チリのビジャリカ火山は2015年3月3日に突然噴火し、2キロメートル以上の溶岩噴水を放出した。 30年ぶりのビジャリカ火山の噴火は、その急激な発生と激しい噴火の点で、予想外のものだった。 また、噴火の時間も極めて短かった。 1時間以内に爆発的な活動は終了した。 このような激しい噴火を予測することは、火山科学の応用にとって聖杯のようなものです。 この目的のために、火山学者は、揺れを検出する地震計、膨張を特定する傾斜計とGPS、ガスと熱の出力を監視するマルチスペクトル検出器を配備しています。
火山学者は伝統的に、火山の視界が遮られたときに重要な機能である爆発音のカウントと噴火強度の追跡の両方に、低周波音センサーを使用してきました。 最近の研究では、低周波音の監視は、重要な噴火の前兆を識別するためにも使用できることが実証されています。 Villarrica火山は、低周波音の特徴を変化させることで、その動揺を表していました。 現在では、Villarrica の変化する音は、火口内で溶岩が上昇していることを警告するものであったと認識しています。 これらの観測は、Villarricaで発生する低周波音の長距離伝搬を研究する全米科学財団の研究プロジェクト「Volcano Acoustics: From Vent to Receiver」の一環として偶然行われたものです。 2015年の現地調査では、火山の山頂と山腹にセンサーを設置しました。 3月3日の噴火で山頂の配置は破壊されたが、被害地域の外にあるセンサーは、火山が不安を増している完全な年表をもたらすデータを収集した。
巨大楽器としての火山
火山はインフラサウンド、人間の知覚限界以下の低周波音を発生する。 噴火の仕方はさまざまですが、多くの火山は1ヘルツの数オクターブの範囲で最も激しい音を放射しており、これは音の波長が数百メートルに相当します。 この寸法が、放射される音を調整するのに重要な役割を果たす火山のクレーターの寸法と似ているのは偶然ではありません。 火山と同じように、ホルンの大きさが音の高さを左右します。 大きなホルンは低い音を出します。 ホルンの音が心地よく聞こえるのは、ホルンのベルが共鳴しているからである。 ベルのフレア形状は重要で、音の鋭さ、短さ、豊かさ、余韻をコントロールします。
ホルンと同じように、火山の音色や音程も、火口の形によって異なります。
ホルンと同じように、火山の音色や音程は火口の形によって異なります。 また、狭い導流孔では長時間にわたって音が響くことがありますが、広い皿状の火口では全く響かないこともあります。 火山の音源はさまざまですが、火口底の噴出孔が口火となって低周波音を発生させることが多いようです。 噴気孔から、あるいは溶岩湖の表面からガスが激しく排出されると、火口が共鳴するように誘導されることがある。
Volcanic Unrest and Changing Sound Quality
火山性低周波音は、時間と共に変化することが特に注目されます。 火口壁が傾いたり、床が崩れたり、溶岩湖が隆起したりと、火山の形が変わるときに発生することがあります。 例えば、Villarricaの溶岩湖のダイナミズムは、2015年の激しい噴火に至るまでのインフラサウンドの変化の原因と考えられています。 周波数変動は、以前は溶岩湖のステージが振動することに起因していたが、2015年、科学者は3月3日の激しい噴火に至るまでの体系的な変動に注目した。 Johnsonらの研究では、主に2つの観測結果が報告されています。 3月1日前後に音の周波数が上昇し（0.7から0.95ヘルツ）、音色が変化していた（図1）。 3月1日以前は残響音が顕著であったが、それ以降は「ザンッ」というような音になった。
ビラリカの火口は、上部が円錐形で下部が細い管状の漏斗のような形をしています。 3月上旬に共振がなかったことは、数値モデルによると、火口のフレア部付近にある溶岩湖が高い位置にあることを意味するため、重要です。 Villarricaの典型的なバックグラウンド状態では、溶岩湖の表面はより深く、しばしば垂直壁立坑の中に隠されています。 3月2日までに、低周波信号は、溶岩湖が火口縁に近づいていることを示唆しており、下のビデオに示されているように、角は拡声器になっていました。
現地時間の午前3時に始まった劇的な3月3日の溶岩噴水のきっかけは、依然として謎のままです。 この噴火の数日前に溶岩湖の水面が高いレベルに達していたことが、超音波観測から判明した。 これらの知見は、今後の開口火山の噴火を予測するのに役立つと思われます。
ステロイドの火山共振
どの火山もユニークなインフラサウンドの特徴を持っています。 共鳴が数日の間に顕著から不在へと進化したVillarrica火山と比較して、エクアドルのCotopaxi火山からのインフラサウンドは、2016年に一貫して鳴ったので注目された（図2）。 Villarricaのインフラサウンドの発振は累積で数秒続いたが、Cotopaxiの発振は1回で5秒続いた。 低周波音の信号の中には16もの振動が検出され、信じられないことに1分以上続いた（図3）
.
2016年に記録されたコトパクシイベントの研究では、圧力記録がネジのプロファイルに似ていることから、これらの美しい信号を低周波音トルニージョ（スペイン語でネジを意味する）と呼んでいます 。 このような波形は、クレーターの音源の減衰が非常に小さく、その結果、品質係数が高いことを証明しています。 (品質係数が高い音源は減衰が少なく、より長く鳴るか振動します。)
Villarricaが時間とともに変化するリードパイプの長さを持つ大きなトロンボーンのようであれば、Cotopaxiは2015年と2016年の多くの間比較的変化しない寸法で、巨大チューバのようなものです。 2015年8月の爆発でコトパクシの火口が開いた後、目に見える導管が標高5,900メートルの山頂から急斜面に伸びている。 2016年前半を通じて、山頂上空を飛ぶ航空機からは火口底が見えませんでした。 航空観測は、少なくとも200メートルの深さの垂直壁クレーターを示し、その寸法は、350メートルのシャフトを示唆したモデル化されたインフラサウンドによって裏付けられました。
クレーター共鳴のソース
火山のソースから受信機へのインフラサウンドの旅は、クレーター地形によって生じる劇的な変調効果を考えることによってのみ理解できる。 コトパクシの印象的なトルニヨとビジャリカの控えめな振動は、いずれも火口底で発生する短時間の衝撃によって誘発されていると考えるのが最も妥当であろう。
一般に、遠隔地からの低周波音の録音を分析する火山学者は、爆発時間や質量フラックスなどの爆発源に関する重要な情報を引き出すことよりも、火口出口の振動「呼吸」（すなわち低周波音の共鳴）に関心が薄い。 この情報は、ガスがどのようにマグマから蓄積・分離し、どのように火山爆発を引き起こすかについての理解を深めることに貢献します。
しかし、クレーター音響効果の理解における最近の発展により、爆発源に関する重要なパラメータを回復する態勢が整いました。 コトパクシとビジャリカは、世界で活動する数十の火山のうちの2つで、インフラサウンドが噴火のダイナミクスの基本的な理解と将来の発作の予測に貢献している。