無(wú)人機(jī)和激光將如何幫助預(yù)測(cè)火山爆發(fā)

這是我們2018年夏季旅行系列“把它帶到極端”的一部分，它研究了當(dāng)人們把日常技術(shù)和瘋狂的情況混合在一起時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

地球上有5億多人生活在活火山的陰影中。 從小，我就是其中之一。

我在華盛頓的塔科馬度過(guò)了我的童年，觀察著那顆華麗的定時(shí)炸彈，那就是雷尼爾山。 從40英里外的這個(gè)有利點(diǎn)，這座山是淡藍(lán)色和白色的，蝕刻著冰川的黑暗陰影。 它的輪廓坐在前景在整個(gè)一年的日出。 夏天，滿月就在它后面升起。

雖然雷尼爾山已經(jīng)有一個(gè)世紀(jì)沒(méi)有顯示出任何活動(dòng)的跡象，而且它的最后一次主要噴發(fā)是在大約1000年前，但科學(xué)家們相信山下的巖漿可能會(huì)再次升起。

美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的火山學(xué)家戴夫·皮耶里說(shuō)：“在最基本的層面上，火山是地球內(nèi)部試圖到達(dá)地球外部的地方。”

火山今年給了我們驚人的提醒，他們有能力殺死和破壞社區(qū)。 五月，夏威夷大島上的Kilauea在緩慢、破壞財(cái)產(chǎn)的爬行中滲出熔巖并產(chǎn)生火山煙霧。 下個(gè)月，危地馬拉的火山爆發(fā)（西班牙語(yǔ)為“火火山”），掩埋了火山灰、熔巖、巖石和泥漿的村莊。 官方報(bào)道說(shuō)，169人死亡，256人仍然失蹤。

富戈、雷尼爾山和圣海倫山都是成層火山，它們排放出數(shù)英里高的白色熾熱碎片云，并噴出高速的火山灰和熔巖。 相比之下，Kilauea是一座盾牌火山，通常產(chǎn)生緩慢移動(dòng)的熔巖.. 1980年，當(dāng)圣海倫山爆發(fā)時(shí)，它向空中發(fā)射了超過(guò)15英里的火山碎片和火山灰，造成57人死亡，主要是窒息。

有300多萬(wàn)人住在雷尼爾山附近，每年有200萬(wàn)人參觀雷尼爾山國(guó)家公園，這座火山突然兇猛殺人的潛力是一個(gè)主要的問(wèn)題。 但也有一些好消息：科學(xué)家用來(lái)發(fā)現(xiàn)預(yù)示火山爆發(fā)跡象的儀器在不斷改進(jìn)。

新的數(shù)字工具可以讓他們快速收集小地震的數(shù)據(jù)，提示火山事件。 利用激光雷達(dá)，利用脈沖光測(cè)量距離，火山學(xué)家可以創(chuàng)建精確的三維地圖，查看過(guò)去的樹(shù)木和其他植物生命，以揭示火山的真實(shí)地形。 便攜式質(zhì)譜儀的進(jìn)步讓科學(xué)家“看到”火山內(nèi)部發(fā)生了什么，你知道，在火山爆發(fā)前警告人們。

熔巖、巖石和熱灰并不是雷尼爾山唯一能向我們投擲的東西。 居住在雷尼爾山河谷的近8萬(wàn)人，以及整個(gè)塔科馬工業(yè)港，都在這座山所能生產(chǎn)的最危險(xiǎn)的副產(chǎn)品之一：拉哈爾。

拉哈是一種快速移動(dòng)的死亡污泥。 當(dāng)熾熱的巖石碎片瞬間融化冰川時(shí)就會(huì)發(fā)生這種情況。 熔巖和碎片可以達(dá)到1400華氏度，與融化的冰川水混合，由此產(chǎn)生的瀉湖傾瀉到山坡上，席卷了它路徑上的一切和每個(gè)人。

