בפעם הראשונה, ה- פנים פופוקטפטל מופה בשלושה ממדים עם רמת פירוט חסרת תקדים, צוות מהאוניברסיטה הלאומית האוטונומית של מקסיקו (UNAM) הצליח לבנות תמונה תלת-ממדית של תת-השטח של הר הגעש, המראה כיצד מאגמה מתפזרת מתחת לאחד הרי הגעש הפעילים והמנוטרים מקרוב ביותר על פני כדור הארץ.
התקדמות זו מגיעה לאחר חמש שנים של משלחות לגובה רב, מדידות סייסמיות רציפות ועיבוד נתונים הנתמך על ידי טכניקות של בינה מלאכותיתהתוצאה היא לא רק תמונה מרהיבה, אלא כלי מפתח לשיפור ניהול סיכונים באזור שבו אנשים גרים קרוב ל... מיליון אנשי 25 ברדיוס של 100 קילומטרים, עם תשתיות אסטרטגיות כגון שדות תעופה, בתי חולים ומרכזי חינוך.
כיצד נצפה פנים פופוקטפטל בתלת-ממד
הפרויקט, בהובלת מרקו קאלו, וולקנולוג במכון לגיאופיזיקה של UNAMזה נובע מרעיון פשוט אך קשה ליישום: ניצול רעידות הקרקע כדי "לצלם צילום רנטגן" של הר הגעש. כל רעידת אדמה קטנה, כל רעידת אדמה וכל פיצוץ מייצרים... אותות סיסמיים שמתפשטים דרך הפנים ומשתנים בהתאם לסוג החומר שהם נתקלים בו.
עד כה, פופוקטפטל היה יוצא מן הכלל מבין הרי הגעש הפעילים הגדולים בעולם: לא הייתה לו מפה פנימית ברזולוציה גבוההלמרות פעילותה העזה מאז 1994 וקרבתה לאזורים צפופי אוכלוסין, הניסיונות הראשונים, לפני כ-15 שנה, הניבו תמונות חלקיות בלבד, ולעיתים, תוצאות סותרות בנוגע למבנה הפנימי ומיקום מאגרי המאגמה.
כדי להתגבר על מגבלות אלו, הצוות החליט לנסח מחדש את אסטרטגיית המעקב. רשת המכשור הורחבה, ואומצו טכניקות מודרניות לניתוח נתונים, תוך התמקדות ב... להשיג מודל תלת-ממדי חזק של תת הקרקע המסוגלים לענות על שאלות מפתח: היכן מרוכזת מאגמה, כיצד היא מתחברת למכתש, ואילו אזורים צפויים לייצר סייסמיות.
האתגר לא היה רק מדעי. כל מדידה הייתה כרוך בכך טיפוס על מורדות פופוקטפטל עם תרמילים עמוסים בציוד בסביבה משתנה, עם אפר, גזים וסיכון מתמיד לפיצוצים קלים, שילוב זה של עבודת שטח וניתוח נתונים מתקדם היה המפתח להגעה לתמונה הסופית.
רשת של סייסמוגרפים ובינה מלאכותית לשירות הר הגעש
אחד מעמודי התווך של הפרויקט היה הרחבת הרשת הסייסמית סביב הר הגעשבפופוקאטפטל היו תריסר תחנות ניטור שהופעלו על ידי המרכז הלאומי למניעת אסונות (CENAPRED). לצורך מחקר זה, קבוצת UNAM הגדילה את מספר התחנות ל... 22 סייסמוגרפים הפרוסים סביב המכתש, המכסה את ההיקף בצפיפות גדולה בהרבה.
מכשירים אלה מקליטים רעידות קרקע עד מאה פעמים בשנייהרמת פירוט כזו מייצרת כמות עצומה של נתונים, שבלתי אפשרי לנתח אותם ידנית במסגרת זמן סבירה. כאן נכנסת לתמונה הבינה המלאכותית: הדוקטורנט. קארינה ברנל התאימה אלגוריתמים שתוכננו עבור הרי געש אחרים ולימד את המכונה לזהות את סוגי הרעידות השונים האופייניים לפופוקאטפטל.
