火山的新科学系列利用AI，卫星和气体传感器（2020）

2018年初，印度尼西亚火山朝鲜卡特州开始分崩离析。这是一个微妙的转变 - 当时没有人注意到。火山的南部和西南部的侧翼以每月约4毫米的速度朝着海洋滑落，这么小的转变，研究人员在通过卫星雷达数据梳理时才看到它。然而，到六月，这座山开始显示出明显的动荡迹象。它在一系列小爆发中喷洒了火热的灰烬和岩石进入天空。它正在加热。另一种卫星仪器从Anak Krakatau记录了达到146兆瓦的热排放量 - 超过正常值的100多倍。随着活性增加，滑动每月跃升至10毫米。

然后，12月22日，南部的侧翼撞到了海里，触发了海啸，沿着Java和Sumatra附近的海岸杀死了至少430人。虽然没有人伪造那场灾难，但2019年的研究发现，卫星和基于地面的仪器已经挑选了一套预测未来在Anak Krakatau等峰值的类似事件。

Anak Krakatau的意外崩溃显示了研究人员面临的一些挑战，因为他们试图监测世界各地的数千个潜在的危险火山 - 每个独特。但它还强调了该领域的几个进展，这承诺为科学家提供更好的预测灾害的机会。

Volcanologists正在制作大幅度的入脚，由于卫星的洪流，可以检测山脉的微妙运动，跟踪地下熔岩的地面传感器，以及无人机可以携带的燃气嗅探器件。并且由于研究人员学会将所有这些数据组合成火山系统中发生的模型，因此对火山的理论理解显着增加。研究人员现在尝试通过机器学习来筛选洪水，以确定微妙的模式，例如anak krakatau月的早期运动显示出现醒来的迹象。

自40年前美国历史上最大的火山危机以来，该领域已经取得了巨大的进展 - 1980年5月18日在华盛顿州的山脉山脉爆发。那个事件 - 以记录历史上最大的滑坡开始 - 杀死了57人，并覆盖了华盛顿的大部分华盛顿和附近有灰烬的国家，关闭该地区。但它也是火山科学的转折点，引发了一个巨大的金钱和人们进入了领域，并在理解方面进行快速改善的阶段。

科学家们在爆炸前几个月涌向山，并仔细履行了其行为，包括频繁地震，从其火山口和北侧侧翼膨胀的不祥隆起的气体。 “这是现代科学仪器捕获的第一个真正重大的爆发，”美国地质调查（USGS）科学家，华盛顿温哥华瀑布Volcano天文台的科学莫兰说，科学莫兰说。 “所以，在很多方面，它成为人们在世界各地的火山看火山的方式成为一个基准。”

从那时起，基于空间的监测数据的激增加上了计算能力的增加，彻底改变了科学家对火山系统的理解。最终，研究人员希望新的工具和技术将使他们更接近能够将可能分配给在给定时间范围内的火山可能的可能性的概率，就像气象学家都在任何特定的日子里都会出现下雨或雪的机会。

“我认为当人们回顾这一时期时，他们会想象这是物质火山学的金色时代，”伦敦大学大学克里康星·克里斯托弗·基金会

St St Helens山的第一个麻烦的暗示在1980年3月16日来到了一系列的小地震。然后，一周后，蒸汽爆炸通过火山顶部的冰爆，雕刻出在几天内长达400米的火山口。研究人员团队从USGS和其他机构抵达，以保持垂直山脉。飞机飞过吸烟陨石坑来测量从火山逃逸的气体，地震仪从岩浆 - 熔岩中注册了震颤 - 在表面下移动。火山科学家攀登了山坡坡，以测量使用卷尺和激光测量设备测量北侧侧面。

火山的岩浆在火山中显然升高，并推动了坡度，研究人员警告说，可能很快就会发生重大爆发。但是，下次发生了什么科学家的惊喜。

5月18日上午8:32，巨大的滑坡在山坡上坠毁，山顶和雪地和冰。压力的释放不可释放火山，引发强大的爆炸。以超音速向上和向外推动岩石，灰，气体和蒸汽的爆炸，向北25公里行驶。

