Table of Contents

Возможность контролировать вулканическую активность Земли из космоса произвела революцию в области вулканологии, трансформировав то, как ученые обнаруживают, отслеживают и изучают вулканы по всему миру. Спутниковая технология теперь позволяет контролировать вулканическую активность даже в самых изолированных уголках земного шара и регулярно наблюдать изменения на поверхности Земли, которые могут сигнализировать о предстоящем извержении. Этот технологический прогресс особенно важен, учитывая, что, по оценкам, менее 10% активных вулканов контролируются на постоянной основе, а это означает, что около 90% потенциальных вулканических опасностей либо контролируются время от времени, либо не контролируются вообще.

С более чем 1500 потенциально активных вулканов, расположенных в ландшафте Земли, из которых около 500 активны в любой момент времени, задача комплексного мониторинга вулканов огромна. Традиционные наземные методы наблюдения, хотя и ценны, не могут охватить практически каждый вулкан, особенно в отдаленных или недоступных местах. Спутниковое наблюдение стало незаменимым инструментом, обеспечивающим непрерывное глобальное покрытие и позволяющим ученым обнаруживать вулканические волнения, контролировать текущие извержения и оценивать потенциальные опасности с беспрецедентной эффективностью.

Эволюция космического мониторинга вулканов

Концепция мониторинга вулканов из космоса не совсем нова. Спутник Earth Resources Technology впервые позволяет контролировать уровень активности на широко разделённых вулканах и передавать эти данные практически мгновенно в один центральный офис. Эта возможность открывает новую эру в вулканологии, где сотни обычно спокойных, но потенциально опасных вулканов вблизи населенных регионов по всему миру могут быть экономически и надежно контролироваться. С тех пор спутниковая технология значительно продвинулась, а современные системы предлагают гораздо большее разрешение, частоту и аналитические возможности.

В современных системах спутникового мониторинга вулканов используются многочисленные инструменты, совместно работающие для обеспечения всестороннего охвата. Для подавляющего большинства вулканов, которые не контролируются наземными системами, спутниковое дистанционное зондирование является единственным средством быстрого сбора данных о беспорядках вулканов и возможных извержениях. Эти системы неоднократно доказывали свою ценность, обнаруживая извержения в некоторых из самых отдаленных мест в мире в течение нескольких часов после их возникновения.

Как работает технология спутникового наблюдения

Современный спутниковый мониторинг вулканов опирается на сложный набор датчиков и инструментов, каждый из которых предназначен для обнаружения различных аспектов вулканической активности. Эти технологии работают по всему электромагнитному спектру, от видимого света до теплового инфракрасного и радиолокационного диапазона, предоставляя ученым множество перспектив вулканического поведения.

Термическая визуализация и инфракрасное обнаружение

Термическое дистанционное зондирование с помощью спутников является ключевой техникой для изучения и мониторинга вулканической активности. Тепловые датчики обнаруживают тепловые сигнатуры от активных потоков лавы, лавовых куполов и других высокотемпературных вулканических особенностей. Поскольку активные потоки лавы или растущие лавовые купола излучают огромное количество энергии, эти горячие точки относительно легко обнаружить на снимках MODIS, даже когда они меньше, чем разрешение MODIS в 1 километр. Чувствительность этих систем примечательна - "Озеро лавы на горе Эребус в Антарктиде имеет диаметр всего около 10 метров, но оно четко идентифицируется на снимках MODIS и, следовательно, нашей системой мониторинга", - сказал Райт.

В последние годы инфракрасные данные со спутников Copernicus Sentinel-2 использовались для изучения широкого спектра вулканических явлений, в частности потоков лавы, экструзии лавовых куполов, механизмов, управляющих эффузивной динамикой и магматическими бюджетами, а также для отслеживания высокотемпературных фумаролов. Инструмент MODIS, обеспечивающий полное глобальное покрытие каждые 48 часов, это означает, что наша система проверяет каждый квадратный километр земного шара на вулканическую активность раз в два дня, стал краеугольным камнем глобального вулканического наблюдения.

Радар с синтетической апертурой (SAR) и обнаружение деформации земли

Одним из самых мощных инструментов спутникового мониторинга вулканов является радар синтетической апертуры, особенно при использовании в интерферометрическом режиме (InSAR). Экспериментальная методика, называемая интерферометрическим радаром синтетической апертуры (I-SAR), когда-нибудь позволит нам создавать подробные карты деформации грунта без выпуска каких-либо инструментов. Эта технология значительно созрела и в настоящее время широко используется в оперативном мониторинге вулканов.

