Table of Contents

Системы мониторинга вулканов и раннего предупреждения представляют собой один из наиболее важных компонентов современного снижения риска бедствий, служа первой линией обороны для миллионов людей, живущих в тени активных вулканов во всем мире. Эти сложные системы сочетают в себе передовые технологии, научный опыт и участие сообщества в обнаружении тонких признаков вулканических волнений и обеспечении своевременных оповещений, которые могут означать разницу между жизнью и смертью. Поскольку вулканическая активность продолжает представлять значительную угрозу для сообществ по всему миру, разработка и внедрение комплексных сетей мониторинга становится все более жизненно важным для защиты жизни, инфраструктуры и экономической стабильности.

Понимание критической важности мониторинга вулканов

Извержения представляют значительную угрозу для 29 миллионов человек во всем мире, которые живут в пределах 10 км от активных вулканов. Важность мониторинга вулканов выходит далеко за рамки простого наблюдения за геологическими явлениями - это представляет собой фундаментальную приверженность общественной безопасности и готовности к стихийным бедствиям. Мониторинг вулканов включает систематическое отслеживание различных геологических, геофизических и атмосферных показателей, которые могут сигнализировать о предстоящей вулканической активности. Эти показатели включают сейсмическую активность, выбросы газа, деформацию почвы, изменения температуры и многочисленные другие параметры, которые ученые определили как предшественники извержений вулканов.

Непрерывное наблюдение за этими показателями позволяет ученым выявлять закономерности и аномалии, которые предшествуют извержениям, часто обеспечивая критическое время предупреждения для эвакуации и реагирования на чрезвычайные ситуации. В отличие от землетрясений, извержения большинства хорошо контролируемых вулканов могут прогнозироваться задолго до их возникновения, а их местоположение хорошо известно заранее. Предварительное предупреждение позволяет подготовиться, что часто может смягчить худшие последствия извержения. Эта предсказательная способность делает мониторинг вулканов одним из самых эффективных инструментов смягчения последствий стихийных бедствий.

Своевременное и точное прогнозирование извержений может спасти жизни, уменьшить экономические потери и минимизировать потери из-за сбоев в авиаперевозках, сельском хозяйстве и глобальных цепочках поставок. Экономические и социальные последствия извержений вулканов могут быть разрушительными, затрагивая не только местные сообщества, но и региональные и глобальные системы. Облака вулканического пепла могут нарушить международную авиацию, вулканические газы могут повлиять на климатические модели, а потоки лавы или пирокластические потоки плотности могут уничтожить целые сообщества. Эффективные системы мониторинга предоставляют критическую информацию, необходимую для минимизации этих воздействий посредством раннего предупреждения и скоординированных усилий реагирования.

Эволюция систем раннего предупреждения о вулканах

Развитие систем раннего предупреждения вулканов значительно эволюционировало за последние несколько десятилетий, обусловленное как технологическими достижениями, так и уроками, извлеченными из крупных вулканических бедствий.Национальная система раннего предупреждения и мониторинга вулканов является федеральной программой США в рамках Геологической службы США для мониторинга активности вулканов и обеспечения раннего предупреждения в районах, находящихся под угрозой. Она была санкционирована Законом о сохранении, управлении и отдыхе Джона Д. Дингелла-младшего от 12 марта 2019 года.

В Соединенных Штатах насчитывается 169 молодых вулканов, многие из которых считаются опасными из-за их близости к населенным районам. Геологическая служба США считает, что многие из наиболее опасных вулканов находятся под недостаточным контролем, не имея достаточных научных инструментов на местах для измерения активности и потенциальных угроз. Это признание пробелов в мониторинге привело к значительным инвестициям в расширение и модернизацию инфраструктуры мониторинга вулканов в Соединенных Штатах и во всем мире.

VHP учредила Научный центр вулканов для управления пятью обсерваториями вулканов (Аляска, Калифорния, Каскады, Гавайи и Йеллоустоун; см. Рисунок 1) и поддерживает Программу помощи в случае стихийных бедствий вулкана для оказания помощи в борьбе с угрозами вулканов в других странах. Эти обсерватории составляют основу сети мониторинга вулканов США, каждая из которых специализируется на уникальных вулканических системах в своих соответствующих регионах.

Процесс оценки угрозы становится все более сложным. В 2018 году USGS опубликовала обновленную оценку вулканической угрозы для 161 вулкана в 14 штатах и территориях США с использованием 24 факторов, описывающих потенциал опасности вулкана и подверженность людей и имущества этим опасностям. Оценка присвоила пять уровней угрозы (очень высокий, высокий, умеренный, низкий и очень низкий) и оценила 18 вулканов как очень высокие и 39 как высокие. Этот систематический подход к оценке угрозы гарантирует, что ресурсы мониторинга распределяются в соответствии с уровнем риска, создаваемого каждым вулканом.

