Flüchtige Vulkan Sakurajima ist ein Blitz-Labor

Jeffrey Johnson, Associate Professor für Geowissenschaften an der Boise State University, trug dieses Artikels auf Leben Wissenschaft Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Japan ist ein Land der Vulkane und Sakurajima ist eines der berüchtigsten. Seine Bekanntheit ergibt sich aus seiner schlechten Verhalten im Jahr 1914, als mächtige Explosionen und pyroklastischen strömen die Evakuierung der kleinen Vulkaninsel gezwungen. Kurz nach die Explosionen hörte, begann umfangreiche Lavaeruptionen. Die Höhe der Lava, die ausgebrochen war genug, um Kagoshima Bay, verbinden den Vulkan auf Kyushu Festland erstrecken. Für einen Großteil der nächsten vierzig Jahre war der Vulkan relativ ruhig.

Aber Sakurajima hat zeitweise seit 1955 explodiert worden. Und obwohl es nicht mehr eine Insel ist, es ist immer noch fast von Wasser umgeben, und die 7.000 Bewohner vulkanische Gefahren, einschließlich Asche, Lahare und das Potenzial für Lava Bomben ausgesetzt sind. Heute pendeln Schülerinnen und Schüler tragen Schutzhelme für den Fall, dass Felsen beginnen, vom Himmel regnen. Da Ashfall oft die Landschaft grays, trägt jeder Masken um zu vermeiden, atmen in die winzigen Partikel des vulkanisches Glas. Während downwind Bereiche auf der Insel anfälliger für die Ashfall sind, bleibt keine Ecke der Insel völlig unberührt, da jede Position weniger als 4 Meilen aus dem explodierenden Krater liegt.

Obwohl Explosionen eine beunruhigende Unannehmlichkeiten für die lokale Bevölkerung sind, zieht das Phänomen Vulkan Wissenschaftler in die Region wie Motten: Sakurajima ist zuverlässig, häufige und starke Explosionen bieten Forschern mit einem unvergleichlichen Labor für das Studium Eruptionen, die als typisch "vulkanianische." kategorisiert werden

An einem typischen Tag erwarten ein paar vulkanianische Explosionen aus der Showa Crater wie Canon Aufnahmen ausbrechen. Zehn Sekunden später, eine Gehirnerschütterung Schallwelle – oft mehr als 100 Pascal in Druck, vergleichbar mit der Schalldruckpegel an Deck eines Flugzeugträgers – erreicht die Kurokami Sternwarte 2 Meilen entfernt. Die meisten dieser Schallenergie ist Unterschall, aber wenn es hörbar wäre, würde es ohrenbetäubend: das Äquivalent von 140 Dezibel. Um es auszudrücken anders, es würde üben eine Kraft von ca. 100 kg auf ein (gut verschlossen) Fenster.

Die Blasten werden begleitet durch die sehr schnelle Explosion von Gas und pyroklastische Materialien, die aus Esche, Rock Bomben und Kühlschrank-Größe Felsen bestehen. Die Materialien, die oft von Showa Crater Rim durchbrechenden überschreiten einer Geschwindigkeit von 400 Fuß pro Sekunde, und innerhalb weniger Augenblicke, Trägheit führt angebrannt fast 1.000 Fuß über dem Schlot. Ein aufmerksame Betrachter vielleicht beobachten, blinken Funken – Blitz – in der wachsenden Spalte.

Vulkan-Blitz-Prozesse in Echtzeit zu beobachten wäre wie der Versuch, Kamera-Blitz-Lampen bei einer Sportveranstaltung zu verfolgen. Deshalb Corrado Cimarelli des Department für Geo- und Umweltwissenschaften an der Ludwig-Maximilians-Universität München geniale Techniken zur Sakurajima Ausbruch Blitz Ereignisse beobachten entwickelt hat.

Ein Ausbruch verlangsamt

Cimarelli und seine Co-Autoren vor kurzem eine Studie veröffentlicht in Geophysical Research Letters, die unter dem Titel "Multiparametric Beobachtung der vulkanischen Blitz: Vulkan Sakurajima, Japan." In dieser Studie verwenden die Forscher Hochgeschwindigkeitskameras und magnetotellurischen Daten (siehe unten) die eruptive Prozesse wahrzunehmen, die unsichtbar und/oder zu schnell für ein menschlicher Beobachter zu verfolgen sind. Während eine handelsübliche könnte Videokamera Bildsequenzen 30 Mal pro Sekunde mit hoher Auflösung, High-Speed-Kameras erfassen, dass Cimarelli verwendet Bilder 100-Mal schneller zu erfassen.