Изображения, записанные в разное время одним и тем же спутником, могут быть «различены» для получения интерферограммы или изображения деформации грунта. Эта способность имеет решающее значение, поскольку деформация грунта относится к поверхностным изменениям на вулкане, таким как оседание (потоп), наклон или образование выпуклости, из-за движения магмы ниже поверхности. Изменения деформации на вулкане, такие как изменения, связанные с величиной или местоположением, могут указывать на то, что извержение вот-вот произойдет.

Одним из наиболее широко используемых вулканологами приложений является дифференциальная SAR-интерферометрия (DInSAR) методика, позволяющая изучать явления деформации поверхности Земли в беспрецедентных пространственных и/или временных масштабах. Точность этих измерений необычна. С запуском радиолокационных спутников ESA Sentinel 1A и 1B поле вулканологии получило большой толчок, так как космические аппараты могут отслеживать движения вулканов с беспрецедентным разрешением и в регулярные промежутки времени. Оборудованные интерферометрическими синтетическими радарами, спутники могут наблюдать субсантиметровые деформации, что позволяет ученым наблюдать весь процесс набухания вулкана.

Мониторинг выбросов газа

Выбросы вулканического газа, в частности диоксида серы (SO2), служат важными показателями вулканической активности. Sentinel-5P является первым спутником Copernicus, предназначенным для мониторинга нашей атмосферы. Спутник несет инструмент TROPOMI, который измеряет уровни нескольких следовых газов в атмосфере: таких как диоксид азота, озон, формальдегид, диоксид серы, метан, монооксид углерода и аэрозоли.

В частности, тепловые 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. Эта способность имеет важное значение не только для понимания вулканических процессов, но и для авиационной безопасности, поскольку вулканический пепел и газы представляют значительную опасность для самолетов.

В мире насчитывается более 1500 потенциально активных вулканов, большинство из которых не контролируются, и примерно 500 активны в любой момент времени.Хотя ученые следят за многими из них с помощью традиционных наземных методов наблюдения, спутники стали решающими в помощи понять, где, когда и почему извергаются вулканы.

Обнаружение неизвестных и скрытых вулканов

Одним из наиболее интересных применений спутникового наблюдения является обнаружение ранее неизвестных или плохо документированных вулканов. Многие вулканы остаются скрытыми под плотной растительностью, ледяными щитами или океанскими водами, что делает их невозможными для мониторинга с использованием традиционных методов. Спутниковая технология оказалась удивительно эффективной при выявлении этих скрытых вулканических систем.

Обнаружение подводных вулканов

На дне океана находятся тысячи вулканов, которые оставались в значительной степени неизвестными до недавних достижений в спутниковой технологии. Радарные спутники высокой четкости выявили более 19 000 подводных вулканов вокруг нашей планеты, предоставив ученым самый полный каталог подводных гор, когда-либо созданных. Это открытие представляет собой квантовый скачок в нашем понимании подводных вулканических систем.

Радарные спутники не только измеряют высоту океана, но и могут видеть то, что скрывается в чернильных глубинах воды, предлагая лучшее представление о топографии морского дна. Ученые извлекли данные с нескольких спутников, включая CryoSat-2 Европейского космического агентства, и обнаружили, что они могут обнаруживать подводные курганы высотой до 3609 футов (1100 метров), что является нижней границей того, что составляет морскую гору, согласно статье Science.

Совсем недавно недавно развернутый спутник разработал самую подробную карту дна океана на сегодняшний день, раскрыв сотни холмов и подводных вулканов, ранее скрытых от исследовательских данных, собранных за последние 30 лет. Радарный высотомер Surface Water and Ocean Topography (SWOT) произвел снимки глобального морского дна с более высоким разрешением, чем из любой сопоставимой системы за последние 30 лет. То, что когда-то было просто «смазочными каплями», теперь можно увидеть на подводных горах, хребтах, впадинах, даже границах континента, холмах и подводных вулканах, ранее скрытых ограничениями данных.

Таким образом, извержения подводных вулканов могут остаться незамеченными, если лодки и корабли не сообщат о встрече с плотами пемзы или наблюдательные полеты не сообщат о визуальных наблюдениях за извержениями. В этом отношении недавние достижения в области качества, количества (например, ежедневное покрытие) и доступности (например, данные из открытых источников программы Европейского Союза Copernicus) спутниковых наблюдений значительно улучшили нашу способность визуально обнаруживать текущие извержения вулканов и их непосредственные последствия, что представляет собой важное дополнение к возможностям мониторинга.

