Vulkanen Villarrica i Chile fick ett plötsligt utbrott den 3 mars 2015, med en mer än två kilometer hög lavafontän. Utbrottet – Villarricas första på 30 år – var oväntat när det gäller dess snabba utbrott och dess våldsamhet. Den var också anmärkningsvärt kortvarig. Inom en timme hade den explosiva aktiviteten upphört. Efter ungefär en månad hade vulkanen återgått till sitt vanliga tillstånd, som bestod av en porlande lavasjö djupt inne i den brantväggiga toppkratern.

Förutsägelse av sådana våldsamma utbrott är den heliga graalen för tillämpad vulkanforskning. För att uppnå detta mål använder vulkanologer seismometrar för att upptäcka skakningar, tiltmetrar och GPS för att identifiera svallningar och multispektrala detektorer för att övervaka gas- och värmeutsläpp. Infraljudssensorer, som registrerar de lågfrekventa ljud som produceras av vulkaner, är en allt viktigare komponent i denna mångsidiga verktygslåda.

Vulkanologer har traditionellt använt infraljudsövervakning för att både räkna explosioner och spåra utbrottets intensitet, vilket är en viktig funktion när sikten på vulkanen är skymd . Nya studier har visat att övervakning av infraljud också kan användas för att identifiera viktiga föregångare till utbrott . Villarrica gav indikationer på sin oro genom att infraljudets karaktär förändrades. Vi inser nu att Villarricas föränderliga ljud gav en varning om att lava höll på att stiga upp i kratern .

Dessa observationer gjordes av en slump som en del av ett forskningsprojekt som sponsrades av National Science Foundation, Volcano Acoustics: From Vent to Receiver, som studerade långdistansutbredningen av det infraljud som producerades vid Villarrica. Under fältexpeditionen 2015 installerade vi sensorer på vulkanens topp och flanker. Även om utbrottet den 3 mars förstörde topputrustningen samlade sensorer utanför skadezonen in data som gav en fullständig kronologi över vulkanens ökande oroligheter.

Vulkaner som gigantiska musikinstrument

Vulkaner genererar infraljud, lågfrekventa ljud som ligger under tröskeln för mänsklig perception. Trots varierande eruptiva beteenden utstrålar många vulkaner sina mest intensiva ljud inom några få oktaver av 1 hertz, vilket motsvarar ljudvåglängder på hundratals meter. Det är ingen tillfällighet att denna dimension liknar dimensionen hos vulkaniska kratrar, som spelar en avgörande roll för att modulera det utstrålade ljudet .

På många sätt är en vulkan som ett gigantiskt musikinstrument. Precis som med vulkaner styr storleken på ett musikhorn tonhöjden på det ljud det avger: Större horn ger lägre ljud. Musikaliska ljud tenderar att vara behagliga på grund av hornets resonans; lufttrycksvågor som slungas fram och tillbaka i ett mässingsrör projiceras ljudmässigt från hornets klocka. Formen på klockans utbredning är viktig och avgör om en ton är skarp och kort eller fyllig och återgivande. Denna egenskap, som är oberoende av en nots frekvens eller ljudstyrka, kallas allmänt för dess klangfärg.

Som för ett musikhorn är en vulkans klangfärg och tonhöjd specifika för en kraterns form. Vulkaner med djupa kratrar har en tendens att producera lågfrekventa ljud, medan grunda kratrar utstrålar högfrekventa ljud . Smala ledningar ger ofta efterklang under längre perioder, men breda, skålformade kratrar ger kanske ingen efterklang alls. Även om de vulkaniska ljudkällorna kan vara varierande, genererar ventiler i botten av en krater som fungerar som munstycken ofta infraljud. Det våldsamma utstötandet av gas från ventiler eller från en lavasjöyta kan få kratern att resonera.

Vulkanisk oro och förändrad ljudkvalitet

Vulkaninformationsljud förtjänar särskild uppmärksamhet när det förändras över tiden. Detta kan ske när vulkaner ändrar form när kraterväggar sjunker ihop, golv kollapsar eller en lavasjö stiger och sjunker. Villarricas lavasjö-dynamik anses till exempel vara ansvarig för förändrat infraljud som ledde fram till det våldsamma utbrottet 2015. Frekvensfluktuationer har tidigare tillskrivits oscillerande lavasjöstadier , men 2015 noterade forskarna en systematisk variation som ledde fram till det våldsamma utbrottet den 3 mars. I en studie av Johnson et al. rapporterades två primära observationer: Ljudens frekvensinnehåll ökade runt den 1 mars (från 0,7 till 0,95 hertz), och klangfärgen förändrades (figur 1). Före den 1 mars var efterklang tydlig, men efteråt blev ljudet som en dunk. Med andra ord hade kraterns akustiska källa dämpats.

