التنبؤ بالنشاط البركاني

• يحدث النشاط الزلزالي (الزلازل والهزات الأرضية) دائمًا مع استيقاظ البراكين واستعدادها للثوران، وهو مؤشر بالغ الأهمية على حدوثه. تشهد بعض البراكين عادةً نشاطًا زلزاليًا منخفضًا مستمرًا، لكن ازدياده قد يشير إلى احتمالية أكبر للثوران. كما تُعد أنواع الزلازل التي تحدث ومواقع بدايتها ونهايتها مؤشرات رئيسية. يتخذ النشاط الزلزالي البركاني ثلاثة أشكال رئيسية: الزلازل قصيرة المدى ، والزلازل طويلة المدى ، والهزات التوافقية .
• الزلازل قصيرة المدى تشبه الزلازل العادية الناتجة عن الصدوع. تحدث هذه الزلازل نتيجة تكسر الصخور الهشة بفعل اندفاع الصهارة إلى الأعلى. تشير هذه الزلازل قصيرة المدى إلى نمو كتلة صهارة بالقرب من سطح الأرض، وتُعرف باسم موجات "أ". يُشار إلى هذا النوع من الأحداث الزلزالية أيضًا باسم الأحداث البركانية التكتونية أو الزلازل.
• يُعتقد أن الزلازل طويلة المدى تشير إلى زيادة ضغط الغاز في نظام أنابيب البركان. وهي تشبه صوت الطرق الذي يُسمع أحيانًا في نظام أنابيب المنزل، والمعروف باسم " مطرقة الماء ". تُعادل هذه التذبذبات الاهتزازات الصوتية في حجرة، في سياق حجرات الصهارة داخل القبة البركانية، وتُعرف باسم موجات "ب". تُعرف هذه الموجات أيضًا باسم موجات الرنين وأحداث الرنين طويلة المدى.
• غالباً ما تنتج الهزات التوافقية عن ضغط الصهارة على الصخور التي تعلوها تحت سطح الأرض. وقد تكون هذه الهزات قوية بما يكفي ليشعر بها الناس والحيوانات على شكل أزيز أو طنين، ومن هنا جاءت التسمية.

أنماط النشاط الزلزالي معقدة وغالبًا ما يصعب تفسيرها؛ ومع ذلك، فإن زيادة النشاط الزلزالي مؤشر جيد على زيادة خطر الثوران، خاصة إذا أصبحت الأحداث طويلة المدى هي السائدة وظهرت نوبات من الارتعاش التوافقي.

باستخدام أسلوب مماثل، يستطيع الباحثون رصد الانفجارات البركانية من خلال مراقبة الأصوات تحت السمعية - وهي أصوات غير مسموعة بتردد أقل من 20  هرتز. وتضم شبكة IMS العالمية للأصوات تحت السمعية، التي أُنشئت في الأصل للتحقق من الامتثال لمعاهدات حظر التجارب النووية، 60 محطة حول العالم تعمل على رصد وتحديد مواقع البراكين الثائرة. ^{[ 1 ]}

لوحظت لأول مرة علاقة بين الأحداث طويلة الأمد والانفجارات البركانية الوشيكة في السجلات الزلزالية لانفجار بركان نيفادو ديل رويز في كولومبيا عام 1985. ثم استُخدم حدوث هذه الأحداث للتنبؤ بانفجار بركان ماونت ريدوبت في ألاسكا عام 1989 وانفجار بركان غاليرس في كولومبيا عام 1993. في ديسمبر/كانون الأول 2000، توقع علماء في المركز الوطني للوقاية من الكوارث في مكسيكو سيتي انفجار بركان بوبوكاتيبتل ، الواقع على مشارف المدينة، خلال يومين . واستندت توقعاتهم إلى بحث أجراه برنارد شويه ، عالم البراكين السويسري الذي كان يعمل في هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية ، والذي كان أول من لاحظ وجود علاقة بين الأحداث طويلة الأمد والانفجارات البركانية الوشيكة. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} قامت الحكومة بإجلاء عشرات الآلاف من السكان، وبعد 48 ساعة، ثار البركان كما كان متوقعًا. كان هذا أكبر ثوران لبركان بوبوكاتيبتل منذ ألف عام، ومع ذلك لم يصب أحد بأذى.