Передовые технологии, преобразующие мониторинг вулканов

Системы сейсмического мониторинга

Сейсмический мониторинг остаётся одним из наиболее фундаментальных и надёжных методов обнаружения вулканических волнений. Вулканические землетрясения происходят при движении магмы по земной коре, разрыве пород и создании характерных сейсмических сигнатур, которые могут быть обнаружены и проанализированы сетями сейсмометров. Закон предписывал USGS модернизировать системы мониторинга на существующих вулканообсерваториях для включения в них новых технологий, таких как цифровые широкополосные сейсмометры, приемники глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS), радиолокационная интерферометрия и спектрометрия для измерения выбросов газа из вулканов.

Недавние достижения в области сейсмического мониторинга ввели сложные аналитические методы, которые могут извлечь больше информации из сейсмических данных. Инженер-исследователь Университета Кентербери (UC) доктор Альберто Ардид и доцент Дэвид Демпси использовали машинное обучение для анализа сейсмических моделей, ведущих к 41 предыдущему извержению на 24 вулканах, в том числе на трех в Новой Зеландии. Они обнаружили, что эти предупреждающие сигналы о извержении следуют повторяемым моделям, которые могут быть переданы другим, менее изученным вулканам.

Одним из наиболее перспективных последних разработок в области сейсмического мониторинга является метод «Jerk». Используя один широкополосный сейсмометр, система может обнаруживать чрезвычайно тонкие движения земли, вызванные магмой, подталкивающей под землю — часто за несколько часов до начала извержения. Испытанный более десяти лет в вулкане Питон-де-ла-Фурнез на Ла-Реюньоне, инструмент успешно предсказал 92% извержений в период с 2014 по 2023 год, иногда давая до восьми часов предупреждения. Этот прорыв демонстрирует, как усовершенствованные аналитические методы могут извлекать критические предупреждающие сигналы из сейсмических данных, которые в противном случае могли бы остаться незамеченными.

Распределенная технология акустического зондирования

Распределенное акустическое зондирование (DAS) представляет собой одну из самых захватывающих технологических инноваций в мониторинге вулканов. В 2024 году в регионе была развернута разработанная в Калтехе технология зондирования для изучения движения подповерхностной магмы и ее извержения в лаву на поверхности. Используя данные технологии, называемой распределенным акустическим зондированием (DAS), исследователи разработали метод, позволяющий обеспечить предупреждения за 30 минут до извержений лавы.

За год исследования DAS собрала данные о подземной вулканической активности, отслеживая, как Земля растягивается в реальном времени по мере движения магмы. Из этих данных команда разработала предварительную систему раннего предупреждения, которая давала общественности от 30 минут до нескольких часов предварительного уведомления до извержения, в зависимости от характера вторжения магмы. Эта технология оказалась особенно ценной на высокоактивном полуострове Рейкьянес в Исландии, где быстрое движение магмы может привести к извержениям с небольшим предупреждением.

Применение глубокого обучения к данным DAS еще больше расширило его возможности. Предлагаемая модель не только обнаруживает наличие вулкано-тектонических событий, но и анализирует их временную эволюцию, отбирая и классифицируя их полные формы волн с точностью примерно 97%. Кроме того, модель продемонстрировала надежную производительность в обобщении на другие временные интервалы и вулканы. Такой высокий уровень точности и переносимости делает системы мониторинга на основе DAS все более ценными для вулканообсерваторий по всему миру.

Мониторинг деформации земли

Мониторинг деформации грунта отслеживает тонкие изменения формы поверхности вулкана, которые происходят при движении магмы под ним. Современный мониторинг деформации грунта использует несколько дополнительных технологий, включая приемники GPS/GNSS, наклонные счетчики и спутниковую радиолокационную интерферометрию.

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. Эта система, называемая VolcSARvatory, представляет собой значительный прогресс в возможностях мониторинга деформации грунта.

VolcSARvatory использует интерферометрический радар с синтетической апертурой или InSAR для обнаружения изменений движения земли размером до 1 сантиметра. Он работает путем объединения двух или более спутниковых радиолокационных изображений одной и той же области, сделанных в разное время. Долгосрочные изменения поверхности могут быть записаны путем сбора повторяющихся изображений для построения временных рядов данных из одного местоположения. Способность обнаруживать такие небольшие изменения высоты земли обеспечивает критическое раннее предупреждение о движении магмы, которое может быть не обнаружено другими средствами.

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 гораздо быстрее выявлять вулканические волнения, обеспечивая дополнительное время для реагирования на чрезвычайные ситуации и эвакуации, если это необходимо.

Мониторинг вулканического газа

Выбросы вулканического газа дают важную информацию о состоянии магматической системы вулкана. Когда магма поднимается под землю до извержения, она выделяет газы, в том числе углекислый газ и диоксид серы. Соединения серы легко обнаруживаются с орбиты. Изменения состава, объема и температуры вулканических газов могут указывать на то, что магма поднимается к поверхности или что магматическая система становится более активной.