拉合爾可以有濕水泥的稠度，以每小時(shí)50英里的速度移動(dòng)。 當(dāng)他們終于從他們開(kāi)始的地方休息幾十英里時(shí)，他們可能仍然像剛出爐的烤雞一樣熱（大約華氏160度）。 當(dāng)拉哈斯來(lái)的時(shí)候，你需要快速到達(dá)高地。

太平洋西北地震網(wǎng)絡(luò)的臨時(shí)主任保羅·博丁告訴我，當(dāng)我們?cè)诶啄釥柹缴贤讲酱┰揭粭l山脊時(shí)，“它們可能很熱，也可能很快，而且它們很厚，而且會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞。”

當(dāng)我在山坡上跋涉時(shí)，我意識(shí)到，如果我不得不跑過(guò)一個(gè)瀉湖，我現(xiàn)在就會(huì)遇到麻煩。

徒步前往雷尼爾山地震站。

博丁和軟件程序員喬恩·康諾利都在華盛頓大學(xué)工作，他們正在帶領(lǐng)我上下山道，在一些地方散落著光滑的頁(yè)巖石，在另一些地方則點(diǎn)綴著一些細(xì)小的紫色野花。 我們要去雷尼爾山國(guó)家公園北側(cè)弗里蒙特山地震站。 近3英里后，我們沿著一片陡峭的草地前進(jìn)，這片草地可能給了赫迪，瑞士阿爾卑斯山兒童文學(xué)孤兒，一些嚴(yán)重的眩暈。

我們是來(lái)監(jiān)視這個(gè)偏僻的地方進(jìn)行大規(guī)模技術(shù)升級(jí)的。

一旦我們到達(dá)車站，我看到一個(gè)非常高的桿被蓋伊電線支撐，頂部有一個(gè)天線和一個(gè)太陽(yáng)能電池板。 在山下，一個(gè)大湯罐大小的地震儀埋在地下。 像這樣的地震儀發(fā)出的電流會(huì)根據(jù)地震的劇烈程度而變化，從而產(chǎn)生科學(xué)家用來(lái)測(cè)量地震震級(jí)的數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)數(shù)字化之前，通過(guò)調(diào)頻廣播將信息傳送出去大約55英里。 博丁告訴我，問(wèn)題在于，距離的移動(dòng)允許大量的噪聲在數(shù)據(jù)變?yōu)榱愫土阒芭で鷶?shù)據(jù)。 結(jié)果類似于拍攝一張褪色寶麗來(lái)快照的超高分辨率照片。

地震研究小組預(yù)計(jì)本月將安裝一系列新的技術(shù)：計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)記錄器，大約是額外厚的外部硬盤(pán)的大小，將在此過(guò)程中更早地?cái)?shù)字化數(shù)據(jù)，以保持其盡可能無(wú)噪音。 一個(gè)新的地震儀可以提供更豐富的數(shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)量運(yùn)動(dòng)的上下，側(cè)對(duì)側(cè)和來(lái)回。 這很好，博丁告訴我，因?yàn)檫@就是地震或噴發(fā)時(shí)地面的移動(dòng)方式。

更好的是，新的地震儀可以測(cè)量更廣泛的運(yùn)動(dòng)范圍，從表明巖漿在地表以下移動(dòng)的小地震擺動(dòng)到更大的地震震動(dòng)。

更高的保真度數(shù)據(jù)將極大地促進(jìn)地震學(xué)家試圖預(yù)測(cè)噴發(fā)，更豐富的數(shù)據(jù)集將幫助科學(xué)家區(qū)分冰川何時(shí)移動(dòng)或冰落。

人類一直生活在這樣的威脅下：地球?qū)⑼蝗皇ダ碇?，在地?zé)嵬L(fēng)口附近殺死每個(gè)人。

在公元前6600年左右，土耳其中部一幅新石器時(shí)代的壁畫(huà)展示了附近一個(gè)村莊附近噴發(fā)的雙高點(diǎn)哈桑Dag?火山。 為了驗(yàn)證這兩座山峰是否實(shí)際上是現(xiàn)在的火山，加州大學(xué)洛杉磯分校的科學(xué)家使用鋯石地質(zhì)年代學(xué)來(lái)確定從火山中提取的火山巖樣品，然后將這些樣品的日期與壁畫(huà)的考古日期進(jìn)行比較。