באמצעות הכשרה זו, נבנו הדברים הבאים קטלוגים של אותות סייסמיים אותות אלה נעים בין מיקרו-סייסמים קטנים ועד לאירועים הקשורים לתנועת נוזלים, פיצוצים או סדיקת סלעים. כל סוג של אות מספק רמזים שונים לגבי מה שקורה עמוק מתחת לאדמה, מה שמאפשר לנו ללכת מעבר לתעד פשוט "האם יש רעידת אדמה או לא".
על ידי שילוב מידע מ-22 תחנות והתבניות שזוהו על ידי האלגוריתמים, הצליחו החוקרים כדי להסיק אילו חומרים קיימים בכל אזור בתוך הר הגעש...באיזה מצב הם נמצאים (מוצקים, מותכים חלקית, או מותכים), באיזו טמפרטורה משוערת, ובאיזה עומק. עם כל המידע הזה, נוצרו הנתונים הבאים: טומוגרפיה סייסמית תלת-ממדית של פופוקטפטל.
סוג זה של מידול דומה לסריקת CT רפואית, אלא שכאן, במקום קרני רנטגן, משתמשים בגלים סייסמיים הנעים דרך הר הגעש. במקומות בהם הגלים מואטים, יש סבירות גבוהה יותר לפעילות. חומר חם או מאגמה; במקום בו הם מאיצים, הסלעים הקרים והדחוסים ביותר שולטים.
מה חושפת טומוגרפיה סייסמית תלת-ממדית של פופוקטפטל
רחוק מהסכימה הפשוטה המופיעה בספרי לימוד - הר געש עם פתח אנכי יחיד ותא מאגמה מוגדר היטב - המודל שהתקבל מראה מערכת פנימית מורכבת הרבה יותרהתמונה התלת-ממדית משתרעת עד 18 קילומטרים מתחת למכתש ומצייר רשת של אזורים בעלי תכונות פיזיקליות שונות.
לפי צוות UNAM, הטומוגרפיה מצביעה על מה שנראה כ... מספר "כיסים" או מאגרים של מאגמה בעומקים שונים, מופרדים על ידי חומר מוצק יותר אשר משמש כמחסום חלקי ביניהם. לכן, זה לא תא אחיד אחד, אלא מערכת מפולחת עם גופים מגמטיים שונים המחוברים בצורה פחות או יותר יעילה.
אחת הממצאים הבולטים ביותר היא ריכוז גבוה יותר של מאגמה לכיוון החלק הדרום-מזרחי של הר הגעשאזור זה חופף לסייסמיות שופעת יותר, דבר המצביע על כך שמתרחשים שם תהליכים פנימיים פעילים במיוחד: תנועת נוזלים, שינויי לחץ, ומסלולים מועדפים אפשריים של עליית מאגמה.
התפלגות פנימית זו מסייעת לפרש מחדש דפוסי פעילות מסוימים שנצפו על פני השטח, כגון תדירות פליטות הגז והאפר, עיוותים עדינים של המבנה הגעשי, או נחילים סייסמיים מסוימים. למרות שהיא עדיין לא מאפשרת לנו לחזות בדיוק מתי תתרחש התפרצות, היא כן מציעה... הקשר פיזי חזק הרבה יותר שבו ניתן להעריך את התפתחות המערכת.
יתר על כן, הטומוגרפיה מחזקת את הרעיון שפופוקאטפטל הוא הר געש דינמי בתהליך רה-ארגון פנימי מתמשךשבהם מאגמה יכולה להתפזר מחדש בין מאגרים ולשנות דפוסי פעילות לאורך זמן. חזרה על אותו סוג של מחקרים בעתיד תאפשר השוואות תמונות וזיהוי שינויים רלוונטיים לפני אירועים של התפרצות גדולה.
