火山新科学利用人工智能、卫星和气体传感器来预测火山爆发

2018年初，印度尼西亚喀拉喀托火山(Anak Krakatau)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侧翼正以每月约4毫米的速度向海洋滑动，这一变化如此之小，以至于研究人员只是在事后梳理卫星雷达数据时才发现它．但到了6月，这座山开始出现明显的动荡迹象。它在一系列小型喷发中向天空喷射出炽热的火山灰和岩石。它正在升温。另一个卫星仪器记录到喀拉喀托火山的热辐射达到146兆瓦，是正常值的100多倍。随着活动的增加，滑动速度上升到每月10毫米。

然后，在12月22日，它的南翼坠入大海，引发了海啸，导致爪哇岛和苏门答腊岛附近海岸至少430人丧生。虽然没有人预见到那场灾难，但2019年的一项研究发现，卫星和地面仪器已经捕捉到一系列前兆信号，可以帮助预测喀拉喀托山和其他山峰未来会发生类似事件。

喀拉喀托火山的意外崩塌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数以千计的潜在危险火山——每一座都是独一无二的。但它也突显了该领域的几项进展，这些进展有望让科学家们有更好的机会预测灾难。

火山学家正在取得重大进展，这要归功于来自卫星的大量数据，这些数据可以探测到山脉的细微运动，地面传感器可以跟踪地下深处移动的熔融岩石，以及无人机可以携带的气体嗅探装置。随着研究人员学会将所有这些数据结合到火山系统内正在发生的事情的模型中，对火山的理论理解已经显著增长。研究人员现在正在试验用机器学习来筛选大量的数据，以识别微妙的模式，比如喀拉喀托火山在出现苏醒迹象前几个月的早期运动。

自40年前美国历史上最严重的火山危机——火山爆发以来，该领域已经取得了巨大的进步1980年5月18日，圣海伦斯火山爆发在华盛顿州。那次事件始于有记录以来最大的山体滑坡，造成57人死亡，华盛顿和附近各州被火山灰覆盖，该地区关闭了数天。但它也是火山科学的一个转折点，引发了大量资金和人员涌入该领域，为迅速提高对火山的认识奠定了基础。

地球消失的历史揭示了改变行星的火山爆发

在爆炸发生前的几个月里，科学家们蜂拥到这座山，仔细跟踪了它的活动，包括频繁的地震，从火山口冒出的气体，以及从火山北侧隆起的不祥隆起。“这是现代科学仪器捕捉到的第一次真正意义上的火山爆发，”美国地质调查局(USGS)位于华盛顿州温哥华的卡斯卡德火山观测站的负责人科学家赛斯·莫兰说。“因此，在很多方面，它已经成为人们在世界各地观察火山的基准。”

从那时起，地面和空间监测数据的激增，加上计算能力的提高，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能够使他们更接近于能够在给定的时间框架内分配火山爆发的概率，就像气象学家分配任何特定一天下雨或下雪的概率一样。

伦敦大学学院的火山学家克里斯托弗·基尔伯恩说:“我认为，当人们回顾这段时期时，他们会认为这是物理火山学的黄金时代。”

历史性的爆炸

1980年3月16日，圣海伦斯火山爆发了一系列小地震。然后，一周后，蒸汽爆炸冲破了火山顶部的冰层，在几天内凿出了一个直径达400米的火山口。来自美国地质勘探局和其他机构的研究人员团队抵达，在山上保持警惕。飞机在冒着烟的火山口上空飞行，测量从火山中逸出的气体，地震仪记录了岩浆(熔化的岩石)在地表下移动的震动。火山学家爬上山坡，用卷尺和激光测量设备测量隆起的北侧。

岩浆显然在火山中上升，并挤压着斜坡，研究人员警告说，一次大喷发可能很快就会发生。但接下来发生的事情让科学家们大吃一惊。

5月18日上午8点32分，一场巨大的山体滑坡冲下山坡，带走了山顶和冰雪。压力的释放打开了火山的塞子，引发了强烈的爆炸。由岩石、火山灰、气体和蒸汽组成的爆炸以超音速向上和向外推进，向北蔓延了25公里。