Традиционный мониторинг газа включает наземные инструменты, которые измеряют концентрации и состав газа, но спутниковый мониторинг расширил охват и частоту наблюдений за газом. Выбросы углекислого газа в вулкане, которые предшествуют выбросам диоксида серы - и обеспечивают одно из самых ранних указаний на то, что вулкан больше не спит - трудно отличить от космоса. Удалённое обнаружение озеленения растительности углекислым газом потенциально дает ученым другой инструмент - наряду с сейсмическими волнами и изменениями высоты земли - чтобы получить четкое представление о том, что происходит под вулканом.

Практическая ценность комплексного газового мониторинга была продемонстрирована в реальных сценариях. В декабре 2017 года правительственные исследователи на Филиппинах использовали эту систему 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 иллюстрирует, как эффективный газовый мониторинг может спасти тысячи жизней.

Спутниковое дистанционное зондирование

Глобальный мониторинг тепловой активности вулканов в режиме реального времени стал возможным благодаря тепловым инфракрасным датчикам на различных спутниковых платформах, которые позволяют точно оценивать выбросы вулканов. Спутниковое дистанционное зондирование произвело революцию в мониторинге вулканов, обеспечив непрерывный глобальный охват вулканической активности, в том числе в отдаленных районах, где наземный мониторинг затруднен или невозможен.

NVIS стремится не только интегрировать данные, полученные непосредственно из вулканообсерваторий (например, местные приборы и наземные измерения), но и спутниковые снимки, предоставляемые партнерскими агентствами, включая Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) и Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA). Например, несколько спутников NOAA обеспечивают критически важные возможности тепловизионной визуализации, важные для обнаружения пепла и горячих точек, в то время как спутниковые миссии, управляемые НАСА и другими сторонами, могут обеспечить подробные радиолокационные наблюдения вулканических ландшафтов.

Расширенные методы слияния данных повышают ценность спутниковых наблюдений. Мы внедряем инновационный алгоритм дистанционного зондирования данных (RSDF), разработанный в среде облачных вычислений, который обеспечивает масштабируемые вычислительные ресурсы и услуги по требованию через Интернет для мониторинга VRP локально с использованием данных различных мультиспектральных спутниковых датчиков: полярно-орбитальный спектрорадиометр с умеренным разрешением (MODIS), радиометр температуры поверхности моря и суши (SLSTR) и набор радиометров видимого инфракрасного изображения (VIIRS), а также геостационарный расширенный видимый и инфракрасный образчик (SEVIRI). Алгоритм RSDF, используя как пространственные, так и интенсивные функции, демонстрирует повышенную чувствительность при обнаружении высокотемпературных вулканических функций, тем самым улучшая мониторинг VRP по сравнению с обычными предварительно обработанными продуктами, доступными в Интернете.

Новые технологии и будущие инновации

S. 1052, представленный 13 марта 2025 года, будет повторно санкционировать NVEWS, санкционируя общие ассигнования для USGS в размере 75 миллионов долларов до FY2033, добавив начальника Лесной службы в качестве координационного агентства, продлив срок авторизации сумм, необходимых для NOAA для осуществления своей деятельности NVEWS до FY2034 и внесения поправок в NVEWS, добавив «инфразвуковые массивы, видимые и инфракрасные камеры и передовые цифровые телеметрические сети» к новым технологиям, которые USGS должны применять для модернизации NVEWS.

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА), оснащенные газовыми датчиками, ориентируются по опасным вулканическим ландшафтам, предоставляя подробную информацию о выбросах газа. Эти беспилотники способны достигать районов, недоступных традиционным станциям мониторинга, улучшая наше понимание вулканической активности. БПЛА предлагают гибкость для проведения целевых наблюдений в ответ на изменение вулканических условий, дополняя стационарные станции мониторинга.

Технология наземного обнаружения и ранжирования света (LDAR) помогает создавать подробные топографические карты вулканических регионов, помогая в оценке опасности и моделировании извержений. Эти топографические карты высокого разрешения необходимы для моделирования потенциальных потоков лавы, пирокластических течений плотности и других вулканических опасностей, что позволяет более точно оценивать опасность и планировать эвакуацию.

Компоненты комплексных систем раннего предупреждения

Интегрированные сети мониторинга

Эффективные системы раннего предупреждения интегрируют технологии множественного мониторинга для обеспечения комплексного наблюдения за вулканической активностью. Интеграция мониторинга вулканов в метеорологические рамки прогрессирует, чему способствуют многопараметрические инструменты, сочетающие сейсмические, геодезические, тепловые и газовые измерения. Этот многопараметрический подход гарантирует, что ученые могут обнаруживать вулканические волнения с помощью нескольких независимых индикаторов, снижая риск отсутствия критических предупреждающих знаков.

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. Централизация возможностей управления данными и анализа позволяет более эффективно контролировать и быстрее реагировать на время обнаружения вулканических волнений.

