Chile’s Villarrica vulkaan barstte plotseling uit op 3 maart 2015, waarbij een lava fontein van meer dan 2 kilometer hoog werd uitgestoten. De uitbarsting – de eerste van Villarrica in 30 jaar – was onverwacht door het snelle begin en het geweld. Ze was ook opmerkelijk van korte duur. Binnen een uur was de explosieve activiteit voorbij. Binnen ongeveer een maand was de vulkaan teruggekeerd naar zijn gebruikelijke toestand, die gekenmerkt werd door een kolkend lavameer diep in de steilwandige topkrater.

Het voorspellen van dergelijke gewelddadige uitbarstingen is de heilige graal voor toegepaste vulkanologie. Om dit doel te bereiken, zetten vulkanologen seismometers in om bevingen te detecteren, tiltmeters en GPS om zwellingen te identificeren, en multispectrale detectoren om gas- en warmteafgifte te monitoren. Sensoren voor infrageluid, die de door vulkanen geproduceerde geluiden met een lage frequentie registreren, vormen een steeds belangrijker onderdeel van deze gevarieerde gereedschapskist.

Vulkanologen hebben van oudsher gebruik gemaakt van toezicht op infrageluid om zowel explosies te tellen als de intensiteit van uitbarstingen te volgen, belangrijke mogelijkheden wanneer het zicht op de vulkaan wordt belemmerd. Recente studies hebben aangetoond dat infrageluidbewaking ook kan worden gebruikt om belangrijke voorlopers van uitbarstingen te identificeren. Villarrica gaf aanwijzingen van zijn onrust door het veranderende karakter van zijn infrageluid. We erkennen nu dat de veranderende geluiden van Villarrica een waarschuwing waren dat lava in de krater aan het stijgen was.

Deze waarnemingen werden bij toeval gedaan als onderdeel van een door de National Science Foundation gesponsord onderzoeksproject, Volcano Acoustics: From Vent to Receiver, dat de lange-afstandsverspreiding bestudeerde van het infrageluid dat in Villarrica werd geproduceerd. Tijdens de veldexpeditie van 2015 hebben we sensoren geïnstalleerd op de top en de flanken van de vulkaan. Hoewel de uitbarsting van 3 maart de topinstallatie vernietigde, verzamelden sensoren buiten de schadezone gegevens die een volledige chronologie van de toenemende onrust van de vulkaan opleverden.

Vulkanen als reusachtige muziekinstrumenten

Vulkanen genereren infrageluid, laagfrequente geluiden die onder de drempel van de menselijke waarneming liggen. Ondanks uiteenlopende eruptieve gedragingen, stralen veel vulkanen hun meest intense geluiden uit binnen een paar octaven van 1 hertz, wat overeenkomt met geluidsgolflengten van honderden meters. Het is geen toeval dat deze dimensie overeenkomt met de dimensie van vulkaankraters, die een cruciale rol spelen bij het moduleren van het uitgestraalde geluid .

In veel opzichten is een vulkaan als een reusachtig muziekinstrument. Net als bij vulkanen, bepaalt de grootte van een muzikale hoorn de toonhoogte van het geluid dat het maakt: Grotere hoorns maken geluiden met een lagere toonhoogte. Muzikale klanken hebben de neiging aangenaam te klinken door de resonantie van de hoorn; luchtdrukgolven die heen en weer klotsen binnen een lengte van een koperen buis projecteren sonorisch uit de bel van de hoorn. De vorm van de golving van de beker is belangrijk en bepaalt of een noot scherp en kort is of rijk en galmend. Deze kwaliteit, die onafhankelijk is van de frequentie of de luidheid van een noot, wordt in het algemeen timbre genoemd.

Zoals bij een muzikale hoorn, zijn het timbre en de toonhoogte van een vulkaan specifiek afhankelijk van de vorm van een krater. Vulkanen met diepe kraters hebben de neiging om geluiden met een lage frequentie te produceren, terwijl ondiepe kraters geluiden met een hogere frequentie uitstralen . Smalle gangen resoneren vaak gedurende langere perioden, maar brede, schotelvormige kraters weerkaatsen soms helemaal niet. Hoewel vulkanische geluidsbronnen uiteenlopend kunnen zijn, genereren openingen op de bodem van een krater die als mondstukken fungeren vaak infrageluid. De gewelddadige uitzetting van gas uit openingen of van het oppervlak van een lavameer kan de krater doen resoneren.

Volkanische onrust en veranderende geluidskwaliteit

Volkaaninfrageluid verdient bijzondere aandacht wanneer het in de loop van de tijd verandert. Dit kan gebeuren wanneer vulkanen van vorm veranderen doordat kraterwanden inzakken, vloeren instorten of een lavameer stijgt en daalt. De dynamiek van het lavameer in Villarrica wordt bijvoorbeeld verantwoordelijk geacht voor veranderende infrageluiden in de aanloop naar de gewelddadige uitbarsting in 2015. Frequentiefluctuaties werden eerder toegeschreven aan oscillerende fasen in het lavameer, maar in 2015 stelden wetenschappers een systematische variatie vast die leidde tot de gewelddadige uitbarsting op 3 maart. Een studie door Johnson et al. rapporteerde twee primaire observaties: De frequentie-inhoud van de geluiden nam toe rond 1 maart (van 0,7 tot 0,95 hertz), en het timbre veranderde (Figuur 1). Vóór 1 maart was er duidelijk sprake van galm, maar daarna werd het geluid als een dreun. Met andere woorden, de akoestische bron van de krater was gedempt.