ענק רב עוצמה ופעיל עם היסטוריה וסיכון למיליוני אנשים
פופוקטפטל, הידוע בשמה העממי "הפופו", זה עולה עד ל- 5.452 מטר גובה ושולט בנוף של מרכז מקסיקו. צורתו הנוכחית התגבשה יותר מ 20.000 שנים, כאשר הוא צץ במכתש של הרי געש עתיקים, ומ שנת 1994 נותרה במצב של פעילות כמעט רציפה, עם עמודי גז, אפר ופיצוצים קטנים שתועדו לעתים קרובות.
פעילות זו אינה רק עניין מדעי: להר הגעש יש רדיוס השפעה של כ... 100 ק"מ היכן שחיים ופועלים מיליוני אנשים חמישה שדות תעופהכמו גם בתי ספר, בתי חולים ותשתיות קריטיות אחרות. שינויים ברמת הכוננות יכולים להשפיע ישירות טיסות, פינויים מונעים או הגבלות גישה לאזורים כפריים ותיירותיים מסוימים.
ההיסטוריה של פופוקטפטל נקטעת בפרקים הממחישים את כוחה ההרסני. במאה ה-1, העיר טטימפה נקברה תחת אפר געשי...במה שחוקרים תיארו כמעין "מיני פומפיי" מסואמריקאית. כבר במאה ה-20, התערבות אנושית, באמצעות דינמיט להפקת גופרית מהמכתשזה אפילו עורר התפרצות, והזכיר לנו שפעילות תעשייתית באזורים געשיים אינה חפה מהשלכות.
למרות היותו אחד מהרי הגעש ש האזור פולט יותר גזים מזהמים.פליטות גזי החממה שלה מייצגות רק חלק קטן ממה שמייצרת מקסיקו סיטי השכנה. ניגוד זה מציב בפרספקטיבה את המשקל היחסי של הרי געש בהשוואה לפעילות אנושית במאזן גזי החממה העולמי, נושא שמעורר עניין גובר גם באירופה.
ההתפרצות המשמעותית האחרונה נרשמה ב- 2023בתוך דפוס זה של פעילות לסירוגין המחייב ניטור מתמיד, המודל התלת-ממדי החדש משולב כעת במאמץ המעקב היומי הזה, ותורם מידע נוסף לפירוש האותות המגיעים מרשת הניטור ולהשלים את דוח פעילות והתראה.
מגורים ועבודה ב"מעבדה טבעית" בגובה 4.000 מטרים
מעבר לנתונים, הפרויקט היה חוויה אינטנסיבית עבור הצוות המדעי. קאלו עצמו, שבמשך שנים חקר הרי געש אך ורק ממחשב, מודה ש... עובדים ישירות על מורדות פופוקטפטל זה שינה את תפיסתו את החקירה. המעבר מגרפיקה על המסך לקולות הפיצוצים וריח הגופרית פותח דרך נוספת להבין את המערכת המנותחת.
המשלחות מתחילות עם שחר, עם מספר שעות של עלייה כדי למצוא מקום מתאים להקים מחנה, בדרך כלל ב- שטח יער אורנים כ-3.800 מטריםנוכחותה של צמחייה גבוהה היא סימן לכך שפיצוצים כמעט ולא מגיעים למרחק כה רב ושהאזור בטוח למדי ללינה ולהסתגלות.
מאותה נקודה ואילך, הנוף משתנה. העצים מפנים בהדרגה את מקומם ל אדמות שיחים מפוזרות בין אפר געשי ובהמשך, אל שטח מכוסה כמעט כולו במשקעים רופפים. בדרך, עליכם לחצות לאהרלשון של אבנים ואפר שבמהלך עונת הגשמים הופכת לנהר בוץ המסוגל לסחוף כל מה שבדרכו. מחוץ לשעות אלה, אפיק הנהר היבש מציע נקודת תצפית מיוחדת על הרי געש סמליים אחרים, כמו Pico de Orizaba, La Malinche או Iztaccíhuatl.
עבור אלו המשתתפים בקמפיינים, כגון סטודנט לתואר שני קרינה רודריגסהעבודה משלבת את ניתוח הגלים הסייסמיים עם החוויה הפיזית של "תחושה" של הר הגעש: לשמוע את האפר נופל כמו גשם, שימו לב לרעידות הקרקע במהלך רעידת אדמה קטנה או ראו כיצד זוהר כתום מאיר את המכתש בלילות החשוכים ביותר.