美国地质调查局夏威夷火山观测站的研究地质学家唐·斯旺森(Don Swanson)说:“我们从5月18日的火山爆发中了解到，陡峭的火山是多么不稳定，它们是如何失败并产生巨大的涌浪或横向爆炸的。”他参与了1980年火山爆发的监测。“现在看起来很明显的事情，在那之前并不明显。”

火山爆发后，科学家们分析了那里的地貌，发现那里到处都是小土丘——大块的小山和土丘被完整地运下山坡。这些特征与世界各地许多火山附近发现的特征相吻合。根据历史记录，火山学家发现，大约有1000起类似的山体滑坡发生在550多座火山上。位于波茨坦的德国地球科学研究中心的火山学家托马斯·沃尔特说:“高大的火山会坍塌，它们不只是在增长，而是在崩塌。”

圣海伦斯火山的爆发还教会了我们其他一些教训，比如过热的火山灰和气体以飓风的速度从山上冲下来，造成了致命的影响，以及泥石流的力量摧毁了它们所经过的一切。火山爆发也刺激了火山学的巨大发展。在爆炸发生后的十年里，美国地质调查局在太平洋西北地区、夏威夷和阿拉斯加建立了火山观测站。

今天，美国地质调查局火山灾害项目的资金几乎是圣海伦斯火山爆炸前的十倍。1985年哥伦比亚的火山泥石流造成23,000人死亡后，美国地质调查局建立了火山灾害援助计划，以帮助其他国家应对火山危机。1991年，美国地质调查局的研究人员与菲律宾的科学家合作，评估皮纳图博火山的风险，很快证明了这个项目的价值。在火山灾难性的爆发之前，成千上万的人从该地区撤离。

今天的研究人员依赖于从圣海伦斯火山、皮纳图博火山和其他几十座火山中学到的许多经验教训。通常，地震震动是火山活动的第一个迹象。喷发发生在岩浆被推到地表时，但即使岩浆开始从地幔上升，它也会引发地震。今天，地震台网正在监测世界上几十座最危险的火山。

同样的岩浆运动也会导致火山膨胀，就像圣海伦斯火山在爆炸前所做的那样。研究人员现在可以使用GPS接收器和最近探测到喀拉喀托火山活动的卫星雷达，安全连续地记录火山活动。

甚至在看到或感觉到警告信号之前，从火山口或喷口喷出的二氧化碳水平上升就可能暗示前方有麻烦。岩浆含有溶解的气体，随着熔融物质上升和压力下降，气体分离并向上流动。二氧化碳是最不易溶解的火山气体之一，当岩浆仍在火山深处时，它首先逸出。意大利西西里岛巴勒莫大学的火山气体地球化学家亚历山德罗·艾乌帕说:“原则上，在岩浆到达地表之前很久，你就应该得到气体信号。”

从历史上看，科学家必须从火山口或喷口附近收集气体样本，这是一项危险的任务，只能获得断断续续的信息。然后，在2005年，意大利研究人员设计了一种仪器——多组分气体分析系统(Multi-GAS)，它比一个鞋盒大不了多少。火山学家将这些传感器安装在火山口附近，还将它们安装在飞行在活跃火山口上空的无人机上，以测量火山释放的五种关键气体的水平。Aiuppa说:“这对火山气体科学来说是一场真正的革命，因为这意味着你可以在你的电脑上实时测量火山气体的成分。”

爆炸的预测

多气体仪器在西西里岛北海岸的斯特龙博利火山进行了火试验。意大利科学家于2005年在火山上安装了这些传感器，以及摄像机和光谱仪，并从那时起收集气体数据。2007年2月，火山爆发，岩浆开始渗出。研究人员发现，在3月15日火山爆发前的两周内，二氧化碳浓度上升了10倍¹．

这一发现使火山学家能够建立这个复杂火山的概念模型，在这个模型中，爆炸来自山顶以下7-10公里的深层岩浆库。研究人员确定，当每天二氧化碳排放量超过2000吨时，火山爆发的几率就会增加。