В случае извержения вулкана может быть нарушена связь и источники энергии. Для противодействия этому станции мониторинга часто используют резервные системы, в том числе альтернативные источники энергии, такие как солнечная или ветровая, обеспечивая бесперебойный сбор и передачу данных. Это избыточность имеет решающее значение для поддержания возможностей мониторинга на самых опасных этапах вулканической активности.

Анализ данных и интерпретация

Один из наиболее значительных вкладов ИТ в успех NVIS заключается в его способности поддерживать анализ в реальном времени и прогнозное моделирование. Ожидается, что NVIS будет использовать статистические и алгоритмы машинного обучения, чтобы обеспечить обработку потоков данных, идентификацию закономерностей и прогнозирование потенциальных извержений вулканов с повышенной точностью. Эти передовые аналитические методы позволяют ученым обнаруживать тонкие изменения в вулканическом поведении, которые в противном случае могли бы остаться незамеченными.

Применение искусственного интеллекта и машинного обучения к данным мониторинга вулканов представляет собой сдвиг парадигмы в том, как ученые анализируют и интерпретируют вулканические сигналы. Это открытие может стать прорывом для прогнозирования извержений, позволяя нам использовать данные хорошо контролируемых вулканов для улучшения мониторинга и снижения риска на недостаточно контролируемых объектах, повышая безопасность вулканов во всем мире. Модели машинного обучения могут выявлять сложные закономерности в данных мониторинга, которые могут быть трудными для обнаружения аналитиками-людьми, потенциально обеспечивая более ранние и более точные прогнозы извержений.

Коммуникационные и оповещенные системы

Наблюдение за явлениями извержений и интеграция мониторинга сигналов-прекурсоров, таких как геодезические, сейсмические и газовые потоки, а также обнаружение и интерпретация миграции магмы важны для своевременного предупреждения местных жителей и правительств и, таким образом, снижения рисков от вулканических явлений. Компонент связи систем раннего предупреждения так же важен, как и сама технология мониторинга - самая сложная система мониторинга имеет небольшую ценность, если предупреждения не могут вовремя достичь тех, кто подвергается риску.

Быстрая информационно-пропагандистская работа становится все более возможной благодаря мобильным связям, стандартизированным подходам к протоколу общего оповещения (CAP) и многоуровневым системам общественной связи. Но пробелы сохраняются - примерно одна треть населения мира остается вне эффективного охвата раннего предупреждения. Эффективность предупреждений также подрывается фрагментированными мандатами, исключением уязвимых сообществ и отсутствием доверия. Устранение этих пробелов в коммуникации остается критической проблемой для систем раннего предупреждения вулканов во всем мире.

Системы оповещения о вулканах

На более чем 80 обсерваториях вулканов по всему миру возложена задача мониторинга и передачи своевременной и полезной информации о поведении вулкана. Эта роль оценки и коммуникации структурирована вокруг систем раннего предупреждения о вулканах, составляющих ряд методов связи, разработанных вулканологами и политиками для предоставления информации населению, подверженному риску вулканических опасностей, и для того, чтобы позволить им искать безопасность, как на местном, так и на региональном уровнях.

Системы оповещения о вулканах (VALS) обеспечивают стандартизированную основу для передачи текущего состояния вулканической активности и связанных с ней опасностей. В США отдельные стандартизированные системы оповещения о вулканах используются для наземных опасностей (текстовые) и для авиационных опасностей (цветной код). Для улучшения связи с неучеными, а также метеорологическими и авиационными властями о вулканической активности, потенциально затрагивающей авиационное пространство, система предупреждения о вулканическом уровне для авиации с цветовым кодом была создана Геологической службой США (USGS).

В отличие от систем вулканического уровня оповещения США и Новой Зеландии, которые основаны на текущей активности вулкана, и не защищают действия и не предоставляют консультации пользователям, участвующим в кризисном управлении и смягчении последствий, японская система вулканического уровня оповещения рассматривает меры, которые должны быть приняты, указывая области опасности, указывая степень эвакуации и излагая ожидаемую вулканическую активность. Это разнообразие подходов отражает различные потребности и контексты различных вулканических регионов.

Авиационная безопасность и мониторинг вулканического пепла

К ноябрю 2025 года американские ВАК начнут выпускать «Количественный вулканический пепел» (QVA), модернизированный информационный поток вероятностных прогнозов вулканического пепла, основанный на будущих стандартах согласно рекомендациям ICAO, приложенным к приложению 3 Amd 81. Вулканический пепел представляет серьезную угрозу для авиации, способной вызвать отказ двигателя и повредить системы самолетов. Вулканические консультативные центры пепла (VAAC) играют решающую роль в мониторинге облаков вулканического пепла и предоставлении предупреждений авиационной промышленности.

Сегодня в рамках всемирной системы из девяти консультативных центров вулканического пепла (VAAC) обнаруживаются облака пепла и выдаются рекомендации, описывающие их текущее и ожидаемое местоположение на спутниковых данных, уведомления об обсерватории вулканов, пилотные отчеты и моделирование атмосферной дисперсии. Эта глобальная сеть обеспечивает непрерывный мониторинг опасностей вулканического пепла для авиации и быстрое получение предупреждений авиакомпаниями и центрами управления воздушным движением.

