Μέσα στα ηφαιστειακά σύννεφα: Πού πηγαίνει η τέφρα και γιατί έχει σημασία
Ηφαιστειακό νέφος από την έκρηξη του ηφαιστείου Shinmoedake (Ιαπωνία) το 2011. Από: USGS.
Η παρακολούθηση και η πρόβλεψη της κίνησης των ηφαιστειακών νεφών είναι το κλειδί για τον μετριασμό των επιπτώσεων στις κοινότητες, τις υποδομές και την εναέρια κυκλοφορία.
Κατά τη διάρκεια εκρηκτικών εκρήξεων, σωματίδια τέφρας εγχέονται στην ατμόσφαιρα και υφίστανται διαφορετικές μοίρες: ενώ τα μεγαλύτερα σωματίδια καθιζάνουν κοντά στο ηφαίστειο, τα μικρότερα παραμένουν αιωρούμενα, σχηματίζοντας ηφαιστειακά σύννεφα. Σε όλες τις περιπτώσεις, η τέφρα αποτελεί σημαντικό κίνδυνο για τις ανθρώπινες δραστηριότητες τόσο κοντά στο ηφαίστειο όσο και εκατοντάδες χιλιόμετρα μακριά.
Ένα νέο άρθρο στο Reviews of Geophysics διερευνά την τρέχουσα κατανόησή μας για τα νέφη και τα σύννεφα τέφρας, συμπεριλαμβανομένης της δημιουργίας, των χαρακτηριστικών και των στρατηγικών παρακολούθησής τους. Εδώ, ζητήσαμε από τον κύριο συγγραφέα να δώσει μια επισκόπηση των νεφών τέφρας, των πρόσφατων εξελίξεων στη μοντελοποίησή τους και των ερωτημάτων που παραμένουν.
Πώς σχηματίζεται και εξαπλώνεται η τέφρα;
Η τέφρα σχηματίζεται μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται θρυμματισμός μέσα σε ηφαιστειακούς αγωγούς και στη συνέχεια αποβάλλεται στην ατμόσφαιρα από ηφαιστειακά νέφη. Αυτά τα θραύσματα ταξινομούνται με βάση το μέγεθός τους: μπλοκ και βόμβες (με διάμετρο μεγαλύτερη από 16 mm), λίθοι (που κυμαίνονται από 2 mm έως 16 mm) και τέφρα (μικρότερη από 2 mm σε διάμετρο).
Μόλις φτάσουν στον αέρα, τα μεγαλύτερα σωματίδια τέφρας συνήθως καθιζάνουν κοντά στην ηφαιστειακή οπή, ενώ τα λεπτότερα σωματίδια (τέφρα) μπορούν να μεταφερθούν από τον άνεμο σε τεράστιες αποστάσεις, σχηματίζοντας αυτά που είναι γνωστά ως ηφαιστειακά σύννεφα. Τι είδους κινδύνους θέτει η τέφρα τόσο στον αέρα όσο και στο έδαφος;
Τα ηφαιστειακά σύννεφα αποτελούν σημαντική απειλή για την ασφάλεια της αεροπορίας. Όταν τα αεροσκάφη συναντούν αυτά τα σύννεφα, τα σωματίδια τέφρας μπορούν να καταποθούν από κινητήρες τζετ, οδηγώντας σε υποβάθμιση της απόδοσης και, σε σοβαρές περιπτώσεις, σε καταστροφική βλάβη κινητήρα. Επιπλέον, η αερομεταφερόμενη τέφρα θέτει σοβαρούς κινδύνους για τη δημόσια υγεία. Μελέτες σε πληθυσμούς που εκτίθενται σε ηφαιστειακή τέφρα έχουν τεκμηριώσει αυξήσεις τόσο σε οξείες όσο και σε χρόνιες αναπνευστικές παθήσεις. Τα πιο επικίνδυνα σωματίδια είναι αυτά με διάμετρο μικρότερη από 4 μικρόμετρα, καθώς μπορούν να διεισδύσουν βαθιά στην κυψελιδική περιοχή των πνευμόνων, προκαλώντας ενδεχομένως τοξικές αντιδράσεις.
