Chiles vulkan Villarrica brød pludselig ud den 3. marts 2015 og kastede en mere end 2 km høj lava-fontæne ud. Udbruddet – Villarricas første i 30 år – var uventet med hensyn til dets hurtige indtræden og dets voldsomhed. Det var også bemærkelsesværdigt kortvarigt. I løbet af en time var den eksplosive aktivitet ophørt. I løbet af ca. en måned var vulkanen vendt tilbage til sin sædvanlige tilstand med en brusende lavasø dybt inde i det stejle topkrater med stejle vægge.

Forudsigelse af sådanne voldsomme udbrud er den hellige gral for anvendt vulkanvidenskab. For at nå dette mål anvender vulkanologer seismometre til at registrere rystelser, tiltmålere og GPS til at identificere hævelser og multispektrale detektorer til at overvåge gas- og varmeproduktion. Infralydsensorer, som registrerer de lavfrekvente lyde, der produceres af vulkaner, er en stadig vigtigere del af denne mangfoldige værktøjskasse.

Volkanologer har traditionelt brugt infralydovervågning til både at tælle eksplosioner og spore udbrudsintensiteten, hvilket er vigtige muligheder, når udsigten til vulkanen er skjult. Nyere undersøgelser har vist, at infrasoundovervågning også kan bruges til at identificere vigtige udbrudsforløbere . Villarrica gav indikationer på sin uro gennem den skiftende karakter af dens infralyd. Vi erkender nu, at Villarricas skiftende lyde gav en advarsel om, at lava var ved at stige op i krateret .

Disse observationer blev gjort tilfældigt som en del af et forskningsprojekt sponsoreret af National Science Foundation, Volcano Acoustics: From Vent to Receiver, som undersøgte den langtrækkende udbredelse af den infrasound, der blev produceret i Villarrica. Under feltekspeditionen i 2015 installerede vi sensorer på toppen og flankerne af vulkanen. Selv om udbruddet den 3. marts ødelagde opstillingen på toppen, indsamlede sensorer uden for skadeszonen data, der gav en fuldstændig kronologi over vulkanens tiltagende uro.

Vulkaner som gigantiske musikinstrumenter

Vulkaner genererer infralyd, lavfrekvente lyde under den menneskelige opfattelsestærskel. På trods af varierende eruptiv adfærd udstråler mange vulkaner deres mest intense lyde inden for nogle få oktaver af 1 hertz, svarende til lydbølgelængder på hundreder af meter. Det er ikke tilfældigt, at denne dimension svarer til dimensionen af vulkankratere, som spiller en afgørende rolle for modulering af den udstrålede lyd .

På mange måder er en vulkan som et gigantisk musikinstrument. Ligesom med vulkaner styrer størrelsen af et musikhorn tonelejet af den lyd, det frembringer: Større horn giver lavere lyde. Musikalske lyde har en tendens til at være behagelige på grund af hornets resonans; lufttryksbølger, der skvulper frem og tilbage i et stykke messingrør, projiceres sonoristisk fra hornets klokke. Formen på klokkens udblæsning er vigtig og bestemmer, om en tone er skarp og kort eller fyldig og efterklangende. Denne egenskab, som er uafhængig af en nodens frekvens eller lydstyrke, betegnes bredt som dens klangfarve.

Som med et musikhorn er en vulkans klangfarve og tonehøjde særlig afhængig af et kraters form. Vulkaner med dybe kratere har en tendens til at producere lavfrekvente lyde, mens lavvandede kratere udstråler højfrekvente lyde . Smalle kanaler giver ofte genlyd i længere perioder, men brede, skålformede kratere giver måske slet ikke genlyd. Selv om de vulkanske lydkilder kan være varierende, genererer ventilationskanaler i bunden af et krater, der fungerer som mundstykker, ofte infrasound. Den voldsomme udstødning af gas fra slamslukkerne eller fra overfladen af en lavasø kan få krateret til at resonere.

Vulkanisk uro og skiftende lydkvalitet

Vulkaninfralyd fortjener særlig opmærksomhed, når den ændrer sig over tid. Det kan ske, når vulkaner ændrer form, når kratervægge falder sammen, gulve kollapser, eller en lavasø stiger og falder, eller når en lavasø stiger og falder. Villarricas lavasø-dynamik anses f.eks. for at være ansvarlig for den ændrede infralyd, der førte til det voldsomme udbrud i 2015. Frekvensudsving var tidligere blevet tilskrevet svingende lavasøstadier , men i 2015 bemærkede forskerne en systematisk variation, som førte op til det voldsomme udbrud den 3. marts. En undersøgelse af Johnson et al. rapporterede to primære observationer: Lydindholdet i frekvenserne steg omkring den 1. marts (fra 0,7 til 0,95 hertz), og klangfarven ændrede sig (figur 1). Før den 1. marts var der tydeligt efterklang, men herefter blev lyden som et dunk. Med andre ord var kraterets akustiske kilde blevet dæmpet.