Удаленные и изолированные вулканические системы

Спутниковый мониторинг оказался особенно ценным для обнаружения активности в отдаленных вулканах, которая в противном случае осталась бы незамеченной. Команда Райта также обнаружила первую зарегистрированную активность в вулкане Анатахан на Марианских островах в 2003 году. «Этот вулкан не имеет зарегистрированной истории извержений и расположен в изолированной части мира. Это не тот вулкан, который вы бы выбрали для мониторинга», - сказал Райт.

Аналогичным образом, в октябре 2001 года спящий вулкан на отдаленных Южных Сандвичевых островах начал извергать пепел и лаву со своей вершины. Это было первое извержение горы Белинда в истории человечества. Быстрое обнаружение этого извержения, в тысячах миль от ближайшего исследовательского объекта, демонстрирует мощь спутниковых систем мониторинга для обеспечения глобального охвата независимо от местоположения вулкана или его доступности.

Всесторонние преимущества спутникового мониторинга вулканов

Преимущества спутникового наблюдения за вулканами выходят далеко за рамки простого обнаружения. Эти системы обеспечивают комплексный набор возможностей, которые улучшают наше понимание вулканических процессов и улучшают усилия по смягчению опасности.

Раннее предупреждение и обнаружение извержения

Возможно, наиболее важным преимуществом спутникового мониторинга является его способность обеспечивать раннее предупреждение о вулканических волнениях. Исследования, основанные на 17-летних спутниковых данных, показали, что изменения температуры, выбросов диоксида серы и движений иногда наблюдаются за годы до извержения. Этот длительный период предупреждения может иметь решающее значение для планирования эвакуации и смягчения рисков.

Из-за почти ежедневного глобального охвата данные MODIS идеально подходят для быстрого предоставления исследователям информации о новых извержениях. Другие типы спутниковых данных, такие как радар с синтетической апертурой (SAR), лучше подходят для изучения геологических изменений, которые часто предшествуют извержению. Комплементарный характер различных спутниковых систем позволяет ученым контролировать как сигналы-предшественники, так и сами извержения.

Постоянный мониторинг текущей деятельности

«Спутниковые системы превосходят в обеспечении непрерывного, долгосрочного мониторинга вулканической активности.» Данные со спутников блестящи для понимания уровней интенсивности извержения и для мониторинга воздействия извержения на окружающую среду, — сказал Мугинис-Марк. «Способность использовать данные ASTER или MODIS и собрать от одного до трех лет последовательность наблюдений действительно позволяет нам посмотреть, есть ли реальные изменения, происходящие в вулкане».

«Сбор глобальной базы данных вулканических тепловых волн позволил нам взглянуть на долгосрочные тенденции, — сказал Райт. — В настоящее время мы анализируем весь набор данных MODVOLC для выявления закономерностей, которые помогают нам лучше понять, как ведут себя все вулканы Земли».

Оценка воздействия и картирование опасностей

Помимо обнаружения и мониторинга извержений, спутниковые данные играют решающую роль в оценке их воздействия. Данные дистанционного зондирования дают ученым возможность предотвратить катастрофический ущерб жизни и имуществу, определяя, как и где вулканический мусор распространяется после извержения. Эта возможность особенно важна для отслеживания облаков вулканического пепла, которые представляют значительную опасность для авиации.

Наличие вулканических облаков в атмосфере влияет на качество воздуха, окружающую среду, климат и здоровье человека и может быть чрезвычайно опасным для авиационной безопасности. Данные со спутников Copernicus Sentinel-3 и Sentinel-5P имеют особые характеристики для мониторинга вулканических облаков. Эти возможности мониторинга были интегрированы в операционные системы, такие как Консультативные центры вулканического пепла (VAACs), которые предоставляют важную информацию авиационным властям во всем мире.

Глобальное покрытие и доступность

Одним из наиболее значительных преимуществ спутникового мониторинга является его способность обеспечивать поистине глобальное покрытие. Можно сфотографировать сразу большую площадь (обычно более 3600 квадратных миль), и людям даже не нужно находиться в поле, когда данные собираются спутником! Эта возможность особенно ценна для мониторинга вулканов в опасных, недоступных или политически нестабильных регионах.

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, пространственное покрытие и надежность для оперативных служб и приложений, требующих длинных серий данных SAR.Последнее, но не менее важное, они предоставляют данные, доступные на полной, свободной и открытой основе, и являются единственными спутниками в мире, которые это делают!