2019年8月，斯特龙博利火山再次喷发熔岩，在接下来的两周内，意大利人追踪到二氧化碳在缓慢、渐进地增加。“所以，我们知道会发生一些事情，”Aiuppa说。研究小组提高了警惕性，还使用测量地面角度细微变化的倾斜仪密切监测地面的变化。最终，他们的所见所闻使他们确信很快就会发生爆炸，并在8月28日爆炸发生前几分钟向当地当局发出了警报。

人工智能和卫星如何帮助预测火山爆发

在西西里大陆的埃特纳火山，意大利研究人员正在追踪低频声波，即次声波，这是一些火山在喷发前发出的声波。科学家们于2008年在埃特纳火山安装了该系统，并在随后的8年里分析了59次火山喷发的表现。它成功预测了57次火山喷发，并在每次喷发前一小时向研究人员发送信息²．鉴于这一成功，该团队在2015年对系统进行了编程，使其向罗马的民防部门和火山附近的卡塔尼亚市自动发送电子邮件和短信警报。

研究人员开发该系统的最初动机是找到一种方法来探测不受监测的火山爆发，因为即使是偏远的爆发也会产生深远的影响。的2010年冰岛Eyjafjallajökull火山爆发造成了火山灰羽流，扰乱了欧洲的空中交通长达数周。意大利佛罗伦萨大学的地球物理学家Maurizio Ripepe说:“火山风险没有国界。”他曾帮助创建了埃特纳火山的自动早期预警系统。

目前，世界上只有不到一半的陆地活火山有任何形式的地面仪器，在许多情况下，这些仪器只包括几个地震仪。但在过去的十年里，研究人员通过安装在卫星上的仪器获得了监测所有火山的新方法。

海量数据

2020年4月10日，印度尼西亚喀拉喀托火山(Anak Krakatau)向天空喷出了500米高的火山灰柱，印度尼西亚火山学和地质灾害减灾中心发布了2级警报，这意味着该火山有爆发的可能性，但危害有限。

在2018年致命的海啸之后，德国火山学家在喀拉喀托阿纳克发现了一个惊人的模式，这在美国宇航局卫星上的中分辨率成像光谱仪(MODIS)记录的数据中很明显。红外通道显示，2018年6月，热排放量激增^3.．“整个火山都很热，是有记录以来最激烈的活动，”沃尔特说。“所以，这显然是反常的行为。”

研究人员还利用卫星雷达观测，可以探测到垂直和水平运动的微小变化，发现火山侧翼在坍塌前已经以每月10毫米的速度滑动(参见“移动中的岛屿”)。

这项研究表明，即使地面仪器有限，科学家也可以通过卫星了解火山喷发或火山滑坡的起因。“作为火山学家，我们总是说我们缺乏数据，”位于华盛顿温哥华的美国地质调查局黄石火山观测站的科学家迈克尔·波兰(Michael Poland)说。“但现在卫星数据确实扩大了我们观察火山活动的能力。”

2014年和2016年，随着欧洲航天局的哨兵1A和1B雷达卫星的发射，火山学得到了巨大的推动。利用干涉合成孔径雷达技术，他们可以以前所未有的分辨率和频繁的时间间隔跟踪火山的运动(见“膨胀观察”)。美国地质调查局火山灾害项目协调员、火山学家查尔斯·曼德维尔说:“这些卫星可以探测到地面亚厘米的变形，这意味着我们可以看到火山何时膨胀。”“现在正在收集大量这样的数据。”

研究人员将雷达数据与记录温度和二氧化硫排放的卫星观测数据结合起来，以捕捉火山喷发前和喷发期间的多维图像。一项对南美47座最活跃火山的研究使用了17年的卫星数据，结果显示，至少其中一个变量发生变化，有时三个变量都发生变化，在火山爆发之前，有时甚至提前几年发生变化⁴．

为了利用这些数据，沃尔特和他的同事们创建了一个火山监测平台，名为“MOUNTS”(从太空监测动荡)。该平台使用来自当前哨兵卫星和地面地震信息的数据，目前监测17座火山，包括喀拉喀托火山。