Η τέφρα μπορεί να προκαλέσει εκτεταμένες ζημιές σε κρίσιμες υποδομές, οδηγώντας σε σημαντικές οικονομικές απώλειες σε πολλούς τομείς. Σε αυτούς περιλαμβάνονται τα ενεργειακά συστήματα, οι υπηρεσίες ύδρευσης και αποχέτευσης, τα δίκτυα μεταφορών (αεροπορία, χερσαία και θαλάσσια), τα τρόφιμα και η γεωργία, η μεταποίηση και οι επικοινωνίες. Οι αγροτικές κοινότητες, ιδίως εκείνες που εξαρτώνται από τη γεωργία και την κτηνοτροφία, είναι ιδιαίτερα ευάλωτες. Η τέφρα μπορεί να διαταράξει τα μέσα διαβίωσης όχι μόνο αμέσως μετά από μια έκρηξη, αλλά και μακροπρόθεσμα. Αυτό συμβαίνει επειδή οι αποθέσεις τέφρας μπορούν να ανακτηθούν από τον άνεμο, δημιουργώντας καταιγίδες τέφρας που μοιάζουν με τις επιπτώσεις της αρχικής έκρηξης. Αυτά τα επαναλαμβανόμενα γεγονότα μπορούν να διαρκέσουν για χρόνια, εμποδίζοντας την οικονομική ανάκαμψη και παρατείνοντας τις δυσκολίες για τις πληγείσες κοινότητες.
Ποιοι παράγοντες επηρεάζουν την εξάπλωση της τέφρας;
Η τέφρα μπορεί να διασκορπιστεί σε τεράστιες αποστάσεις και, σε ορισμένες περιπτώσεις, μπορεί ακόμη και να ταξιδέψει σε όλο τον κόσμο. Η έκταση της διασποράς της τέφρας επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, όπως το μέγεθος της έκρηξης, το μέγεθος των σωματιδίων τέφρας (με μικρότερα θραύσματα να παραμένουν αιωρούμενα στην ατμόσφαιρα για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα), τη γεωγραφική θέση του ηφαιστείου και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες (ιδιαίτερα την ένταση και την κατεύθυνση του ανέμου). Για παράδειγμα, η έκρηξη του όρους Πινατούμπο στις Φιλιππίνες το 1991, μία από τις σημαντικότερες εκρήξεις του 20ού αιώνα, εισήγαγε τεράστιες ποσότητες ηφαιστειακής τέφρας στη στρατόσφαιρα, η οποία μεταφέρθηκε από ανέμους μεγάλου υψομέτρου και έκανε τον γύρο του πλανήτη σε μόλις 22 ημέρες. Ακόμα και σχετικά μικρές εκρήξεις μπορούν να έχουν σημαντικές επιπτώσεις όταν οι ατμοσφαιρικές και γεωγραφικές συνθήκες είναι δυσμενείς.
Ομοίως, η έκρηξη του ηφαιστείου Eyjafjallajökull στην Ισλανδία το 2010, αν και μέτρια σε μέγεθος, προκάλεσε σημαντική αναστάτωση στις ευρωπαϊκές αεροπορικές μεταφορές. Τα λεπτόκοκκα σωματίδια τέφρας μεταφέρθηκαν χιλιάδες χιλιόμετρα από το ρεύμα αέρα, καθηλώνοντας πτήσεις σε μεγάλο μέρος της Ευρώπης για αρκετές ημέρες. Αυτό υπογραμμίζει πώς ακόμη και σχετικά μικρές εκρήξεις μπορούν να έχουν σημαντικές επιπτώσεις όταν οι ατμοσφαιρικές και γεωγραφικές συνθήκες είναι δυσμενείς.