Интеграция нескольких спутниковых систем

Современный мониторинг вулканов основан на скоординированном использовании нескольких спутниковых систем, каждая из которых обладает уникальными возможностями. «Ни один спутник не может сделать все это. Мониторинг активных вулканических процессов с использованием космических данных обычно требует различных временных, пространственных и спектральных масштабов в зависимости от научной цели и наблюдаемого процесса», согласно исследованиям из Университета Питтсбурга.

Горячие точки на Земле идентифицируются спутниковыми изображениями, которые имеют тепловой датчик, который измеряет температуру или инфракрасное излучение поверхности Земли. MODIS, Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) и ASTER собирают данные о температуре Земли, но каждый из этих датчиков имеет разные пространственные разрешения. MODIS и AVHRR часто отображают большие площади, но не имеют деталей. ASTER, с другой стороны, имеет высокое пространственное и спектральное разрешение, но не имеет частоты.

Этот взаимодополняющий подход позволяет ученым использовать сильные стороны различных систем. Высокочастотные системы с более низким разрешением, такие как MODIS, обеспечивают непрерывный мониторинг и быстрое обнаружение, в то время как системам с высоким разрешением, таким как ASTER, может быть поручено предоставлять подробные наблюдения за конкретными вулканами, когда это необходимо. Системы SAR добавляют критическую способность обнаруживать деформацию земли независимо от облачного покрова или условий освещения.

Искусственный интеллект и приложения машинного обучения

Интеграция искусственного интеллекта и машинного обучения со спутниковыми данными представляет собой передовую технологию мониторинга вулканов.Вулканологи объединяют спутниковые измерения движения земли с искусственным интеллектом для более точного мониторинга и, в конечном итоге, прогнозирования извержений вулканов.

Три основных типа данных, которые помогают ученым строить точные модели вулканов для дальнейшего анализа паттернов, исходят из: наземных датчиков, которые могут контролировать движения расплавленной породы под поверхностью, газоизмерительных устройств, которые могут быть оснащены летающими дронами, и, наконец, но не менее важно, потока спутниковых данных, способных обнаруживать тончайшие движения гор. Сегодня область вулканологии революционизируется благодаря возможности сочетания этих наземных и космических наблюдений с новейшими вычислительными мощностями. В результате связи и закономерности в потоке данных могут быть легко распознаны с помощью алгоритмов машинного обучения, которые теперь привлекли внимание научных сообществ по всему миру.

Практические преимущества ИИ-ассистированного анализа существенны. Из-за большого количества доступных данных исследователи используют методы машинного обучения для идентификации закономерностей в потоке данных. В качестве примера нейронная сеть, разработанная Джульет Бриггс и ее коллегами из Бристольского университета, указала на 100 изображений, из 30 000 изображений Sentinel I более 900 вулканов, как требующих дополнительного внимания. После дополнительного исследования был сделан вывод, что 39 из 100 изображений отображали реальные нарушения грунта, придя к выводу, что алгоритм уменьшил рабочую нагрузку ученого почти в 10 раз.

Это исследование предлагает новую методологию мониторинга вулканов в режиме реального времени или очень близком к реальному времени с использованием интеллектуальной распределенной спутниковой системы (iDSS). iDSS состоит из созвездия спутников, которые все связаны друг с другом с помощью межспутниковых связей (ISL). Это позволяет обрабатывать и распространять данные в режиме реального времени, что имеет важное значение для раннего предупреждения об извержениях вулканов.

Проблемы и ограничения спутникового мониторинга

Несмотря на многочисленные преимущества, спутниковый мониторинг вулканов сталкивается с рядом серьезных проблем. Понимание этих ограничений имеет решающее значение для правильной интерпретации спутниковых данных и разработки дополнительных стратегий мониторинга.

Экологическое и атмосферное вмешательство

Большинство радиолокационных спутников, в настоящее время вращающихся вокруг Земли, используют длину волны, которая не может проникать в растительность. В результате InSAR не работает в сильно лесистых районах, таких как тропические леса Гавайев. С помощью InSAR также трудно контролировать крутые склоны и покрытые льдом или снегом регионы. Атмосферные условия, особенно влажность, могут давать ненадежные результаты.

Эти ограничения означают, что спутниковый мониторинг не может полностью заменить наземные наблюдения. Недавняя инфляция Мауна-Лоа легко очевидна в данных InSAR Большого острова; однако, плотная растительность и сильно изменчивые климатические условия над частями Килауэа вызывают ненадежность результатов InSAR от этого вулкана. По этим причинам район является идеальной естественной лабораторией для исследования способов устранения таких проблем. В настоящее время в университетах и лабораториях по всему миру, в том числе прямо здесь, в Гавайях, предпринимаются усилия по компенсации атмосферных условий и извлечению сигналов, скрытых в растительных районах.