تم افتراض وجود أوجه تشابه بين ارتعاشات الجبال الجليدية ، التي يمكن ملاحظتها عند جنوحها، والارتعاشات البركانية لمساعدة الخبراء على تطوير طريقة أفضل للتنبؤ بالانفجارات البركانية . ولأن الجبال الجليدية تتميز ببنية أبسط بكثير من البراكين، فإن سبب الارتعاشات فيها أسهل في النمذجة. وشملت أوجه التشابه بين الارتعاشات البركانية والجليدية طول مدتها وسعتها ، بالإضافة إلى تغيرات مشتركة في الترددات . ^{[ 5 ]} وقد سمحت هذه الملاحظات، إلى جانب تحسين نمذجة أسباب كلا النوعين من الارتعاشات، بتطوير آليات كشف تلقائية أفضل لبعض الانفجارات البركانية. ^{[ 6 ]}

مع اقتراب الصهارة من السطح وانخفاض ضغطها، تتسرب الغازات. تشبه هذه العملية إلى حد كبير ما يحدث عند فتح زجاجة مشروب غازي وخروج ثاني أكسيد الكربون. يُعد ثاني أكسيد الكبريت أحد المكونات الرئيسية للغازات البركانية، وتزايد كمياته يُنذر بوصول كميات متزايدة من الصهارة إلى السطح. على سبيل المثال، في 13 مايو 1991، انطلقت كمية متزايدة من ثاني أكسيد الكبريت من جبل بيناتوبو في الفلبين . وفي 28 مايو، أي بعد أسبوعين فقط، ارتفعت انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت إلى 5000 طن، أي عشرة أضعاف الكمية السابقة. ثم ثار جبل بيناتوبو لاحقًا في 12 يونيو 1991. وفي مناسبات عديدة، كما حدث قبل ثوران جبل بيناتوبو وثوران جاليراس في كولومبيا عام 1993 ، انخفضت انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت إلى مستويات منخفضة قبل الثورات البركانية. يعتقد معظم العلماء أن هذا الانخفاض في مستويات الغاز ناتج عن انسداد قنوات الغاز بالصهارة المتصلبة. يؤدي هذا إلى زيادة الضغط في نظام تغذية البركان، وبالتالي زيادة احتمالية حدوث ثوران انفجاري. نظام تحليل الغاز متعدد المكونات (Multi-GAS) عبارة عن مجموعة من الأجهزة تُستخدم لإجراء قياسات عالية الدقة في الوقت الفعلي لأعمدة الغاز البركاني. ^{[ 7 ]} _{تُمكّن قياسات نظام Multi-GAS لنسب ثاني} أكسيد الكربون إلى _ثاني أكسيد الكبريت من رصد انبعاث الغازات من الصهارة الصاعدة قبل الثوران، مما يُحسّن من التنبؤ بالنشاط البركاني. ^{[ 7 ]}

يشير انتفاخ البركان إلى تراكم الصهارة بالقرب من السطح. غالبًا ما يقيس العلماء الذين يراقبون بركانًا نشطًا ميل المنحدر ويتتبعون التغيرات في معدل الانتفاخ. يُعدّ ازدياد معدل الانتفاخ، خاصةً إذا كان مصحوبًا بزيادة في انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت وهزات توافقية، مؤشرًا قويًا على احتمال وقوع حدث وشيك. كان تشوه جبل سانت هيلينز قبل ثورانه في 18 مايو 1980 مثالًا كلاسيكيًا على التشوه، حيث كان الجانب الشمالي من البركان ينتفخ إلى الأعلى مع تراكم الصهارة تحته. عادةً ما لا يمكن اكتشاف معظم حالات تشوه الأرض إلا بواسطة معدات متطورة يستخدمها العلماء، ولكن لا يزال بإمكانهم التنبؤ بالثورات المستقبلية بهذه الطريقة. تُظهر براكين هاواي تشوهًا أرضيًا كبيرًا؛ إذ يحدث انتفاخ للأرض قبل الثوران ثم انكماش واضح بعده. ويعود ذلك إلى ضحالة حجرة الصهارة في براكين هاواي. يمكن ملاحظة حركة الصهارة بسهولة على الأرض في الأعلى. ^{[ 8 ]}