Πώς παρακολουθούν οι επιστήμονες τα λοφία και τα σύννεφα τέφρας;
Οι επιστήμονες παρακολουθούν τα λοφία τέφρας και τα σύννεφα ηφαιστειακής τέφρας χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό επίγειων οργάνων και δορυφορικών παρατηρήσεων. Αυτά τα δεδομένα είναι απαραίτητα για τον χαρακτηρισμό βασικών πτυχών της ηφαιστειακής δραστηριότητας, όπως η έκταση του λοφίου, το ύψος της στήλης έκρηξης, η εξάπλωση του σύννεφου ομπρέλας, το υψόμετρο και το πάχος του σύννεφου τέφρας, οι ιδιότητες των σωματιδίων τέφρας (όπως το μέγεθος, το σχήμα και η ταχύτητα καθίζησης), ο ρυθμός μαζικής έκρηξης, ο ρυθμός καθίζησης και η διάρκεια της έκρηξης.
Τα επίγεια εργαλεία περιλαμβάνουν ορατές και θερμικές κάμερες, lidar, ραντάρ, μικρόφωνα υποήχων και κεραίες ανίχνευσης κεραυνών, καθεμία από τις οποίες έχει βελτιστοποιηθεί για συγκεκριμένους τύπους παρατηρήσεων και έχει αναπτυχθεί σε ποικίλες αποστάσεις από την ηφαιστειακή οπή. Οι δορυφορικοί αισθητήρες υποστηρίζουν τις παγκόσμιες προσπάθειες παρακολούθησης μέσω ενεργητικής και παθητικής τηλεπισκόπησης σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος, από υπεριώδες έως μικροκύματα.
Η σύγχρονη ανίχνευση σύννεφων τέφρας βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε γεωστατικούς δορυφόρους, οι οποίοι παρέχουν εικόνες υψηλής χρονικής ανάλυσης (κάθε 1 έως 10 λεπτά), ιδανικές για συνεχή παρατήρηση σε πραγματικό χρόνο. Ωστόσο, αυτά τα συστήματα έχουν μειονεκτήματα, όπως η χονδρική χωρική ανάλυση (περίπου 4 km² στο ναδίρ) και η περιορισμένη κάλυψη σε υψηλά γεωγραφικά πλάτη λόγω της ισημερινής τροχιακής τους τοποθέτησης.
Ορατές (a και c) και θερμικές (b και d) εικόνες των πλημμυρών της Αίτνας (Ιταλία), που αποκτήθηκαν από το δίκτυο παρακολούθησης του Ιταλικού Ινστιτούτου Γεωφυσικής και Ηφαιστειολογίας, Osservatorio Etneo (INGV-OE). Ευγενική προσφορά του INGV-OE. Από: Pardini et al. [2024], Σχήμα 9.
Ποιες είναι μερικές πρόσφατες εξελίξεις στη μοντελοποίηση της διασποράς της τέφρας;
Η κίνηση των ηφαιστειακών νεφών και η εναπόθεση τέφρας στο έδαφος μπορούν να προσομοιωθούν χρησιμοποιώντας εξειδικευμένα αριθμητικά εργαλεία γνωστά ως Μοντέλα Μεταφοράς και Διασποράς Τέφρας (TTDM). Αυτά τα μοντέλα εμφανίστηκαν για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1980 και έκτοτε έχουν υποστεί σημαντικές εξελίξεις στη φυσική των μοντέλων, στους αριθμητικούς επιλυτές και στην υπολογιστική αποδοτικότητα.
Τα TTDM απαιτούν δύο κύριους τύπους δεδομένων εισόδου: μετεωρολογικές πληροφορίες (όπως ταχύτητα ανέμου, θερμοκρασία και πίεση) και παραμέτρους ηφαιστειακής πηγής, οι οποίες καθορίζουν τι εκπέμπεται, πόσο εκπέμπεται, πώς εγχέονται τα σωματίδια στην ατμόσφαιρα (συμπεριλαμβανομένου του ύψους και της κατανομής τους) και τη διάρκεια της εκπομπής (χρόνοι έναρξης και λήξης). Αυτά τα μοντέλα παράγουν αποτελέσματα που περιγράφουν τόσο την κατανομή της τέφρας που αιωρείται στην ατμόσφαιρα όσο και τα πρότυπα εναπόθεσης τέφρας στο έδαφος.
