Predicción de la actividad volcánica

La predicción de la actividad volcánica y el pronóstico de erupciones volcánicas es un esfuerzo interdisciplinario de monitoreo e investigación para predecir el momento y la gravedad de la erupción de un volcán . De particular importancia es la predicción de erupciones peligrosas que podrían provocar pérdidas catastróficas de vidas y propiedades, y la interrupción de las actividades humanas.

El riesgo y la incertidumbre son fundamentales para la previsión y la predicción, que no son necesariamente lo mismo en el contexto de los volcanes, pero ambos tienen un proceso basado en datos pasados ​​y presentes.

• La actividad sísmica (terremotos y temblores) siempre ocurre cuando los volcanes se despiertan y se preparan para entrar en erupción y son un vínculo muy importante con las erupciones. Algunos volcanes normalmente tienen actividad sísmica continua de bajo nivel, pero un aumento puede indicar una mayor probabilidad de erupción. Los tipos de terremotos que ocurren y dónde comienzan y terminan también son señales clave. La sismicidad volcánica tiene tres formas principales: terremoto de período corto , terremoto de período largo y temblor armónico .
• Los terremotos de período corto son como los terremotos normales generados por fallas. Son causados ​​por la fractura de la roca frágil a medida que el magma se abre paso hacia arriba. Estos terremotos de período corto indican el crecimiento de un cuerpo de magma cerca de la superficie y se conocen como ondas "A". Este tipo de eventos sísmicos también se conocen como eventos volcano-tectónicos (o VT) o terremotos.
• Se cree que los terremotos de período largo indican un aumento de la presión de gas en el sistema de tuberías de un volcán. Son similares al ruido metálico que a veces se escucha en el sistema de tuberías de una casa, conocido como " golpe de ariete ". Estas oscilaciones son el equivalente a las vibraciones acústicas en una cámara, en el contexto de las cámaras de magma dentro del domo volcánico y se conocen como ondas "B". También se conocen como ondas de resonancia y eventos de resonancia de período largo.
• Los temblores armónicos suelen ser el resultado del magma que empuja contra la roca que se encuentra debajo de la superficie. A veces pueden ser lo suficientemente fuertes como para que las personas y los animales los sientan como un zumbido, de ahí su nombre.

Los patrones de sismicidad son complejos y a menudo difíciles de interpretar; sin embargo, el aumento de la actividad sísmica es un buen indicador de un riesgo creciente de erupción, especialmente si los eventos de largo período se vuelven dominantes y aparecen episodios de temblor armónico.

Utilizando un método similar, los investigadores pueden detectar erupciones volcánicas mediante el monitoreo de infrasonidos (sonidos subaudibles por debajo de los 20 Hz). La Red Global de Infrasonidos IMS, creada originalmente para verificar el cumplimiento de los tratados de prohibición de pruebas nucleares, tiene 60 estaciones en todo el mundo que trabajan para detectar y localizar volcanes en erupción. ^[1]

Una relación entre eventos de largo período y erupciones volcánicas inminentes se observó por primera vez en los registros sísmicos de la erupción de 1985 del Nevado del Ruiz en Colombia. La ocurrencia de eventos de largo período se utilizó luego para predecir la erupción de 1989 del Monte Redoubt en Alaska y la erupción de 1993 del Galeras en Colombia. En diciembre de 2000, científicos del Centro Nacional para la Prevención de Desastres en la Ciudad de México predijeron una erupción dentro de dos días en el Popocatépetl , en las afueras de la Ciudad de México. Su predicción utilizó la investigación que había sido realizada por Bernard Chouet , un vulcanólogo suizo que trabajaba en el Servicio Geológico de los Estados Unidos y que observó por primera vez una relación entre eventos de largo período y una erupción inminente. ^{[2] [3] [4]} El gobierno evacuó a decenas de miles de personas; 48 horas después, el volcán entró en erupción como se predijo. Fue la erupción más grande del Popocatépetl en mil años, pero nadie resultó herido.