Während einer einzigen, High-Speed-Bildrahmen, ausgesetzt für 30 Mikrosekunden fahren die schnellsten ballistischen Partikel kaum mehr als ein Zoll. Dies könnte schnell zum Nachverfolgen von pyroklastischer Trajektorien unnötig erscheinen, aber es ist eine wesentliche Fähigkeit für einen Einblick in die Entwicklung von Lightning, die "wächst" mit einer Geschwindigkeit von zwischen 8 und 80 Meilen pro Sekunde.

Mit dem Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras haben Forscher gelernt, dass Blitz Funken zu propagieren, in einer Reihe von ruckartigen Fortschritte bekannt als abgestufte Führer, ein Prozess, der auch in Gewitterwolken zu sehen ist. Trat-Führer Antwort entspricht der Kurzschluss der geladenen Regionen, die innerhalb einer Wolke oder zwischen Wolke und Boden getrennt wurden. Sobald die Verbindung komplett, Strom fließt und heizt die Atmosphäre der sichtbaren Impuls, den Beobachter wie der Blitz zu erkennen. [Was sind die Ursachen unheimliche vulkanische Blitze?]

Die Funken, die während vulkanische Blitze Episoden am Sakurajima erkannt werden in der Regel klein sind und zwischen 30 und 600 Fuß messen – ein oder zwei Größenordnungen kürzer als der Blitz, der während eines Gewitters erscheint.

Die High-Speed-Kamera Karten die zeitliche Verteilung von Funken, aber diese Informationen wird viel wertvoller wenn es ergänzt wird durch die Überwachung der magnetotellurischen (MT), die erkennt auch Funken innerhalb opaker, Mittelteil der Eruptionssäule.

MT Beobachtungen probieren beide Varianten der elektrischen und magnetischen Feldes aus viele Meilen entfernt und auf eine unglaubliche 65.000 Mal pro Sekunde. Winzige magnetische Feldschwankungen — etwa 1 zu 10.000 ambient Erdfeld — sind gut aufgenommen, und haben gezeigt, dass Sakurajima Vulkan Blitz bis zu 1.000 Ampere Strom führt. Mit der MT-Technik mit seinen wertvollen Zeitauflösung Fähigkeiten, das Forschungsteam zählen blinkt, bestimmen Sie die Richtung des Stromflusses für jede Flash auch beurteilen, ob der Blitz innerhalb der Aschewolke (wegwandert bleibt) oder den Boden (Wolke zum Boden) erreicht.

Gemeinsam bieten High-Speed-Bilder des vulkanischen Blitz und MT Studien ein vollständigeres Bild der das Innenleben einer feurigen, turbulenten Spalte von vulkanischer Asche und Gas.

Labor-Blitz

Obwohl Wissenschaftler Verständnis der Gewitter Blitz ausgereift ist, sind sie erst damit begonnen, ein Verständnis der Vulkan Blitz zu bauen. Basierend auf Vulkan Blitz "Mapping"-Studien, die in Alaska, Vulkan Blitz kann grob in Kategorien gruppiert werden, die beschrieben werden, wie "Entlüften Entladungen," "in der Nähe-Vent Blitz" oder "plume Blitz" je nachdem, wo sie sich innerhalb einer Eruptionssäule befinden.

Die Vent-Entladungen am Sakurajima gehören Funken Dutzende, Hunderte-von-m lange, die in der Nähe der Mündung des Vulkans auftreten. Hier, kleine Partikel der Asche ausbrechen und werden bevorzugt in Rechnung gestellt – das heißt, die größeren Partikel immer etwas positiver. Und dann, wie Luftwiderstand innerhalb der Aschewolke Korngrößen sortiert sind, werden sie physisch getrennt. Wenn die Asche nach oben explodiert, tendenziell die kleinere Partikel schnell verlangsamen. Dies ist bei der Ladungstrennung auftreten kann, entweder durch Fractocharging, als die pyroklastischen Materials ist gewaltsam auseinandergerissen Eruption; oder durch Entladungen, die Ladungstransfer durch Reiben. Dieser zweiten Mechanismus ist vergleichbar mit der bekannten statische Elektrizität, die aufbaut, wenn Sie einen Ballon auf die Haare reiben.