הגובה מוסיף קושי נוסף. מה 4.200 מטרונראה כי תרמילים עמוסים במחשבים ניידים, ציוד לניתוח גזים, סוללות ומיכלי מים שוקלים הרבה יותר, וקצב הצוות מאט. למרות זאת, במקרים רבים יש צורך לשאת עד 50 קילו של חומר כאשר מותקנת תחנה סייסמוגרפית חדשה, היא הופכת כל קמפיין לתרגיל בסיבולת פיזית ואינטלקטואלית כאחד.
תחנות קבורות, פצצות געשיות ומסורות על צלע גבעה
חלק חשוב מעבודת השטח מורכב מ לבדוק מעת לעת את התחנות הסייסמיותבכל פעם שהצוות מגיע לאחד, עליהם לאתר ולחשוף אותו – הם מוסתרים מתחת לאדמה בדיוק כדי למנוע גניבה או נזק ישיר –, לבדוק שהאלקטרוניקה עדיין פועלת, לאמת את מצב הפאנל הסולארי, להוריד את הנתונים ולכסות אותו שוב.
לא תמיד יש חדשות טובות. ביותר מפעם אחת, חוקרים גילו ש הסוללה באחת התחנות התקלקלה לפני חודשים. או שבעלי חיים קטנים כרסמו את הכבלים. במצבים קיצוניים יותר, מתקנים מסוימים נפגעו מרסיסים שנפלטו במהלך פיצוצים, מה שגרם נזק חמור או הרס.
הנוף בולט במאפייניו הייחודיים. "פצצות געשיות"סלעים גדולים, בקוטר של עד מטר וחצי ומשקלם של כמה טונות, נפלטו מהר הגעש בהתפרצויות קודמות. אחד הסלעים הללו אף מסמן את הדרך לפסגה ומשמש תזכורת למה שעלולה להיות כרוכה בתחילתה של התפרצות חזקה יותר.
מסיבות בטיחותיות, האזור הסמוך למכתש מוגבל רשמית, אם כי לא תמיד הדבר מכובד במלואו. בשנת 2022, אדם נהרג לאחר שנפגע מסלע כ-300 מטרים מהקצה, אירוע המדגיש את הצורך לכבד את הגבלות הגישה סביב הר געש פעיל.
לצד ההקשר הזה של סיכון, פופוקטפטל גם שומר על קיומו מסורות מקומיות ואלמנטים תרבותייםליד שקע המכונה "הטבור של פופו" נפוץ למצוא שרידי מנחות, כמו בקבוק טקילה, המקושרים לעלייה לרגל שנתית למקום שרבים רואים בו קשר סמלי לעולם התחתון. צומת זה של מדע, מיתוס וחיי היומיום הוא חלק מהנוף הטיפוסי על מורדות הר הגעש.
אילו שינויים בניהול סיכונים געשיים
השגת ה תמונה תלת-ממדית מפורטת ראשונה של פנים פופוקטפטל זה לא רק הישג אקדמי. יש לו השלכות מעשיות על ניהול סיכונים והיערכות לחירום, הן במקסיקו והן במדינות אחרות עם הרי געש פעילים, כולל כמה באירופה.
יש א מודל פנימי מוגדר היטב זה מאפשר מתאם מדויק יותר של אותות שנצפו על פני השטח - כגון שינויים בסייסמיות, עיוות קרקע או שינויים בסוג ההתפרצויות - עם תהליכים ספציפיים המתרחשים בעומק. לדוגמה, אם מתגלה עלייה ברעידות ב... האזור הדרום-מזרחי של המכתשכאשר טומוגרפיה מגלה הצטברות גדולה יותר של מאגמה, הרשויות יכולות להעריך שינוי זה בהקשר פיזי נוסף.