Τα σύγχρονα TTDM είναι ικανά να προσομοιώνουν πολύπλοκες ατμοσφαιρικές διεργασίες που επηρεάζουν τη μεταφορά τέφρας, όπως η συσσωμάτωση σωματιδίων και η υγρή εναπόθεση (αφαίρεση σωματιδίων τέφρας μέσω βροχοπτώσεων). Μια πρόσφατη εξέλιξη στον τομέα είναι η εμφάνιση προσεγγίσεων μοντελοποίησης σε σειρά, οι οποίες συνδέουν τα TTDM απευθείας με μοντέλα αριθμητικής πρόγνωσης καιρού (NWP). Σε αυτήν την ολοκληρωμένη ρύθμιση, η ατμοσφαιρική εξέλιξη και η μεταφορά τέφρας υπολογίζονται ταυτόχρονα, εξαλείφοντας την ανάγκη παρεμβολής μετεωρολογικών δεδομένων μεταξύ ξεχωριστών μοντέλων. Αυτή η προσέγγιση βελτιώνει την ακρίβεια των προσομοιώσεων διασποράς τέφρας, ιδιαίτερα υπό ταχέως μεταβαλλόμενες καιρικές συνθήκες. Ωστόσο, αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αυξημένη υπολογιστική ζήτηση και χρησιμοποιείται επί του παρόντος κυρίως σε ερευνητικά περιβάλλοντα παρά για επιχειρησιακή πρόβλεψη.
Πώς έχουν συμβάλει τα μοντέλα στη βελτίωση της πρόβλεψης και στον μετριασμό του κινδύνου;
Τα TTDM διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στον μετριασμό του ηφαιστειακού κινδύνου, παρέχοντας προβλέψεις για την κίνηση των ηφαιστειακών νεφών και την εναπόθεση τέφρας κατά τη διάρκεια εκρήξεων. Αυτά τα μοντέλα είναι ιδιαίτερα πολύτιμα για συστήματα έγκαιρης προειδοποίησης, επιτρέποντας τη λήψη έγκαιρων αποφάσεων για την προστασία της δημόσιας υγείας, την ασφάλεια της αεροπορίας και τις κρίσιμες υποδομές. Ένας από τους βασικούς επιχειρησιακούς χρήστες των TTDM είναι τα Κέντρα Συμβουλευτικής Ηφαιστειακής Τέφρας (VAACs), τα οποία είναι ένα δίκτυο εννέα εξειδικευμένων οργανισμών που κατανέμονται παγκοσμίως υπό την εντολή του Διεθνούς Οργανισμού Πολιτικής Αεροπορίας (ICAO).
Τα VAACs είναι υπεύθυνα για την παρακολούθηση των νεφών ηφαιστειακής τέφρας και την έκδοση συμβουλευτικών οδηγιών στις αεροπορικές αρχές. Για να το κάνουν αυτό, εκτελούν τακτικά TTDMs για να προβλέψουν τη χωρική και χρονική έκταση των νεφών τέφρας, βοηθώντας στην πρόληψη των συναντήσεων αεροσκαφών με επικίνδυνα ηφαιστειακά λοφία.
Επιπλέον, τα TTDMs χρησιμοποιούνται από εθνικές μετεωρολογικές και πολιτικές υπηρεσίες προστασίας για την πρόβλεψη και τη διαχείριση των επιπτώσεων της τέφρας στο επίπεδο του εδάφους. Για παράδειγμα, η Ιαπωνική Μετεωρολογική Υπηρεσία (JMA) εκδίδει προβλέψεις σε πραγματικό χρόνο για τη διασπορά και την εναπόθεση τέφρας μετά από εκρήξεις για την υποστήριξη μέτρων δημόσιας ασφάλειας.
Παρόμοιες πρακτικές εφαρμόζονται και σε άλλες ηφαιστειακά ενεργές χώρες, όπως η Ισλανδία και η Ιταλία.