Lightning ist die Antwort auf die Ladungstrennung Prozess. Ungleichgewicht behoben wenn die Atmosphäre kurz Schaltungen und erzeugt einen Funken – der Blitz. Der Strom, der erzeugt wird induziert Magnetfeld Umlenkungen, die für eine Millisekunde dauern, und mit Nanotesla Intensität einige Meilen entfernt auftreten. Die Ereignisse werden aus der Ferne aufgezeichnet mit MT-Methoden.

Cimarelli glaubt, dass diese Entladungen in der Ladungstrennung Prozess eine wichtige Rolle spielt, weil eines seiner früheren Experimente die Produktion von Vulkan Blitz im Labor beteiligt. Die Resultate wurden in einem 2014 Geologie Papier, wo er und seine Kollegen feine Vulkanasche aus einer unter Druck stehenden Düse ausgeworfen vorgestellt – ein Labor-Vulkan-Schlot – und blitzartige Funken ein paar Zoll in Länge erzeugt. Diese Funken gebildet ohne offensichtliche Magma Fragmentierung und ohne die Anwesenheit von Eis – oder Graupelteilchen – was ist das konventionelle Ladungstrennung Fahrzeug für Blitz in einem typischen Gewitter. [Elektrisierende Bilder von Vulkan Blitz]

Warum wir kümmern uns um Vulkan Funken

Eine Fülle von Vulkan Forschung hat gezeigt, dass die Eruption Spalten durch Asche Trennung in eine Wolke statisch aufgeladen werden. Dies ist wichtig, weil vulkanische Blitze in der Nähe von Vent – einschließlich seiner Intensität, Frequenz und Charakter – bezieht sich direkt auf wie viel Feinmaterial ausgebrochen ist. Diese Entdeckungen sind spannend und deuten darauf hin, dass wir demnächst vielleicht verwenden Blitz Erkennung als ein Maß dafür wie viel Asche während der Ausbrüche ausgeworfen wird.

Andere Methoden, um die Asche Emissionsraten berechnen funktionieren nicht sehr gut. Satelliten und bodengestützten multispektralen Messungen können Aschewolken zu erkennen, aber keinen sehr guten Job zu tun, wenn es darum geht, zu quantifizieren, wie viel Asche in der Wolke ist, oder die Vorhersage der Rate, an dem die Asche ausgeworfen. Bewölkung und Dunkelheit behindern beide Satelliten und bodengestützten Sichtbeobachtungen von Federn, und Ableitung Asche Menge wird durch unser Verständnis von Plume Aschedichte begrenzt.

Blitz-Erkennung, bietet auf der anderen Seite ein Mittel, um potenziell Asche quantifizieren entlädt sich bei schlechtem Wetter und nachts. Detektoren auf Sicherheitsabstände, zig Meilen aus dem Schlot gefunden werden können und die Cloud nicht behindert die Fähigkeit des MT-Sensoren zu sehen"Blitz".

Solche Entdeckungen sind kritisch, da Vulkanaschewolken eines der wichtigsten Gefährdungen durch Eruptionen sind. Auch verdünnte Mengen an Asche, die durch eine Jet Turbine aufgenommen werden können den Motor, wodurch es zu katastrophal Scheitern außer Gefecht setzen. Dieser Gefahrenquelle war die Aufmerksamkeit der breiten Öffentlichkeit durch Islands 2010 Eyjafjallajökull Vulkan Eruption, die Asche in den Luftkorridoren Europas spie gebracht. Die Eruption geerdet mehr als 100.000 Flüge im Laufe einer Woche, Auswirkungen auf 10.000.000 Reisende, und Milliarden von Dollar in Verluste verursacht.

Angesichts der wirtschaftlichen Auswirkungen von ashy Eruptionen, wird die nächste Generation von umfassenden Ausbruch Überwachung Asche Quantifizierung im Mittelpunkt und wird wahrscheinlich Gebrauch Blitz Asche Detektoren als primäres Instrument. Sakurajima, ein Labor-Vulkan im Süden Japans, fördert die Entwicklung dieses Tools.

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