Ограничения временного разрешения

Наконец, спутники обычно делают повторные снимки одного и того же места на Земле только примерно раз в месяц, поэтому мы можем пропустить важные события деформации, если будем полагаться исключительно на InSAR. Это временное ограничение означает, что быстрые изменения вулканической активности могут быть не уловлены достаточно подробно, особенно для быстро движущихся событий, таких как внезапные извержения или быстрая деформация земли.

Однако развертывание спутниковых созвездий с несколькими космическими аппаратами значительно улучшило временное разрешение.Сочетание различных спутниковых систем с разным временем повторного посещения помогает смягчить это ограничение, обеспечивая более частый охват активных вулканических областей.

Подводные вулканы Обнаружение вызовов

Картирование морского дна на предмет потенциальных опасностей будет оставаться сложной задачей, поскольку вода быстро поглощает электромагнитные волны, используемые в методах спутникового дистанционного зондирования, используемых для картирования поверхности суши. В большинстве случаев подводная вулканическая активность остается скрытой от наших глаз. Это особенно верно, если извержение является эффузивным, а не взрывоопасным или если извержение не нарушает поверхность моря для получения обнаруживаемого вулканического газового шлейфа в атмосфере.

Тематические исследования: Истории успеха спутникового мониторинга

Реальные применения спутникового мониторинга вулканов продемонстрировали ценность технологии в многочисленных сценариях, от обнаружения ранее неизвестных извержений до отслеживания деформации земли на хорошо изученных вулканах.

Гора Белинда и дистанционное обнаружение

Извержение горы Белинда на Южных Сандвичевых островах является примером мощности спутникового мониторинга для дистанционного обнаружения вулканов. Этот вулкан, расположенный в одном из самых изолированных регионов на Земле, начал свое первое зарегистрированное извержение в октябре 2001 года. В течение 24 часов исследователи за тысячи миль обнаружили активность посредством спутниковых наблюдений, демонстрируя способность системы обеспечивать глобальный охват в режиме реального времени.

Исследование наземной деформации вулкана Ньирагонго

«Без InSAR мы бы не узнали много об этом конкретном событии, — сказала Польша. — Спутниковые снимки дали нам некоторые подсказки о том, что произошло в месте, где поверхностные измерения скудны. Исследование Польши показало, что значительная деформация по всей рифтовой долине произошла во время извержения. Этот случай демонстрирует, как спутниковые данные могут обеспечить важную информацию даже в регионах, где наземный мониторинг ограничен или отсутствует».

Открытие вулкана Южная сестра

Однако результаты InSAR показывают, что земля к западу от вулкана Саут-Систер надувается с 1997 года, вероятно, из-за накопления магмы в недрах. Сейчас Саут-Систер является местом интенсивного мониторинга землетрясений, деформаций и выбросов газа, и собираются ценные новые данные о вулканических волнениях. Это открытие привело к созданию комплексных систем мониторинга, которые, возможно, не были развернуты без первоначального спутникового обнаружения деформации грунта.

Подводный вулкан F обнаружение

Мы с коллегами в конечном итоге отследили источник плота пемзы до подводного вулкана, называемого «Вулкан F», используя комбинацию спутниковых и сейсмических данных (рисунок 1), демонстрируя потенциал дистанционного зондирования для обнаружения и мониторинга подводных вулканов.

Будущее спутникового наблюдения за вулканами

Область спутникового мониторинга вулканов продолжает быстро развиваться, с новыми технологиями и подходами, обещающими еще большие возможности в ближайшие годы.Интеграция нескольких потоков данных, передовых аналитических методов и улучшенных спутниковых систем создает все более всеобъемлющую глобальную сеть мониторинга вулканов.

Спутниковые системы следующего поколения

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, способствуя расширенной спутниковой записи и следующему поколению спутников наблюдения Земли, отслеживающих вулканические угрозы из космоса.

Эти системы следующего поколения обещают улучшенное пространственное разрешение, более частые повторные посещения и улучшенные спектральные возможности.Сочетание этих улучшений позволит еще более детально контролировать вулканические процессы и потенциально позволит ранее обнаруживать сигналы-предшественники.

Расширение возможностей прогнозирования

Новые методы мониторинга позволят ученым следить за многими другими вулканами. Цель состоит в том, чтобы выйти за рамки простого обнаружения и мониторинга в направлении истинного прогнозирования извержений вулканов. Хотя это остается серьезной проблемой, сочетание всеобъемлющих спутниковых данных, алгоритмов машинного обучения и лучшего понимания вулканических процессов приближает эту цель к реальности.

