Wulkan Villarrica w Chile wybuchł nagle 3 marca 2015 roku, wyrzucając fontannę lawy o wysokości ponad 2 kilometrów. Erupcja – pierwsza w Villarrica od 30 lat – była niespodziewana pod względem jej szybkiego początku i gwałtowności. Była również niezwykle krótkotrwała. W ciągu godziny aktywność wybuchowa wygasła. W ciągu około miesiąca wulkan powrócił do swojego normalnego stanu, w którym znajdowało się wrzące jezioro lawy położone głęboko w kraterze szczytowym o stromych ścianach.

Przewidywanie tak gwałtownych erupcji jest świętym Graalem dla wulkanologii stosowanej. W tym celu wulkanolodzy wykorzystują sejsmometry do wykrywania wstrząsów, tiltmetry i GPS do identyfikacji pęcznienia oraz detektory wielospektralne do monitorowania wydzielania gazu i ciepła. Czujniki infradźwiękowe, które rejestrują dźwięki o niskiej częstotliwości wytwarzane przez wulkany, są coraz ważniejszym elementem tego zróżnicowanego zestawu narzędzi.

Wolkanolodzy tradycyjnie wykorzystywali monitoring infradźwiękowy zarówno do liczenia eksplozji, jak i śledzenia intensywności erupcji, co jest ważne, gdy widok na wulkan jest zasłonięty. Ostatnie badania wykazały, że monitoring infradźwiękowy może być również wykorzystywany do identyfikacji ważnych prekursorów erupcji. Villarrica dawała sygnały o swoich niepokojach poprzez zmieniający się charakter infradźwięków. Obecnie wiemy, że zmieniające się dźwięki Villarrici stanowiły ostrzeżenie, że lawa wzbiera w kraterze.

Te obserwacje zostały poczynione przypadkowo w ramach projektu badawczego sponsorowanego przez National Science Foundation, Volcano Acoustics: From Vent to Receiver, który badał propagację na duże odległości infradźwięków wytwarzanych w Villarrica. Podczas ekspedycji terenowej w 2015 roku zainstalowaliśmy czujniki na szczycie i zboczach wulkanu. Chociaż erupcja z 3 marca zniszczyła instalację na szczycie, czujniki poza strefą uszkodzeń zebrały dane, które pozwoliły uzyskać pełną chronologię narastających niepokojów wulkanu.

Wolkany jako gigantyczne instrumenty muzyczne

Wolkany generują infradźwięki, dźwięki o niskiej częstotliwości poniżej progu ludzkiej percepcji. Pomimo różnych zachowań erupcyjnych, wiele wulkanów emituje swoje najbardziej intensywne dźwięki w obrębie kilku oktaw o częstotliwości 1 herca, co odpowiada długościom fal dźwiękowych rzędu setek metrów. To nie przypadek, że ten wymiar jest podobny do wymiaru kraterów wulkanicznych, które odgrywają krytyczną rolę w modulowaniu promieniowanego dźwięku .

Na wiele sposobów, wulkan jest jak gigantyczny instrument muzyczny. Podobnie jak w przypadku wulkanów, rozmiar muzycznego rogu kontroluje wysokość dźwięku, który wydaje: Większe rogi wydają dźwięki o niższych tonach. Dźwięki muzyczne są zazwyczaj przyjemne ze względu na rezonans rogu; fale ciśnienia powietrza rozchodzące się tam i z powrotem w mosiężnej rurce wydobywają się dźwięcznie z dzwonu rogu. Kształt dzwonka jest bardzo ważny i decyduje o tym, czy nuta jest ostra i krótka, czy też bogata i pełna pogłosu. Ta cecha, która jest niezależna od częstotliwości lub głośności nuty, jest określana ogólnie jako jej barwa.

Tak jak w przypadku muzycznego rogu, barwa i wysokość dźwięku wulkanu są charakterystyczne dla kształtu krateru. Wulkany z głębokimi kraterami mają tendencję do wytwarzania dźwięków o niskiej częstotliwości, podczas gdy płytkie kratery promieniują dźwiękami o wyższej częstotliwości. Wąskie kanały często rezonują przez dłuższy czas, ale szerokie, przypominające talerze kratery mogą w ogóle nie emitować pogłosu. Chociaż źródła dźwięków wulkanicznych mogą być różne, otwory wentylacyjne na dnie krateru, działające jako ustniki, często generują infradźwięki. Gwałtowne wydalenie gazu z otworów wentylacyjnych lub z powierzchni jeziora lawowego może skłonić krater do rezonansu.

Volcanic Unrest and Changing Sound Quality

Infradźwięki wulkaniczne zasługują na szczególną uwagę, gdy zmieniają się w czasie. Może się to zdarzyć, gdy wulkany zmieniają swój kształt, gdy ściany krateru osuwają się, podłogi zapadają, lub jezioro lawy podnosi się i opada. Na przykład dynamika jeziora lawy w Villarrica jest uważana za odpowiedzialną za zmiany infradźwięków prowadzących do gwałtownej erupcji w 2015 roku. Wahania częstotliwości były wcześniej przypisywane oscylującym stadiom jeziora lawy, ale w 2015 roku naukowcy zauważyli systematyczną zmienność, która doprowadziła do gwałtownej erupcji w dniu 3 marca. Badanie przeprowadzone przez Johnson et al. odnotowało dwie podstawowe obserwacje: Zawartość częstotliwościowa dźwięków wzrosła około 1 marca (z 0,7 do 0,95 herca), a tembr zmienił się (rys. 1). Przed 1 marca widoczne były pogłosy, ale po tym wydarzeniu dźwięk stał się podobny do uderzenia. Innymi słowy, źródło akustyczne krateru uległo wytłumieniu.

