Μια νέα μέθοδος σεισμικής ανίχνευσης αποκαλύπτει ανεπαίσθητα εδαφικά σήματα που προηγούνται των ηφαιστειακών εκρήξεων, προσφέροντας νωρίτερα και απλούστερα προειδοποιητικά μηνύματα. Η παροχή αξιόπιστων προειδοποιήσεων για εκρήξεις στους κατάλληλους ανθρώπους, αρκετά γρήγορα ώστε να έχουν νόημα, παραμένει ένα από τα δυσκολότερα προβλήματα στην επιστήμη των φυσικών καταστροφών.
Μια νέα μελέτη στο περιοδικό Nature Communications περιγράφει μια απατηλά απλή ιδέα από το Ινστιτούτο Φυσικής του Κόσμου του Παρισιού (IPGP) και το Κέντρο Γεωεπιστημών Helmholtz (GFZ): Αντί να βασίζεται σε πυκνά δίκτυα οργάνων, η μέθοδός τους, η οποία ονομάζεται «Jerk», μπορεί να λειτουργήσει με μετρήσεις από έναν και μόνο ευρυζωνικό σεισμογράφο.
Το «κλειδί» είναι η ευαισθησία σε κινήσεις τόσο μικρές, που βρίσκονται πολύ πιο κάτω από αυτό που οι περισσότεροι άνθρωποι φαντάζονται ως «σεισμό». Το σύστημα παρακολουθεί μικροσκοπικές μετατοπίσεις που συνδέονται με το μάγμα που πιέζει για να βρει διέξοδο υπογείως, και το κάνει συνεχώς σε πραγματικό χρόνο.
Όταν οι ερευνητές εφάρμοσαν την προσέγγιση αυτή επί δέκα χρόνια σε ένα ηφαιστειολογικό παρατηρητήριο στο νησί Ρεϋνιόν, το σύστημα εντόπισε το 92% των 24 εκρήξεων που καταγράφηκαν μεταξύ 2014 και 2023, με τις προειδοποιήσεις να φτάνουν από λίγα λεπτά έως και οκτώ ώρες πριν το μάγμα φτάσει στην επιφάνεια.
Ορισμένοι συναγερμοί δεν κατέληξαν σε έκρηξη, ωστόσο το 14% αυτών των προειδοποιήσεων ήταν εξίσου σημαντικό, καθώς κατέγραψε κινήσεις μάγματος που σταμάτησαν προτού ξεσπάσουν στην επιφάνεια.
Η σημασία αυτού του επιτεύγματος ξεπερνά το συγκεκριμένο ηφαίστειο. Πολλά επικίνδυνα ηφαίστεια διαθέτουν περιορισμένη παρακολούθηση, ενώ ακόμη και οι καλά εξοπλισμένες τοποθεσίες μπορούν να κατακλυστούν από θορυβώδη σήματα, τα οποία είναι δύσκολο να ερμηνευτούν γρήγορα.
Ένα εργαλείο που μπορεί να εξάγει χρήσιμες πρώιμες πληροφορίες από ελάχιστο εξοπλισμό θα μπορούσε να διευρύνει την πρόσβαση στην πρόβλεψη εκρήξεων, ιδιαίτερα σε περιοχές όπου οι οικονομικοί πόροι, το ανάγλυφο του εδάφους ή οι υποδομές καθιστούν τα μεγάλα δίκτυα αισθητήρων μη ρεαλιστικά.
Σήματα πριν από τις ηφαιστειακές εκρήξεις
Τα ηφαίστεια πολύ συχνά, αλλάζουν τη συμπεριφορά τους πριν από μια έκρηξη. Η σεισμική δραστηριότητα μπορεί να μεταβληθεί, το έδαφος μπορεί να παραμορφωθεί και η ροή ή η σύσταση των αερίων μπορεί να παρουσιάσει διακυμάνσεις. Το πρόβλημα δεν είναι η έλλειψη ενδείξεων.
Η πρόκληση έγκειται στην μετατροπή αυτών των ενδείξεων σε μια αξιόπιστη πρόβλεψη για το αν επίκειται έκρηξη και τι μορφή μπορεί να έχει αυτή —συμπεριλαμβανομένου του χρόνου εκδήλωσης, της διάρκειας και της ισχύος της— χωρίς τη δημιουργία δαπανηρών ψευδών συναγερμών που κλονίζουν την εμπιστοσύνη του κοινού.
Νέα μέθοδος για τον εντοπισμό εξαιρετικά ανεπαίσθητων εδαφικών κινήσεων σε πραγματικό χρόνο
Πολλές προσπάθειες πρόβλεψης βασίζονται σε πιθανολογικές στρατηγικές που αναζητούν στατιστικές σχέσεις σε μεγάλα σύνολα δεδομένων. Η ομάδα υπό την καθοδήγηση του Δρ. François Beauducel, σε συνεργασία με τον Δρ. Philippe Jousset στο Πότσδαμ, ακολούθησε μια πιο άμεση οδό με στόχο την αυτοματοποίηση.