Спутники играют ключевую роль, так как они могут контролировать тепловые и газовые выбросы, а также движения в вертикальном и горизонтальном движениях, тем самым становясь свидетелями всех шагов, которые приводят к извержению.По словам Майкла Польского, учёный-зарядник в обсерватории вулканов Йеллоустоун USGS в Ванкувере, Вашингтон: «Как вулканологи, мы всегда говорили, что мы были плохими данными, но теперь спутниковые данные действительно расширяют нашу способность видеть, что делают вулканы».

Международное сотрудничество и обмен данными

Успех спутникового мониторинга вулканов в значительной степени зависит от международного сотрудничества и открытого обмена данными. Вместе с вулканологами и специалистами по дистанционному зондированию была начата деятельность пилота вулкана со следующими целями: Продемонстрировать полезность интегрированного, систематического космического EO в качестве инструмента мониторинга вулканов на региональной основе и для конкретных тематических исследований · Предоставить космические продукты EO существующему оперативному сообществу (например, вулканические обсерватории и VAACs), которые могут использоваться для лучшего понимания вулканической активности и снижения воздействия и риска от извержений · Создать возможности для использования данных EO на большинстве вулканов мира (особенно тех, которые не контролируются другими средствами)

Эти совместные усилия имеют важное значение для обеспечения того, чтобы возможности спутникового мониторинга приносили пользу глобальному сообществу, особенно в развивающихся странах, где наземная инфраструктура мониторинга может быть ограниченной или отсутствовать.

Оперативные применения и смягчение рисков

Конечная ценность спутникового мониторинга вулканов заключается в его практическом применении для смягчения опасности и снижения риска. Наши усилия по смягчению вулканической опасности улучшаются с помощью этих технологий космической эры, которые обеспечивают своевременное, подробное и точное отслеживание вулканических событий.

Авиационная безопасность

Одним из наиболее важных оперативных применений спутникового мониторинга вулканов является авиационная безопасность. Вулканическая зола представляет серьезную опасность для самолетов, а быстрое обнаружение и отслеживание облаков пепла имеет важное значение для защиты воздушных перевозок. Беспрецедентное пространственное разрешение Sentinel-5P 3,5×7 км2 позволяет обнаруживать выбросы как никогда раньше, настолько, что он был включен в системы мониторинга в режиме реального времени, такие как Консультативные центры вулканического пепла (VAAC).

NOAA также управляет двумя консультативными центрами вулканического пепла (VAAC), которые входят в число девяти центров по всему миру, охватывающих консультации для США, Латинской Америки и Западной части Тихого океана. Эти центры в значительной степени полагаются на спутниковые данные для отслеживания облаков вулканического пепла и своевременного предупреждения авиационным властям и авиакомпаниям.

Планирование защиты и эвакуации населения

Спутниковый мониторинг предоставляет важнейшую информацию для защиты сообществ вблизи действующих вулканов. Раннее обнаружение вулканических волнений позволяет властям осуществлять планы эвакуации, создавать зоны отчуждения и готовить системы реагирования на чрезвычайные ситуации. Возможность постоянного мониторинга вулканов даже в отдаленных или политически нестабильных регионах гарантирует, что ни один потенциально опасный вулкан не останется незамеченным.

Заслуживающие внимания результаты на сегодняшний день от пилота вулкана включают: мониторинг извержения Кальбуко, Чили; мониторинг вулканических волнений в Эквадоре и Колумбии (Cerro Negro / Чили), мониторинг деформации Фернандина, Галапагос; мониторинг пост-изнасилования инфляции Кордона Колле, Чили; отслеживание изменений, связанных с волнениями в Котопакси, Эквадор, и многое другое.

Научные исследования и понимание

Помимо непосредственного смягчения опасности, спутниковые данные способствуют фундаментальному научному пониманию вулканических процессов.Хотя ученые будут продолжать использовать методы наземного мониторинга, чтобы следить за вулканами Земли, спутниковые данные все чаще позволят ученым увидеть «большую картину» и, как следствие, лучше прогнозировать вулканическую активность.

Комплексные долгосрочные наборы данных, предоставляемые спутниковым мониторингом, позволяют исследователям выявлять закономерности и тенденции в вулканическом поведении, которые невозможно было бы обнаружить только с помощью наземных наблюдений. Это улучшенное понимание в конечном итоге приводит к лучшей оценке опасности и более эффективным стратегиям смягчения рисков.