يمكن أن تؤدي حركة الصهارة، والتغيرات في انبعاث الغازات، والنشاط الحراري المائي إلى تغيرات في الانبعاث الحراري على سطح البركان. ويمكن قياس هذه التغيرات باستخدام عدة تقنيات.

• قياس الإشعاع بالأشعة تحت الحمراء الأمامية (FLIR) من أجهزة محمولة باليد، مثبتة في الموقع، على مسافة، أو محمولة جواً؛
• صور الأقمار الصناعية بالأشعة تحت الحمراء ؛
• قياس درجة الحرارة في الموقع ( الينابيع الساخنة ، الفومارولات )
• خرائط تدفق الحرارة
• تغيرات المحتوى الحراري لآبار الطاقة الحرارية الأرضية

هناك 4 طرق رئيسية يمكن استخدامها للتنبؤ بثوران بركاني من خلال استخدام علم المياه:

• تُستخدم القياسات الهيدرولوجية والهيدروليكية في الآبار والحفر بشكل متزايد لرصد التغيرات في ضغط الغاز الجوفي والنظام الحراري للبراكين. يؤدي ارتفاع ضغط الغاز إلى ارتفاع مستويات المياه ثم انخفاضها المفاجئ قبيل الثوران البركاني، كما أن التركيز الحراري (زيادة التدفق الحراري الموضعي) قد يُقلل من منسوب المياه الجوفية أو يُجففها.
• رصد تدفقات الطين وغيرها من تدفقات الحطام بالقرب من مصادرها. طور علماء هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية نظامًا غير مكلف ومتينًا وقابلًا للنقل وسهل التركيب لرصد ومراقبة وصول ومرور تدفقات الحطام والفيضانات في وديان الأنهار التي تصب في البراكين النشطة بشكل مستمر.
• قد تحمل قنوات الأنهار المحيطة بالبركان رواسب ما قبل الثوران، مما يشير إلى احتمال قرب حدوثه. وتُنقل معظم الرواسب من مستجمعات المياه المتأثرة بالنشاط البركاني خلال فترات هطول الأمطار الغزيرة. ويمكن أن يدل ذلك على تغيرات مورفولوجية وزيادة في النشاط الحراري المائي في غياب تقنيات الرصد الآلي.
• قد تتعرض الرواسب البركانية المتراكمة على ضفاف الأنهار للتآكل بسهولة، مما يؤدي إلى اتساع أو تعميق مجرى النهر بشكل كبير. لذا، يمكن استخدام مراقبة عرض وعمق مجاري الأنهار لتقييم احتمالية حدوث ثوران بركاني في المستقبل.

الاستشعار عن بعد هو الكشف بواسطة أجهزة استشعار الأقمار الصناعية عن الطاقة الكهرومغناطيسية التي يتم امتصاصها أو عكسها أو إشعاعها أو تشتيتها من سطح البركان أو من المواد المنبعثة منه في سحابة الانفجار.