“我们从5月18日爆发中学到了陡峭的陡峭的火山，以及他们如何失败和产生大浪涌或横向爆炸，”USGS夏威夷火山天文台的研究地理学家唐·斯旺森说，他们参与监测1980年爆发。 “现在看起来很明显，在那之前并不明显。”

爆发后，科学家分析了景观，发现它与用木头袋 - 大山丘和土墩，在完整的块中被运输了下坡。这些功能与世界各地的许多火山附近发现的功能相匹配。从历史记录来看，火山神主论认识到大约有1,000多个类似的山体滑坡在超过550个火山上进行。 “高大的火山崩溃，它们不仅仅是在成长，他们是倒塌的，”德国波茨坦的地质科学研究中心火山学家托马斯·沃尔特说。

ST Helens的爆发引导了其他课程，例如在飓风速度下，过热火山灰和气体赛车的致命影响，以及摧毁了他们道路中的一切的泥石网的力量。火山岩也会激起了火山学的巨大增长。在爆炸后十年，USGS在太平洋西北部，夏威夷和阿拉斯加建立了火山观测。

USGS的火山危险计划今天的资金是St Mount St Helens Blast之前的几倍。在1985年哥伦比亚的火山泥浆中造成23,000人之后，USGS建立了火山灾害援助计划，以帮助其他国家为火山危机做准备 - 这项项目即将在1991年与菲律宾的科学家合作评估时，这一项目很快就证明了其价值Pinatubo山的风险。在火山的灾难性喷发前，从该地区撤离了成千上万的人。

今天的研究人员依赖于ST Helens，Pinatubo和数十个其他火山的许多经验教训。通常，地震振动是火山搅拌的第一个标志。当岩浆推动表面时，发生爆发，但即使岩浆开始从地球的地幔上升，它也可以触发地震。今天，地震网络正在监测世界各地的一些最危险的火山。

如同在其爆炸前所做的St Helens所做的那样，相同的岩浆运动会导致火山充气。研究人员现在可以使用GPS接收器安全和不断地记录运动，并更近几，卫星传播的雷达 - 检测到Anak Krakatau的运动。

甚至在可以看到或感受到警告标志之前，从火山的火山口或通风口的二氧化碳水平上升可能会提示出于未来的麻烦。岩浆含有溶解气体，随着该熔融材料上升，压力降低，气体分离并向上行进。二氧化碳，火山气体中最不可溶的一种，首先逃脱，而岩浆仍然深入火山。 “原则上，你应该在爆发岩浆到达表面之前长时间获得气体信号，”巴勒莫大学意大利巴勒莫大学的火山气球地球化学师AIUPPA说。

从历史上看，科学家不得不收集来自火山口或通风口附近的气体样本 - 这是一个危险的任务，只产生了信息叮咬的情节。然后，在2005年，意大利研究人员设计了一种乐器 - 一种多组分气体分析仪系统（多气体） - 比鞋盒更大。火山学家在通风口附近安装这些传感器，并将其安装在飞行过活跃的陨石坑的无人机上，以测量火山排放的五个关键气体的水平。 “这一直是火山气体科学的真正革命，因为它意味着你可以每秒测量火山气体成分，实时在你的电脑上，”Aiuppa说。

多气体仪器在Scromboli的火山上用火灾审判了西西里岛北海岸的火山。意大利科学家在2005年在火山上安装了这些传感器以及摄像机和光谱仪，并从那时起就收集了天然气数据。 2007年2月，熔岩开始渗出火山的火山岩。研究人员认为，在火山爆炸地爆发3月15日之前，二氧化碳水平在两周内增加了十倍。

调查结果允许火山学家构建这座复杂的火山的概念模型，其中爆炸从峰会下方7-10公里的深层岩浆室散发出来。研究人员确定爆炸性喷发的机会在二氧化碳排放量每天2,000吨时增加。

