Table of Contents

Спутниковый мониторинг вулканов

Спутниковая технология произвела революцию в том, как ученые отслеживают активные вулканы и потоки лавы по всему миру. Глобальный мониторинг тепловой активности вулкана в режиме реального времени стал осуществимым с помощью тепловых инфракрасных датчиков на различных спутниковых платформах, которые позволяют точные оценки вулканических выбросов. Эта передовая возможность мониторинга предоставляет бесценные данные о вулканической активности, помогая исследователям прогнозировать извержения, понимать сложные геологические процессы и защищать сообщества, живущие вблизи активных вулканических зон.

Для подавляющего большинства вулканов, не находящихся под пристальным наблюдением наземных систем, спутниковое дистанционное зондирование является единственным средством быстрого получения данных о вулканических волнениях и возможных извержениях.При наличии примерно 1500 потенциально активных вулканов во всем мире возможность контролировать эти геологические особенности из космоса стала важным инструментом для вулканологов и агентств по борьбе со стихийными бедствиями. Технология позволяет непрерывно наблюдать даже самые отдаленные и недоступные вулканические регионы, обеспечивая критические возможности раннего предупреждения, которые могут спасти жизни и минимизировать экономические потери.

Технологические достижения в области дистанционного зондирования спутников изменили наше восприятие и понимание вулканических процессов. Современные спутниковые системы могут обнаруживать незначительные изменения в вулканической активности за дни, недели или даже месяцы до извержения, давая властям драгоценное время для реализации планов эвакуации и мер безопасности. Эта способность оказалась особенно ценной в регионах, где наземная инфраструктура мониторинга ограничена или отсутствует.

Передовые методы мониторинга из космоса

Технология теплового инфракрасного изображения

Тепло-инфракрасные датчики представляют собой один из самых мощных инструментов для обнаружения и мониторинга вулканической активности из космоса. Эти датчики облегчают надежную оценку вулканической радиационной мощности (VRP), представляющей тепло, излучаемое во время вулканической активности. Измеряя тепловые выбросы от вулканических особенностей, ученые могут с замечательной точностью идентифицировать активные потоки лавы, лавовые купола и лавовые озера.

Среднеинфракрасные наблюдения вулканической активности — это автоматическая система обнаружения тепловых аномалий при высоких температурах (>500K), основанная на анализе данных MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer). MODIS — датчик, установленный на борту двух спутников НАСА, называемых Terra и Aqua, на солнечно-синхронной полярной орбите с марта 2000 года и мая 2002 года соответственно. Основные особенности MODIS, полезные для вулканского теплового мониторинга, заключаются в его глобальном покрытии с пространственным разрешением 1 км, временным разрешением около четырех изображений/день (на экваторе) и наличием двойного канала в среднем инфракрасном диапазоне. Эта возможность позволяет осуществлять комплексный глобальный мониторинг вулканической тепловой активности.

Система теплового оповещения MODIS, известная как MODVOLC, позволяет ученым обнаруживать вулканическую активность в любой точке мира в течение нескольких часов после ее возникновения. Поскольку MODIS обеспечивает полное глобальное покрытие каждые 48 часов, это означает, что система проверяет каждый квадратный километр земного шара на вулканическую активность один раз в два дня. Эта автоматизированная система обнаружения оказалась бесценной для выявления новых извержений в отдаленных вулканах, которые в противном случае могли бы остаться незамеченными в течение нескольких дней или недель.

Эволюция теплового мониторинга продолжается с новыми спутниковыми системами. Датчик радиометра видимого инфракрасного изображения (VIIRS) на платформах Suomi-NPP и NOAA-20 является отличным кандидатом для смягчения последствий вывода из эксплуатации платформы TERRA (и AQUA). Интригующий компромисс между пространственным (375 м) и временным разрешением (до 4 приобретений одной и той же цели в день (в созвездии; на экваторе)) этого датчика может обеспечить инновационные, но важные достижения для систематического мониторинга низкотемпературных вулканических настроек.

Радар с синтетической апертурой и интерферометрия

Технология Synthetic Aperture Radar (SAR) обеспечивает дополнительный подход к тепловому мониторингу путем обнаружения деформации земли и поверхностных изменений, связанных с вулканической активностью. NASA создало онлайн-архив спутниковых радаров с синтетической апертурой (SAR) сканирования активных вулканических и сейсмических областей по всему миру, которые могут быть использованы для быстрого анализа и определения того, изменяются ли и как эти области или деформируются. Деформация в вулкане является показателем движения магмы или изменений давления, которые могут привести к извержению.

Межферометрический радар с синтезированной апертурой (InSAR) стал особенно мощным методом мониторинга вулканов. InSAR обнаруживает изменения движения земли размером до 1 сантиметра. Эта чрезвычайная чувствительность позволяет ученым идентифицировать тонкую деформацию грунта, которая может указывать на движение магмы под поверхностью вулкана, часто обеспечивая ранние предупреждающие признаки потенциальных извержений.