הפרויקט מדגים גם את הפוטנציאל של שילוב רשתות צפופות של סייסמוגרפים עם בינה מלאכותיתגישה זו כבר נמצאת על הרדאר של מרכזי ניטור געשיים ברחבי העולם. באירופה, שם הרי געש כמו אטנה, וזוב, שדות הפלגרא או המערכות הגעשיות של איסלנד הם נושא לתשומת לב מתמדת; מתודולוגיה מסוג זה מציעה התייחסות קונקרטית כיצד לשפר את הרזולוציה של מודלים פנימיים.
יתר על כן, חזרה על אותו סוג של טומוגרפיה בעתיד, כאשר הסייסמוגרפים כבר מותקנים והאלגוריתמים משופרים, תפתח את הדלת ל... השווה את המבנה הפנימי של הר הגעש בזמנים שוניםכל שינוי משמעותי בתפוצת האזורים שנמסו חלקית או בקישוריות בין מאגרים עשוי להיות סימן מוקדם לכך שהמערכת מתארגנת מחדש לפני מחזור התפרצות חדש.
החוקרים מתעקשים, עם זאת, כי אף מודל אינו מאפשר חיזוי התפרצויות בדיוק מלא.מה שהכלים הללו מספקים הוא בסיס מוצק הרבה יותר לפירוש נתונים יומיומיים ולקבלת החלטות מושכלות לגבי שינויים ברמות הכוננות, הגבלות אוויריות או פינויים אפשריים, ובכך מפחיתים את אי הוודאות סביב כל פרק של פעילות חריגה.
פרויקט שפותח שאלות מדעיות חדשות
כפי שקורה לעתים קרובות במדע, העבודה אינה מסתיימת עם פרסום התמונה הראשונה. למרות שהטומוגרפיה התלת-ממדית של פופוקטפטל תרמה... ודאויות חשובות —כגון זיהוי של מאגרים מרובים וריכוז המאגמה לכיוון דרום-מזרח—, יצר גם לא ידועים חדשים שהצוות רוצה לטפל בו בשנים הקרובות.
בין השאלות הפתוחות, הצורך ב כדי להבין מדוע הסייסמיות עזה יותר באזורים מסוימים מהפנים ומהן ההשלכות של זה על התפתחותו העתידית של הר הגעש. עולות גם שאלות לגבי האופן שבו דפוסים אלה עשויים להשתנות אם המערכת תחווה הזרקה נוספת של מאגמה מעומקים גדולים יותר או אם הקישוריות בין תאי המאגמה תשתנה.
כדי לענות על שאלות אלו, חוקרים שוקלים את האפשרות של קמפיינים של מדידה חוזרת ולעדכן מעת לעת את המודל התלת-ממדי, מה שיאפשר לפופוקאטפטל להפוך ל"מעבדה טבעית" אמיתית בטווח הארוך. שילוב נתונים סייסמיים עם טכניקות אחרות, כגון דפורמציה הנמדדת בלוויינים או ניתוח גז מפורט, יוכל לחדד עוד יותר את ההבנה של מה שקורה מתחת לפני השטח.
הצוות מדגיש גם את הערך החינוכי של פרויקטים מסוג זה. חוקרים צעירים אוהבים קרינה רודריגס הם מצאו בפופוקאטפטל קרקע ניסויים שבה משולבים עבודה קשה בהרים גבוהים, ניתוח נתונים מורכבים ומעורבות ישירה בנושא בטיחות הציבור. ניסיון זה, לדבריהם, הוא אחד הכוחות המניעים אותם לעשות זאת. להתחיל פרויקטים חדשים ולהמשיך לטפס על הר הגעש.
לאחר שנים של עליות, לילות למרגלות המכתש, ואלפי שעות של עיבוד אותות במחשב, התמונה של ה... פנים פופוקטפטל נע בתלת-ממד על המסך זה הפך לגמול הגדול ביותר של הצוות. ייצוג חזותי המסכם את המאמץ הקולקטיבי, ובו זמנית מסמן את נקודת ההתחלה של שלב חדש בחקר אחד הרי הגעש הנבדקים מקרוב ביותר בעולם, עם לקחים שכבר נצפים מקרוב על ידי מצפי ראייה געשיים אחרים במקסיקו, באמריקה ובאירופה.