Παράδειγμα εξόδου από το TTDM Ash3d, που χρησιμοποιήθηκε στο Παρατηρητήριο Ηφαιστείων της Αλάσκας για την πρόβλεψη της κίνησης των ηφαιστειακών νεφών κατά τη διάρκεια περιόδων αναταραχής. Το παράδειγμα που παρουσιάζεται προσομοιώνει ένα υποθετικό ηφαιστειακό νέφος από το ηφαίστειο Shishaldin στις 7 Αυγούστου 2024, χρησιμοποιώντας παραμέτρους πηγής έκρηξης που θεωρούνται ρεαλιστικές για αυτό το ηφαίστειο. Τα αποτελέσματα είναι δημόσια διαθέσιμα στον ιστότοπο του Παρατηρητηρίου Ηφαιστείων της Αλάσκας. Από: Pardini et al. [2024], Σχήμα 18.
Ποιες είναι μερικές από τις υπόλοιπες ερωτήσεις όπου απαιτούνται πρόσθετες προσπάθειες μοντελοποίησης, δεδομένων ή έρευνας;
Τις τελευταίες δεκαετίες, έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην εννοιολογική μας κατανόηση των διαδικασιών που οδηγούν τα λοφία τέφρας και τη συμπεριφορά των ηφαιστειακών νεφών. Ωστόσο, η εγγενής μεταβλητότητα των εκρηκτικών εκρήξεων (που κυμαίνονται σε στυλ, τοποθεσία και μοναδικά χαρακτηριστικά) συνεχίζει να θέτει σημαντικές προκλήσεις τόσο για την ολοκληρωμένη κατανόηση όσο και για την αποτελεσματική παρακολούθηση.
Η βελτίωση των παρατηρησιακών δυνατοτήτων αποτελεί ένα κρίσιμο μέτωπο στην ηφαιστειολογία. Μια επίμονη δυσκολία έγκειται στη σύνδεση των προβλέψεων μοντέλων με παρατηρήσεις στον πραγματικό κόσμο. Τα μεγάλα ηφαιστειακά ρεύματα είναι σπάνια και ακόμη και τα μικρότερα γεγονότα είναι δύσκολο να χαρακτηριστούν λόγω των περιορισμών των τρεχόντων δορυφορικών συστημάτων, των επίγειων οργάνων και των οπτικών δεδομένων. Ως αποτέλεσμα, η βελτίωση των παρατηρησιακών δυνατοτήτων αποτελεί ένα κρίσιμο μέτωπο στην ηφαιστειολογία.
Η ενσωμάτωση αυτών των βελτιωμένων παρατηρήσεων σε πλαίσια μοντελοποίησης είναι απαραίτητη, επίσης για την καλύτερη κατανόηση των ανεπαρκώς εξερευνημένων διεργασιών, όπως η συσσωμάτωση σωματιδίων και η αλλαγή φάσης του νερού εντός του ηφαιστειακού ρεύματος. Το αναδυόμενο δυναμικό της τεχνητής νοημοσύνης στην ανίχνευση και την πρόβλεψη της τέφρας αναγνωρίζεται ολοένα και περισσότερο, αν και η τρέχουσα εφαρμογή της παραμένει περιορισμένη, κυρίως σε λίγους αλγόριθμους ανάκτησης τέφρας.
Αντίθετα, η χρήση μεγάλων συνθετικών συνόλων δεδομένων που δημιουργούνται από TTDM για την εκπαίδευση μοντέλων που βασίζονται σε δεδομένα παραμένει σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητη, παρά τα ενθαρρυντικά αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν σε άλλα περιβάλλοντα ατμοσφαιρικής διασποράς, όπου τα μοντέλα μηχανικής μάθησης έχουν επιδείξει ισχυρές δυνατότητες γενίκευσης ακόμη και υπό προηγουμένως άγνωστες συνθήκες που δεν αντιπροσωπεύονται στα δεδομένα εκπαίδευσης - Federica Pardini (federica.pardini@ingv.it; 0000-0001-6049-5920), Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), Sezione di Pisa, Πίζα, Ιταλία .
Γεωδίφης με πληροφορίες από τη σελίδα eos
περισσότερα,
Pardini, F. (2025), Inside volcanic clouds: where tephra goes and why it matters, Eos, 106, https://doi.org/10.1029/2025EO255020. Published on 16 June 2025.
https://eos.org/editors-vox/inside-volcanic-clouds-where-tephra-goes-and-why-it-matters