Новая радиолокационная система мониторинга вулканов, разработанная Университетом Аляски Фэрбенкс и Геологической службой США, будет расширяться по всей территории США и за ее пределами. Расширение, финансируемое НАСА, может привести к более раннему обнаружению вулканических волнений. Система VolcSARvatory представляет собой значительный прогресс в оперативных возможностях мониторинга вулканов.

Система VolcSARvatory оптимизирует спутниковый радиолокационный анализ в среде облачных вычислений, что позволяет обрабатывать и анализировать огромные объемы данных всего за несколько дней. Процесс в противном случае потребовал бы нескольких недель. Это резкое сокращение времени обработки означает, что ученые могут быстрее реагировать на признаки вулканических волнений, потенциально предоставляя более ранние предупреждения сообществам риска.

Последние приложения продемонстрировали ценность этой технологии. Данные со спутников Sentinel-1, Sentinel-2, COSMO-SkyMed, Pléiades и PlanetScope использовались для документирования активности в режиме реального времени. в ходе последовательности вторжений дамб в 2024-2025 годах на вулканах Фентале-Дофен в Эфиопии, где на основе спутниковых наблюдений было эвакуировано около 75 000 человек.

Многосенсорная интеграция и слияние данных

Интеграция данных из нескольких спутниковых источников, каждый из которых имеет различные пространственные и спектральные разрешения, предлагает более комплексный анализ, чем использование только отдельных источников данных. Этот подход к слиянию данных сочетает в себе сильные стороны различных спутниковых систем, чтобы обеспечить более полную картину вулканической активности.

Спутниковый мониторинг вулканической активности обычно включает в себя четыре основных наблюдения: (1) деформация и изменение поверхности, (2) выбросы газа, (3) тепловые аномалии и (4) золовые шлейфы. Эти явления отображаются данными дистанционного зондирования, которые охватывают электромагнитный спектр, от микроволновой до ультрафиолетовой энергии и включая видимые и инфракрасные длины волн. Каждый тип наблюдения обеспечивает уникальную информацию о различных аспектах вулканического поведения.

Спутники Copernicus Sentinel Европейского космического агентства добавили значительные возможности к усилиям по мониторингу вулканов. Инфракрасные данные со спутников Copernicus Sentinel-2 использовались для изучения широкого спектра вулканических явлений, в частности потоков лавы, экструзии лавовых куполов, механизмов, приводящих к эффузивной динамике и магматическим бюджетам, а также для отслеживания высокотемпературных фумаролов. Хотя спутники Sentinel-2 в первую очередь предназначены для сельского хозяйства, лесного хозяйства, землепользования, изменений почвы из-за стихийных бедствий, включая извержения вулканов, а также для картографирования опасностей и катастроф, они имеют высокий потенциал для вулканических исследований.

Выявление активных вулканов и ранних предупреждающих знаков

Предпоследние сигналы, которые можно обнаружить из космоса

Извержениям часто предшествует ряд показателей, которые можно обнаружить из космоса, включая деформацию поверхности, незначительное повышение температуры поверхности и повышенные выбросы газа. Эти сигналы-предшественники могут появляться за несколько дней, недель или даже месяцев до извержения, обеспечивая ценное время для оценки опасности и планирования реагирования на чрезвычайные ситуации.

Один инновационный подход к раннему предупреждению включает мониторинг изменений растительности вблизи вулканов. Спутники НАСА, которые отслеживают изменения растительности вблизи вулканов, могут помочь в более ранних предупреждениях об извержениях. В новом сотрудничестве между НАСА и Смитсоновским институтом ученые теперь считают, что они могут обнаружить эти изменения из космоса. Эта техника использует тот факт, что растущая магма выделяет углекислый газ и другие газы, которые могут повлиять на здоровье и внешний вид растений.

По мере того, как вулканическая магма поднимается через земную кору, она выделяет углекислый газ и другие газы, которые поднимаются на поверхность. Деревья, которые поглощают углекислый газ, становятся зеленее и пышнее. Эти изменения в растительности могут быть обнаружены спутниковыми датчиками, прежде чем станут очевидными другие признаки вулканических волнений, потенциально обеспечивая дополнительный инструмент раннего предупреждения для вулканологов.

Практическая ценность систем раннего обнаружения была продемонстрирована в реальных сценариях. В декабре 2017 года правительственные исследователи на Филиппинах использовали систему мониторинга для обнаружения признаков надвигающегося извержения и выступали за массовую эвакуацию местности вокруг вулкана. Более 56 тысяч человек были благополучно эвакуированы до начала массивного извержения 23 января 2018 года. В результате ранних предупреждений жертв не было. Эта история успеха подчеркивает спасительный потенциал передовых систем мониторинга вулканов.

Мониторинг деформации земли

Деформация грунта представляет собой один из самых надежных показателей вулканических волнений. Когда магма движется под вулканом, она заставляет поверхность земли выпирать, наклоняться или трескаться. Технология InSAR на основе спутников превосходит обнаружение этих тонких изменений на больших площадях. Команда из Обсерватории вулканов Аляски и Спутникового объекта Аляски начала анализировать данные вулкана Эджкумбе с использованием прототипа VolcSARvatory и обнаружила, что деформация началась 3 1/2 года назад, в августе 2018 года. Этот ретроспективный анализ показал, что спутниковые данные могут выявить вулканические волнения, которые могли быть пропущены другими методами мониторинга.