2014年1月《科學(xué)新聞》報(bào)道，“重疊的時(shí)間框架表明，該地區(qū)的人類可能目睹了這次噴發(fā)。”

更近一點(diǎn)，在公元前15世紀(jì)到16世紀(jì)之間，塞拉火山（現(xiàn)為希臘圣托里尼）爆發(fā)，地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為這是有史以來(lái)最具爆炸性的事件。 地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為火山爆發(fā)是在火山爆炸指數(shù)上測(cè)量的7次。 刻度從0到8，每個(gè)VEI比前面的數(shù)字強(qiáng)10倍。 許多人推測(cè)，據(jù)估計(jì)，這次Thera噴發(fā)相當(dāng)于40枚原彈，是柏拉圖失去的亞特蘭蒂斯城的靈感。

一個(gè)完整外殼中的地震儀坐在一個(gè)單獨(dú)站在藍(lán)色盒子頂部的地震儀的左邊。

沒(méi)有目擊者的描述，這一打擊動(dòng)搖了古老的米諾安文明，但有許多細(xì)節(jié)關(guān)于克拉卡托，印度尼西亞(V EI6)，在1883年。 這個(gè)毀滅性的事件是如此的響亮，在3000英里外聽(tīng)到了。 它將火山灰擴(kuò)散到亞洲各地，產(chǎn)生了一場(chǎng)100英尺高的海嘯，在幾小時(shí)內(nèi)至少造成36,000人死亡，在未來(lái)五年內(nèi)降低了全球氣溫，并在1886年之前在全球產(chǎn)生了壯觀的日落。

它也恰好是現(xiàn)代火山學(xué)的分水嶺時(shí)刻。

英國(guó)北安普敦大學(xué)的地質(zhì)學(xué)教授、副校長(zhǎng)尼克·佩特福德說(shuō)，克拉卡托是火山爆發(fā)的第一個(gè)現(xiàn)代研究的動(dòng)力。 科學(xué)家們測(cè)量了從海底到地表的距離，這一過(guò)程稱為深度探測(cè)，以繪制被破壞島嶼的新地形。 他們還觀察了世界各大海洋海嘯的趨勢(shì)。 最后，他們比較了世界各地的氣壓測(cè)量。

佩特福德說(shuō)：“他們意識(shí)到世界各地氣象站的大氣壓力同時(shí)發(fā)生了巨大變化?！?他們的結(jié)論是，爆炸引發(fā)了至少六次環(huán)繞地球的壓力波。

盡管雷尼爾山的斜坡上有老化的技術(shù)，但這座山的監(jiān)測(cè)效果比冰川峰要好，我從我要去的地震站幾乎不能到達(dá)北方。 根據(jù)西雅圖時(shí)報(bào)，定居者直到19世紀(jì)50年代才意識(shí)到這是一座火山，當(dāng)時(shí)美洲原住民告訴博物學(xué)家喬治·吉布布斯一座曾經(jīng)吸煙的山。

很難通過(guò)經(jīng)常被沖毀的道路到達(dá)，冰川峰上只有一個(gè)地震站，而雷尼爾有八個(gè)。

那就是激光雷達(dá)（光探測(cè)和測(cè)距）進(jìn)來(lái)的地方.. 美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和美國(guó)森林管理局資助了一項(xiàng)從飛機(jī)上安裝的攝像機(jī)拍攝激光雷達(dá)照片的努力，以揭示冰川峰在植被掩蓋下的樣子。 由于這座山的輪廓清晰可見(jiàn)，美國(guó)地質(zhì)勘探局可以確定進(jìn)行地震測(cè)量的最佳區(qū)域。 它希望在冰川峰的斜坡上安裝四個(gè)新的地震臺(tái)。

