Дистанционное зондирование и компьютерное моделирование — современные методы изучения вулканов Курило-Камчатского региона

На фото: Ключевская группа вулканов Камчатки (слева направо): Безымянный, Камень, Ключевской. Фото Ю.В. Демянчука

Как ученые исследуют вулканическую активность на Камчатке и Курилах, зачем нужны спутники, и что ждет вулканологию в будущем? Чтобы узнать ответы на эти вопросы, читайте материал Минобрнауки России.  

Как и зачем изучают вулканы

Мы часто слышим новости о «проснувшемся на Камчатке вулкане», однако подавляющее большинство людей и не подозревает, сколько извержений происходит в России, и в чем их опасность.

В геологии есть раздел, посвященный вулканам, — вулканология. На Земле сегодня ученые насчитывают более 1,5 тыс. потенциально активных вулканов, и каждый год порядка 50 из них извергаются. Большинство извержений умеренной силы происходят в незаселенных местах, поэтому не представляют опасности, однако их изучение помогает разработать модели вулканической опасности и методы прогнозирования возможных катастрофических событий.

На сегодняшний день самый распространенный метод исследования действующих вулканов —мониторинг. Существует множество его видов: видео-визуальный, геофизический (сейсмический, гравиметрический, акустический и так далее), геодезический (с применением наклономеров и GPS-приемников), газовый, гидрологический. Однако самый эффективный из них — спутниковый мониторинг.

Спутниковые технологии позволяют исследовать вулканы, расположенные в труднодоступных местах, получать информацию с больших территорий, контролировать извержения и оценивать их интенсивность, наблюдать за развитием лавовых потоков, оценивать параметры пепловых выбросов и прогнозировать распространение пепловых облаков. Ежедневный мониторинг вулканов Камчатки и Курильских островов выполняет Камчатская группа реагирования на вулканические извержения (KVERT).

Взгляд из космоса

На фото: пример экранной формы интерфейса ИС VolSatView: определение температуры термальной аномалии вулкана Безымянный на спутниковом снимке JPSS-1

Прорыв в изучении активности вулканов совершили исследователи Института вулканологии и сейсмологии (ИВиС) Дальневосточного отделения (ДВО) РАН, Института космических исследований (ИКИ) РАН, Вычислительного центра (ВЦ) ДВО РАН и Дальневосточного центра НИЦ «Планета». При поддержке Минобрнауки России, Российского научного фонда и Российского фонда фундаментальных исследований они создали научную информационную систему (ИС) «Дистанционный мониторинг активности вулканов Камчатки и Курил» VolSatView, которой в мае этого года исполнилось 10 лет.

Эта уникальная российская разработка основана на современных возможностях дистанционного зондирования Земли и компьютерного моделирования. Она позволяет комплексно работать с различными спутниковыми данными низкого, среднего и высокого разрешения, с метео- и инструментальной информацией наземных сетей наблюдения, проводить совместный анализ различных данных для непрерывного мониторинга и исследования активности вулканов Курило-Камчатского региона.

Технологическое сопровождение входящих в состав VolSatView многочисленных компьютерных сервисов и подсистем осуществляется Центром коллективного пользования ИКИ РАН (системы архивации, обработки и анализа различных спутниковых данных) (ЦКП «ИКИ-Мониторинг») и Центром коллективного пользования научным оборудованием «Центр обработки и хранения научных данных ДВО РАН» ВЦ ДВО РАН (ЦКП «Центр Данных ДВО РАН»).

«Работа по созданию, развитию и поддержке ИС VolSatView — это отличный пример сотрудничества и совместной работы организаций РАН и Росгидромета. Именно объединение передовых научных компетенций участников проекта в различных областях позволило создать достаточно эффективную систему, которая сегодня обеспечивает решение различных задач комплексного научного мониторинга вулканов Камчатки и Курил. Конечно, особую роль в создании системы сыграли специалисты ИВиС ДВО РАН, которые сформулировали основные задачи и требования к инструментам работы с данными. Именно их опыт по использованию системы позволяет вести ее постоянное совершенствование и развитие», — подчеркнул заместитель директора ИКИ РАН Евгений Лупян.