InSAR уже давно используется для отслеживания деформации вулканов в США, но работа была выполнена по частям до этого момента. VolcSARvatory обеспечит ситуационное понимание поведения вулканов и, возможно, выявит вулканы, которые становятся беспокойными до появления других признаков, таких как сейсмическая активность. Эта способность особенно ценна для мониторинга вулканов в отдаленных районах, где наземные сейсмические сети могут не существовать.

Последние события продемонстрировали мощь спутникового мониторинга в режиме реального времени. Последовавший за этим устойчивый подъем вокруг Фенталя в период с 2017 по 2024 год последовал за вторжением дамбы длиной 7 км в сентябре-октябре 2024 года. Дайк первоначально распространялся радиально, прежде чем изменить направление распространения вдоль оси разлома, достигнув 50 км в длину и вызвав ~3 м смещения поверхности. Эта драматическая деформация земли отслеживалась в режиме реального времени с использованием нескольких спутниковых систем, что позволило властям принимать обоснованные решения об эвакуации и мерах безопасности.

Тепловая аномалия обнаружение

Тепловые аномалии часто дают первое указание на то, что вулкан становится более активным. Первые признаки извержения, особенно у отдаленных вулканов, часто идентифицируются в спутниковых данных сильными тепловыми аномалиями и/или наличием пепла и газа в атмосфере, распознавание которых может быть автоматизировано для быстрого обнаружения извержения. Автоматизированные системы обнаружения непрерывно сканируют спутниковые снимки на предмет повышения температуры, что может свидетельствовать о новой вулканической активности.

Система MODVOLC оказалась особенно эффективной при обнаружении новых извержений. В октябре 2001 года спящий вулкан на отдалённых Южных Сандвичевых островах начал извергать пепел и лаву со своей вершины. Это было первое извержение горы Белинда в истории наблюдений. Менее чем через 24 часа после начала извержения система MODVOLC обнаружила тепловую аномалию, предупреждая исследователей о новой активности, несмотря на чрезвычайно отдаленное местоположение вулкана.

Тепловое дистанционное зондирование с помощью спутника является ключевой техникой для изучения и мониторинга вулканической активности. Технология позволяет ученым измерять температуру поверхности, отслеживать охлаждение потоков лавы, оценивать скорость извержений и отслеживать изменения активности фумаролов. Эти измерения предоставляют важную информацию об интенсивности и эволюции извержений вулканов.

Отслеживание потоков лавы и шаблонов извержений

Картирование потоков лавы и оценка объема

Спутниковые снимки обеспечивают беспрецедентную возможность отслеживать движение и степень потоков лавы во время извержений вулканов. Спутниковый мониторинг вулканов часто опирается на анализ данных тепловых, оптических и синтетических радаров (SAR). Объединив данные из нескольких типов датчиков, ученые могут создавать подробные карты степени потока лавы, измерять скорости потока и оценивать объем извергаемого материала.

Карты вулканического потока SAR создаются с использованием данных SAR из спутниковой группировки COSMO-SkyMed Second Generation (CSG). Эти карты выделяют потоки лавы, расположенные на полу кальдеры, а также тефровые отложения. Эта технология позволяет обнаруживать потоки вулканической массы независимо от поверхности или погодных условий, обеспечивая надежный мониторинг даже при затуманивании облаком оптических наблюдений.

Данные тепловых спутников позволяют ученым оценить скорость выпота лавы в режиме реального времени. Наблюдение за тепловой Землей (EO) предоставляет ценную информацию для оценки скорости выпота лавы и является хорошо отлаженной техникой для мониторинга вулканов с начала 1980-х годов. Эти измерения помогают вулканологам понять интенсивность извержения и предсказать, как далеко могут путешествовать потоки лавы, критическую информацию для планирования эвакуации и оценки опасности.

Сочетание нескольких спутниковых источников данных обеспечивает наиболее полное представление о активности потока лавы. Во время извержения Кумбре Вьеха в 2021 году ученые использовали тепловые, оптические и радиолокационные данные для отслеживания эволюции извержения. Первые 4 дня извержения показали относительно низкие скорости выпота ~ 1,2 м3/с. Но с 24 сентября 2021 года и особенно с 27 сентября наблюдалось сильное увеличение скорости выпота до значений 42,7 ± 21,3 м3/с. Этот подробный мониторинг позволил властям предвидеть путь потока лавы и соответствующим образом регулировать зоны эвакуации.

Анализ шаблона извержения

Долгосрочный спутниковый мониторинг позволяет ученым выявлять закономерности в вулканическом поведении, которые могут улучшить прогнозирование извержений. Анализируя данные спутников за годы или десятилетия, исследователи могут характеризовать типичное поведение вулкана и выявлять отклонения, которые могут сигнализировать о предстоящем извержении. Эта историческая перспектива особенно ценна для вулканов, которые извергаются нечасто или имеют ограниченный наземный мониторинг.