Las similitudes entre los temblores de los icebergs , que se producen cuando encallan, y los temblores volcánicos pueden ayudar a los expertos a desarrollar un mejor método para predecir las erupciones volcánicas . Aunque los icebergs tienen estructuras mucho más simples que los volcanes, es físicamente más fácil trabajar con ellos. Las similitudes entre los temblores volcánicos y los de los icebergs incluyen duraciones y amplitudes prolongadas , así como cambios comunes en las frecuencias . ^[5]

A medida que el magma se acerca a la superficie y su presión disminuye, los gases escapan. Este proceso es muy parecido a lo que sucede cuando abres una botella de refresco y se escapa dióxido de carbono. El dióxido de azufre es uno de los principales componentes de los gases volcánicos, y cantidades cada vez mayores de este anuncian la llegada de cantidades cada vez mayores de magma cerca de la superficie. Por ejemplo, el 13 de mayo de 1991, se liberó una cantidad cada vez mayor de dióxido de azufre del monte Pinatubo en Filipinas . El 28 de mayo, solo dos semanas después, las emisiones de dióxido de azufre habían aumentado a 5.000 toneladas, diez veces la cantidad anterior. El monte Pinatubo entró en erupción más tarde el 12 de junio de 1991. En varias ocasiones, como antes de la erupción del monte Pinatubo y la erupción de Galeras , Colombia de 1993 , las emisiones de dióxido de azufre han disminuido a niveles bajos antes de las erupciones. La mayoría de los científicos creen que esta caída en los niveles de gas se debe al sellado de los conductos de gas por el magma endurecido. Un evento de este tipo provoca un aumento de la presión en el sistema de tuberías del volcán y una mayor probabilidad de una erupción explosiva. Un sistema analizador de gases multicomponente (Multi-GAS) es un paquete de instrumentos que se utiliza para tomar mediciones de alta resolución en tiempo real de columnas de gas volcánico. ^[6] Las mediciones Multi-GAS de las relaciones CO2 _/ SO2 _pueden permitir la detección de la desgasificación preeruptiva de magmas ascendentes, mejorando la predicción de la actividad volcánica. ^[6]

La hinchazón de un volcán indica que el magma se ha acumulado cerca de la superficie. Los científicos que monitorean un volcán activo a menudo miden la inclinación de la pendiente y rastrean los cambios en la tasa de hinchazón. Una mayor tasa de hinchazón, especialmente si va acompañada de un aumento en las emisiones de dióxido de azufre y temblores armónicos, es una señal de alta probabilidad de un evento inminente. La deformación del Monte St. Helens antes de la erupción del 18 de mayo de 1980 fue un ejemplo clásico de deformación, ya que el lado norte del volcán se abultaba hacia arriba a medida que el magma se acumulaba debajo. La mayoría de los casos de deformación del suelo generalmente solo se pueden detectar con equipos sofisticados utilizados por los científicos, pero aún así pueden predecir futuras erupciones de esta manera. Los volcanes hawaianos muestran una deformación significativa del suelo; hay inflación del suelo antes de una erupción y luego una deflación obvia después de la erupción. Esto se debe a la cámara de magma poco profunda de los volcanes hawaianos; el movimiento del magma se nota fácilmente en el suelo de arriba. ^[7]

Tanto el movimiento del magma como los cambios en la liberación de gases y la actividad hidrotermal pueden provocar cambios en la emisividad térmica en la superficie del volcán. Estos pueden medirse mediante varias técnicas:

• radiometría infrarroja con visión de futuro (FLIR) desde dispositivos portátiles, instalados en el sitio, a distancia o en el aire;
• imágenes de satélite en banda infrarroja ;
• Termometría in situ ( fuentes termales , fumarolas )
• mapas de flujo de calor
• Cambios de entalpía en pozos geotérmicos

Existen cuatro métodos principales que se pueden utilizar para predecir una erupción volcánica mediante el uso de la hidrología:

