A chilei Villarrica vulkán 2015. március 3-án hirtelen kitört, és több mint 2 kilométer magas lávaszökőkutat bocsátott ki. A kitörés – a Villarrica 30 év óta az első – gyors kitörése és hevessége váratlan volt. Ráadásul figyelemre méltóan rövid ideig tartott. Egy órán belül a robbanásszerű tevékenység véget ért. Körülbelül egy hónapon belül a vulkán visszatért a szokásos állapotába, amely a meredek falú csúcskráter mélyén elhelyezkedő, fortyogó lávató volt.

Az ilyen heves kitörések előrejelzése az alkalmazott vulkántudomány szent grálja. E cél érdekében a vulkanológusok szeizmométereket vetnek be a rengések észlelésére, billenésmérőket és GPS-t a duzzadás azonosítására, valamint multispektrális detektorokat a gáz- és hőkibocsátás megfigyelésére. Az infrahang-érzékelők, amelyek a vulkánok által kibocsátott alacsony frekvenciájú hangokat rögzítik, egyre fontosabb részét képezik ennek a változatos eszköztárnak.

A vulkanológusok hagyományosan az infrahang-megfigyelést használják a robbanások számlálására és a kitörés intenzitásának nyomon követésére, ami fontos képesség, ha a vulkánra való kilátás el van takarva . A legújabb tanulmányok bebizonyították, hogy az infrahang megfigyelés fontos kitörési előjelzők azonosítására is használható . A Villarrica az infrahangok változó jellegén keresztül jelezte a nyugtalanságot. Most már tudjuk, hogy a Villarrica változó hangjai figyelmeztetést adtak arra, hogy a láva emelkedik a kráterben .

Ezek a megfigyelések véletlenül történtek a Nemzeti Tudományos Alapítvány által támogatott Volcano Acoustics nevű kutatási projekt részeként: From Vent to Receiver, amely a Villarrica-nál keletkező infrahangok nagy távolságra történő terjedését tanulmányozta. A 2015-ös terepbejárás során érzékelőket helyeztünk el a vulkán csúcsán és oldalain. Bár a március 3-i kitörés tönkretette a csúcstelepítést, a sérülési zónán kívüli érzékelők olyan adatokat gyűjtöttek, amelyek teljes kronológiát adtak a vulkán növekvő nyugtalanságáról.

A vulkánok mint óriási hangszerek

A vulkánok infrahangot, az emberi érzékelési küszöb alatti alacsony frekvenciájú hangokat termelnek. A változatos kitörési viselkedés ellenére sok vulkán a legintenzívebb hangokat az 1 hertz néhány oktávján belül sugározza, ami több száz méteres hanghullámhossznak felel meg. Nem véletlen, hogy ez a dimenzió hasonló a vulkáni kráterek méretéhez, amelyek döntő szerepet játszanak a kisugárzott hang modulálásában .

A vulkán sok szempontból olyan, mint egy óriási hangszer. A vulkánokhoz hasonlóan a hangszóró mérete szabályozza az általa kibocsátott hang magasságát: A nagyobb kürtök mélyebb hangokat adnak ki. A zenei hangok a kürt rezonanciája miatt általában kellemesek; a rézcső hosszában ide-odacsapódó légnyomáshullámok hangzanak ki a kürt harangjából. A kürt harang alakja fontos, és meghatározza, hogy egy hang éles és rövid, vagy dús és visszhangos legyen. Ezt a tulajdonságot, amely független a hang frekvenciájától vagy hangerejétől, tágabb értelemben hangszínnek nevezzük.

A zenei kürthöz hasonlóan a vulkán hangszíne és hangmagassága a kráter alakjának sajátja. A mély kráterekkel rendelkező vulkánok hajlamosak alacsony frekvenciájú hangokat produkálni, míg a sekély kráterek magasabb frekvenciájú hangokat sugároznak . A keskeny csatornák gyakran hosszabb ideig rezonálnak, de a széles, tányérszerű kráterek esetleg egyáltalán nem rezonálnak. Bár a vulkáni hangforrások sokfélék lehetnek, a kráter alján lévő, szájadékként működő nyílások gyakran termelnek infrahangot. A gáz heves kiáramlása a nyílásokból vagy a lávató felszínéről is rezonálásra késztetheti a krátert.

Vulkáni nyugtalanság és a változó hangminőség

A vulkáni infrahang különös figyelmet érdemel, ha időben változik. Ez akkor fordulhat elő, amikor a vulkánok megváltoztatják alakjukat, amikor a kráterfalak leomlanak, a padlók összeomlanak, vagy egy lávató emelkedik és süllyed. A Villarrica lávató dinamizmusa például felelősnek tekinthető a 2015-ös heves kitörést megelőzően megváltozott infrahangért. A frekvenciaingadozásokat korábban a lávató szakaszainak ingadozásának tulajdonították, de 2015-ben a tudósok szisztematikus változást észleltek, amely a március 3-i heves kitöréshez vezetett. A Johnson et al. által készített tanulmány két elsődleges megfigyelésről számolt be: A hangok frekvenciatartalma március 1. körül megnőtt (0,7-ről 0,95 hertz-re), és megváltozott a hangszín (1. ábra). Március 1. előtt a visszhangok nyilvánvalóak voltak, de utána a hang puffanásszerűvé vált. Más szóval, a kráter akusztikai forrása tompult.