Спутниковые данные также помогают ученым понять взаимосвязь между различными типами вулканической активности. После начала извержения оптические и радиолокационные приборы могут фиксировать различные связанные с этим явления, включая потоки лавы, оползни, трещины на земле и последствия землетрясений, связанных с вулканической активностью. Этот всеобъемлющий взгляд на вулканические процессы помогает исследователям разрабатывать более совершенные модели работы вулканов и улучшать прогнозы извержений.

Атмосферные датчики на спутниках могут также идентифицировать газы и аэрозоли, выделяемые извержением, а также количественно оценить их более широкое воздействие на окружающую среду. Мониторинг выбросов вулканического газа дает представление о составе магмы и динамике извержения, в то время как отслеживание золовых шлейфов имеет решающее значение для безопасности авиации. Вулканический пепел представляет серьезную опасность для авиационных двигателей, что делает быстрое обнаружение и отслеживание облаков пепла необходимым для защиты воздушных перевозок.

Ключевые спутниковые системы и технологии

Земля, наблюдающая спутники NASA

НАСА управляет несколькими спутниковыми системами, которые играют решающую роль в мониторинге вулканов. Спутник НАСА Terra помогает идентифицировать потенциально активные вулканы, лучше оснащает окружающие сообщества для эвакуации или принятия мер предосторожности до извержения их местного вулкана. Два инструмента на спутнике НАСА Terra, Умеренный спектрорадиометр изображений (MODIS) и Радиометр передового космического теплового излучения и отражения (ASTER), наряду с инструментами на других спутниках НАСА и NOAA используются для идентификации и мониторинга потенциальных областей вулканической активности.

Спутники серии Landsat десятилетиями предоставляли ценные данные мониторинга вулканов. Изменения видны на снимках со спутников НАСА, таких как Landsat 8, наряду с бортовыми приборами. Изображения, собранные с Landsat 8, спутника NASA Terra, спутника ESA Sentinel-2 и других спутников наблюдения Земли, используются для мониторинга деревьев вокруг вулканов. Долгосрочная запись данных со спутников Landsat позволяет ученым изучать вулканические изменения в течение периодов лет или десятилетий.

Национальная служба информации о вулканах (NVIS) будет незаменимым компонентом NVEWS, интегрируя передовые решения в области информационных технологий (ИТ) для обеспечения эффективного мониторинга, точной интерпретации данных и эффективной коммуникации о вулканических опасностях. NVIS будет отвечать за сбор, агрегирование, хранение и распространение огромных объемов данных мониторинга вулканов со всей страны, включая сейсмическую активность, деформацию грунта, выбросы газа и другие явления, связанные с вулканическими волнениями. Этот комплексный подход представляет будущее мониторинга вулканов в Соединенных Штатах.

Европейское космическое агентство Sentinel Missions

Спутники Copernicus Sentinel Европейского космического агентства стали важнейшими инструментами для мониторинга вулканов. Спутники Copernicus Sentinel-1 представляют собой крупный прорыв в области наблюдения Земли, поскольку они обеспечивают беспрецедентную оперативную возможность для интенсивного радиолокационного картирования поверхности Земли благодаря двум ее космическим аппаратам. Спутники-близнецы Sentinel-1 обеспечивают повышенную частоту повторного посещения и пространственное покрытие, что позволяет более часто наблюдать вулканическую деформацию.

Термальные инфракрасные каналы SLSTR (радиометр температуры поверхности моря и суши) Copernicus Sentinel-3 могут использоваться как для дневного, так и для ночного мониторинга вулканического пепла, в то время как ультрафиолетовые каналы инструмента TROPOMI Copernicus Sentinel-5P используются для извлечения общего количества SO2 в нижней атмосфере. Этот мультисенсорный подход позволяет осуществлять комплексный мониторинг как поверхностной активности, так и атмосферных выбросов вулканов.

Беспрецедентное пространственное разрешение Sentinel-5P 3,5×7 км2 позволяет обнаруживать выбросы как никогда раньше, настолько, что оно было включено в системы мониторинга в режиме реального времени, такие как Консультативные центры вулканического пепла (VAAC). Эти консультативные центры используют спутниковые данные для отслеживания облаков вулканического пепла и выдают предупреждения авиационным властям, помогая предотвратить опасные столкновения между самолетами и вулканическим пеплом.

Коммерческие и международные спутниковые системы

Помимо правительственных спутников, коммерческие и международные спутниковые системы предоставляют ценные данные для мониторинга вулканов. Коммерческие спутники высокого разрешения, такие как PlanetScope и Pléiades, предоставляют подробные оптические изображения, которые дополняют наблюдения с более низким разрешением, но более частые наблюдения с правительственных спутников. Созвездие COSMO-SkyMed Итальянского космического агентства предлагает радиолокационные изображения высокого разрешения, которые особенно ценны для детальных исследований деформации.

Интеграция данных из нескольких спутниковых систем, как правительственных, так и коммерческих, обеспечивает наиболее полную возможность мониторинга вулканов. Этот многоплатформенный подход обеспечивает доступ ученых к различным типам наблюдений с различными пространственными и временными разрешениями, позволяя им обнаруживать и отслеживать вулканическую активность более эффективно, чем это было бы возможно с любой отдельной спутниковой системой.