2019年8月，Stromboli再次渗出熔岩，在接下来的两周内，意大利人在二氧化碳中追踪缓慢，逐渐增加。 “所以，我们知道有些事情发生了，”Aiuppa说。使用倾斜计的倾斜表来增加其警惕性，并密切监测地面改变，这些倾斜计测量地面角度的微妙变化。最终，他们所看到的事情让他们确保一个爆炸即将推出，并且他们在8月28日爆炸前提醒当地当局。

在西西里大陆的埃特纳山，意大利研究人员正在跟踪低频声波 - 基础波 - 一些火山爆发之前发出。科学家于2008年在埃特纳安装了该系统，并在以下8年内分析了59次爆发的表现。它成功地预测了57个事件，并在每次爆发前一小时向研究人员发送消息2.鉴于这一成功，在2015年，团队编写了该系统，向文本保护部门发送自动电子邮件和文本信息警报。在罗马和卡塔尼亚市靠近火山。

研究人员对发展该系统的原始动机是找到一种方法来检测在未调解的火山中的喷发，因为即使是远程爆炸也可能产生深远的影响。 2010年冰岛爆发了Eyjafjallajökull在冰岛创造了一个灰羽流，这些灰烬占据了欧洲的空中流量。 “火山风险没有任何边界，”意大利佛罗伦萨大学的地球物理主义者Maurizio Rapepe说，他有助于在etna上创建自动预警系统。

目前，少于世界上一半的土地上的一半在土地上有任何地面仪器，并且在许多情况下，这包括几个地震仪。但在过去的十年中，研究人员使用安装在卫星上的仪器来监测所有火山的新方法。

12月10日，印度尼西亚的Anak Krakatau将一栏500米进入天空，印度尼西亚的火山学和地质灾害中心发出了一个第2级警报，这意味着火山有可能爆发但造成有限的危险。

在2018年致命海啸之后，德国火山学家在Anak Krakatau发现了一种在Anak Krakatau的醒目模式，在美国宇航局卫星上的中频分辨率成像分光镜（MODIS）记录的数据中是显而易见的。红外线渠道显示，热量排放于2018年6月3日跳跃3.“整个火山很热，最激烈的活动记录，”沃尔特说。 “所以，这显然是不正常的行为。”

研究人员还使用了卫星雷达观测，这可以检测垂直和水平运动的小变化，发现火山的侧翼已经在它折叠之前每月10毫米的速度下滑（请参阅“移动”上的“岛屿”）。

该研究表明，即使在地面仪器有限的情况下，科学家也可以了解来自卫星的喷发或火山滑坡的引入。 “作为火山科学家，我们总是习惯于说我们是穷人的数据，”华盛顿温哥华USGS Yellowstone火山天文台的科学家迈克尔波兰说。 “但现在卫星数据真的很扩大我们看到火山正在发生的事情。”

火山学在2014年和2016年获得了巨大的推动，推出了欧洲航天局的Sentinel 1A和1B雷达卫星。使用干涉性合成孔径雷达的技术，它们可以在前所未有的分辨率水平和经常间隔内跟踪火山的运动（参见“通胀手表”）。 “这些卫星可以检测地面的BeaCentimetre变形，这意味着我们可以看到火山肿胀时，”USGS火山危险计划的计划协调员火山医生Charles Mandeville说。 “现在收集了这种数据的全部消防软管。”

研究人员将雷达数据组合，卫星观察结果记录了温度和二氧化硫排放，以捕获在火山之前和爆发前发生火山的多维图像。对南美洲的47个最活跃的火山的研究，其中使用了17年的卫星数据，表明这些变量中的至少一个，有时在所有三个中，在爆发之前，有时是提前4年。

为了利用这些数据，其中许多是可自由的，沃尔特和同事创建了一个名为Mounts的火山监控平台（监控与空间的动荡）。该平台使用来自当前Sentinel卫星和地面地震信息套件的数据，目前监视17个火山，包括Anak Krakatau。

