Predicción de la actividad volcánica

• La actividad sísmica (terremotos y temblores) se produce siempre que los volcanes se activan y se preparan para entrar en erupción, y constituye un vínculo muy importante con las erupciones. Algunos volcanes presentan normalmente una actividad sísmica continua de baja intensidad, pero un aumento puede indicar una mayor probabilidad de erupción. Los tipos de terremotos que se producen, así como su origen y destino, también son indicadores clave. La sismicidad volcánica se manifiesta de tres formas principales: terremoto de corto período , terremoto de largo período y temblor armónico .
• Los sismos de corto período son similares a los sismos generados por fallas. Se producen por la fractura de rocas frágiles a medida que el magma asciende. Estos sismos de corto período indican el crecimiento de un cuerpo de magma cerca de la superficie y se conocen como ondas A. Este tipo de eventos sísmicos también se denominan eventos o terremotos volcánico-tectónicos (o VT).
• Se cree que los terremotos de largo período indican un aumento de la presión de los gases en el sistema de conductos de un volcán. Son similares al golpeteo que a veces se escucha en las tuberías de una casa, conocido como " golpe de ariete ". Estas oscilaciones equivalen a vibraciones acústicas en una cámara, en el contexto de las cámaras magmáticas dentro del domo volcánico, y se conocen como ondas B. También se las denomina ondas de resonancia y eventos de resonancia de largo período.
• Los temblores armónicos suelen ser el resultado de la presión del magma sobre la roca suprayacente. A veces pueden ser lo suficientemente fuertes como para que las personas y los animales los perciban como un zumbido, de ahí su nombre.

Los patrones de sismicidad son complejos y a menudo difíciles de interpretar; sin embargo, el aumento de la actividad sísmica es un buen indicador del aumento del riesgo de erupción, especialmente si predominan los eventos de largo período y aparecen episodios de temblor armónico.

Utilizando un método similar, los investigadores pueden detectar erupciones volcánicas mediante el monitoreo del infrasonido (sonido subaudible por debajo de 20  Hz). La Red Global de Infrasonido del IMS, creada originalmente para verificar el cumplimiento de los tratados de prohibición de ensayos nucleares, cuenta con 60 estaciones en todo el mundo que trabajan para detectar y localizar volcanes en erupción. ^{[ 1 ]}

Una relación entre eventos de largo período y erupciones volcánicas inminentes se observó por primera vez en los registros sísmicos de la erupción de 1985 del Nevado del Ruiz en Colombia. La ocurrencia de eventos de largo período se utilizó luego para predecir la erupción de 1989 del Monte Redoubt en Alaska y la erupción de 1993 del Galeras en Colombia. En diciembre de 2000, científicos del Centro Nacional para la Prevención de Desastres en la Ciudad de México predijeron una erupción en dos días en el Popocatépetl , en las afueras de la Ciudad de México. Su predicción se basó en la investigación realizada por Bernard Chouet , un vulcanólogo suizo que trabajaba en el Servicio Geológico de los Estados Unidos y que fue el primero en observar una relación entre eventos de largo período y una erupción inminente. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} El gobierno evacuó a decenas de miles de personas; 48 horas después, el volcán entró en erupción como se había predicho. Fue la mayor erupción del Popocatépetl en mil años, pero nadie resultó herido.

Se postularon similitudes entre los temblores de icebergs , que se pueden observar cuando encallan, y los temblores volcánicos para ayudar a los expertos a desarrollar un mejor método para predecir erupciones volcánicas . Dado que los icebergs tienen estructuras mucho más simples que los volcanes, la causa de los temblores es más fácil de modelar. Las similitudes entre los temblores volcánicos y los de icebergs incluían duraciones y amplitudes prolongadas , así como cambios comunes en las frecuencias . ^{[ 5 ]} Estas observaciones, junto con el perfeccionamiento del modelo de las causas de ambos tipos de temblores, permitieron el desarrollo posterior de mejores mecanismos de detección automática para algunas erupciones volcánicas. ^{[ 6 ]}