• استشعار السحب : يستطيع العلماء مراقبة السحب البركانية الباردة بشكل غير عادي باستخدام بيانات من طولين موجيين حراريين مختلفين لتعزيز رؤية السحب البركانية وتمييزها عن السحب الجوية.
• استشعار الغازات : يمكن قياس ثاني أكسيد الكبريت عن طريق الاستشعار عن بُعد عند بعض الأطوال الموجية نفسها التي يُقاس عندها الأوزون. تستطيع أجهزة قياس طيف رسم خرائط الأوزون الكلي (TOMS) قياس كمية غاز ثاني أكسيد الكبريت المنبعثة من البراكين أثناء ثورانها. وقد رُصدت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من البراكين في نطاق الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة باستخدام مرصد الكربون المداري 2 التابع لناسا . ^{[ 9 ]}
• الاستشعار الحراري : قد يشير وجود بصمات حرارية جديدة مهمة أو "بقع ساخنة" إلى تسخين جديد للأرض قبل حدوث ثوران بركاني، أو يمثل ثورانًا بركانيًا جاريًا، أو وجود رواسب بركانية حديثة جدًا، بما في ذلك تدفقات الحمم البركانية أو التدفقات البركانية الفتاتية.
• استشعار التشوه : يمكن استخدام بيانات الرادار المكاني المحمولة بالأقمار الصناعية للكشف عن التغيرات الهندسية طويلة الأمد في البنية البركانية، مثل الارتفاع والانخفاض. في هذه الطريقة، يتم طرح نماذج الارتفاع الرقمية المُولَّدة من صور الرادار باستخدام رادار الفتحة التركيبية التداخلي (InSAR) من بعضها البعض لإنتاج صورة تفاضلية، تُظهر معدلات التغير الطبوغرافي.
• مراقبة الغابات : أظهرت الدراسات الحديثة إمكانية التنبؤ بمواقع الشقوق البركانية قبل أشهر أو سنوات من حدوث الثورات البركانية، وذلك من خلال مراقبة نمو الغابات. وقد تم التحقق من صحة هذه الأداة، القائمة على مراقبة نمو الأشجار، في كل من جبل نيراغونغو وجبل إتنا خلال أحداث ثوران البراكين في الفترة 2002-2003. ^{[ 10 ]}
• استشعار الموجات تحت الصوتية : يُعدّ استخدام أجهزة استشعار الموجات تحت الصوتية التابعة لشبكة نظام الرصد الدولي (IMS) نهجًا حديثًا نسبيًا للكشف عن الانفجارات البركانية. تعتمد هذه الطريقة على استقبال الإشارات من أجهزة استشعار متعددة، وتستخدم تقنية التثليث لتحديد موقع الانفجار. ^{[ 11 ]}

تعتمد مراقبة تحركات الكتل والانهيارات على تقنيات مستمدة من علم الزلازل (المجسات الأرضية)، وعلم التشوه، وعلم الأرصاد الجوية. وتُعد الانهيارات الأرضية، وسقوط الصخور، والتدفقات البركانية الفتاتية، والتدفقات الطينية (اللاهار) أمثلة على الانهيارات الكتلية للمواد البركانية قبل وأثناء وبعد الثورات البركانية.

لعلّ أشهر انهيار أرضي بركاني هو انهيار نتوءٍ تشكّل نتيجةً لتداخل الصهارة قبل ثوران جبل سانت هيلينز عام ١٩٨٠، حيث أدى هذا الانهيار إلى "فتح" التداخل الصهاري الضحل، مُسبباً انهياراً كارثياً وانفجاراً جانبياً غير متوقع. غالباً ما تحدث الانهيارات الصخرية خلال فترات ازدياد التشوه، وقد تكون مؤشراً على ازدياد النشاط البركاني في غياب الرصد الآلي. أما التدفقات الطينية ( اللاهار ) فهي عبارة عن رواسب رماد مُعاد تحريكها من التدفقات البركانية الفتاتية ورواسب الرماد المتساقط، وتتحرك نحو أسفل المنحدر حتى بزوايا ضحلة جداً وبسرعة عالية. ونظراً لكثافتها العالية، فهي قادرة على تحريك أجسام كبيرة مثل شاحنات نقل الأخشاب المحملة، والمنازل، والجسور، والصخور. عادةً ما تُشكّل رواسبها حلقة ثانية من مراوح الحطام حول البراكين، حيث تُمثّل المروحة الداخلية رواسب الرماد الأولية. وفي اتجاه مجرى ترسب أدقّ حمولاتها، لا تزال اللاهار تُشكّل خطراً لحدوث فيضانات سطحية بسبب المياه المتبقية. قد تستغرق رواسب الحمم البركانية عدة أشهر حتى تجف تماماً، إلى أن يصبح بالإمكان السير عليها. وقد تستمر المخاطر الناجمة عن نشاط الحمم البركانية لعدة سنوات بعد حدوث ثوران بركاني انفجاري كبير.