• Las mediciones hidrológicas e hidráulicas de pozos y perforaciones se utilizan cada vez más para monitorear los cambios en la presión de gas y el régimen térmico del subsuelo de un volcán. El aumento de la presión de gas hará que los niveles de agua suban y bajen repentinamente justo antes de una erupción, y el enfoque térmico (aumento del flujo de calor local) puede reducir o secar los acuíferos.
• Detección de lahares y otros flujos de escombros cerca de sus fuentes. Los científicos del USGS han desarrollado un sistema económico, duradero, portátil y de fácil instalación para detectar y monitorear de manera continua la llegada y el paso de flujos de escombros e inundaciones en los valles fluviales que drenan volcanes activos.
• Los sedimentos previos a la erupción pueden ser recogidos por el cauce de un río que rodea al volcán, lo que indica que la erupción real puede ser inminente. La mayoría de los sedimentos son transportados desde cuencas hidrográficas alteradas por el volcán durante períodos de fuertes lluvias. Esto puede ser un indicio de cambios morfológicos y un aumento de la actividad hidrotermal en ausencia de técnicas de monitoreo instrumental.
• Los depósitos volcánicos que se depositan en la orilla de un río pueden erosionarse fácilmente, lo que ensanchará o profundizará drásticamente el cauce del río. Por lo tanto, el monitoreo del ancho y la profundidad de los cauces del río se puede utilizar para evaluar la probabilidad de una futura erupción volcánica.

La teledetección es la detección mediante los sensores de un satélite de la energía electromagnética que se absorbe, refleja, irradia o dispersa desde la superficie de un volcán o desde su material erupcionado en una nube de erupción.

• ' Detección de nubes : los científicos pueden monitorear las nubes de erupción inusualmente frías de los volcanes utilizando datos de dos longitudes de onda térmicas diferentes para mejorar la visibilidad de las nubes de erupción y diferenciarlas de las nubes meteorológicas.
• ' Detección de gases : el dióxido de azufre también se puede medir mediante teledetección en algunas de las mismas longitudes de onda que el ozono. Los espectrómetros de mapeo de ozono total (TOMS) pueden medir la cantidad de dióxido de azufre liberado por los volcanes en erupciones. Las emisiones de dióxido de carbono de los volcanes se han detectado en el infrarrojo de onda corta utilizando el Observatorio Orbital de Carbono 2 de la NASA . ^[8]
• Detección térmica : la presencia de nuevas firmas térmicas significativas o "puntos calientes" puede indicar un nuevo calentamiento del suelo antes de una erupción, representar una erupción en curso o la presencia de un depósito volcánico muy reciente, incluidos flujos de lava o flujos piroclásticos.
• Detección de deformaciones : los datos de radar espacial transmitidos por satélite se pueden utilizar para detectar cambios geométricos a largo plazo en el edificio volcánico, como elevaciones y depresiones. En este método, el radar de apertura sintética interferométrica (InSAR), los modelos de elevación digitales generados a partir de imágenes de radar se restan entre sí para producir una imagen diferencial que muestra las tasas de cambio topográfico.
• Monitoreo forestal : Recientemente se ha demostrado que la ubicación de las fracturas eruptivas se puede predecir, meses o años antes de las erupciones, mediante el monitoreo del crecimiento forestal. Esta herramienta basada en el monitoreo del crecimiento de los árboles ha sido validada tanto en el Monte Niyragongo como en el Monte Etna durante los eventos eruptivos del volcán de 2002-2003. ^[9]
• Detección por infrasonidos : un método relativamente nuevo para detectar erupciones volcánicas implica el uso de sensores de infrasonidos de la red de infrasonidos del Sistema Internacional de Vigilancia (IMS). Este método de detección toma señales de múltiples sensores y utiliza triangulación para determinar la ubicación de la erupción. ^[10]

El seguimiento de los movimientos y fallas en masa utiliza técnicas derivadas de la sismología (geófonos), la deformación y la meteorología. Los deslizamientos de tierra, los desprendimientos de rocas, los flujos piroclásticos y los flujos de lodo (lahares) son ejemplos de fallas en masa de material volcánico antes, durante y después de las erupciones.