Готовность и реакция сообщества

Общественное образование и осведомленность

Даже самые сложные системы мониторинга и предупреждения не могут эффективно защищать общины без надлежащего государственного образования и готовности. Образовательные программы играют жизненно важную роль в обеспечении того, чтобы жители, живущие вблизи вулканов, понимали опасности, с которыми они сталкиваются, распознавали предупреждающие знаки и знали, как реагировать при выдаче предупреждений. Эти программы должны быть культурно приемлемыми, доступными для всех членов сообщества, включая уязвимые группы населения, и регулярно обновляться, чтобы отражать текущее научное понимание и чрезвычайные процедуры.

Эффективное государственное образование выходит за рамки простого предоставления информации - оно должно укреплять доверие между учеными, руководителями чрезвычайных ситуаций и сообществами, которым они служат. Тем не менее, семинар выявил многие случаи, когда партнерские отношения между научными и правительственными сообществами спасали жизни. Одним из важнейших факторов этого прогресса является Всемирная организация обсерваторий вулканов (WOVO), глобальная сеть в рамках Международной ассоциации вулканологии и химии внутренностей Земли (IAVCEI) Научная ассамблея, которая способствует обмену информацией, поддержке со стороны сверстников и техническому сотрудничеству между обсерваториями.

Планирование эвакуации и буровые установки

Планирование эвакуации является важнейшим компонентом готовности к вулканическим бедствиям. Эффективные планы эвакуации должны учитывать конкретные опасности, создаваемые каждым вулканом, размер и распределение групп риска, наличие транспортной инфраструктуры и время, необходимое для безопасной эвакуации в различных районах. Регулярные учения по эвакуации помогают обеспечить, чтобы как аварийные службы, так и члены сообщества понимали свою роль и могли эффективно выполнять планы эвакуации, когда это необходимо.

Успех усилий по эвакуации в значительной степени зависит от времени выполнения задач, обеспечиваемых системами мониторинга и раннего предупреждения. Время предупреждения колебалось от нескольких минут до восьми часов до начала извержения. Даже относительно короткое время предупреждения может быть достаточным для спасения жизней, если планы эвакуации хорошо разработаны и регулярно практикуются, но более длительное время предупреждения позволяет проводить более упорядоченную эвакуацию и снижает риск жертв.

Многоопасная готовность

Вулканические извержения порождают сложный спектр опасностей. Первичные явления, такие как пирокластические течения плотности, потоки лавы, пепел и токсичные газы, могут опустошать города и сельские общины. Сообщества должны готовиться к полному спектру вулканических опасностей, а не только к наиболее очевидным из них. Это включает вторичные опасности, такие как лахары (вулканические сели), которые могут возникать во время или после извержений, когда вулканический материал смешивается с водой из осадков или расплавленного снега и льда.

Это программное обеспечение модернизирует возможности NWS для отслеживания сообщений и предупреждений, предоставляемых сообществам на пути потоков вулканического мусора и лахаров. Специализированные системы предупреждения для лахаров особенно важны, потому что эти опасности могут быстро перемещаться по долинам рек, угрожая сообществам вдали от самого вулкана.

Глобальные вызовы и возможности

Мониторинг пробелов и ограничений ресурсов

Однако охват вулканов неравномерный. Многие обсерватории сталкиваются с потерями оборудования, ограниченностью ресурсов и текучестью кадров. Несмотря на значительные достижения в области технологии мониторинга и систем раннего предупреждения, в глобальном охвате мониторингом вулканов по-прежнему сохраняются значительные пробелы. Многие опасные вулканы, особенно в развивающихся странах, не имеют адекватной инфраструктуры мониторинга или имеют устаревшее оборудование, которое может не предоставлять достоверных данных.

Наш метод обеспечивает экономически эффективное и масштабируемое решение для улучшения прогнозирования на вулканах, находящихся под наблюдением, принося пользу сообществам и агентствам по борьбе со стихийными бедствиями во всем мире. Устранение этих пробелов в мониторинге требует не только финансовых инвестиций, но и наращивания потенциала, передачи технологий и международного сотрудничества для обеспечения того, чтобы все сообщества, находящиеся в группе риска, имели доступ к эффективным системам мониторинга вулканов и раннего предупреждения.

Международное сотрудничество и обмен знаниями

Вулканические опасности не уважают национальные границы, а эффективный мониторинг вулканов и раннее предупреждение требуют международного сотрудничества и обмена знаниями. VHP создала Научный центр вулканов для управления пятью обсерваториями вулканов (Аляска, Калифорния, Каскады, Гавайи и Йеллоустоун; см. Рисунок 1) и поддерживает Программу помощи в случае стихийных бедствий вулканов для оказания помощи в борьбе с угрозами вулканов в других странах. Программы, такие как Программа помощи в случае стихийных бедствий вулканов, помогают наращивать потенциал мониторинга в странах, которым не хватает ресурсов или опыта для создания комплексных систем мониторинга самостоятельно.