طوّر فريق من العلماء الأمريكيين طريقةً للتنبؤ بالتدفقات الطينية البركانية (اللاهار ). وقد طُوّرت هذه الطريقة من خلال تحليل الصخور على جبل رينييه في ولاية واشنطن . يعتمد نظام الإنذار على ملاحظة الاختلافات بين الصخور الحديثة والقديمة. فالصخور الحديثة موصلات رديئة للكهرباء، وتتعرض لتغيرات حرارية مائية بفعل الماء والحرارة. لذا، بمعرفة عمر الصخور، وبالتالي صلابتها، يُمكن التنبؤ بمسارات التدفق الطيني. ^{[ 12 ]} كما تم تركيب نظام لرصد التدفق الصوتي (AFM) على جبل رينييه لتحليل الهزات الأرضية التي قد تُؤدي إلى حدوث تدفق طيني ، مما يُتيح إنذارًا مبكرًا. ^{[ 13 ]}

توقع خبير محلي، كان يدرس البراكين لسنوات، ثوران بركان نيراجونجو في 17 يناير/كانون الثاني 2002، قبل أسبوع من ذلك. أبلغ الخبير السلطات المحلية، فأُرسل فريق مسح تابع للأمم المتحدة إلى المنطقة، وأُعلن أنها آمنة. لسوء الحظ، عندما ثار البركان، دُمّر 40% من مدينة غوما ، وتضررت سبل عيش الكثيرين. ادعى الخبير أنه لاحظ تغيرات طفيفة في تضاريس المنطقة، وراقب ثوران بركان أصغر بكثير قبل عامين. ولأنه كان يعلم أن هذين البركانين متصلان بشق صغير، فقد توقع ثوران نيراجونجو قريبًا. ^{[ 14 ]}

طوّر جيولوجيون بريطانيون طريقةً للتنبؤ بالثورات البركانية المستقبلية لجبل إتنا . وقد اكتشفوا وجود فارق زمني يصل إلى 25 عامًا بين كل ثوران وآخر. ويمكن أن يساعد رصد الأحداث في أعماق القشرة الأرضية على التنبؤ بدقة بما سيحدث في السنوات القادمة. وحتى الآن، توقعوا أن النشاط البركاني بين عامي 2007 و2015 سينخفض ​​إلى النصف مقارنةً بعام 1972. ^{[ 15 ]} ومن الطرق الأخرى للتنبؤ بالنشاط البركاني دراسة ارتفاع نسب ثاني أكسيد الكربون _{إلى ثاني} أكسيد الكبريت . وتشير هذه النسب إلى انبعاث الغازات من غرف الصهارة قبل الثوران. وقد استخدم فريق من الباحثين جبل إتنا في هذا البحث من خلال رصد غازات مثل الماء _وثاني أكسيد الكربون _{وثاني أكسيد} الكبريت . أجرى الفريق مراقبةً آنيةً لجبل إتنا قبل ثورانه في يوليو وديسمبر 2006. وتُعدّ نسب ثاني أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكبريت (CO₂ _/ SO₂ ₎ مفيدةً، إذ يُشير ارتفاعها إلى احتمالية حدوث ثوران بركاني وشيك، نتيجةً لتسارع تدفق الصهارة الغنية بالغازات وتجديد حجرة الصهارة. وخلال عامين من المراقبة، رُصد ارتفاع هذه النسب كمؤشرٍ على احتمالية حدوث ثوران بركاني. وسُجّل ارتفاع هذه النسب في الأشهر التي سبقت الثوران، ما أدّى إلى حدوث ثوران بعد بلوغها ذروتها. وخلص الفريق إلى أن قياس الماء (H₂O) وثاني أكسيد الكربون (CO₂) وثاني أكسيد الكبريت (SO₂) يُمكن أن يكون طريقةً فعّالةً للتنبؤ بالنشاط البركاني، لا سيما في جبل إتنا. [16] كما يُمكن الاستفادة من التنبؤ بالنشاط البركاني لجبل إتنا من خلال تحليل الجاذبية الصغرى رباعي _{الأبعاد} ، _الذي يعتمد _على نظام ^{تحديد المواقع العالمي} (GPS) وتقنية تداخل الرادار ذي الفتحة التركيبية (InSAR). يمكن لهذه التقنية قياس التغيرات في الكثافة، ومن ثم استخلاص نموذج يوضح حركات الصهارة والنطاقات المكانية التي تحدث داخل النظام البركاني. في عام 2001، رصدت نماذج الجاذبية انخفاضًا في كتلة جبل إتنا بمقدار 2.5 × 10¹¹ ^{كيلوغرام} . ثم حدثت زيادة مفاجئة في الكتلة قبل أسبوعين من ثوران البركان. وعوّض البركان هذا النقص في الصهارة عن طريق استرجاع المزيد منها من منطقة التخزين الخاصة به لرفعها إلى المستويات العليا من نظام التغذية البركانية. ونتيجةً لهذا الاسترجاع، حدث الثوران. وتُظهر دراسات الجاذبية الصغرى التي أجراها هذا الفريق هجرة الصهارة والغاز داخل حجرة الصهارة قبل أي ثوران، مما قد يُشكّل طريقةً مفيدةً للتنبؤ بالنشاط البركاني. ^{[ 17 ]}

