Chilen Villarrica-tulivuori purkautui yllättäen 3. maaliskuuta 2015, ja yli 2 kilometrin korkuinen laavalähde purkautui. Purkaus – Villarrican ensimmäinen 30 vuoteen – oli odottamaton nopean alkunsa ja väkivaltaisuutensa vuoksi. Se oli myös huomattavan lyhytkestoinen. Räjähdysmäinen toiminta oli päättynyt tunnin kuluessa. Noin kuukauden kuluessa tulivuori oli palannut tavanomaiseen tilaansa, johon kuului syvällä jyrkkäseinämäisessä huippukraatterissa sijaitseva kuohuva laavajärvi.

Tällaisten väkivaltaisten purkausten ennustaminen on sovelletun tulivuoritutkimuksen Graalin malja. Tätä tavoitetta varten vulkanologit käyttävät seismometrejä järistysten havaitsemiseksi, kallistusmittareita ja GPS:ää turpoamisen tunnistamiseksi sekä monispektrisiä ilmaisimia kaasu- ja lämmöntuoton seuraamiseksi. Infraäänianturit, jotka tallentavat tulivuorten tuottamia matalataajuisia ääniä, ovat yhä tärkeämpi osa tätä monipuolista työkalupakkia.

Vulkanologit ovat perinteisesti käyttäneet infraääniseurantaa sekä räjähdysten laskemiseen että purkauksen voimakkuuden seuraamiseen, mikä on tärkeää silloin, kun näkymä tulivuoreen on estynyt. Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että infraääniseurantaa voidaan käyttää myös tärkeiden purkauksen esiasteiden tunnistamiseen . Villarrica antoi merkkejä levottomuudestaan infraäänen muuttuvan luonteen kautta. Tunnistamme nyt, että Villarrican muuttuvat äänet antoivat varoituksen siitä, että laava oli nousemassa kraatterin sisällä .

Nämä havainnot tehtiin sattumalta osana National Science Foundationin rahoittamaa tutkimusprojektia Volcano Acoustics : From Vent to Receiver, jossa tutkittiin Villarricassa tuotetun infraäänen etenemistä kauas. Vuoden 2015 kenttäretken aikana asensimme antureita tulivuoren huipulle ja sivuille. Vaikka 3. maaliskuuta tapahtunut purkaus tuhosi huipun asennuksen, vauriovyöhykkeen ulkopuolella olevat anturit keräsivät tietoja, joiden avulla saatiin täydellinen kronologia tulivuoren lisääntyvästä levottomuudesta.

Tulivuoret jättimäisinä soittimina

Tulivuoret tuottavat infraääntä, matalataajuisia ääniä, jotka jäävät ihmisen havaintokynnyksen alle. Erilaisesta purkautumiskäyttäytymisestä huolimatta monet tulivuoret säteilevät voimakkaimmat äänensä muutaman 1 hertsin oktaavin sisällä, mikä vastaa satojen metrien ääniaallonpituuksia. Ei ole sattumaa, että tämä ulottuvuus on samankaltainen kuin tulivuoren kraatterien ulottuvuus, joilla on ratkaiseva merkitys säteilevän äänen moduloinnissa.

Tulivuori on monella tapaa kuin jättimäinen soitin. Kuten tulivuortenkin kohdalla, soittotorven koko säätelee sen tuottaman äänen korkeutta: Suuremmat torvet tuottavat matalampia ääniä. Musiikkiäänet ovat yleensä miellyttäviä torven resonanssin vuoksi; messinkiputken sisällä edestakaisin liplattavat ilmanpaineaallot heijastuvat äänekkäästi torven kellosta. Torven kupun muoto on tärkeä, ja se vaikuttaa siihen, onko ääni terävä ja lyhyt vai täyteläinen ja kaikuva. Tätä ominaisuutta, joka on riippumaton nuotin taajuudesta tai äänenvoimakkuudesta, kutsutaan laajasti sen sointiväriksi.