Дополнительные подходы к мониторингу

Хотя спутниковый мониторинг произвел революцию в наблюдении за вулканами, он лучше всего работает при интеграции с другими методами мониторинга. Наземные сейсмические сети, станции GPS, оборудование для мониторинга газа и визуальные наблюдения предоставляют ценные данные, дополняющие спутниковые наблюдения.

Для вулканов, уже находящихся под наблюдением с помощью обычных методов, дистанционное зондирование не только обеспечивает дополнительные наблюдения, но и предлагает новые подходы (например, мониторинг деформации грунта с помощью радара с синтетической апертурой). Синергия между космическим и наземным мониторингом создает всеобъемлющую систему наблюдения, которая использует сильные стороны каждого подхода, компенсируя при этом их индивидуальные ограничения.

Мониторинг этих движений важен, потому что они дают нам подсказки о том, что происходит внутри вулкана и где и когда вулкан может извергаться. В последнее десятилетие новые спутниковые технологии, такие как Глобальная система позиционирования (GPS), произвели революцию в нашей способности контролировать движения земли.

Основные преимущества спутникового мониторинга вулканов

  • Спутники могут контролировать каждый вулкан на Земле, в том числе в отдаленных, недоступных или политически нестабильных регионах, где наземный мониторинг непрактичен или невозможен.
  • Непрерывное наблюдение: Современные спутниковые группировки обеспечивают частое время повторного посещения, позволяя почти непрерывно контролировать вулканическую активность и обнаруживать быстрые изменения.
  • Многопараметрический мониторинг: Различные спутниковые датчики могут одновременно отслеживать тепловые выбросы, деформацию грунта, выбросы газа и пепла, обеспечивая всеобъемлющий обзор вулканического поведения.
  • Спутниковые данные могут обнаруживать сигналы-предшественники вулканических волнений за месяцы или даже годы до извержения, обеспечивая ценное время для подготовки и смягчения рисков.
  • Спутниковый мониторинг обеспечивает обширный охват за небольшую часть стоимости создания и поддержания наземных сетей мониторинга на каждом вулкане.
  • Исторические архивы данных: Десятилетия спутниковых наблюдений создают ценные исторические записи, которые позволяют проводить долгосрочный анализ тенденций и распознавать закономерности.
  • Автоматизированные системы обнаружения могут идентифицировать новую вулканическую активность в течение нескольких часов и предупреждать ученых и власти о немедленном реагировании.
  • Обнаружение субмаринных вулканов: Спутниковая технология выявила тысячи ранее неизвестных подводных вулканов и может обнаруживать подводные извержения через поверхностные проявления.
  • Интеграция с ИИ: Алгоритмы машинного обучения могут обрабатывать огромные объемы спутниковых данных для выявления тонких закономерностей и аномалий, которые могут избежать наблюдения человека.
  • Открытый доступ к данным: Многие спутниковые системы обеспечивают свободный, открытый доступ к данным, демократизируя возможности мониторинга вулканов во всем мире.

Роль различных спутниковых миссий

Многочисленные спутниковые миссии способствуют глобальному мониторингу вулканов, каждый из которых предлагает уникальные возможности и перспективы. Понимание роли этих различных систем помогает оценить всеобъемлющий характер современного спутникового наблюдения.

Система наблюдения Земли NASA

НАСА управляет несколькими спутниками, важными для мониторинга вулканов, включая Terra и Aqua, которые несут инструмент MODIS. Однако спутник Terra НАСА помогает идентифицировать потенциально активные вулканы, лучше оснащает окружающие сообщества для эвакуации или принятия мер предосторожности до извержения их местного вулкана. Два инструмента на спутнике Terra НАСА, 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 в рамках Протокола срочного запроса.

Программа Европейского космического агентства «Коперник»

Спутники Copernicus Sentinel представляют собой крупный прогресс в оперативном наблюдении Земли. Спутники радара Sentinel-1 обеспечивают регулярное покрытие SAR для мониторинга деформации грунта, в то время как Sentinel-2 предлагает оптические и инфракрасные снимки высокого разрешения. Sentinel-3 контролирует тепловые выбросы и облака пепла, а Sentinel-5P отслеживает атмосферные газы, включая диоксид серы. Интеграция этих дополнительных систем создает мощную возможность мониторинга вулканов.

Спутники NOAA

Спутники Advanced Baseline Imager (ABI) на борту геостационарных спутников NOAA GOES-R, которые со временем контролируют одни и те же области Земли, используют 16 полос и могут очень подробно контролировать небольшие извержения. Кроме того, спутники NOAA не только контролируют вулканический пепел, но и газы, выделяемые в вулканических шлейфах, особенно токсичный диоксид серы (SO2), который можно визуализировать через инфракрасные каналы спутникового инструмента как днем, так и ночью.