A medida que el magma se acerca a la superficie y su presión disminuye, los gases escapan. Este proceso es muy similar a cuando se abre una botella de refresco y se libera dióxido de carbono. El dióxido de azufre es uno de los componentes principales de los gases volcánicos, y su aumento indica la llegada de mayores cantidades de magma a la superficie. Por ejemplo, el 13 de mayo de 1991, se liberó una cantidad creciente de dióxido de azufre del Monte Pinatubo en Filipinas . El 28 de mayo, apenas dos semanas después, las emisiones de dióxido de azufre habían aumentado a 5000 toneladas, diez veces la cantidad anterior. El Monte Pinatubo entró en erupción el 12 de junio de 1991. En varias ocasiones, como antes de la erupción del Monte Pinatubo y la erupción de Galeras en Colombia en 1993 , las emisiones de dióxido de azufre han disminuido a niveles bajos antes de las erupciones. La mayoría de los científicos creen que esta disminución en los niveles de gas se debe al sellado de los conductos de gas por el magma solidificado. Este tipo de evento provoca un aumento de la presión en el sistema de conductos del volcán y una mayor probabilidad de una erupción explosiva. Un sistema analizador de gases multicomponente (Multi-GAS) es un conjunto de instrumentos que se utiliza para realizar mediciones de alta resolución en tiempo real de las columnas de gases volcánicos. ^{[ 7 ]} Las mediciones de Multi-GAS de las proporciones de CO₂ _/ SO₂ _permiten detectar la desgasificación preeruptiva de los magmas ascendentes, lo que mejora la predicción de la actividad volcánica. ^{[ 7 ]}

El abultamiento de un volcán indica que se ha acumulado magma cerca de la superficie. Los científicos que monitorean un volcán activo suelen medir la inclinación de la ladera y registrar los cambios en la tasa de abultamiento. Un aumento en la tasa de abultamiento, especialmente si va acompañado de un incremento en las emisiones de dióxido de azufre y temblores armónicos, es una señal de alta probabilidad de un evento inminente. La deformación del Monte Santa Helena antes de la erupción del 18 de mayo de 1980 fue un ejemplo clásico de deformación, ya que el lado norte del volcán se abombaba hacia arriba a medida que el magma se acumulaba debajo. La mayoría de los casos de deformación del terreno generalmente solo son detectables con equipos sofisticados utilizados por los científicos, pero aun así pueden predecir futuras erupciones de esta manera. Los volcanes hawaianos muestran una deformación significativa del terreno; hay una inflación del suelo antes de una erupción y luego una deflación evidente después de la erupción. Esto se debe a la cámara magmática poco profunda de los volcanes hawaianos; el movimiento del magma se nota fácilmente en el suelo. ^{[ 8 ]}

Tanto el movimiento del magma como los cambios en la liberación de gases y la actividad hidrotermal pueden provocar cambios en la emisividad térmica en la superficie del volcán. Estos cambios pueden medirse utilizando diversas técnicas:

• Radiometría infrarroja de visión frontal (FLIR) desde dispositivos portátiles, instalados in situ, a distancia o desde el aire;
• Imágenes satelitales en banda infrarroja ;
• Termometría in situ ( fuentes termales , fumarolas )
• mapas de flujo de calor
• cambios de entalpía en pozos geotérmicos

Existen cuatro métodos principales que pueden utilizarse para predecir una erupción volcánica mediante el uso de la hidrología:

• Las mediciones hidrológicas e hidráulicas en pozos y perforaciones se utilizan cada vez más para monitorear los cambios en la presión de los gases subterráneos y el régimen térmico de los volcanes. El aumento de la presión de los gases provoca que los niveles de agua suban y bajen repentinamente justo antes de una erupción, y la concentración térmica (aumento del flujo de calor local) puede reducir o secar los acuíferos.
• Detección de lahares y otros flujos de detritos cerca de sus fuentes. Científicos del USGS han desarrollado un sistema económico, duradero, portátil y de fácil instalación para detectar y monitorear continuamente la llegada y el paso de flujos de detritos e inundaciones en valles fluviales que drenan volcanes activos.
• Los sedimentos previos a la erupción pueden ser arrastrados por el cauce de un río que rodea el volcán, lo que indica que la erupción es inminente. La mayor parte de los sedimentos se transportan desde cuencas hidrográficas afectadas por actividad volcánica durante periodos de fuertes lluvias. Esto puede ser un indicio de cambios morfológicos y un aumento de la actividad hidrotermal en ausencia de técnicas de monitoreo instrumental.
• Los depósitos volcánicos que se acumulan en las riberas de un río se erosionan fácilmente, lo que provoca un ensanchamiento o profundización drástica del cauce. Por lo tanto, el monitoreo del ancho y la profundidad del cauce permite evaluar la probabilidad de una futura erupción volcánica.

La teledetección consiste en la detección, mediante los sensores de un satélite, de la energía electromagnética que es absorbida, reflejada, irradiada o dispersada desde la superficie de un volcán o desde el material que expulsa en una nube de erupción.