Musiikkitorven tavoin tulivuoren sointiväri ja sävelkorkeus riippuvat erityisesti kraatterin muodosta. Tulivuorilla, joiden kraatterit ovat syviä, on taipumus tuottaa matalataajuisia ääniä, kun taas matalat kraatterit säteilevät korkeataajuisia ääniä . Kapeat kanavat resonoivat usein pitkiä aikoja, mutta leveät, lautasmaiset kraatterit eivät välttämättä resonoi lainkaan. Vaikka vulkaaniset äänilähteet voivat olla moninaisia, kraatterin pohjalla olevat suuaukot, jotka toimivat suukappaleina, tuottavat usein infraääntä. Kaasun raju purkautuminen suuaukoista tai laavajärven pinnalta voi saada kraatterin resonoimaan.

Vulkaaniset levottomuudet ja muuttuva äänenlaatu

Tulivuoren infraääni ansaitsee erityistä huomiota, kun se muuttuu ajan myötä. Näin voi tapahtua, kun tulivuoret muuttavat muotoaan, kun kraatterin seinämät luhistuvat, lattiat romahtavat tai laavajärvi nousee ja laskee. Esimerkiksi Villarrican laavajärven dynamiikan katsotaan olevan vastuussa infraäänen muuttumisesta ennen vuoden 2015 rajua purkausta. Taajuuden vaihteluiden on aiemmin katsottu johtuvan laavajärven vaiheiden heilahtelusta , mutta vuonna 2015 tutkijat havaitsivat järjestelmällisen vaihtelun, joka johti 3. maaliskuuta tapahtuneeseen väkivaltaiseen purkaukseen. Johnsonin et al. tekemässä tutkimuksessa raportoitiin kaksi ensisijaista havaintoa: Äänten taajuussisältö kasvoi 1. maaliskuuta tienoilla (0,7 hertsistä 0,95 hertsiin) ja äänen sävy muuttui (kuva 1). Ennen 1. maaliskuuta oli havaittavissa jälkikaiuntaa, mutta sen jälkeen ääni muuttui jysähdyksen kaltaiseksi. Toisin sanoen kraatterin akustinen lähde oli vaimentunut.

Villarrikan kraatteri muistuttaa suppiloa, jossa on kartiomainen yläosa ja kapea kanava alapuolella. Resonanssin puuttuminen maaliskuun alussa on tärkeää, koska numeeristen mallien mukaan se merkitsee kraatterin liekehtivän osan lähellä sijaitsevan laavajärven korkeaa kantoa. Villarricalle tyypillisen taustatilan aikana laavajärven pinta on syvemmällä – ja usein piilossa – pystyseinäisen kuilun sisällä. Maaliskuun 2. päivään mennessä infraäänisignaalit viittaavat siihen, että laavajärvi lähestyi kraatterin reunaa; torvesta oli tullut kaiutin, kuten alla olevalla videolla havainnollistetaan.

3. maaliskuuta kello 3.00 paikallista aikaa alkaneen dramaattisen laavalähteen laukaiseva tekijä on edelleen arvoituksellinen, mutta lopputuloksena oli väkivaltainen paroxysmi, joka aiheutti omaisuusvahinkoja, pakotti tuhansia ihmisiä evakkoon alueelta ja nousi maailmanlaajuisista otsikoista. Infraäänihavainnot kertoivat, että laavajärven pinta oli saavuttanut korkean tason useita päiviä ennen purkausta. Nämä havainnot voivat auttaa meitä ennakoimaan tulevia purkauksia avotulivuorissa.

Tulivuoren resonanssi steroideilla

Jokaisella tulivuorella on ainutlaatuinen infraäänijälki. Verrattuna Volcán Villarricaan, jonka resonanssi kehittyi muutaman päivän aikana havaittavasta poissaolevaksi, Ecuadorin Cotopaxi-tulivuoren infraääni oli huomattava, koska se soi johdonmukaisesti vuonna 2016 (kuva 2). Villarrican infraäänen värähtelyt kestivät kumulatiivisesti muutaman sekunnin, mutta yksittäinen värähtely Cotopaxilla kesti 5 sekuntia. Joissakin infraäänisignaaleissa havaittiin jopa 16 värähtelyä, jotka uskomatonta kyllä kestivät yli minuutin (kuva 3).