Η προσέγγισή τους, με την ονομασία «Jerk», εστιάζει σε εξαιρετικά ανεπαίσθητες εδαφικές κινήσεις που συνδέονται με βαθιές εγχύσεις μάγματος, χρησιμοποιώντας έναν τύπο σήματος που είναι εύκολο να διαφύγει της προσοχής, εκτός αν γνωρίζει κανείς ακριβώς τι πρέπει να αναζητήσει.
Αυτά τα σήματα «Jerk» εμφανίζονται ως παροδικά φαινόμενα (transients) πολύ χαμηλής συχνότητας —δηλαδή ως ωθήσεις μετάβασης ή σήματα σταθεροποίησης— που παρατηρούνται στην οριζόντια κίνηση του εδάφους, τόσο στην επιτάχυνση όσο και στην κλίση.
Οι συγγραφείς υποστηρίζουν ότι πιθανότατα αντανακλούν τη δυναμική θραύση των πετρωμάτων καθώς το μάγμα εξαναγκάζει το άνοιγμα διόδων κάτω από την επιφάνεια. Τα σήματα είναι εξαιρετικά μικρά, της τάξης των λίγων νανομέτρων ανά δευτερόλεπτο στον κύβο (\(nm/s^{3}\)), γεγονός που εξηγεί γιατί ένας μοναδικός, πολύ ευρυζωνικός σεισμογράφος είναι απαραίτητος, καθώς μπορεί να ανιχνεύσει τόσο την αργή κλίση, όσο και τις ανεπαίσθητες επιταχύνσεις.
Για να γίνει το σύστημα πρακτικό για χρήση επί εικοσιτετραώρου βάσεως, οι ερευνητές πρόσθεσαν εξειδικευμένα στάδια επεξεργασίας —συμπεριλαμβανομένης της διόρθωσης για τις γήινες παλίρροιες— έτσι ώστε η καθημερινή ρυθμική κάμψη του πλανήτη να μην εκλαμβάνεται εσφαλμένα ως ηφαιστειακή αναταραχή.
Το αποτέλεσμα είναι μια αυτόματη προειδοποίηση που ενεργοποιείται όταν το χαρακτηριστικό σήμα υπερβεί ένα όριο, μετατρέποντας έναν κατά τα άλλα αόρατο υπόκωφο θόρυβο της κίνησης του μάγματος σε μια σαφή, χρονοσημασμένη ειδοποίηση.
Χρονοσειρά δέκα ετών από αυτόματα συλλεγμένα δεδομένα στο νησί Ρεϋνιόν
Τον Απρίλιο του 2014, το εργαλείο τέθηκε σε εφαρμογή στο ηφαιστειολογικό παρατηρητήριο του Πιτόν ντε λα Φουρνέζ (Piton de la Fournaise), το οποίο διαχειρίζεται το Ινστιτούτο Φυσικής του Κόσμου του Παρισιού (IPGP) του Πανεπιστημίου Cité Paris (OVPF-IPGP, Νήσος Ρεϋνιόν), ως μια πλήρως αυτοματοποιημένη μονάδα του συστήματος WebObs.
Για τη λειτουργία του χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από έναν ευρυζωνικό σεισμολογικό σταθμό του παγκόσμιου δικτύου Geoscope, ο οποίος βρίσκεται σε απόσταση 8 χιλιομέτρων από την κορυφή του ηφαιστείου (Rivière de l’Est).
Στις 20 Ιουνίου 2014, εστάλη η πρώτη προειδοποίηση, 1 ώρα και 2 λεπτά πριν από την έναρξη μιας έκρηξης. Για περισσότερα από 10 χρόνια, αυτό το σύστημα ανίχνευσης και ανάλυσης σημάτων «Jerk» λειτούργησε αδιάλειπτα, εκδίδοντας αυτόματες προειδοποιήσεις για το 92% των 24 εκρήξεων που σημειώθηκαν μεταξύ 2014 και 2023.
Οι χρόνοι προειδοποίησης ποικίλλουν από λίγα λεπτά έως και 8,5 ώρες προτού το μάγμα φτάσει στην επιφάνεια. Καθώς το Πιτόν ντε λα Φουρνέζ είναι ένα ηφαίστειο με εξαιρετικά πυκνό δίκτυο οργάνων και παρακολούθησης, οι συνθήκες εδώ είναι σχεδόν εργαστηριακές.
