科学家如何利用热像仪预测火山活动变化

夏威夷岛上的基拉韦厄火山是世界上最活跃的活火山之一。2018年4月下旬,该火山开始出现活动增加迹象。2018年5月3日,火山出现了第一条裂缝,即所谓的裂隙,紧跟着接连出现了19条裂隙,总数达到20条。随着熔岩流和岛上毁坏情况相关图片的大量传播,火山活动情况引起了人们的广泛关注。

此后,美国地质调查局(USGS)及其夏威夷火山观测站提供的新闻和信息不断升级,并于2018年5月15日,USGS警报级别从“橙色”变为“红色”,表明“重大火山喷发即将或已经发生,或者地面和空中都存在疑似危险的火山活动。”

科学家收集各种关键信息和数据,以更好地了解正火山喷发情况,包括利用手持式热像仪进行温度测量。他们利用上述信息来帮助进行可能的救生预测。美国境内有大约169座活火山,而全球范围内约有1,500座活火山。

在基拉韦厄火山捕捉热能
USGS进行的大部分监控活动都利用非活动时间安装的仪器来收集信息,其中许多都是临时性的。然而,火山活动增加时,USGS和其他相关组织将有机会获得关于火山实时行为模式的核心信息。

USGS科学家们利用各种空中(飞机)、轨道(卫星)和手持式感测仪器(如热像仪)来收集数据。一旦收集到数据,就可以对其进行分析并用于预测未来的火山爆发。

“使用手持式热像仪进行测量有很多优势,”夏威夷大学希洛校区地质系主任Steve Lundblad表示:“USGS的科学家在进入一些潜在危险地区时,必须对危险格外警惕。借助便携式热像仪,可以轻松即时获得事件发展和变化的实时数据。而使用其他方法测量温度可能需要额外的时间来安装和回收设备。”

比如热耦合器,该设备必须被确实放置于地面,测量完成后再拆除回收。然而,红外热像仪提供了一种可快速测量温度的非接触式方式。

“USGS竭尽所能地来收集红外(IR)热图测量结果是非常值得的,”Lundblad说道:“由于USGS一直在捕获和分析其他火山喷发事件的数据,因此他们已经能够对基拉韦厄火山的运动和行为做出准确预测。了解火山接下来的活动情况对于保障公民安全非常有用。”

确保周围社区在火山爆发期间的安全性和知情权是成功管理火山喷发事件的最重要条件。除了USGS相关部门及其观测站以外,诸如夏威夷民防局等关键组织还提供重要的警告和信息,包括可能撤离的信息。USGS还努力保障科学家的安全。

“关于是否在某些地区进行测量的决策很可能要根据具体情况而定。”Lundblad表示:“例如,第17号裂隙非常活跃,喷涌出巨大的熔岩炸弹,因此太过危险,无法靠近。但是,仍然可以从其他相对稳定的火山口或裂隙中获取有价值的数据,以帮助预测火山再次喷发的可能性。”

红外热像仪如何工作?
与捕捉可见光来生成图片的常规相机不同,热像仪通过检测物体发出的红外能量(如熔岩流辐射的能量)来建立图像。热像仪利用红外敏感传感器来检测红外能量并将其转换为热图,并利用不同的颜色来表示不同的温度以指示温度变化,例如高温点。

远距离测量热能
USGS还利用安装在飞机和卫星上的热成像设备来收集测量数据。无论是近距离还是远距离,根据火山的具体情况不同,每种方法都具有其最佳的使用时间和地点。

相对于安全捕获热活动有时可能非常危险的现场监测,远距离捕获热图也有缺点,因为这种方法对有利的天气和大气条件依赖性较大。例如,第20号裂隙产生了大量火山灰,对热像仪的可见性产生影响,导致测量不可靠。

尽管仍然无法准确确定火山喷发的确切时间,但是利用热像仪来捕获用于当前和历史参考的有价值的数据,可以为USGS科学家提供巨大帮助。USGS的科学家越了解火山在非活动和活动时期的表现,就越能够加快其准确确定火山喷发时间的步伐。