.
.
.
.

Tutkimus vuonna 2016 tallennetuista Cotopaxin tapahtumista viittaa näihin kauniisiin signaaleihin infraääni tornillos, espanjankielinen sana ruuveille, koska paineen rekisteröinti muistuttaa ruuvin profiilia . Tällaiset aaltomuodot todistavat kraatterin akustisen lähteen poikkeuksellisen alhaisesta vaimennuksesta ja siten korkeasta laatukertoimesta. (Korkeamman laatukertoimen omaavilla lähteillä on vähemmän vaimennusta, ja ne soivat tai värähtelevät pidempään.)

Jos Villarrica on kuin suuri pasuuna, jonka johtoputken pituus muuttuu ajan myötä, niin Cotopaxi on kuin jättimäinen tuuba, jonka mitat ovat suhteellisen muuttumattomat suurimman osan vuodesta 2015 ja 2016. Kun elokuussa 2015 tapahtuneet räjähdykset avasivat Cotopaxin kraatterin, näkyvä putki ulottui jyrkästi alaspäin 5 900 metrin korkeudessa sijaitsevalta huipulta. Koko vuoden 2016 alkupuoliskon ajan kraatterin pohja ei näkynyt huipun yli lentäville lentokoneille. Ilmasta tehdyt havainnot osoittivat pystysuoraseinäisen kraatterin olevan vähintään 200 metriä syvä, ja tämä ulottuvuus vahvistettiin mallinnetulla infraäänellä, joka viittasi 350-metriseen kuiluun.

Kraatteriresonanssin lähteet

Infraäänen kulkua tulivuoren lähteeltä vastaanottimeen voidaan ymmärtää vain ottamalla huomioon kraatterin topografian tuottamat dramaattiset moduloivat vaikutukset . On hyvin uskottavaa, että sekä Cotopaxin vaikuttavat tornillot että Villarrican vaimeat värähtelyt johtuvat lyhytaikaisista impulsseista, jotka tapahtuvat niiden kraatterien pohjalla. Äkillinen räjähdys eli impulssi sisältää laajan taajuusspektrin; kuitenkin vain ne, jotka herättävät kraatterin resonanssin, ovat hyvin kestäviä.

Tyypillisesti tulivuoritutkijat, jotka analysoivat etäinfraäänitallenteita, eivät yleensä ole niinkään kiinnostuneita kraatterin ulostulon värähtelevästä ”hengityksestä” (eli sen infraääniresonanssista) kuin siitä, että he pyrkivät poimimaan räjähdyslähteestä tärkeää tietoa, kuten sen kestosta tai massavirrasta. Juuri nämä tiedot edistävät kasvavaa ymmärrystämme siitä, miten kaasu kerääntyy ja erottuu magmasta ja miten se antaa voimaa tuliperäisille räjähdyksille.

Mutta kraatterin akustisten vaikutusten ymmärtämisessä tapahtuneen viimeaikaisen kehityksen myötä meillä on paremmat mahdollisuudet saada talteen tärkeitä parametreja, jotka liittyvät räjähdysten lähteisiin. Cotopaxi ja Villarrica edustavat vain kahta kymmenistä maailmanlaajuisesti aktiivisista tulivuorista, joissa infraääni edistää perustavanlaatuista ymmärrystämme purkausdynamiikasta ja kykyämme ennustaa tulevia paroxysmeja.

Kiitokset

Tämä työ rahoitettiin osittain National Science Foundationin myöntämillä apurahoilla EAR-0838562 ja EAR-1830976 sekä Fulbright Scholar -ohjelmalla.