Τα δεδομένα από το εργαλείο «Jerk» μπόρεσαν να επικυρωθούν χρησιμοποιώντας πολυάριθμα άλλα προειδοποιητικά σημάδια από το ευρύ φάσμα συμπληρωματικών δεδομένων παρατήρησης: Αυτά επιβεβαίωσαν ότι είχε όντως λάβει χώρα μια μαγματική διείσδυση και ότι, επομένως, υπήρχε υψηλή πιθανότητα έκρηξης.
Η μέθοδος δοκιμάστηκε επίσης εκ των υστέρων σε δεδομένα από 24 παλαιότερες εκρήξεις μεταξύ 1998 και 2010, δείχνοντας ότι η ειδοποίηση Jerk λειτουργεί συστηματικά. «Η μεγάλη πρωτοτυπία αυτής της εργασίας έγκειται στο γεγονός ότι η μέθοδος Jerk δοκιμάστηκε και επικυρώθηκε σε πραγματικό χρόνο, με αυτόματο και μη επιβλεπόμενο τρόπο για περισσότερα από 10 χρόνια, και όχι μέσω μεταγενέστερης επεξεργασίας δεδομένων, όπως συμβαίνει στη συντριπτική πλειονότητα των μελετών για εκρηκτικούς προδρόμους που δημοσιεύονται στη βιβλιογραφία», εξηγεί ο Δρ. Philippe Jousset, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης και επιστήμονας στο τμήμα Γεωφυσικής Απεικόνισης του GFZ.
Αναφορά και σημασία των ψευδώς θετικών γεγονότων
Το σύστημα, ωστόσο, παρήγαγε ορισμένες φορές «ψευδώς θετικά» αποτελέσματα – σαφείς ειδοποιήσεις που όμως δεν ακολουθήθηκαν από εκρήξεις. Αυτό συνέβη στο 14% των περιπτώσεων όπου σήμανε συναγερμός.
Ωστόσο, όλες αυτές οι περιπτώσεις αποδείχθηκαν πραγματικές μαγματικές διεισδύσεις ή «αποτυχημένες εκρήξεις», μια ερμηνεία που ενισχύθηκε από όλα τα άλλα παρατηρήσιμα στοιχεία, όπως η σεισμικότητα, η παραμόρφωση και οι αναλύσεις των ηφαιστειακών αερίων. «Εκτός από την αποτελεσματικότητα της ειδοποίησης Jerk για τις εκρήξεις, το εργαλείο αποδεικνύεται ένας τέλειος και αδιαμφισβήτητος ανιχνευτής μαγματικών διεισδύσεων», καταλήγει ο Philippe Jousset.
Αυτό συνέβη και κατά την τελευταία σεισμική κρίση στο Πιτόν ντε λα Φουρνέζ (Piton de la Fournaise) στις 5 Δεκεμβρίου 2025: Σε συνδυασμό με μικρές παραμορφώσεις και ανωμαλίες στα αέρια, εκπέμφθηκε ένα ασθενές σήμα Jerk (μόλις \(0,1\) \(nm/s^{3}\)), επιβεβαιώνοντας ότι είχε όντως, λάβει χώρα μια διείσδυση μάγματος.
Προοπτικές: Χρήση στην Αίτνα και σε ηφαίστεια με ελλιπή εξοπλισμό
Σε γενικές γραμμές, οι ερευνητές πιστεύουν ότι, μετά τη δεκαετή και πλέον λειτουργία σε πραγματικό χρόνο και την επιτυχή αξιολόγηση στο νησί Ρεϋνιόν, το εργαλείο Jerk θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως μια απλή και αποτελεσματική μέθοδος έγκαιρης προειδοποίησης ηφαιστειακών εκρήξεων και σε άλλα ηφαίστεια που δεν διαθέτουν τόσο καλό δίκτυο οργάνων.
Παράλληλα, οι επιστήμονες επιθυμούν να αξιολογήσουν περαιτέρω τη μέθοδό τους και, ειδικότερα, να τη δοκιμάσουν σε άλλα ενεργά ηφαίστεια, ξεκινώντας από την Αίτνα (Ιταλία). Εκεί, το έργο “POS4dyke“, που στοχεύει στην ανίχνευση του σήματος Jerk, θα χρησιμοποιήσει ένα νέο δίκτυο ευρυζωνικών σεισμομέτρων από το αποθεματικό γεωφυσικών οργάνων GIPP του Πότσδαμ.
Η εγκατάσταση αναμένεται να ξεκινήσει εντός του 2026, σε συνεργασία με το Εθνικό Ινστιτούτο Γεωφυσικής και Ηφαιστειολογίας της Ιταλίας (INGV), και θα υποστηριχθεί από το έργο SAFAtor, το οποίο ερευνά τη χρήση καλωδίων οπτικών ινών για την έγκαιρη προειδοποίηση σεισμών και ηφαιστειακών εκρήξεων.