Участники подчеркнули необходимость регионального сотрудничества, общих информационных платформ, расширения использования данных наблюдения Земли и инноваций в прогнозировании с использованием искусственного интеллекта в режиме реального времени. Региональное сотрудничество особенно важно в районах с несколькими вулканическими странами, где общие сети мониторинга и скоординированные планы реагирования могут повысить безопасность для всех стран региона.

Сбалансировка ложных тревог и пропущенных предупреждений

Неверные предупреждения могут вызвать дорогостоящую эвакуацию, экономические сбои и недоверие общественности к системам мониторинга. В результате повышение надежности прогнозов извержений является основной целью ученых, изучающих вулканические опасности. Одним из наиболее сложных аспектов раннего предупреждения вулканов является поиск правильного баланса между своевременным предупреждением и предотвращением ложных тревог, которые могут подорвать доверие общественности и вызвать ненужные экономические сбои.

Около 14 процентов предупреждений не привели к извержениям. Однако эти предупреждения все еще обнаруживают движения магмы под вулканом. Даже когда предупреждения не приводят к извержениям, они часто отражают реальные вулканические беспорядки, которые требуют принятия мер предосторожности. Сообщение этого нюанса общественности и лицам, принимающим решения, имеет важное значение для поддержания доверия к системам раннего предупреждения, обеспечивая при этом, чтобы предупреждения учитывались при их выдаче.

Будущее мониторинга вулканов и раннего предупреждения

Искусственный интеллект и машинное обучение

Интеграция искусственного интеллекта и машинного обучения в мониторинг вулканов представляет собой один из наиболее перспективных рубежей для улучшения прогнозирования извержений. Эти технологии могут обрабатывать огромные объемы данных мониторинга в режиме реального времени, выявляя тонкие закономерности и аномалии, которые могут ускользнуть от человеческого внимания. Модели машинного обучения, обученные на исторических данных извержения, могут потенциально распознавать сигналы-предшественники раньше и с большей точностью, чем традиционные аналитические методы.

Используя передовые технологии, такие как спутниковая визуализация, машинное обучение и инструменты удаленного сотрудничества, NVIS повышает вероятность раннего обнаружения вулканических угроз и эффективного управления ими.По мере того, как эти технологии продолжают развиваться и становится доступно больше данных обучения, их вклад в системы раннего предупреждения о вулканах, вероятно, значительно возрастет.

Расширение глобального охвата

Расширение охвата мониторинга вулканов, чтобы включить все опасные вулканы во всем мире, остается критической целью для вулканологического сообщества. Национальная система предупреждения о вулканах (NVEWS) является национальным планом, чтобы гарантировать, что вулканы контролируются на уровнях, соизмеримых с их угрозами. План был разработан Программой по оценке опасности вулканов (VHP) Геологической службы США (USGS) и ее аффилированными партнерами в государственных и академических учреждениях. Аналогичные усилия необходимы на международном уровне, чтобы гарантировать, что все сообщества риска имеют доступ к эффективному мониторингу и раннему предупреждению.

Рекомендации семинара, приведенные ниже, направлены на укрепление роли вулканологии в глобальной сфере раннего предупреждения: Расширение знаний о риске бедствий посредством систематических оценок опасности, вероятностного моделирования и более сильных глобальных баз данных · Расширение потенциала мониторинга, особенно для регионов с высоким риском, использование многопараметрических сетей, инструментов наблюдения Земли и справедливой поддержки распространения предупреждений в масштабах всего мира путем принятия Общего протокола предупреждения (CAP) в вулканах, обеспечение технической избыточности и укрепление доверия сообщества посредством обмена сообщениями на основе сценариев · Внедрение вулканических опасностей в рамках многоопасных систем путем согласования вулканической науки с метеорологическими, гуманитарными и гражданскими системами защиты · Содействие упреждающим действиям и готовности путем интеграции вулканического риска в национальные протоколы и обеспечение механизмов финансирования

Интеграция с системами раннего предупреждения о множественных опасностях

Вулканические опасности часто возникают в сочетании с другими природными опасностями или вызывают их, включая землетрясения, цунами, оползни и наводнения. Интеграция систем раннего предупреждения о вулканах с более широкими системами раннего предупреждения о многих опасностях может улучшить общую готовность к бедствиям и реагирование. Эта интеграция позволяет более эффективно использовать инфраструктуру мониторинга, улучшить координацию между различными учреждениями по мониторингу опасностей и более всеобъемлющие оценки рисков, которые учитывают каскадные опасности.

Своевременные и точные прогнозы извержений требуют высококачественных данных мониторинга с земли, воздуха, подводных лодок и космических инструментов, сопровождаемых экспертным научным анализом и интерпретацией, которые зависят от надежной и надежной инфраструктуры.