Системы мониторинга вулканов

Автоматизированные системы обнаружения и оповещения

Автоматизированные системы мониторинга вулканов изменили скорость и эффективность обнаружения извержений. Наиболее используемыми системами дистанционного зондирования являются системы теплового мониторинга на основе датчиков умеренного разрешения, таких как данные MODIS (MIROVA, MODVOLC, REALVOLC) или VIIRS (FIRMS), которые обеспечивают примерно 2/4 изображения ежедневно с разрешением 1 км. Эти системы непрерывно обрабатывают спутниковые данные и автоматически отмечают тепловые аномалии, которые могут указывать на новую или изменяющуюся вулканическую активность.

Система MIROVA (Middle InfraRed Observation of Volcanic Activity) иллюстрирует возможности современного автоматизированного мониторинга. Система обрабатывает данные MODIS в режиме реального времени и публикует результаты на общедоступном веб-сайте, позволяя вулканологам, аварийным менеджерам и даже широкой общественности отслеживать вулканическую тепловую активность по всему миру. Этот подход с открытым доступом демократизирует информацию о мониторинге вулканов и позволяет быстро реагировать на новые вулканические события.

Национальная система раннего предупреждения и мониторинга вулканов (NVEWS) была впервые утверждена Конгрессом в 2019 году для создания в рамках Геологической службы США (USGS). NVEWS служит важной основой для того, как USGS контролирует вулканическую деятельность по всей стране, чтобы обеспечить своевременное предупреждение и защитить граждан от потенциальных опасностей, связанных с извержениями вулканов. Эта система объединяет спутниковые данные с наземными наблюдениями для обеспечения всестороннего мониторинга вулканов по всей территории Соединенных Штатов.

Интеграция с наземным мониторингом

В то время как спутниковый мониторинг обеспечивает беспрецедентный пространственный охват, наиболее эффективный мониторинг вулканов сочетает спутниковые наблюдения с наземными измерениями. Сейсмические сети обнаруживают землетрясения, связанные с движением магмы, GPS-станции измеряют деформацию земли с высокой точностью, а газовые датчики отслеживают изменения вулканических выбросов. При интеграции со спутниковыми данными эти наземные наблюдения обеспечивают полную картину вулканической активности.

Деформация поверхности добавляет важный показатель вулканической активности наряду с другими наблюдениями, которые основаны на спутниках, такими как газовое, тепловое и визуальное дистанционное зондирование для мониторинга вулканов.Сочетание нескольких методов мониторинга обеспечивает избыточность и перекрестную валидацию, повышая уверенность в оценках уровней вулканической опасности.

Для хорошо контролируемых вулканов с обширными наземными приборами спутниковые данные обеспечивают дополнительные наблюдения, которые заполняют пробелы в сети мониторинга. Для отдаленных или плохо контролируемых вулканов спутниковые наблюдения могут быть единственным источником информации о вулканической активности. Такая гибкость делает спутниковый мониторинг важным компонентом глобальных усилий по наблюдению за вулканами.

Известные активные вулканы, наблюдаемые из космоса

Вулкан Килауэа, Гавайи

Килауэа на острове Гавайи является одним из самых активных вулканов в мире. Частые извержения вулкана и его доступность сделали его естественной лабораторией для тестирования и уточнения методов спутникового мониторинга. Во время извержения 2018 года спутниковые данные отслеживали открытие множественных трещин и продвижение потоков лавы, предоставляя важную информацию для усилий по реагированию на чрезвычайные ситуации.

Килауэа извергается эпизодически в кальдере саммита с 23 декабря 2024 г. Извержение на вершине вулкана Килауэа, начавшееся в кратере Халемаумау 23 декабря, продолжалось на прошлой неделе. Эпизод 17 начался вечером 7 апреля и закончился утром 9 апреля. Непрерывный спутниковый мониторинг отслеживает эти эпизодические извержения, помогая ученым понять поведение вулкана и прогнозировать будущую активность.

Гора Этна, Италия

Гора Этна, самый активный вулкан Европы, служит еще одним важным испытательным полигоном для технологий спутникового мониторинга. Изображения, собранные с помощью Landsat 8, спутника НАСА Terra, спутника ЕКА Sentinel-2 и других спутников наблюдения Земли, отслеживают деревья вокруг вулкана Этна на побережье Сицилии. Частое действие вулкана и его местоположение в густонаселенном регионе делают эффективный мониторинг необходимым для общественной безопасности.

Ученые использовали гору Этна для тестирования инновационных подходов к мониторингу, включая обнаружение вулканического углекислого газа через изменения в здоровье растительности.Хорошо документированная история извержения вулкана и обширная наземная сеть мониторинга делают его идеальным местом для проверки спутниковых методов мониторинга.

Фенталь-Дофенские вулканы, Эфиопия

Вулканический кризис 2024-2025 годов в вулканах Фентале-Дофен в Эфиопии продемонстрировал критическую важность спутникового мониторинга вулканов в отдаленных районах с ограниченной наземной инфраструктурой. В период с сентября 2024 года по март 2025 года между вулканами Фентале и Дофен, Эфиопия, произошла последовательность вторжений магматических дамб. Из-за повреждения инфраструктуры, поверхностных трещин и потенциальных извержений в январе 2025 года было эвакуировано ~ 75 000 человек. Доступ наземного населения к региону остается ограниченным.