El deslizamiento de tierra volcánico más famoso fue probablemente la falla de un abultamiento que se formó a partir del magma intrusivo antes de la erupción del Monte Santa Helena en 1980, este deslizamiento de tierra "destapó" la intrusión magmática poco profunda causando una falla catastrófica y una explosión lateral inesperada. Los desprendimientos de rocas a menudo ocurren durante períodos de mayor deformación y pueden ser un signo de mayor actividad en ausencia de monitoreo instrumental. Los flujos de lodo ( lahares ) son depósitos de ceniza hidratada removilizados de flujos piroclásticos y depósitos de caída de ceniza, que se mueven pendiente abajo incluso en ángulos muy poco profundos a alta velocidad. Debido a su alta densidad, son capaces de mover objetos grandes como camiones madereros cargados, casas, puentes y rocas. Sus depósitos generalmente forman un segundo anillo de abanicos de escombros alrededor de los edificios volcánicos, siendo el abanico interior depósitos primarios de ceniza. Aguas abajo de la deposición de su carga más fina, los lahares aún pueden representar un peligro de inundación laminar por el agua residual. Los depósitos de lahares pueden tardar muchos meses en secarse hasta que se pueda caminar sobre ellos. Los peligros derivados de la actividad de los lahares pueden persistir varios años después de una gran erupción explosiva.

Un equipo de científicos estadounidenses desarrolló un método para predecir lahares . Su método fue desarrollado analizando rocas en el Monte Rainier en Washington . El sistema de alerta depende de notar las diferencias entre rocas nuevas y más antiguas. Las rocas nuevas son malos conductores de electricidad y se alteran hidrotermalmente por el agua y el calor. Por lo tanto, si conocen la edad de las rocas, y por lo tanto la fuerza de las mismas, pueden predecir las trayectorias de un lahar. ^[11] También se ha emplazado un sistema de Monitores de Flujo Acústico (AFM) en el Monte Rainier para analizar temblores de tierra que podrían resultar en un lahar , proporcionando una advertencia más temprana. ^[12]

La erupción del volcán Nyiragongo, que se produciría el 17 de enero de 2002, había sido prevista una semana antes por un experto local que había estudiado los volcanes durante años. Informó a las autoridades locales y se envió un equipo de investigación de las Naciones Unidas a la zona; sin embargo, se declaró que la zona era segura. Lamentablemente, cuando el volcán entró en erupción, el 40% de la ciudad de Goma quedó destruida junto con los medios de vida de muchas personas. El experto afirmó que había observado pequeños cambios en el relieve local y que había observado la erupción de un volcán mucho más pequeño dos años antes. Como sabía que estos dos volcanes estaban conectados por una pequeña fisura, sabía que el Nyiragongo entraría en erupción pronto. ^[13]

Los geólogos británicos han desarrollado un método para predecir futuras erupciones del Monte Etna . Han descubierto que hay un desfase temporal de 25 años entre los eventos. El seguimiento de los eventos de la corteza profunda puede ayudar a predecir con precisión lo que sucederá en los próximos años. Hasta ahora han predicho que entre 2007 y 2015, la actividad volcánica será la mitad de lo que era en 1972. ^{[14] [ cita requerida ]} Otros métodos para predecir la actividad volcánica son examinar el aumento de las proporciones CO ₂ /SO ₂ . Estas proporciones indicarán la desgasificación preeruptiva de las cámaras de magma. Un equipo de investigadores utilizó el Monte Etna para esta investigación observando gases como H ₂ O, CO ₂ y SO ₂ . El equipo realizó un seguimiento en tiempo real del Monte Etna antes de que experimentara erupciones en julio y diciembre de 2006. Estas relaciones CO2 _/ SO2 _son útiles porque el aumento de estas relaciones es un precursor de las próximas erupciones debido a la aceleración de magmas ricos en gas y repone la cámara de magma. En los dos años de observaciones que realizó el equipo, el aumento de estas relaciones es un precursor de las próximas erupciones. Se registró que en los meses previos a una erupción, las relaciones aumentaron y llevaron a una erupción después de haber alcanzado su cantidad máxima. Se concluyó que la medición de H2O _, CO2 _y SO2 _puede ser un método útil para predecir la actividad volcánica, especialmente en el Monte Etna. ^[15] La predicción del Monte Etna de la actividad volcánica también se puede utilizar con el análisis de microgravedad 4D. Este tipo de análisis utiliza GPS e interferometría de radar de apertura sintética (InSAR). Puede medir los cambios de densidad y, posteriormente, puede recuperar un modelo para mostrar los movimientos de magma y las escalas espaciales que se están produciendo dentro de un sistema volcánico. En 2001, los modelos de gravedad detectaron que hubo una disminución en la masa del Monte Etna de 2,5 × 10 ¹¹ kg. Finalmente, hubo un aumento repentino en la masa dos semanas antes de una erupción. El volcán compensó esta disminución de magma recuperando más magma de su zona de almacenamiento para llevarlo a los niveles superiores del sistema de tuberías. Debido a esta recuperación, provocó una erupción. Los estudios de microgravedad que realizó este equipo muestran la migración de magma y gas dentro de una cámara de magma antes de cualquier erupción, lo que puede ser un método útil para cualquier predicción de la actividad volcánica. ^[16]