然而，当他们开始这个项目时，研究人员面临着一个新的不寻常的问题——数据太多。这些卫星提供了大量的数据，比研究人员使用传统方法所能分析的要多。沃尔特说:“有这么多火山和这么多数据，我们需要更聪明的方法来处理数据集。”

为了应对这一挑战，研究人员转向了机器学习技术，这是一种人工智能形式，可以训练神经网络等计算机算法来挑选数据中的模式。英国布里斯托尔大学的火山学家朱丽叶·比格斯(Juliet Biggs)和她的同事们创建了一个神经网络，该网络已经在超过900座火山的约3万张Sentinel-1图像中进行了梳理，并标记了大约100张需要更多关注的图像。在这些图片中，39张显示了真实的地面变形⁵这意味着人工智能系统将火山学家的工作量减少了近10倍。现在，他们正在1000多座火山的大约50万张图像上测试他们的系统。

“你不能看每一张图片，”波兰说。“我认为机器学习在过滤这些海量数据方面具有真正的影响。”

对于MOUNTS平台，科学家们还开发了一个神经网络来搜索较大的形状变化。其他研究小组正试图开发一种算法，可以筛选来自卫星的温度或气体排放数据。

为什么致命的新西兰火山爆发很难预测

今年4月10日，当喀拉喀托火山重新开始行动时，沃尔特很快通过分析卫星数据远程监控了局势。由于能见度很低，他不得不依靠雷达数据，雷达数据可以穿透厚厚的云层。沃尔特说，这些信息将帮助科学家了解喀拉喀托火山的行为，未来它可能被用于帮助建立一个针对印尼火山滑坡的海啸预警系统。

比格斯说，卫星数据和人工智能的结合是一个有用的工具，可以提醒人们注意可能的风险，并优先安装地面仪器。这种远程监测技术提供了有价值的信息，对科学家来说更安全，但她认为它们永远不会完全取代靠近火山本身的仪器。

在美国，研究人员很快将获得大量新的地面数据来源。2019年3月，美国立法者通过了一项法案，为国家火山早期预警系统(NVEWS)提供资金。NVEWS项目实施后，将在该国104座火山上安装数字宽带地震仪，并建立新的数字遥测网络，该网络具有足够的带宽来传输来自多个不同地面传感器的数据。

未来的冲击

在过去的40年里，科学家们成功地预测了许多火山爆发的时间，从20世纪80年代早期圣海伦斯火山的小型爆炸到埃特纳火山富含火山灰的熔岩喷泉。波兰表示:“在时机方面已经取得了很大进展。”“也许在很大程度上是因为仪器的数量，天基监测的出现和我们观测的增加。”

尽管如此，火山爆发仍然会给人们带来致命的意外。2014年日本御岳山(Mount Ontake)的一次小型爆炸喷发造成63人死亡，2018年6月危地马拉富埃戈火山(Fuego)的猛烈喷发造成数百人死亡。一个新西兰怀特岛的一次小型火山喷发2019年有21人死亡。

火山学家面临的一个挑战是，他们试图通过观察气体排放和地表形状变化等数据来推断地下深处正在发生什么。每座火山都有自己的个性——有自己独特的一套物质和结构。

火山的个体特征凸显了利用过去火山爆发模式来预测未来火山爆发的局限性。波兰说，当火山学家看到第一个警告信号时，他们通常认为自己以前见过这种情况，知道会发生什么。“但是火山还没有看过这部电影，”他说。“它们以令人难以置信的复杂方式进化，而我们目前对复杂性的理解非常粗略。”

有了更多的数据和对火山系统的更好理解，研究人员希望开发出动态模型，以捕捉地下发生的物理和化学变化。通过这种方式，火山学的发展可以与气象学平行，后者利用大气的动态模型提前许多天预测天气。

但波兰说，火山系统是如此复杂和隐秘，火山预报永远不会像气象预报那样准确。他说:“想象有一天你会打开报纸，在天气预报旁边看到火山预报，这是一种有趣的练习。”“但我们离这个目标还有很长的路要走。”