Недавняя сейсмотектоническая активность в районе Фентале-Дофена Главного эфиопского разлома была обусловлена вторжением нескольких дамб длиной до ~ 50 км, наблюдаемых с использованием спутниковой радиолокационной интерферометрии. Более 300 землетрясений магнитудой 4 или более были зарегистрированы международными сейсмическими сетями, а участок GNSS в Аддис-Абебе переместился ~ 20 мм на запад. Эти и другие наблюдения на земле были использованы для создания очень упрощенной карты опасности и 75 000 человек были эвакуированы. Это событие продемонстрировало, как спутниковые данные могут обеспечить эффективное реагирование на чрезвычайные ситуации даже в районах с ограниченным наземным мониторингом.

Алеутские Арковые вулканы, Аляска

В 900 милях от Анкориджа, АК и глубоко в коварном Беринговом море находится вулкан Окмок. Последний раз он извергался в 2008 году, отправляя пепел в небо и воздушное пространство, используемое тысячами гражданских рейсов между Северной Америкой и Азией. Окмок является одним из многих активных вулканов вдоль так называемой дуги Алеутских островов. Учитывая активность и близость дуги к Аляске, Канаде и важным транспортным маршрутам, ученые и чиновники остро заинтересованы в том, чтобы пристально следить за вулканами.

Крайняя удаленность и суровые погодные условия на Алеутских островах делают спутниковый мониторинг особенно ценным. Впервые исследователи в недавно опубликованном исследовании успешно использовали новый архив сканирования SAR для систематического измерения вулканической деформации через Окмок и другие вулканы Алеутских островов с 2015 по 2021 год. Эта систематическая возможность мониторинга помогает защитить авиацию и прибрежные сообщества от вулканических опасностей.

Проблемы и ограничения спутникового мониторинга

Погода и атмосферные помехи

Облачный покров представляет собой одну из основных проблем для оптических и тепловых спутниковых наблюдений вулканов. Плотные облака могут полностью заслонять поверхность вулкана, предотвращая обнаружение тепловых аномалий или изменений поверхности. Это ограничение особенно проблематично в тропических регионах и в зимние месяцы на высоких широтах, где устойчивый облачный покров является обычным явлением.

Захват тепловых изображений с расстояния имеет недостатки из-за его зависимости от благоприятных погодных и атмосферных условий.Вулканические золовые шлейфы и выбросы пара также могут мешать спутниковым наблюдениям, затрудняя точное измерение температуры поверхности или обнаружение тонких изменений вулканической активности.

Методы радиолокационного мониторинга, такие как InSAR, дают преимущество в этом отношении, поскольку радиолокационные сигналы могут проникать в облака и работать днем или ночью.Однако ограничивающие факторы InSAR включают доступность спутников, искажения от атмосферных эффектов и необходимость относительно длительных интервалов между измерениями, чтобы деформация была очевидна выше пределов обнаружения.Атмосферный водяной пар может вносить ошибки в измерения InSAR, требуя сложных методов коррекции.

Временное и пространственное разрешение компромиссы

Спутниковый мониторинг предполагает врожденные компромиссы между пространственным разрешением, временным разрешением и пространственным охватом. Спутники высокого разрешения, которые могут обнаруживать мелкие особенности, обычно имеют узкие полосы и нечастое время повторного посещения, в то время как спутники с ежедневным глобальным охватом обычно имеют более низкое пространственное разрешение. Это означает, что ни одна спутниковая система не может обеспечить как подробные наблюдения, так и непрерывный мониторинг всех вулканов.

InSAR эффективен для измерения крупномасштабной, долгосрочной деформации на больших площадях, где другие методы были бы непомерно дорогими, и это хорошая техника для поиска деформации, где она ранее не была идентифицирована.За некоторыми исключениями, InSAR еще не является оперативным инструментом для большинства вулканов, которые демонстрируют значительные волнения, угрожают извержением или фактически извержением, потому что повторные изображения InSAR данного вулкана могут быть захвачены только примерно через ежемесячные интервалы, когда спутник находится над головой.

Разработка спутниковых созвездий с несколькими космическими аппаратами помогает устранить это ограничение, увеличивая частоту повторного посещения.Однако обработка и анализ полученного потока данных представляет собой собственные проблемы, требующие сложных автоматизированных систем и значительных вычислительных ресурсов.

Проблемы обработки и интерпретации данных

Преобразование необработанных спутниковых данных в действенную информацию о вулканической активности требует специализированных знаний и вычислительных ресурсов. Обработка InSAR, в частности, включает в себя сложные алгоритмы и может отнимать много времени. В то время как платформы облачных вычислений значительно сократили время обработки, потребность в экспертной интерпретации сохраняется.