Villarrica krátere egy tölcsérre hasonlít, amelynek felső része kúpos, alatta pedig egy keskeny járat húzódik. A rezonancia hiánya március elején azért fontos, mert a numerikus modellek szerint ez a kráter fáklyásodó részének közelében található lávató magas állását jelzi. A Villarrica tipikus háttérállapota alatt a lávató felszíne mélyebben – és gyakran rejtve – van a függőleges falú aknában. Március 2-ára az infrahangjelek arra utalnak, hogy a lávató közeledett a kráter pereméhez; a kürtő hangszóróvá vált, amint azt az alábbi videó is mutatja.

A helyi idő szerint hajnali 3:00 órakor kezdődött drámai lávakút kiváltó oka továbbra is rejtélyes, de a végeredmény egy heves paroxizmus volt, amely anyagi károkat okozott, emberek ezreit kényszerítette a terület evakuálására, és világszerte címlapokra került. Az infravörös megfigyelések arról árulkodtak, hogy a lávató felszíne már napokkal a kitörés előtt elérte a magas szintet. Ezek a meglátások segíthetnek abban, hogy a nyílt szellőzőnyílású vulkánok jövőbeli kitöréseit előre jelezzük.

Vulkánrezonancia szteroidokon

Minden vulkánnak egyedi infrahang-nyomvonala van. A Volcán Villarrica vulkánnal összehasonlítva, amelynek rezonanciája néhány nap alatt észrevehetőből a hiányzóba változott, az ecuadori Cotopaxi vulkánból származó infrahang azért volt figyelemre méltó, mert 2016-ban következetesen csengett (2. ábra). A Villarrica infrahang-oszcillációi halmozottan néhány másodpercig tartottak, de a Cotopaxi egyetlen oszcillációja 5 másodpercig tartott. Néhány infrahangjelben akár 16 oszcillációt is észleltek, amelyek hihetetlen módon több mint egy percig tartottak (3. ábra).

.
.
.
.

A 2016-ban rögzített Cotopaxi-eseményekről szóló tanulmány ezeket a gyönyörű jeleket infrahang tornillóknak nevezi, ami a csavarok spanyol szava, mivel a nyomásfelvétel egy csavar profiljára hasonlít . Az ilyen hullámformák a kráter akusztikus forrásának kivételesen alacsony csillapításáról és ezáltal magas minőségi tényezőjéről tanúskodnak. (A magasabb minőségi faktorral rendelkező forrásoknak kisebb a csillapításuk, és hosszabb ideig csengenek vagy rezegnek.)

Ha a Villarrica olyan, mint egy nagy harsona, amelynek az idő múlásával változik a vezetékcső hossza, akkor a Cotopaxi olyan, mint egy óriási tuba, amelynek méretei viszonylag változatlanok 2015 és 2016 nagy részében. Miután 2015 augusztusában robbanások nyitották meg a Cotopaxi kráterét, a látható vezeték meredeken lefelé nyúlt az 5900 méteres csúcsról. 2016 első felében a kráter alja nem volt látható a csúcs fölött átrepülő repülőgépek számára. A légi megfigyelések egy legalább 200 méter mély, függőleges falú krátert mutattak, ezt a méretet a modellezett infrahang is alátámasztotta, amely 350 méteres aknára utalt.

A kráterrezonancia forrásai

Az infrahang útját a vulkán forrásától a vevőig csak úgy lehet megérteni, ha figyelembe vesszük a kráter topográfiája által létrehozott drámai moduláló hatásokat . A legvalószínűbb, hogy mind a Cotopaxi lenyűgöző tornillóit, mind a Villarrica visszafogott oszcillációit a krátereik alján fellépő rövid ideig tartó impulzusok váltják ki. Egy hirtelen robbanás vagy impulzus a frekvenciák széles spektrumát tartalmazza; azonban csak azok, amelyek rezonanciában gerjesztik a krátert, jól fenntarthatóak.

A vulkánkutatókat, akik távoli infrahangfelvételeket elemeznek, általában kevésbé érdekli a kráter kifolyójának oszcillációs “lélegzése” (azaz az infrahang-rezonanciája), mint a robbanás forrására vonatkozó fontos információk kinyerése, például az időtartam vagy a tömegáramlás. Ezek az információk hozzájárulnak ahhoz, hogy egyre jobban megértsük, hogyan halmozódik fel és válik el a gáz a magmától, és hogyan hajtja a vulkáni robbanásokat.

A kráterek akusztikai hatásainak megértésében elért legújabb fejleményekkel azonban jobban felkészültünk a robbanások forrásával kapcsolatos fontos paraméterek kinyerésére. A Cotopaxi és a Villarrica csak két olyan vulkán a világszerte aktív vulkánok tucatjai közül, ahol az infrahang hozzájárul a kitörések dinamikájának alapvető megértéséhez és a jövőbeli paroxizmusok előrejelzésének képességéhez.

Köszönet

Ezt a munkát részben a National Science Foundation EAR-0838562 és EAR-1830976 támogatásai, valamint a Fulbright Scholar Program finanszírozta.