Предсказать извержение вулкана — задача, требующая ювелирной точности и постоянного мониторинга. Долгое время ученые полагались на данные, полученные с земли, но этот метод часто давал погрешности из-за посторонних факторов. Специалисты Технического университета Мюнхена разработали новую систему, которая использует беспилотники для забора проб газа непосредственно над выходом из кратера. Это позволяет получить более чистые данные и выявить признаки надвигающейся катастрофы заранее.

 

Почему наземные измерения больше не устраивают вулканологов

Традиционные методы мониторинга подразумевают установку датчиков и оборудования на склонах вулкана. Однако у такого подхода есть серьезный недостаток: газы, которые выделяются из почвы, не всегда имеют вулканическое происхождение. Значительную часть измеряемых веществ выделяют окружающие растения и сама земля. Это создает информационный шум, который мешает точно оценить активность магматического очага.

Кроме того, работа в непосредственной близости от действующего вулкана сопряжена с огромным риском для жизни исследователей. Высокие температуры, ядовитые испарения и непредсказуемые выбросы пепла делают каждую экспедицию на гранью опасности. Использование беспилотных летательных аппаратов позволяет решить обе эти проблемы: повысить точность данных и убрать человека из опасной зоны.

 

Как лазер и отражатель помогают изучать недра

В основе новой технологии лежит принцип лазерного зондирования. Исследователи устанавливают на земле небольшую тележку с мощным лазером. Этот прибор автоматически находит летящий беспилотник и удерживает его в прицеле. На дроне закреплен специальный рефлектор, который возвращает лазерный луч обратно к приемнику.

По пути луч проходит сквозь облако вулканического газа. Поскольку разные вещества поглощают свет определенных длин волн, по ослаблению сигнала можно судить о концентрации конкретных химических соединений. В частности, система настроена на фиксацию углекислого газа. Такой подход позволяет получить объемную картину распределения газа на разных высотах.

 

Роль соотношения углерода и серы в прогнозах

Главным маркером приближения извержения считается пропорция между углекислым газом и сернистым газом. Глубоко под землей, в магматическом очаге, эти вещества ведут себя по-разному в зависимости от давления. По мере того как магма поднимается к поверхности, соотношение газов меняется.

Если анализировать только поверхностные выбросы, картина будет искаженной. Но благодаря дронам, которые поднимаются выше облака газа, удается зафиксировать истинный состав выхлопа вулкана. Изменение пропорции этих двух элементов служит надежным индикатором того, что лава начала активное движение к поверхности.

 

Алгоритмы томографии и тысячи замеров за полет

Во время одного вылета, который длится от десяти до пятнадцати минут, система проводит до трех тысяч измерений. Дрон пролетает по заранее заданному маршруту на удалении до шестидесяти метров от лазерной установки. Вся эта информация передается на ground control station, где специальный алгоритм строит томографическую карту.

По сути, компьютер создает срез атмосферы над вулканом, показывая, где именно скапливаются вредные вещества. Чтобы данные были максимально достоверными, программа учитывает направление и силу ветра — важный фактор, влияющий на движение газовых струй. Ранее проведенные в аэродинамической трубе тесты показали, что погрешность такого метода составляет всего около пяти процентов.

 

Альтернативный подход с использованием бортовых сенсоров

Не все ученые согласны с тем, что лазер должен находиться на земле. Группа исследователей из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга пошла другим путем. Они оснащают свои беспилотники компактными химическими сенсорами, которые анализируют воздух непосредственно в полете. Дрон буквально ныряет в вулканическое облако, замеряя концентрацию веществ по ходу движения.

Этот метод основан на фотометрии и электрохимических реакциях. Свет определенной длины волны проходит через ячейку с пробой воздуха, и по степени его поглощения вычисляется количество искомого газа. Такой способ позволяет получить непрерывный график изменений состава при движении сквозь шлейф.

 

Перспективы автоматизации и искусственного интеллекта

Следующим шагом в развитии технологии должна стать полная автоматизация процесса. Сейчас специалисты вынуждены вручную анализировать полученные карты, но в будущем эту работу планируют передать нейросетям. Искусственный интеллект сможет самостоятельно сопоставлять данные о газах с другими показателями, например, сейсмической активностью и температурой почвы.

Это сделает систему предупреждения об извержениях непрерывной. Беспилотники смогут дежурить вблизи опасных объектов, периодически проводя замеры и передавая отчеты. В случае обнаружения критических изменений в химическом составе выбросов система автоматически подаст сигнал тревоги.

 

Практическое применение на острове Вулькано

Первые реальные испытания новой системы прошли на итальянском острове Вулькано, который входит в состав Липарских островов. Этот регион идеально подходит для тестирования, так как вулканическая активность там сохраняется постоянно, но опасные извержения случаются редко. Исследователи смогли отработать алгоритмы наведения и сбора данных в реальных условиях.

Подобные технологии уже начинают применять и на других известных вулканах, таких как Этна или в районе Флегрейских полей. Каждый вулкан имеет свою уникальную «подпись» — характерный набор газов, типичный для его недр. Изучение этих особенностей позволяет создавать индивидуальные модели прогнозирования для каждого конкретного объекта.

Согласно информации, опубликованной на портале Phys.org, использование беспилотных систем значительно повышает безопасность вулканологических исследований. Вместо того чтобы рисковать жизнью, ученые получают точные данные на экранах мониторов. Это открывает новую эру в мониторинге природных катаклизмов, делая прогнозы более надежными и своевременными.