Volcanul Villarrica din Chile a erupt brusc pe 3 martie 2015, degajând o fântână de lavă de peste 2 kilometri înălțime. Erupția – prima din ultimii 30 de ani a vulcanului Villarrica – a fost neașteptată din punct de vedere al apariției sale rapide și al violenței sale. A fost, de asemenea, remarcabil de scurtă durată. În mai puțin de o oră, activitatea explozivă s-a încheiat. În aproximativ o lună, vulcanul a revenit la starea sa obișnuită, care prezenta un lac de lavă învolburată situat adânc în craterul abrupt al vârfului cu pereți abrupți.

Prevederea unor astfel de erupții violente este Sfântul Graal pentru știința vulcanologică aplicată. În vederea atingerii acestui obiectiv, vulcanologii utilizează seismometre pentru a detecta trepidațiile, tiltmetre și GPS pentru a identifica umflăturile și detectoare multispectrale pentru a monitoriza producția de gaze și căldură. Senzorii de infrasunete, care înregistrează sunetele de joasă frecvență produse de vulcani, sunt o componentă din ce în ce mai importantă a acestui set de instrumente diverse.

Volcanologii au folosit în mod tradițional supravegherea infrasunetelor atât pentru a număra exploziile, cât și pentru a urmări intensitatea erupției, capacități importante atunci când vederea vulcanului este obturată . Studii recente au demonstrat că monitorizarea infrasunetelor poate fi utilizată și pentru a identifica precursori importanți ai erupțiilor . Villarrica a dat indicii despre neliniștea sa prin caracterul schimbător al infrasunetelor sale. Recunoaștem acum că sunetele schimbătoare ale lui Villarrica au oferit un avertisment că lava se ridica în interiorul craterului .

Aceste observații au fost făcute în mod întâmplător ca parte a unui proiect de cercetare sponsorizat de National Science Foundation, Volcano Acoustics: From Vent to Receiver, care a studiat propagarea pe distanțe lungi a infrasunetelor produse la Villarrica. În timpul expediției de teren din 2015, am instalat senzori pe vârful și pe flancurile vulcanului. Deși erupția din 3 martie a distrus instalația din vârf, senzorii din afara zonei avariate au colectat date care au produs o cronologie completă a tulburărilor tot mai mari ale vulcanului.

Volcanii ca instrumente muzicale gigantice

Volcanii generează infrasunete, sunete de frecvență joasă sub pragul de percepție umană. În ciuda comportamentelor eruptive variate, mulți vulcani își radiază cele mai intense sunete în câteva octave de 1 hertz, corespunzând unor lungimi de undă sonore de sute de metri. Nu este o coincidență faptul că această dimensiune este similară cu dimensiunea craterelor vulcanice, care joacă un rol critic în modularea sunetului radiat .

În multe privințe, un vulcan este ca un instrument muzical uriaș. Ca și în cazul vulcanilor, dimensiunea unui corn muzical controlează înălțimea sunetului pe care îl emite: Coarnele mai mari produc sunete mai joase. Sunetele muzicale tind să fie plăcute din cauza rezonanței cornului; undele de presiune a aerului care se mișcă înainte și înapoi într-o lungime de tub de alamă se proiectează sonor din clopotul cornului. Forma evazării clopotului este importantă și controlează dacă o notă este ascuțită și scurtă sau bogată și reverberantă. Această calitate, care este independentă de frecvența sau intensitatea sonoră a unei note, este denumită în sens larg timbrul acesteia.

Ca și în cazul cornului muzical, timbrul și înălțimea unui vulcan sunt specifice formei unui crater. Vulcanii cu cratere adânci au tendința de a produce sunete de frecvență joasă, în timp ce craterele puțin adânci radiază sunete de frecvență mai înaltă . Conduitele înguste rezonează adesea pentru perioade lungi de timp, dar craterele largi, în formă de farfurie, ar putea să nu reverbereze deloc. Deși sursele de sunet vulcanic pot fi variate, gurile de aerisire de pe fundul unui crater care acționează ca niște guri de aerisire generează adesea infrasunete. Expulzarea violentă a gazelor din guri de aerisire sau de la suprafața unui lac de lavă poate induce craterul să rezoneze.

Dezordini vulcanice și schimbarea calității sunetului

Infrasunetele vulcanice merită o atenție deosebită atunci când se modifică în timp. Acest lucru se poate întâmpla atunci când vulcanii își schimbă forma pe măsură ce pereții craterului se prăbușesc, podelele se prăbușesc sau un lac de lavă crește și scade. Dinamismul lacului de lavă de la Villarrica, de exemplu, este considerat a fi responsabil pentru schimbarea infrasunetelor care a condus la erupția violentă din 2015. Fluctuațiile de frecvență au fost atribuite anterior etapelor oscilante ale lacului de lavă , dar în 2015, oamenii de știință au observat o variație sistematică care a condus la erupția violentă din 3 martie. Un studiu realizat de Johnson et al. a raportat două observații principale: Conținutul de frecvență al sunetelor a crescut în jurul datei de 1 martie (de la 0,7 la 0,95 hertzi), iar timbrul s-a schimbat (Figura 1). Înainte de 1 martie, reverberațiile erau evidente, dar după aceea, sunetul a devenit asemănător cu un pocnet. Cu alte cuvinte, sursa acustică a craterului s-a amortizat.