ربما تكون ساكوراجيما واحدة من أكثر المناطق مراقبةً على وجه الأرض. يقع بركان ساكوراجيما بالقرب من مدينة كاغوشيما ، التي يزيد عدد سكانها عن 500 ألف نسمة. وتراقب كل من وكالة الأرصاد الجوية اليابانية ومرصد ساكوراجيما البركاني التابع لجامعة كيوتو نشاط البركان. ومنذ عام 1995، لم يثور بركان ساكوراجيما إلا من قمته دون أي تدفق للحمم البركانية.

تقنيات المراقبة في ساكوراجيما:

• يُشير النشاط البركاني المحتمل إلى انتفاخ الأرض المحيطة بالبركان مع بدء تراكم الصهارة في الأسفل. وفي ساكوراجيما، يتجلى ذلك في ارتفاع قاع البحر في خليج كاجوشيما، مما يؤدي إلى ارتفاع مستويات المد والجزر.
• مع بدء تدفق الصهارة، يمكن رصد انصهار وانقسام الصخور الأساسية على شكل زلازل بركانية. في ساكوراجيما، تحدث هذه الزلازل على عمق يتراوح بين كيلومترين وخمسة كيلومترات تحت سطح الأرض. ويُستخدم نفق مراقبة تحت الأرض لرصد الزلازل البركانية بدقة أكبر.
• مع بدء تغير مستويات المياه الجوفية، قد ترتفع درجة حرارة الينابيع الساخنة، وقد يتغير التركيب الكيميائي وكمية الغازات المنبعثة. تُوضع مجسات حرارة في آبار تُستخدم لرصد درجة حرارة المياه الجوفية. ويُستخدم الاستشعار عن بُعد في ساكوراجيما نظرًا لسمية الغازات العالية، حيث ترتفع نسبة غاز كلوريد الهيدروجين إلى غاز _ثاني أكسيد الكبريت بشكل ملحوظ قبيل الثوران البركاني.
• مع اقتراب الثوران البركاني، تقيس أنظمة قياس الميلان الحركات الدقيقة للجبل. ويتم نقل البيانات في الوقت الفعلي إلى أنظمة المراقبة في مرصد بركان سانتا فيه.
• ترصد أجهزة قياس الزلازل الهزات التي تحدث مباشرة تحت فوهة البركان، مما يشير إلى بداية الثوران. وتحدث هذه الهزات قبل الانفجار بثانية إلى ثانية ونصف.
• مع مرور الانفجار، يسجل نظام قياس الميل استقرار البركان.