然而，当他们开始在项目开始时，研究人员面临着一个新的和不寻常的问题 - 太多的数据。卫星提供了读数的种子，比研究人员更多，可以使用常规方法进行分析。 “有这么多的火山等数据，我们需要更智能地处理数据集的数据，”沃尔特说。

为了应对这一挑战，研究人员已经转向机器学习技术，一种人工智能的形式，其中可以训练诸如神经网络的计算机算法以挑选数据中的模式。英国布里斯托大学的火山学家朱丽叶·巨蜥创造了一个神经网络，它通过了超过900个火山的30,000个哨兵-1图像搅拌，并标记了大约100张图片，需要更多地关注。在那些图像中，39显示了真正的地面扭曲5，这意味着AI系统将VOLCOROGICER的工作量减少了近10个左右的因素，他们正在从超过1000个火山上的上半年图像测试其系统。

“你不能看一下每张照片，”波兰说。 “我看到机器学习在通过这些大规模的数据过滤时具有真正的影响。”

对于安装平台，科学家们还开发了一个神经网络来搜索大的形状变化。其他组正在尝试开发能够通过来自卫星的温度或气体排放数据筛选的算法。

当Anak Krakatau Sprang今年4月10日跳过行动时，沃尔特很快就会通过分析卫星数据来远程监控这种情况。因为可见性很低，所以他必须依靠雷达数据，这可以穿透厚厚的云。沃尔特说，这些信息将帮助科学家了解Anak Krakatau和未来的行为，它可能用于帮助为印度尼西亚火山的滑坡创建海啸预警系统。

BIGGS表示，卫星数据和AI的组合是一种有用的工具，用于提高对可能的风险并优先安装地面仪器的安装。这种远程监控技术提供了有价值的信息，对科学家来说更安全，但她认为他们永远不会完全替换靠近火山本身的乐器。

在美国，研究人员很快就会获得大量的基于地面数据来源。 2019年3月，美国立法者通过了一项账单，以资助国家火山预警系统（NVEWS）。实施后，NVEWS将导致在该国的104个火山的火山和新的数字遥测网络上安装数字宽带地震仪，具有足够的带宽来携带来自许多不同地面传感器的数据。

在过去的40年中，科学家们在20世纪80年代初到20世纪80年代初到埃特纳山的富含灰泥熔岩喷泉的较小爆炸，从较小的爆炸中成功预测了许多爆发的时间。 “在时间方面取得了很大的进展，”波兰说。 “由于仪器的数量，可能在很大的部分中，基于空间的监测和我们所拥有的观察的增加。”

尽管如此，火山岩爆发仍然让人们致命地惊讶。 2014年日本登山山的小爆发爆发造成63人，2018年6月在危地马拉的Fuego火山猛烈爆发了数百人。 2019年新西兰白岛的轻微爆发声称21人生命。

波兰语学家面临的一个挑战是，他们正试图通过查看诸如气体排放和表面的变化等数据来推断出深处发生的事情。每个火山都有自己的个性 - 它独特的材料和结构集。

火山的个性化性质突出了使用过去爆发模式来预测未来的局限性。当火山神论看到第一个警告标志时，他们经常认为他们以前见过这个并知道会发生什么，波兰说。 “但火山没有看那部电影，”他说。 “他们以令人难以置信的复杂方式演变，我们对复杂性的理解是非常奇迹。”

通过更多的数据和更好地了解火山系统，研究人员希望开发能够捕捉地面发生的物理和化学物理和化学的动态模型。通过这种方式，火山学的发展可以平行于气象学，它使用大气的动态模型提前多天预测天气。

巴兰说，但火山系统是如此复​​杂，因此隐藏着火山预测永远不会像气象学的那样好。 “这是一个有趣的练习，有一天你会打开报纸，看到天气预报旁边的火山预测，”他说。 “但我们仍然是很长的路。”