Craterul Villarrica seamănă cu o pâlnie, cu o secțiune superioară conică și un canal îngust dedesubt. Absența rezonanței la începutul lunii martie este importantă deoarece, conform modelelor numerice, aceasta semnifică un stand ridicat al lacului de lavă situat în apropierea secțiunii de erupție a craterului. În timpul stării de fond tipice a Villarrica, suprafața lacului de lavă este mai adâncă – și adesea ascunsă – în interiorul puțului cu pereți verticali. La 2 martie, semnalele de infrasunete sugerează că lacul de lavă se apropia de marginea craterului; cornul devenise un difuzor, așa cum este ilustrat în videoclipul de mai jos.

Dezlănțuirea dramaticei fântâni de lavă din 3 martie, care a început la ora locală 3:00 a.m., rămâne enigmatică, dar rezultatul final a fost un paroxism violent care a provocat pagube materiale, a forțat mii de oameni să evacueze zona și a ajuns pe prima pagină a ziarelor din întreaga lume. Observațiile cu infrasunete ne-au spus că suprafața lacului de lavă a atins un nivel ridicat cu câteva zile înainte de erupție. Aceste informații ne pot ajuta să anticipăm viitoarele erupții la vulcanii cu gură deschisă.

Volcano Resonance on Steroids

Care vulcan are o semnătură infrasonică unică. În comparație cu Volcán Villarrica, a cărui rezonanță a evoluat pe parcursul a câteva zile de la vizibilă la absentă, infrasunetele de la vulcanul Cotopaxi din Ecuador au fost remarcabile deoarece au sunat în mod constant în 2016 (Figura 2). Oscilațiile infrasunetelor de la Villarrica au durat cumulativ câteva secunde, dar o singură oscilație de la Cotopaxi a durat 5 secunde. Au fost detectate până la 16 oscilații în unele dintre semnalele de infrasunete, care, în mod incredibil, au durat mai mult de un minut (Figura 3).

.
.
.
..

.

.

Un studiu al evenimentelor Cotopaxi înregistrate în 2016 se referă la aceste semnale frumoase ca fiind infrasunete tornillos, cuvântul spaniol pentru șuruburi, deoarece înregistrarea presiunii seamănă cu profilul unui șurub . Astfel de forme de undă atestă o amortizare excepțional de scăzută și, prin urmare, un factor de calitate ridicat al sursei acustice din crater. (Sursele cu factori de calitate mai mari au mai puțină amortizare și sună sau vibrează mai mult timp.)

Dacă Villarrica este ca un trombon mare, cu o lungime a țevii de plumb care se schimbă în timp, atunci Cotopaxi este ca o tubă gigantică, cu dimensiuni relativ neschimbate în mare parte din 2015 și 2016. După ce exploziile din august 2015 au deschis craterul lui Cotopaxi, conducta vizibilă s-a extins abrupt în jos de la vârful său de 5.900 de metri. De-a lungul primei jumătăți a anului 2016, fundul craterului nu a fost vizibil pentru avioanele care zburau deasupra vârfului. Observațiile aeriene au arătat un crater cu pereți verticali de cel puțin 200 de metri adâncime, o dimensiune coroborată de infrasunetele modelate, care au sugerat un puț de 350 de metri.

Sursele de rezonanță a craterului

Călătoria infrasunetelor de la sursa vulcanului la receptor poate fi înțeleasă doar luând în considerare efectele dramatice de modulare produse de topografia craterului . Este cât se poate de plauzibil ca atât impresionantele tornillos ale lui Cotopaxi, cât și oscilațiile domoale ale lui Villarrica să fie induse de impulsuri de scurtă durată care au loc pe fundul craterelor lor. O explozie bruscă, sau un impuls, conține un spectru larg de frecvențe; cu toate acestea, numai cele care excită craterul în rezonanță sunt bine susținute.

În mod obișnuit, cercetătorii vulcanologi care analizează înregistrările infrasonice de la distanță sunt, în general, mai puțin interesați de „respirația” oscilatorie a ieșirii craterului (adică de rezonanța sa infrasonică) decât de extragerea unor informații importante despre sursa exploziei, cum ar fi durata sau fluxul de masă al acesteia. Aceste informații sunt cele care contribuie la înțelegerea din ce în ce mai bună a modului în care gazul se acumulează și se separă de magmă și cum alimentează exploziile vulcanice.

Cu toate acestea, odată cu evoluțiile recente în înțelegerea efectelor acustice ale craterului, suntem mai bine pregătiți să recuperăm parametri importanți legați de sursele exploziilor. Cotopaxi și Villarrica reprezintă doar doi dintre zecile de vulcani activi din întreaga lume unde infrasunetele contribuie la înțelegerea noastră fundamentală a dinamicii erupțiilor și la capacitatea noastră de a prognoza viitoarele paroxisme.

Recunoștințe

Această lucrare a fost finanțată parțial de granturile EAR-0838562 și EAR-1830976 ale Fundației Naționale pentru Știință și de programul Fulbright Scholar.