Sakurajima es posiblemente una de las zonas más vigiladas del planeta. El volcán Sakurajima se encuentra cerca de la ciudad de Kagoshima , que tiene una población de más de 500.000 personas. Tanto la Agencia Meteorológica Japonesa (JMA) como el Observatorio Vulcanológico Sakurajima (SVO) de la Universidad de Kioto controlan la actividad del volcán. Desde 1995, Sakurajima solo ha entrado en erupción desde su cima sin liberar lava.

Técnicas de monitorización en Sakurajima:

• La probable actividad se manifiesta por la hinchazón de la tierra alrededor del volcán a medida que el magma comienza a acumularse debajo. En Sakurajima, esto se manifiesta por una elevación del lecho marino en la bahía de Kagoshima, lo que provoca un aumento de los niveles de las mareas.
• A medida que el magma comienza a fluir, la fusión y la división de la roca de base pueden detectarse como terremotos volcánicos. En Sakurajima, se producen a dos a cinco kilómetros por debajo de la superficie. Se utiliza un túnel de observación subterráneo para detectar terremotos volcánicos con mayor fiabilidad.
• Los niveles de las aguas subterráneas comienzan a cambiar, la temperatura de las fuentes termales puede aumentar y la composición química y la cantidad de gases liberados pueden alterarse. Se colocan sensores de temperatura en los pozos que se utilizan para detectar la temperatura de las aguas subterráneas. En Sakurajima se utiliza la teledetección porque los gases son altamente tóxicos: la proporción de _gas HCl y gas SO2 aumenta significativamente poco antes de una erupción.
• A medida que se acerca una erupción, los sistemas de medición de inclinación miden los movimientos minuciosos de la montaña. Los datos se transmiten en tiempo real a los sistemas de monitoreo del SVO.
• Los sismómetros detectan los terremotos que se producen inmediatamente debajo del cráter y que indican el inicio de la erupción. Se producen entre 1 y 1,5 segundos antes de la explosión.
• Al ocurrir una explosión, el sistema de inclinómetro registra el asentamiento del volcán.

Más allá de predecir la actividad volcánica, existen propuestas altamente especulativas para prevenir la actividad volcánica explosiva enfriando las cámaras de magma mediante técnicas de generación de energía geotérmica . ^[17]

• Volcanes de la década
• Proyecto de desgasificación de carbono en las profundidades de la Tierra
• Predicción de terremotos
• Instituto Nacional de Geofísica y Vulcanología
• Servicio Geológico de los Estados Unidos
• La jungla de Jökulhlaup
• Calderos de hielo

• WOVO (Organización Mundial de Observatorios de Volcanes)
• IAVCEI (Asociación Internacional de Vulcanología y Química del Interior de la Tierra)
• SI (Programa de Vulcanismo Global del Instituto Smithsoniano)