• ' Detección de nubes : Los científicos pueden monitorear las nubes de erupción inusualmente frías de los volcanes utilizando datos de dos longitudes de onda térmicas diferentes para mejorar la visibilidad de las nubes de erupción y distinguirlas de las nubes meteorológicas.
• Detección de gases : El dióxido de azufre también se puede medir mediante teledetección en algunas de las mismas longitudes de onda que el ozono. Los espectrómetros de mapeo de ozono total (TOMS) pueden medir la cantidad de dióxido de azufre liberado por los volcanes durante las erupciones. Se han detectado emisiones de dióxido de carbono de volcanes en el infrarrojo de onda corta utilizando el Observatorio Orbital de Carbono 2 de la NASA . ^{[ 9 ]}
• Detección térmica : La presencia de nuevas señales térmicas significativas o "puntos calientes" puede indicar un nuevo calentamiento del suelo antes de una erupción, representar una erupción en curso o la presencia de un depósito volcánico muy reciente, incluidos flujos de lava o flujos piroclásticos.
• Detección de deformaciones : Los datos de radar espacial satelital pueden utilizarse para detectar cambios geométricos a largo plazo en el edificio volcánico, como elevaciones y depresiones. En este método, se restan entre sí los modelos digitales de elevación generados a partir de imágenes de radar de apertura sintética interferométrica (InSAR) para obtener una imagen diferencial que muestra las tasas de cambio topográfico.
• Monitoreo forestal : Recientemente, se ha demostrado que la ubicación de las fracturas eruptivas puede predecirse, meses o años antes de las erupciones, mediante el monitoreo del crecimiento forestal. Esta herramienta, basada en el monitoreo del crecimiento de los árboles, se validó en el Monte Niyragongo y el Monte Etna durante las erupciones volcánicas de 2002-2003. ^{[ 10 ]}
• Detección por infrasonido : Un enfoque relativamente nuevo para detectar erupciones volcánicas implica el uso de sensores de infrasonido de la red de infrasonido del Sistema Internacional de Monitoreo (IMS). Este método de detección toma señales de múltiples sensores y utiliza la triangulación para determinar la ubicación de la erupción. ^{[ 11 ]}

El monitoreo de movimientos de masas y fallas utiliza técnicas provenientes de la sismología (geófonos), la deformación y la meteorología. Los deslizamientos de tierra, los desprendimientos de rocas, los flujos piroclásticos y los flujos de lodo (lahares) son ejemplos de fallas masivas de material volcánico antes, durante y después de las erupciones.

El deslizamiento volcánico más famoso fue probablemente el colapso de una protuberancia formada por la intrusión de magma antes de la erupción del Monte Santa Helena en 1980. Este deslizamiento "desbloqueó" la intrusión magmática superficial, provocando un colapso catastrófico y una explosión lateral inesperada. Los desprendimientos de rocas suelen ocurrir durante períodos de mayor deformación y pueden ser un signo de mayor actividad en ausencia de monitoreo instrumental. Los flujos de lodo ( lahares ) son depósitos de ceniza hidratada removilizados provenientes de flujos piroclásticos y depósitos de caída de ceniza, que se mueven ladera abajo incluso en ángulos muy bajos a gran velocidad. Debido a su alta densidad, son capaces de mover objetos grandes como camiones madereros cargados, casas, puentes y rocas. Sus depósitos generalmente forman un segundo anillo de abanicos de escombros alrededor de los edificios volcánicos, siendo el abanico interior el depósito primario de ceniza. Aguas abajo de la deposición de su carga más fina, los lahares aún pueden representar un riesgo de inundación superficial debido al agua residual. Los depósitos de lahar pueden tardar muchos meses en secarse antes de que se pueda caminar sobre ellos. Los peligros derivados de la actividad de los lahares pueden persistir durante varios años después de una gran erupción explosiva.

Un equipo de científicos estadounidenses desarrolló un método para predecir lahares . Este método se desarrolló analizando rocas en el Monte Rainier, en Washington . El sistema de alerta se basa en observar las diferencias entre rocas frescas y antiguas. Las rocas frescas son malos conductores de electricidad y se alteran hidrotermalmente por el agua y el calor. Por lo tanto, si conocen la edad de las rocas y, por consiguiente, su resistencia, pueden predecir la trayectoria de un lahar. ^{[ 12 ]} También se ha instalado un sistema de monitores de flujo acústico (AFM) en el Monte Rainier para analizar los temblores del suelo que podrían provocar un lahar , proporcionando así una alerta temprana. ^{[ 13 ]}

La erupción del monte Nyiragongo el 17 de enero de 2002 fue predicha una semana antes por un experto local que llevaba años estudiando los volcanes. Informó a las autoridades locales y se envió un equipo de reconocimiento de la ONU a la zona; sin embargo, se declaró segura. Desafortunadamente, cuando el volcán entró en erupción, el 40% de la ciudad de Goma quedó destruida, junto con el sustento de muchas personas. El experto afirmó haber notado pequeños cambios en el relieve local y haber monitoreado la erupción de un volcán mucho más pequeño dos años antes. Como sabía que estos dos volcanes estaban conectados por una pequeña fisura, sabía que el monte Nyiragongo entraría en erupción pronto. ^{[ 14 ]}