Krater Villarrica przypomina lej, ze stożkową częścią górną i wąskim kanałem poniżej. Brak rezonansu na początku marca jest ważny, ponieważ zgodnie z modelami numerycznymi oznacza wysoki stan jeziora lawowego znajdującego się w pobliżu części szczelinowej krateru. Podczas typowego dla Villarrica stanu tła, powierzchnia jeziora lawy znajduje się głębiej – i często jest ukryta – wewnątrz pionowo-ściennego szybu. Do 2 marca sygnały infradźwiękowe sugerują, że jezioro lawy zbliża się do krawędzi krateru; róg stał się głośnikiem, jak pokazano na poniższym filmie.

Wywołanie dramatycznej fontanny lawy z 3 marca, która rozpoczęła się o 3:00 rano czasu lokalnego, pozostaje enigmatyczne, ale końcowym rezultatem był gwałtowny paroksyzm, który spowodował szkody materialne, zmusił tysiące ludzi do ewakuacji obszaru i trafił na pierwsze strony gazet na całym świecie. Obserwacje infradźwięków powiedziały nam, że powierzchnia jeziora lawy osiągnęła wysoki poziom na kilka dni przed erupcją. Te spostrzeżenia mogą nam pomóc w przewidywaniu przyszłych erupcji na wulkanach z otwartym otworem wentylacyjnym.

Rezonans wulkaniczny na sterydach

Każdy wulkan ma unikalną sygnaturę infradźwiękową. W porównaniu z Volcán Villarrica, którego rezonans ewoluował w ciągu kilku dni od zauważalnego do nieobecnego, infradźwięki z ekwadorskiego wulkanu Cotopaxi były godne uwagi, ponieważ dzwoniły konsekwentnie w 2016 roku (Rysunek 2). Oscylacje infradźwięków Villarrica trwały kumulatywnie po kilka sekund, ale pojedyncza oscylacja na Cotopaxi trwała 5 sekund. W niektórych sygnałach infradźwiękowych wykryto aż 16 oscylacji, które, co niesamowite, trwały ponad minutę (rys. 3).

.
.
.
.

Badania wydarzeń z Cotopaxi zarejestrowanych w 2016 roku określają te piękne sygnały jako infradźwiękowe tornillos, hiszpańskie słowo oznaczające śruby, ponieważ zapis ciśnienia przypomina profil śruby . Takie przebiegi świadczą o wyjątkowo niskim tłumieniu, a tym samym o wysokim współczynniku jakości źródła akustycznego krateru. (Źródła o wyższym współczynniku jakości mają mniejsze tłumienie i dzwonią lub wibrują dłużej.)

Jeśli Villarrica jest jak duży puzon, z długością rury prowadzącej, która zmienia się w czasie, to Cotopaxi jest jak gigantyczna tuba, ze stosunkowo niezmiennymi wymiarami przez większą część 2015 i 2016 roku. Po tym jak eksplozje w sierpniu 2015 roku otworzyły krater Cotopaxi, widoczny przewód rozszerzył się stromo w dół od szczytu o wysokości 5 900 metrów. Przez całą pierwszą połowę 2016 roku dno krateru nie było widoczne dla samolotów przelatujących nad szczytem. Obserwacje lotnicze wykazały pionowo-ścienny krater o głębokości co najmniej 200 metrów, wymiar potwierdzony przez modelowane infradźwięki, które sugerowały 350-metrowy szyb.

Źródła rezonansu krateru

Podróż infradźwięków od źródła wulkanu do odbiornika może być zrozumiana tylko poprzez rozważenie dramatycznych efektów modulujących wytwarzanych przez topografię krateru. Najbardziej prawdopodobne jest to, że zarówno imponujące tornillo Cotopaxi, jak i stonowane oscylacje Villarrica są wywoływane przez krótkotrwałe impulsy występujące na dnie ich kraterów. Gwałtowna eksplozja, lub impuls, zawiera szerokie spektrum częstotliwości; jednak tylko te, które wzbudzają krater w rezonansie są dobrze podtrzymywane.

Typowo, wulkanolodzy, którzy analizują zdalne nagrania infradźwiękowe są generalnie mniej zainteresowani oscylacyjnym „oddychaniem” wylotu krateru (tj. jego rezonansem infradźwiękowym) niż wydobyciem ważnych informacji o źródle eksplozji, takich jak czas jej trwania lub strumień masy. To właśnie te informacje przyczyniają się do naszego rosnącego zrozumienia, jak gaz gromadzi się i oddziela od magmy i jak zasila eksplozje wulkaniczne.

Jednakże, wraz z ostatnimi osiągnięciami w zrozumieniu efektów akustycznych krateru, jesteśmy lepiej przygotowani do odzyskania ważnych parametrów związanych ze źródłami eksplozji. Cotopaxi i Villarrica reprezentują tylko dwa z dziesiątek wulkanów aktywnych na całym świecie, gdzie infradźwięki przyczyniają się do naszego fundamentalnego zrozumienia dynamiki erupcji i do naszej zdolności przewidywania przyszłych paroksyzmów.

Podziękowania

Ta praca została sfinansowana w części przez National Science Foundation granty EAR-0838562 i EAR-1830976 oraz przez Fulbright Scholar Program.