Villarrica’s krater lijkt op een trechter, met een kegelvormig bovendeel en een smalle buis eronder. De afwezigheid van resonantie in het begin van maart is belangrijk omdat dit volgens numerieke modellen duidt op een hoge stand van het lavameer dat zich nabij het uitslaande deel van de krater bevindt. Tijdens de typische achtergrondtoestand van Villarrica ligt het oppervlak van het lavameer dieper – en vaak verborgen – in de verticaalwandige schacht. Tegen 2 maart suggereren de infrageluidssignalen dat het lavameer de kraterrand naderde; de hoorn was een luidspreker geworden, zoals te zien is in de video hieronder.

De aanleiding voor de dramatische lavafontein van 3 maart, die om 3 uur ’s nachts lokale tijd begon, blijft raadselachtig, maar het eindresultaat was een gewelddadige paroxysme die schade aan eigendommen veroorzaakte, duizenden mensen dwong het gebied te evacueren, en wereldwijd de krantenkoppen haalde. Waarnemingen van infrageluid hebben ons verteld dat het oppervlak van het lavameer enkele dagen voor de uitbarsting een hoog niveau had bereikt. Deze inzichten kunnen ons helpen te anticiperen op toekomstige uitbarstingen bij open-vent vulkanen.

Volkaanresonantie op Steroïden

Elke vulkaan heeft een unieke infrageluid signatuur. Vergeleken met Volcán Villarrica, waarvan de resonantie in een paar dagen evolueerde van merkbaar naar afwezig, was infrageluid van Ecuador’s Cotopaxi vulkaan opmerkelijk omdat het in 2016 consistent rinkelde (figuur 2). Villarrica’s infrageluid oscillaties duurden cumulatief een paar seconden, maar een enkele oscillatie bij Cotopaxi duurde 5 seconden. In sommige infrageluidsignalen werden wel 16 oscillaties gedetecteerd, die ongelooflijk genoeg meer dan een minuut duurden (figuur 3).

.
.
.
.
.

Een studie van de in 2016 opgenomen Cotopaxi-gebeurtenissen verwijst naar deze prachtige signalen als infrageluid tornillos, het Spaanse woord voor schroeven, omdat de drukregistratie lijkt op het profiel van een schroef . Dergelijke golfvormen getuigen van een uitzonderlijk lage demping en dus van een hoge kwaliteitsfactor van de akoestische kraterbron. (Bronnen met hogere kwaliteitsfactoren hebben minder demping, en ze rinkelen of trillen langer.)

Als Villarrica is als een grote trombone, met een leadpipe lengte die verandert in de tijd, dan is Cotopaxi als een reusachtige tuba, met relatief onveranderlijke afmetingen gedurende een groot deel van 2015 en 2016. Nadat explosies in augustus 2015 de krater van Cotopaxi openden, breidde de zichtbare leiding zich vanaf de 5.900 meter hoge top steil naar beneden uit. In de eerste helft van 2016 was de kraterbodem niet zichtbaar voor vliegtuigen die over de top vlogen. Luchtwaarnemingen toonden een verticaalwandige krater van ten minste 200 meter diep, een afmeting die werd bevestigd door het gemodelleerde infrageluid, dat een schacht van 350 meter suggereerde.

Bronnen van kraterresonantie

Infrageluidsreizen van vulkaanbron naar ontvanger kunnen alleen worden begrepen door rekening te houden met de dramatische modulerende effecten die door de kratertopografie worden veroorzaakt. Het is zeer aannemelijk dat zowel de indrukwekkende tornillos van Cotopaxi als de ingetogen oscillaties van Villarrica worden geïnduceerd door kortdurende impulsen die op de bodem van hun kraters voorkomen. Een abrupte explosie, of een impuls, bevat een breed spectrum aan frequenties; echter, alleen de frequenties die de krater in resonantie opwekken worden goed ondersteund.

Typisch zijn vulkaanwetenschappers die infrageluid opnamen op afstand analyseren over het algemeen minder geïnteresseerd in de oscillerende “ademhaling” van de krateruitgang (d.w.z., de infrageluid resonantie) dan in het extraheren van belangrijke informatie over de bron van de explosie, zoals de duur of de massaflux. Het is deze informatie die bijdraagt tot ons groeiend begrip van hoe gas zich ophoopt en afscheidt van magma en hoe het vulkanische explosies aandrijft.

Met recente ontwikkelingen in het begrip van de akoestische effecten van krateruitbarstingen zijn we echter beter in staat om belangrijke parameters met betrekking tot de bronnen van explosies te achterhalen. Cotopaxi en Villarrica zijn slechts twee van de tientallen vulkanen die wereldwijd actief zijn en waar infrageluid bijdraagt aan ons fundamentele begrip van eruptiedynamiek en aan ons vermogen om toekomstige paroxysmen te voorspellen.

Acknowledgments

Dit werk werd gedeeltelijk gefinancierd door de National Science Foundation-subsidies EAR-0838562 en EAR-1830976 en door het Fulbright Scholar Program.