Villarricas krater ligner en tragt, med en konisk overdel og en smal kanal nedenunder. Fraværet af resonans i begyndelsen af marts er vigtigt, fordi det ifølge numeriske modeller er tegn på en høj stand af lavasøen, der ligger nær kraterets flammende del af krateret. Under Villarricas typiske baggrundstilstand er lavasøens overflade dybere – og ofte skjult – inden for den vertikalvæggede skakt. Den 2. marts tyder infralydsignalerne på, at lavasøen nærmede sig kraterkanten; hornet var blevet til en højttaler, som illustreret i videoen nedenfor.

Den udløsende faktor for den dramatiske lavafontæne den 3. marts, der startede kl. 3.00 lokal tid, er fortsat gådefuld, men slutresultatet var en voldsom paroxysme, der forårsagede materielle skader, tvang tusindvis af mennesker til at evakuere området og skabte overskrifter i hele verden. Infrasound-observationer viste, at lavasøens overflade havde nået et højt niveau flere dage før udbruddet. Denne indsigt kan hjælpe os med at foregribe fremtidige udbrud på vulkaner med åben ventilation.

Vulkanresonans på steroider

Alle vulkaner har en unik infrasound-signatur. Sammenlignet med Volcán Villarrica, hvis resonans udviklede sig i løbet af få dage fra mærkbar til fraværende, var infralyd fra Ecuadors Cotopaxi-vulkan bemærkelsesværdig, fordi den ringede konstant i 2016 (figur 2). Villarricas infrasound-svingninger varede kumulativt i nogle få sekunder, men en enkelt svingning på Cotopaxi varede i 5 sekunder. Der blev registreret helt op til 16 svingninger i nogle af infralydsignalerne, som utroligt nok varede mere end et minut (figur 3).

.
.
.
..

En undersøgelse af de Cotopaxi-begivenheder, der blev registreret i 2016, henviser til disse smukke signaler som infrasound tornillos, det spanske ord for skruer, fordi trykregistreringen ligner en skrues profil . Sådanne bølgeformer vidner om en usædvanlig lav dæmpning og dermed en høj kvalitetsfaktor for den akustiske kilde i krateret. (Kilder med højere kvalitetsfaktorer har mindre dæmpning, og de ringer eller vibrerer længere.)

Hvis Villarrica er som en stor basun, med en mundrørslængde, der ændrer sig over tid, så er Cotopaxi som en gigantisk tuba, med relativt uforanderlige dimensioner i store dele af 2015 og 2016. Efter at eksplosioner i august 2015 åbnede Cotopaxis krater, strakte den synlige rørledning sig stejlt nedad fra dens 5.900 meter høje top. I hele første halvdel af 2016 var kraterbunden ikke synlig for fly, der fløj over toppen. Luftobservationer viste et krater med lodrette vægge, der var mindst 200 meter dybt, en dimension, der blev bekræftet af den modellerede infralyd, som tydede på en 350 meter lang skakt.

Kilder til kraterresonans

Infralyds rejse fra vulkanens kilde til modtageren kan kun forstås ved at overveje de dramatiske modulerende virkninger, der produceres af kratertopografien . Det er mest plausibelt, at både Cotopaxis imponerende tornillos og Villarricas dæmpede svingninger fremkaldes af impulser af kort varighed, der opstår i bunden af deres kratere. En pludselig eksplosion, eller en impuls, indeholder et bredt spektrum af frekvenser; men kun de frekvenser, der exciterer krateret i resonans, er godt opretholdt.

Typisk er vulkanforskere, der analyserer fjernoptagelser af infralyd, generelt mindre interesserede i kraterudløbets svingende “åndedræt” (dvs. dets infralydresonans) end i at uddrage vigtige oplysninger om eksplosionens kilde, såsom dens varighed eller masseflux. Det er disse oplysninger, der bidrager til vores voksende forståelse af, hvordan gas ophobes og adskilles fra magma, og hvordan den driver vulkanske eksplosioner.

Men med den seneste udvikling i forståelsen af kraterakustiske effekter er vi bedre rustet til at indhente vigtige parametre i forbindelse med eksplosionernes kilder. Cotopaxi og Villarrica repræsenterer blot to af de snesevis af vulkaner, der er aktive verden over, hvor infrasound bidrager til vores grundlæggende forståelse af udbrudsdynamikken og til vores evne til at forudsige fremtidige paroxysmer.

Anerkendelser

Dette arbejde blev delvist finansieret af National Science Foundation-bevillinger EAR-0838562 og EAR-1830976 og af Fulbright Scholar Program.