Отличить вулканические сигналы от других источников изменения представляет собой другую проблему. Деформация грунта может быть результатом невулканических процессов, таких как добыча подземных вод, оползни или тектонические движения. Тепловые аномалии могут быть вызваны лесными пожарами или промышленной деятельностью. Ученые должны тщательно анализировать спутниковые данные в контексте, учитывая геологическую обстановку, историческую активность и другие данные мониторинга, чтобы правильно интерпретировать наблюдения.

Огромный объем спутниковых данных, доступных в настоящее время, также представляет проблемы. В связи с тем, что несколько спутниковых систем постоянно собирают данные, ученые должны разработать эффективные методы для выявления значительных изменений среди огромного количества рутинных наблюдений. Машинное обучение и методы искусственного интеллекта демонстрируют перспективы для автоматизации этого процесса, но человеческий опыт остается необходимым для интерпретации сложных вулканических явлений.

Будущие разработки в области спутникового мониторинга вулканов

Спутниковые системы следующего поколения

Будущее спутникового мониторинга вулканов выглядит все более перспективным, поскольку разрабатываются и запускаются новые спутниковые системы с расширенными возможностями. Заинтересованные стороны и ученые ожидают запуска гиперспектрального инфракрасного излучателя (HyspIRI), который будет иметь тепловой инфракрасный излучатель, подобный ASTER на борту. Информация, полученная ASTER, используется при разработке HyspIRI и будущих тепловых инфракрасных датчиков, способствующих расширенной спутниковой записи и следующему поколению спутников наблюдения Земли, отслеживающих вулканические угрозы из космоса.

Достижения в области спутниковой технологии продолжают улучшать пространственное разрешение, временное разрешение и спектральные возможности. Будущие спутники могут обнаруживать еще более тонкие признаки вулканических волнений, потенциально продлевая время предупреждения до извержений. Развитие малых спутниковых созвездий может обеспечить почти непрерывный мониторинг активных вулканов, значительно улучшая нашу способность отслеживать быстрые изменения вулканической активности.

По мере развития технологий NVEWS и ее зависимость от передовых ИТ-решений будут обеспечивать, чтобы NVIS и NVEWS могли полностью преобразовать научные усилия в ощутимые выгоды для общества как незаменимого союзника в постоянных усилиях USGS по обеспечению безопасности нации. Интеграция искусственного интеллекта и машинного обучения в обработку спутниковых данных обещает обеспечить более быстрое и точное обнаружение вулканических волнений.

Улучшенная интеграция данных и доступность

Будущие разработки будут сосредоточены не только на сборе большего количества и более качественных спутниковых данных, но и на том, чтобы сделать эти данные более доступными и полезными для сообщества мониторинга вулканов. Облачные платформы обработки облегчают ученым во всем мире доступ к спутниковым данным и их анализ без необходимости дорогостоящей местной вычислительной инфраструктуры.

Бекаерт, Лу и команда проекта InSAR в Облаке создали и успешно продемонстрировали архив и инструменты, которые позволяют быстрее и проще анализировать и отслеживать изменения вулканов. Эти типы инициатив демократизируют доступ к возможностям спутникового мониторинга, позволяя большему количеству ученых и учреждений вносить свой вклад в глобальные усилия по наблюдению за вулканами.

Разработка стандартизированных форматов данных и рабочих процессов обработки облегчит интеграцию данных из нескольких спутниковых систем и наземных сетей. Такая совместимость позволит обеспечить более комплексный и надежный мониторинг вулканов, сочетая сильные стороны различных методов наблюдения, чтобы обеспечить более полную картину вулканической активности.

Усиление возможностей прогнозирования извержений

По мере того, как системы спутникового мониторинга созревают и архивы исторических данных растут, ученые разрабатывают все более сложные модели прогнозирования извержений. Алгоритмы машинного обучения могут идентифицировать тонкие закономерности в спутниковых данных, которые могут избежать человеческого внимания, потенциально выявляя новые сигналы-предшественники вулканических волнений.

Пытаться точно определить время извержений вулканов пока не представляется возможным, однако тепловизионные камеры в значительной степени помогают ученым USGS, собирая ценные данные для текущей и исторической справки. Чем больше ученые USGS могут понять, как ведут себя вулканы в неактивное и активное время, тем ближе они могут прийти к определению точного времени извержения вулкана. Накопление десятилетий спутниковых наблюдений создает беспрецедентную базу данных вулканического поведения, которая улучшит прогнозирование извержений на долгие годы.

Интеграция спутниковых данных с численными моделями вулканических процессов обещает улучшить наше понимание того, как работают вулканы, и улучшить нашу способность прогнозировать извержения.Объединив наблюдения за деформацией поверхности, тепловыми выбросами, выбросом газа и другими явлениями с основанными на физике моделями движения магмы и динамики извержений, ученые могут разработать более точные прогнозы вулканической активности.