В системе ежедневно доступны от 70 до 100 спутниковых снимков среднего разрешения (NOAA, Terra и Aqua, Suomi NPP и JPSS-1, Sentinel 3A и 3B,) и 140 снимков Himawari-8, поступающие в VolSatView каждые 10 минут. Это позволяет отслеживать любые изменения в активности вулканов. Например, появление термальной аномалии в районе вулкана указывает на то, что он готовится к извержению, то есть из недр к поверхности земли поступает высокотемпературное магматическое вещество. Увеличение размера и температуры термальной аномалии свидетельствует о близости начала извержения.

В случае, когда происходит эксплозивное извержение вулкана, в атмосферу выносятся крупные объемы пеплов и магматических газов, которые формируют пепловые и аэрозольные облака и шлейфы. Анализ пепловых шлейфов по серии спутниковых снимков в VolSatView позволяет рассчитывать скорость их распространения и предупреждать администрации населенных пунктов Камчатки и Курил о грядущих пеплопадах.

На фото: эксплозивное извержение вулкана Безымянный 28 мая 2022 г. с подъемом пепловой тучи до 10 км над уровнем моря. Фото Ю.В. Демянчука

«Совместно с коллегами нами были разработаны алгоритмы организации вычислений на основе математических моделей распространения пепловых облаков в атмосфере, созданы алгоритмическое обеспечение и компьютерная система для моделирования и визуализации перемещения пепловых облаков во время эксплозивных извержений вулканов Камчатки и Курил. Интеграция с тематическими подсистемами VolSatView позволяет за 10-15 минут получить в автоматическом режиме суточный прогноз движения пепловых облаков в атмосфере, а также совместно анализировать эти результаты с данными дистанционного зондирования Земли», — рассказал врио директора ВЦ ДВО РАН Алексей Сорокин.

На фото: прогноз перемещения пеплового облака вулкана Безымянный

«Сегодня ученые KVERT с помощью ИС VolSatView практически в реальном времени отслеживают активность вулканов Курило-Камчатского региона, оценивают степень опасности эксплозивных извержений для авиации и информируют об этом международное аэронавигационное сообщество. VolSatView позволяет определять скорость движения пепловых облаков и вовремя предупреждать службы МЧС о возможных пеплопадах в населенных пунктах. Решение прикладных задач неразрывно связано с фундаментальными исследованиями вулканизма Камчатки и Курил: с помощью ИС VolSatView за прошедшие 10 лет учеными KVERT было всесторонне изучено 40 извержений 15 вулканов и более 1500 отдельных эксплозивных событий», — отметила руководитель KVERT, ведущий научный сотрудник ИВиС ДВО РАН Ольга Гирина.

На фото: пепловый шлейф вулкана Безымянный на спутниковом снимке JPSS-1 в 15:36 UTC 28 мая 2022 г. в ИС VolSatView

Уникальное явление извержений сразу трех вулканов Северной группы Камчатки отследили с помощью VolSatView 14-18 июня 2017 года. На фоне продолжающегося непрерывно с 1 июня умеренного эксплозивного извержения вулкана Ключевской с выносом пепла до 7-7,5 км над уровнем моря произошло два мощных пароксизмальных извержения вулканов Шивелуч (14 июня в 16:20 UTC) и Безымянный (16 июня в 04:53 UTC) с подъемом пепловых облаков до 12 км над уровнем моря.  По данным со спутника Himawari-8 была создана анимационная картина этих событий, наглядно иллюстрирующая скоротечность мощных эксплозивных извержений и долговременность существования в атмосфере пепловых облаков, представляющих реальную опасность для авиатранспорта:

http://geoportal.kscnet.ru/volcanoes/imgs/2286.gif

Создание и развитие ИС VolSatView дало вулканологам небывалые возможности спутниковых наблюдений за вулканами Камчатки и Курил. В связи с тем, что характер активности вулканов постоянно меняется, поиск ответа на вопрос «как будет работать каждый вулкан России в будущем?» остается актуальным. Чтобы решить ее и глубже понять происходящие вулканогенные процессы, определить потенциальную опасность каждого вулкана для населения и авиаперевозок, найти предвестники их эксплозивных извержений, необходимо продолжать дистанционные наблюдения за вулканами.