Новые технологии и будущие направления

Будущее спутникового мониторинга вулканов обещает еще более сложные возможности по мере развития технологий. Несколько новых тенденций формируют следующее поколение систем наблюдения за вулканами.

Малые спутниковые созвездия

Развитие малых спутниковых созвездий открывает возможности для резкого улучшения временного разрешения. Развернув десятки или даже сотни малых спутников, работающих в координации, можно будет добиться почти непрерывного мониторинга каждого активного вулкана на Земле. Эти созвездия могут обеспечивать ежечасное или даже более частое обновление вулканической активности, что позволяет обнаруживать быстрые изменения, которые могут пропустить текущие системы.

Передовые сенсорные технологии

Новые сенсорные технологии обещают улучшенные возможности для обнаружения и характеристики вулканической активности. Гиперспектральные датчики могут идентифицировать конкретные минералы и газы с беспрецедентной точностью, в то время как улучшенные тепловые датчики могут обнаруживать меньшие температурные аномалии. Передовые радиолокационные системы могут преодолеть некоторые из текущих ограничений, связанных с растительностью и атмосферными помехами.

Системы обработки и оповещения в реальном времени

Интеграция бортовых возможностей обработки и межспутниковых каналов связи позволяет быстрее обнаруживать и предупреждать. Вместо того, чтобы ждать загрузки и обработки данных на земле, будущие системы могут обнаруживать вулканическую активность автономно и немедленно предупреждать контролирующие органы, сокращая время реагирования с часов до минут.

Социальное воздействие и снижение риска

Конечным показателем успеха спутникового мониторинга вулканов является его влияние на защиту жизни и имущества. Постоянно растущая плотность населения вулканических регионов по всему миру диктует, что потенциальные риски любого извержения также возрастают. Поскольку все больше людей живут вблизи активных вулканов, важность эффективных систем мониторинга и раннего предупреждения растет соответственно.

Спутниковый мониторинг уже доказал свою ценность в многочисленных реальных сценариях, от обнаружения ранее неизвестных извержений до обеспечения раннего предупреждения о вулканических волнениях.По мере того, как технология продолжает совершенствоваться и становится более доступной, ее вклад в снижение вулканического риска будет только возрастать.

Демократизация спутниковых данных посредством политики открытого доступа обеспечивает, чтобы даже страны с ограниченными ресурсами могли воспользоваться расширенными возможностями мониторинга. Такой глобальный подход к наблюдению за вулканами представляет собой значительный шаг вперед в защите уязвимых групп населения во всем мире.

Вывод: Новая эра в мониторинге вулканов

Спутниковое наблюдение коренным образом изменило нашу способность контролировать активные вулканические регионы Земли. От обнаружения скрытых вулканов под океанскими водами до отслеживания тонкой деформации грунта, предшествующей извержениям, космические системы предоставляют возможности, которые были невообразимы всего несколько десятилетий назад. Интеграция нескольких спутниковых платформ, передовых датчиков и искусственного интеллекта создает всеобъемлющую глобальную сеть мониторинга, которая работает непрерывно, обеспечивая раннее предупреждение о вулканических опасностях и позволяя более эффективно смягчать риски.

В то время как остаются проблемы, особенно в отношении вмешательства растительности, временного разрешения и обнаружения подводных вулканов, продолжающиеся технологические достижения продолжают устранять эти ограничения. Будущее обещает еще более сложные возможности мониторинга, с спутниками следующего поколения, улучшенными аналитическими методами и расширенным международным сотрудничеством, все это способствует более всестороннему пониманию вулканических процессов.

Сочетание спутниковых технологий, машинного обучения и традиционного наземного мониторинга создает беспрецедентную возможность защитить сообщества от вулканических опасностей. Поддерживая непрерывный контроль над вулканами Земли из космоса, мы приближаемся к цели прогнозирования извержений с достаточной точностью и временем для спасения жизней и минимизации ущерба. Революция в спутниковом мониторинге вулканов представляет собой не просто технологическое достижение, но важнейший инструмент для защиты человеческих популяций во все более взаимосвязанном и уязвимом мире.

Для получения дополнительной информации о мониторинге вулканов и наблюдении за Землей посетите портал NASA Earthdata , USGS Volcano Hazards Program , Copernicus Programme , UN-SPIDER Knowledge Portal и Nature для последних исследований вулканической активности и технологий спутникового наблюдения.