Villarricas krater liknar en tratt, med en konisk övre del och en smal kanal nedanför. Frånvaron av resonans i början av mars är viktig eftersom den enligt numeriska modeller innebär ett högt stånd av den lavasjö som ligger nära kraterns utflytande sektion. Under Villarricas typiska bakgrundstillstånd är lavasjöns yta djupare – och ofta dold – inom det vertikalväggiga schaktet. Den 2 mars tyder infraljudsignalerna på att lavasjön närmade sig kraterkanten; hornet hade blivit en högtalare, vilket illustreras i videon nedan.

Den utlösande faktorn för den dramatiska lavafontänen den 3 mars, som startade klockan 3.00 lokal tid, är fortfarande gåtfull, men slutresultatet blev en våldsam paroxysm som orsakade egendomsskador, tvingade tusentals människor att evakuera området och gav upphov till rubriker världen över. Infrasoundobservationer berättade att lavasjöns yta hade nått en hög nivå flera dagar före utbrottet. Dessa insikter kan hjälpa oss att förutse framtida utbrott vid vulkaner med öppen ventilation.

Vulkanresonans på steroider

Alla vulkaner har en unik infraljudssignatur. Jämfört med Volcán Villarrica, vars resonans utvecklades under några dagar från märkbar till frånvarande, var infraljudet från Ecuadors vulkan Cotopaxi anmärkningsvärt eftersom det ringde konsekvent under 2016 (figur 2). Villarricas infraljudssvängningar varade kumulativt i några sekunder, men en enda svängning vid Cotopaxi varade i 5 sekunder. Så många som 16 oscillationer upptäcktes i vissa av infraljudssignalerna, som otroligt nog varade i mer än en minut (figur 3).

.
.
.
..

En studie av de Cotopaxi-händelser som registrerades 2016 hänvisar till dessa vackra signaler som infrasound tornillos, det spanska ordet för skruvar, eftersom tryckregistreringen liknar en skruvs profil . Sådana vågformer vittnar om en exceptionellt låg dämpning och därmed en hög kvalitetsfaktor hos den akustiska källan i kratern. (Källor med högre kvalitetsfaktorer har mindre dämpning, och de ringer eller vibrerar längre.)

Om Villarrica är som en stor trombon, med en blyrörslängd som förändras med tiden, så är Cotopaxi som en gigantisk tuba, med relativt oförändrade dimensioner under stora delar av 2015 och 2016. Efter att explosioner i augusti 2015 öppnade upp Cotopaxis krater sträckte sig den synliga ledningen brant nedåt från dess 5 900 meter höga topp. Under hela första halvan av 2016 var kraterbotten inte synlig för flygplan som flög över toppen. Flygobservationer visade en krater med vertikala väggar som var minst 200 meter djup, en dimension som bekräftades av det modellerade infraljudet, som tydde på ett 350 meter långt schakt.

Källor till kraterresonans

Infraljudets resa från vulkanens källa till mottagaren kan endast förstås genom att ta hänsyn till de dramatiska moduleringseffekter som produceras av kratertopografin . Det är högst troligt att både Cotopaxis imponerande tornillos och Villarricas dämpade svängningar framkallas av impulser med kort varaktighet som uppstår på botten av deras kratrar. En plötslig explosion, eller en impuls, innehåller ett brett spektrum av frekvenser; endast de som exciterar kratern i resonans är dock väl understödda.

Typiskt sett är vulkanforskare som analyserar infrasoundinspelningar på distans generellt sett mindre intresserade av kraterutgångens oscillatoriska ”andning” (dvs. dess infrasoundresonans) än av att extrahera viktig information om explosionskällan, som t.ex. dess varaktighet eller massflöde. Det är denna information som bidrar till vår växande förståelse av hur gas ackumuleras och separeras från magma och hur den driver vulkaniska explosioner.

Med den senaste utvecklingen i förståelsen av kraterakustiska effekter är vi dock bättre rustade för att återvinna viktiga parametrar relaterade till explosionernas källor. Cotopaxi och Villarrica representerar bara två av de dussintals vulkaner som är aktiva över hela världen där infraljud bidrar till vår grundläggande förståelse av eruptionsdynamiken och till vår förmåga att förutsäga framtida paroxysmer.

Acknowledgments

Detta arbete finansierades delvis av National Science Foundation grants EAR-0838562 och EAR-1830976 och av Fulbright Scholar Program.