Основные технологии мониторинга вулканов

Комплексный мониторинг вулканов из космоса опирается на несколько ключевых технологий, работающих совместно:

  • Тепловые датчики изображения — Обнаружение тепловых выбросов от потоков лавы, лавовых озер и фумаролов, позволяющих идентифицировать активные вулканические особенности и оценить скорость извержений
  • Радиолокационная интерферометрия — измеряет деформацию грунта с точностью до сантиметра, выявляя движение магмы под вулканами до извержений
  • Спектральный анализ — Выявляет вулканические газы и аэрозоли в атмосфере, обеспечивая понимание состава магмы и динамики извержений
  • Мониторинг деформации грунта - отслеживает изменения формы и высоты вулкана, которые указывают на проникновение магмы или удаление
  • Оптические системы визуализации - Обеспечить визуальную документацию вулканических особенностей, потоков лавы и пепловых шлейфов для детального анализа
  • Автоматизированные алгоритмы обнаружения (FLT:0) Обработка спутниковых данных в режиме реального времени для выявления тепловых аномалий и других признаков вулканической активности
  • Облачные вычислительные платформы — позволяют быстро обрабатывать и анализировать большие объемы спутниковых данных из нескольких источников
  • Методы синтеза данных - Объединить наблюдения из нескольких спутниковых систем для обеспечения комплексного мониторинга вулканов

Глобальное влияние спутникового мониторинга вулканов

Дистанционное зондирование играет все более важную роль в мониторинге практически всех примерно 1500 потенциально активных вулканов мира. Этот глобальный потенциал мониторинга трансформировал науку о вулканах и управление рисками, позволяя ученым отслеживать вулканическую активность в вулканах, которые в противном случае оставались бы неподконтрольными из-за их удаленного местоположения или ограниченных ресурсов в странах, где они расположены.

Преимущества спутникового мониторинга вулканов выходят далеко за рамки научного сообщества. Авиационные власти используют спутниковые данные для отслеживания облаков вулканического пепла и перенаправлять полеты во избежание опасных столкновений с пеплом. Агентства по управлению чрезвычайными ситуациями полагаются на спутниковые наблюдения для принятия обоснованных решений об эвакуации и распределении ресурсов. Страховые компании используют спутниковые данные для оценки вулканического риска и установления соответствующих премий. Экономическая ценность спутникового мониторинга вулканов намного превышает стоимость эксплуатации спутниковых систем.

Международное сотрудничество имеет важное значение для успеха глобальных усилий по мониторингу вулканов. Космические агентства по всему миру обмениваются спутниковыми данными и сотрудничают в осуществлении инициатив по мониторингу, признавая, что вулканические опасности выходят за рамки национальных границ. Этот дух сотрудничества обеспечивает, чтобы возможности спутникового мониторинга приносили пользу всем странам, независимо от их собственных возможностей в области космической программы.

Демократизация доступа к спутниковым данным позволила ученым в развивающихся странах осуществлять мониторинг вулканов в своих регионах с использованием тех же передовых инструментов, которые доступны исследователям в богатых странах.Политика открытых данных от НАСА, ЕКА и других космических агентств выровняла игровое поле, позволив вулканным обсерваториям во всем мире извлечь выгоду из передовых технологий спутникового мониторинга.

Вывод: будущее космического наблюдения вулканов

Спутниковые технологии коренным образом изменили нашу способность контролировать активные вулканы и потоки лавы во всем мире. От тепловизионного изображения, которое обнаруживает первые признаки магмы, достигающей поверхности, до радиолокационной интерферометрии, которая обнаруживает тонкую деформацию земли за месяцы до извержения, космический мониторинг предоставляет возможности, которые невозможно было бы достичь только наземными методами.

Интеграция нескольких спутниковых систем, каждая из которых обладает уникальными возможностями, обеспечивает комплексный мониторинг вулканов, который сочетает в себе сильные стороны различных методов наблюдения. Автоматизированные системы обнаружения позволяют быстро идентифицировать новую вулканическую активность, в то время как платформы облачных вычислений позволяют ученым обрабатывать и анализировать огромные объемы данных в режиме реального времени. Эти технологические достижения значительно улучшили нашу способность прогнозировать извержения и защищать уязвимые сообщества.

По мере развития спутниковой технологии будущее мониторинга вулканов выглядит все более перспективным. Спутники следующего поколения с расширенными возможностями, улучшенными алгоритмами обработки данных и лучшей интеграцией нескольких источников данных еще больше улучшат нашу способность обнаруживать, отслеживать и понимать вулканическую активность. Растущий архив исторических спутниковых наблюдений обеспечивает беспрецедентную базу данных для изучения вулканического поведения и разработки более точных моделей прогнозирования извержений.

Успех спутникового мониторинга вулканов демонстрирует ценность устойчивых инвестиций в системы наблюдения Земли. Возможность контролировать все активные вулканы Земли из космоса обеспечивает преимущества, которые выходят далеко за рамки вулканологии, способствуя авиационной безопасности, управлению чрезвычайными ситуациями и нашему фундаментальному пониманию того, как работает наша планета. По мере того, как мы смотрим в будущее, дальнейшее развитие и эксплуатация систем спутникового мониторинга будет оставаться необходимым для защиты сообществ во всем мире от вулканических опасностей.

Для получения дополнительной информации о мониторинге вулканов и вулканических опасностях посетите программу USGS Volcano Hazards Program и NASA Earthdata. Дополнительные ресурсы по применению спутникового дистанционного зондирования можно найти на портале Европейского космического агентства по наблюдению за Землей Европейского космического агентства .