Geólogos británicos han desarrollado un método para predecir futuras erupciones del Monte Etna . Han descubierto que existe un desfase de 25 años entre eventos. El monitoreo de eventos en la corteza profunda puede ayudar a predecir con precisión lo que sucederá en los años venideros. Hasta ahora han predicho que entre 2007 y 2015, la actividad volcánica será la mitad de la que fue en 1972. ^{[ 15 ]} Otros métodos para predecir la actividad volcánica consisten en examinar el aumento de las proporciones de CO ₂ /SO _2. Estas proporciones indicarán la desgasificación preeruptiva de las cámaras magmáticas. Un equipo de investigadores utilizó el Monte Etna para esta investigación observando gases como H ₂ O, CO ₂ y SO ₂ . El equipo realizó un monitoreo en tiempo real del Monte Etna antes de que experimentara erupciones en julio y diciembre de 2006. Estas proporciones de CO₂ _/ SO₂ _son útiles ya que el aumento de estas proporciones es un precursor de erupciones próximas debido a la aceleración de magmas ricos en gas y reabastece la cámara magmática. En los dos años de observaciones que realizó el equipo, el aumento de estas proporciones es un precursor de erupciones próximas. Se registró que en los meses previos a una erupción, las proporciones aumentaron y llevaron a una erupción después de que había alcanzado su cantidad máxima. Se concluyó que la medición de H₂O _, CO₂ _y SO₂ _puede ser un método útil para predecir la actividad volcánica, especialmente en el Monte Etna. ^{[ 16 ]} La predicción de la actividad volcánica del Monte Etna también se puede utilizar con el análisis de microgravedad 4D. Este tipo de análisis utiliza GPS e interferometría de radar de apertura sintética (InSAR). Puede medir los cambios de densidad y, posteriormente, generar un modelo que muestre los movimientos del magma y las escalas espaciales que se producen dentro de un sistema volcánico. En 2001, los modelos de gravedad detectaron una disminución de la masa del Monte Etna de 2,5 × 10¹¹ ^kg . Dos semanas antes de una erupción, se produjo un aumento repentino de la masa. El volcán compensó esta disminución de magma extrayendo más magma de su zona de almacenamiento para elevarlo a los niveles superiores del sistema de conductos. Esta extracción provocó la erupción. Los estudios de microgravedad realizados por este equipo muestran la migración de magma y gas dentro de una cámara magmática antes de cualquier erupción, lo que puede ser un método útil para predecir la actividad volcánica. ^{[ 17 ]}

Sakurajima es posiblemente una de las zonas más vigiladas del planeta. El volcán Sakurajima se encuentra cerca de la ciudad de Kagoshima , que cuenta con una población de más de 500 000 habitantes. Tanto la Agencia Meteorológica de Japón (JMA) como el Observatorio Vulcanológico de Sakurajima (SVO) de la Universidad de Kioto monitorean la actividad del volcán. Desde 1995, Sakurajima solo ha entrado en erupción desde su cima, sin que se haya producido ninguna erupción de lava.

Técnicas de monitoreo en Sakurajima:

• La actividad volcánica se manifiesta por el levantamiento del terreno alrededor del volcán a medida que el magma comienza a acumularse en el subsuelo. En Sakurajima, esto se evidencia por una elevación del lecho marino en la bahía de Kagoshima, lo que provoca un aumento del nivel de la marea.
• Cuando el magma comienza a fluir, la fusión y fractura de la roca base se detectan como sismos volcánicos. En Sakurajima, estos ocurren entre dos y cinco kilómetros bajo la superficie. Un túnel de observación subterráneo se utiliza para detectar sismos volcánicos con mayor precisión.
• Los niveles de agua subterránea comienzan a cambiar, la temperatura de las aguas termales puede aumentar y la composición química y la cantidad de gases liberados pueden alterarse. Se colocan sensores de temperatura en los pozos para detectar la temperatura del agua subterránea. En Sakurajima se utiliza la teledetección, ya que los gases son altamente tóxicos: la proporción de _HCl con respecto al SO₂ aumenta significativamente poco antes de una erupción.
• A medida que se aproxima una erupción, los sistemas de inclinómetros miden los movimientos mínimos de la montaña. Los datos se transmiten en tiempo real a los sistemas de monitoreo del Observatorio Volcánico de Saskatchewan (SVO).
• Los sismómetros detectan los terremotos que se producen justo debajo del cráter, lo que indica el inicio de la erupción. Estos terremotos ocurren entre 1 y 1,5 segundos antes de la explosión.
• Tras una explosión, el sistema de inclinómetros registra el asentamiento del volcán.