímači může být pochopena pouze s ohledem na dramatické modulační efekty vyvolané topografií kráteru . Je nanejvýš pravděpodobné, že jak působivá tornilla Cotopaxi, tak tlumené oscilace Villarricy jsou vyvolány krátkotrvajícími impulsy vznikajícími na dně jejich kráterů. Prudká exploze neboli impuls obsahuje široké spektrum frekvencí; dobře se však udrží pouze ty, které vyburcují kráter v rezonanci.
Typicky se vulkanologové, kteří analyzují dálkové infrazvukové záznamy, obvykle méně zajímají o oscilační „dýchání“ výstupu kráteru (tj. o jeho infrazvukovou rezonanci) než o získání důležitých informací o zdroji exploze, jako je její trvání nebo hmotnostní tok. Právě tyto informace přispívají k našemu rostoucímu porozumění tomu, jak se plyn hromadí a odděluje od magmatu a jak pohání vulkanické exploze.
S nedávným vývojem v chápání akustických efektů kráterů jsme však lépe připraveni získat důležité parametry související se zdroji explozí. Cotopaxi a Villarrica představují jen dvě z desítek aktivních sopek po celém světě, kde infrazvuk přispívá k našemu základnímu pochopení dynamiky erupcí a k naší schopnosti předpovídat budoucí paroxysmy.
Poděkování
Tato práce byla částečně financována granty National Science Foundation EAR-0838562 a EAR-1830976 a Fulbrightovým stipendijním programem.