有了激光雷達(dá)，科學(xué)家們可以看到華盛頓偏遠(yuǎn)冰川峰的完整輪廓。

配備了質(zhì)譜儀的無(wú)人機(jī)也可用于預(yù)測(cè)噴發(fā)。

位于加州帕薩迪納的JPL的火山學(xué)家，距離雷尼爾山近1100英里，他們正在研制微小的質(zhì)譜儀，可以在陽(yáng)光下探測(cè)氣體，可以安裝在無(wú)人機(jī)上。

這些裝置之所以有效，是因?yàn)榛鹕皆趪姲l(fā)前以特定的順序排放某些氣體，這一過(guò)程始于巖漿到達(dá)地表之前的幾年。 JPL的Pieri說(shuō)，二氧化碳含量的增加意味著在噴發(fā)前可能有幾個(gè)月。 如果是二氧化硫？

他說(shuō)：“那你就看著即將爆發(fā)。

三年前，哥斯達(dá)黎加大學(xué)的科學(xué)家在哥斯達(dá)黎加中部的Turrialba Volcano駕駛一架載有一臺(tái)小型質(zhì)譜儀的固定翼無(wú)人機(jī)，而Turrialba正處于噴發(fā)中，發(fā)射出一縷灰燼。 他們還在靠近西西里島的意大利小島Vulcano和那不勒斯附近的Solfatara火山口上空飛行了8架6公斤（13磅）質(zhì)譜儀。 與哥斯達(dá)黎加火山學(xué)家合作，JPL的Pieri同事希望制造一臺(tái)重達(dá)3公斤（6.6磅）的質(zhì)譜儀。

自2000年以來(lái)，美國(guó)航天局一直從其Terra衛(wèi)星上的一個(gè)裝置收集無(wú)人機(jī)收集的近距離數(shù)據(jù)。 這些圖像幫助科學(xué)家測(cè)量世界各地火山氣體和溫度的變化，幫助識(shí)別巖漿上升的警告信號(hào)。

無(wú)人機(jī)和衛(wèi)星比背包有很大的優(yōu)勢(shì)。 人們不必把它們帶到危險(xiǎn)地帶。

皮耶里說(shuō)：“我們使用這些無(wú)人機(jī)的動(dòng)機(jī)之一是因?yàn)楹芏噙@些觀測(cè)是由地面上的人進(jìn)行的，他們會(huì)被殺死?！?對(duì)皮耶里來(lái)說(shuō)這不是理論上的風(fēng)險(xiǎn)。

他想起了30歲的火山學(xué)家大衛(wèi)·約翰斯頓，他在距圣海倫山6英里的觀察哨里工作時(shí)喪生。

約翰斯頓在1980年3月接受美聯(lián)社記者采訪時(shí)說(shuō)：“這就像站在炸藥桶旁邊，保險(xiǎn)絲被點(diǎn)燃，但你不知道保險(xiǎn)絲會(huì)持續(xù)多久。” 約翰斯頓在發(fā)現(xiàn)圣海倫山即將爆炸的跡象后關(guān)閉該地區(qū)，從而挽救了生命。

從那時(shí)起，科學(xué)家和工程師團(tuán)隊(duì)一直在努力工作，以想出新的方法來(lái)警告一些人口稠密的地區(qū)，這些地區(qū)在這些爆炸性的山脈的致命陰影中涌現(xiàn)出來(lái)。 但總會(huì)有不愉快的驚喜。

皮耶里告訴我，“大多數(shù)火山都沒(méi)有監(jiān)測(cè)?！?/p>

我知道如果我長(zhǎng)大的那顆漂亮的定時(shí)炸彈爆炸的話，我們很幸運(yùn)能得到任何警告。 因此，我努力保持樂(lè)觀，希望科學(xué)和技術(shù)能找到更多的方法來(lái)確保我們的安全，當(dāng)?shù)厍驔Q定它已經(jīng)足夠了。