Ключевые технологии и инструменты в современном мониторинге вулканов

Современные системы мониторинга вулканов используют разнообразные технологии и инструменты, каждый из которых обеспечивает уникальное понимание вулканических процессов.

  • Сейсмические датчики и сейсмометры: Обнаружение и запись сейсмической активности, связанной с движением магмы, разрывом пород и вулканическим тремором
  • Детекторы и спектрометры газовых выбросов: Измерение состава и потока вулканических газов, включая диоксид серы, диоксид углерода и другие виды
  • Системы измерения деформации грунта: Включая приемники GPS/GNSS, наклонные счетчики и спутниковые системы InSAR, которые отслеживают изменения формы вулкана
  • Системы спутникового мониторинга: Обеспечивает тепловизионную съемку, отслеживание облаков пепла и измерения деформации грунта из космоса
  • Сети связи и телеметрические системы: Передача данных от станций дистанционного мониторинга в вулканообсерватории в режиме реального времени
  • Инфразвуковые массивы: Обнаружение низкочастотных звуковых волн, создаваемых вулканическими взрывами и дегазацией
  • Тепловые камеры и инфракрасные датчики: Мониторинг изменений температуры в вулканических жерлах, потоках лавы и фумароле
  • Распределенные системы акустического зондирования (DAS): Используйте волоконно-оптические кабели для обнаружения движения грунта и сейсмической активности по всей их длине
  • Беспилотные летательные аппараты (БПЛА): Оснащены различными датчиками для целенаправленных наблюдений в опасных зонах
  • Системы LiDAR: Создают подробные топографические карты для моделирования опасностей и обнаружения изменений

Тематические исследования: истории успеха в вулкане

Ценность комплексных систем мониторинга вулканов и раннего предупреждения неоднократно демонстрировалась благодаря успешным эвакуациям и усилиям по смягчению последствий стихийных бедствий. Извержение вулкана Майон на Филиппинах в 2018 году является мощным примером того, как эффективный мониторинг может спасти жизни. Наземные системы мониторинга обнаружили ранние признаки вулканических волнений, что позволило властям эвакуировать более 56 000 человек до начала извержения, что привело к нулевым жертвам, несмотря на бурную деятельность вулкана.

Совсем недавно применение передовых технологий мониторинга в Исландии обеспечило критически важные ранние предупреждения для серии извержений на полуострове Рейкьянес. Развертывание технологии распределенного акустического зондирования позволило ученым предоставлять предупреждения в диапазоне от 30 минут до нескольких часов до извержений, что позволяет своевременно эвакуироваться и принимать защитные меры. Эти успехи демонстрируют, что инвестиции в технологии мониторинга и системы раннего предупреждения непосредственно приводят к спасению жизней и уменьшению последствий стихийных бедствий.

Продолжающийся мониторинг вулкана Килауэа на Гавайях, который считается самым опасным вулканом в Соединенных Штатах, демонстрирует важность комплексных многопараметрических систем мониторинга.Несмотря на то, что извержение вулкана в 2018 году нанесло значительный ущерб инфраструктуре и вытеснило тысячи жителей, надежная сеть мониторинга позволила ученым отслеживать прогрессирование извержения и предоставлять непрерывные обновления для руководителей чрезвычайных ситуаций и общественности, способствуя эффективным усилиям по реагированию.

Создание устойчивых сообществ через готовность

Хотя технологический прогресс в области мониторинга и раннего предупреждения имеет важное значение, для создания действительно устойчивых общин требуется целостный подход, который сочетает в себе технологии с образованием, планированием и участием общин. Успешное снижение риска стихийных бедствий вулканов зависит от нескольких ключевых элементов, работающих согласованно:

Осведомленность и образование в области риска: Сообщества должны понимать вулканические опасности, с которыми они сталкиваются, и значение различных уровней оповещения. Образовательные программы должны быть постоянными, культурно приемлемыми и доступными для всех членов сообщества, включая детей, пожилых жителей и людей с ограниченными возможностями.

Планирование и готовность к чрезвычайным ситуациям: Всесторонние планы действий в чрезвычайных ситуациях должны быть направлены на решение вопросов, связанных с маршрутами эвакуации, местами укрытия, протоколами связи и потребностями уязвимых групп населения.

Участие общин: Участие общин в деятельности по мониторингу и обеспечению готовности способствует укреплению их собственности и доверия. Программы мониторинга на уровне общин, в рамках которых подготовленные местные жители помогают поддерживать оборудование для мониторинга или представлять отчеты о наблюдениях, могут способствовать расширению охвата мониторинга при одновременном наращивании местного потенциала.

Эффективное реагирование на стихийные бедствия требует координации между учеными, руководителями чрезвычайных ситуаций, правительственными чиновниками и лидерами общин. Регулярные мероприятия по коммуникации и совместному планированию помогают обеспечить, чтобы все заинтересованные стороны понимали свою роль и могли эффективно работать вместе во время кризиса.

Экономические соображения и анализ затрат и выгод

Инвестиции в системы мониторинга вулканов и раннего предупреждения представляют собой экономически эффективный подход к снижению риска бедствий. Хотя создание и поддержание всеобъемлющих сетей мониторинга требует значительных авансовых и текущих инвестиций, затраты являются скромными по сравнению с потенциальными потерями от неконтролируемых извержений вулканов. Одна успешная эвакуация может спасти тысячи жизней и предотвратить экономические потери в миллиарды долларов.

Экономические выгоды мониторинга вулканов выходят за рамки прямого предупреждения стихийных бедствий. Данные мониторинга способствуют научному пониманию вулканических процессов, поддерживают оценку опасности для планирования землепользования и развития инфраструктуры и предоставляют ценную информацию для таких отраслей, как авиация, туризм и сельское хозяйство. В вулканических регионах эффективные системы мониторинга и раннего предупреждения могут фактически поддерживать экономическое развитие путем снижения неопределенности и обеспечения возможности принятия обоснованных решений об инвестициях и деятельности вблизи вулканов.

Для развивающихся стран и регионов с ограниченными ресурсами международное сотрудничество и передача технологий могут помочь создать эффективные системы мониторинга по более низкой цене. Общие региональные сети мониторинга, системы спутникового мониторинга и применение экономически эффективных технологий, таких как машинное обучение, для анализа данных, могут сделать всеобъемлющий мониторинг вулканов более доступным для стран, испытывающих ограниченные ресурсы.

Этические и социальные аспекты раннего предупреждения о вулкане

Системы раннего предупреждения вулканов поднимают важные этические и социальные вопросы, которые необходимо тщательно рассмотреть. Решение о выпуске предупреждений предполагает балансирование риска ложных тревог против потенциально катастрофических последствий пропущенных предупреждений. Ученые и аварийные менеджеры должны ориентироваться в этих сложных решениях, сохраняя при этом доверие и доверие общественности.

Еще одной важной проблемой является обеспечение равенства в доступе к раннему предупреждению. Системы предупреждения должны охватывать все группы риска, включая маргинализированные общины, коренные народы и тех, кто имеет ограниченный доступ к современным коммуникационным технологиям. Обеспечение того, чтобы предупреждения были приемлемыми с культурной точки зрения, доступными на местных языках и доступными для инвалидов, имеет важное значение для справедливого снижения риска бедствий.

Сообщение о неопределенности представляет собой еще одну проблему. Вулканические системы сложны и по своей сути непредсказуемы, и ученые часто не могут дать окончательных прогнозов о том, когда и как извергнется вулкан. Для честного общения с этой неопределенностью, в то же время мотивируя соответствующие защитные действия, требуется тщательный обмен сообщениями и постоянный диалог с сообществами и лицами, принимающими решения.

Взгляд в будущее: следующее поколение мониторинга вулканов

Будущее систем мониторинга вулканов и раннего предупреждения будет определяться продолжающимися технологическими инновациями, расширением глобального сотрудничества и растущим признанием важности снижения риска бедствий.Новые технологии, такие как квантовые датчики, передовые спутниковые группировки и все более сложные системы искусственного интеллекта, обещают еще больше повысить нашу способность контролировать вулканы и прогнозировать извержения.

Интеграция мониторинга вулканов с более широкими системами наблюдения Земли даст новое понимание связей между вулканической активностью и другими процессами системы Земли. Понимание этих связей может улучшить не только мониторинг вулканов, но и наше более широкое понимание того, как работает Земля.

Возможно, самое главное, что следующее поколение систем раннего предупреждения о вулканах должно уделять первоочередное внимание инклюзивности, обеспечивая, чтобы все сообщества, находящиеся в зоне риска, независимо от их местоположения или экономических ресурсов, имели доступ к эффективному мониторингу и раннему предупреждению. Это потребует постоянной приверженности со стороны международного сообщества, инновационных подходов к передаче технологий и наращиванию потенциала и признания того, что инвестиции в мониторинг вулканов являются инвестициями в безопасность человека и устойчивое развитие.

По мере того, как изменение климата и рост населения увеличивают воздействие вулканических опасностей во многих регионах, важность эффективного мониторинга вулканов и систем раннего предупреждения будет только расти. Продолжая продвигать технологии мониторинга, расширять глобальный охват, укреплять готовность сообщества и развивать международное сотрудничество, мы можем работать в направлении будущего, где извержения вулканов, хотя и все еще опасные природные явления, больше не приводят к предотвратимым потерям жизни и катастрофическим бедствиям.

Для получения дополнительной информации о мониторинге и безопасности вулканов посетите программу по оценке опасности вулканов USGS , Всемирную организацию обсерваторий вулканов и Управление ООН по снижению риска бедствий . Эти организации предоставляют ценные ресурсы для понимания вулканических опасностей, доступа к данным мониторинга в режиме реального времени и изучения мер по обеспечению готовности к стихийным бедствиям.