Flygtige Sakurajima Volcano Er Et Lyn Laboratorium

{h1}

Sakurajima vulkanen er så aktiv, at børn bærer hårde hatte, når de går i skole, men stedet er også et førsteklasses laboratorium til at studere vulkanisk lyn, forklarer vulkanolog jeffrey johnson.

Jeffrey Johnson, lektor i geovidenskab ved Boise State University, bidrager denne artikel til WordsSideKick.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.

Japan er et land med vulkaner, og Sakurajima er en af ​​dets mest berygtede. Dens berygtighed stammer fra sin dårlige opførsel i 1914, da kraftige eksplosioner og pyroklastiske strømme tvang evakueringen af ​​den lille vulkanske ø. Kort efter eksplosionerne stoppede, begyndte omfattende lavaudbrud. Mængden af ​​lava, der brød ud, var nok til at spænde over Kagoshima Bay, der forbinder vulkanen med Kyushus fastland. For meget af de næste fyrre år var vulkanen relativt stille.

En elev går i skole på Sakurajima-halvøen med en hård hat, som mange gør, hvis vulkansk materiale svæver over byen.

En elev går i skole på Sakurajima-halvøen med en hård hat, som mange gør, hvis vulkansk materiale svæver over byen.

Kredit: Corrado Cimarelli

Men Sakurajima har eksploderet intermitterende siden 1955. Og selvom det ikke længere er en ø, er den stadig tæt på omgivelserne af vand, og dens 7.000 beboere udsættes for vulkanske farer, herunder askefald, lahars og potentialet for lavabomber. I dag pendler skolebørn iført hårde hatte, bare hvis sten begynder at regne ned fra himlen. Fordi ashfall ofte gryser landskabet, bærer alle masker for at undgå at trække vejret i de små partikler af vulkansk glas. Mens nedvindingsområderne på øen er mere sårbare over for ashfall, forbliver intet hjørne af øen fuldstændig upåvirket, da enhver placering er mindre end 4 miles fra det eksploderende krater.

Selv om eksplosioner er en generel ulempe for lokalbefolkningen, trækker fænomenet vulkanforskere til regionen som møller til en flamme: Sakurajimas pålidelige, hyppige og kraftige eksplosioner giver forskere et uovertruffen laboratorium til at studere udbrud, der kategoriseres som kvintessentialt "vulkanisk".

Fotos taget adskillige sekunder fra hinanden, sammen med tilsvarende infrasound signal fra flere hundrede pascals i amplitude, taget på Sakurajima Volcano i Japan.

Fotos taget adskillige sekunder fra hinanden, sammen med tilsvarende infrasound signal fra flere hundrede pascals i amplitude, taget på Sakurajima Volcano i Japan.

Kredit: Jeffrey Johnson

På en typisk dag kan et par vulkaniske blaster forventes at bryde ud af Showa Crater som canon shots. Ti sekunder senere når en hjernerystelse lydbølge - ofte over 100 pascaler i tryk, i lighed med lydtrykniveauerne på et luftfartøjsdækkedæksel - når Kurokami Observatory 2 miles væk. Størstedelen af ​​denne lydenergi er subsonisk, men hvis den var lydbar, ville det være døvende: det svarer til 140 decibel. For at sige det en anden måde, ville det udøve en kraft på ca. 100 kg. på et (godt forseglet) vindue.

Blasterne ledsages af den blisterende hurtige eksplosion af gas- og pyroklastiske materialer, der består af aske, stenbomber og sten i køleskabsstørrelser. Materialerne udbrud fra Showa Crater-fælgen overstiger ofte en hastighed på 400 fod pr. Sekund, og inden for øjeblikke bærer inertien pyroclasterne næsten 1000 meter over ventilen. En bemærkelsesværdig seer kan observere blinkende gnister - lyn - i voksekolonnen.

Observation af vulkaner lyn processer i realtid ville være som at forsøge at spore kamera flash pærer på en sportsbegivenhed. Det er derfor, Corrado Cimarelli fra Institut for Jord- og Miljøvidenskab ved Ludwig Maximilian University of Munich har udviklet geniale teknikker til at observere Sakurajimas udbrud lynhændelser.

Sænkning af en udbrud

Cimarelli og hans medforfattere offentliggjorde for nylig en undersøgelse i geofysiske forskningsbreve med titlen "Multiparametrisk observation af vulkansk lyn: Sakurajima vulkanen, Japan." I denne undersøgelse bruger forskerne højhastighedskameraer og magnetotelluriske data (beskrevet nedenfor) for at opleve de udbrudsprocesser, der er usynlige og / eller for hurtige for en menneskelig observatør at spore. Mens et videokamera af forbrugerkvalitet kan optage billedsekvenser 30 gange hvert sekund, bruger de højopløsende højhastighedskameraer, som Cimarelli bruger, til at optage billeder 100 gange hurtigere.

Et højhastighedstogbillede af vulkanblitz på Sakurajima Volcano.

Et højhastighedstogbillede af vulkanblitz på Sakurajima Volcano.

Kredit: Corrado Cimarelli

Under en enkelt billedramme med høj hastighed, der udsættes for 30 mikrosekunder, rejser de hurtigste ballistiske partikler knap mere end en tomme. Det kan forekomme unødigt hurtigt for at spore pyroklastiske baner, men det er en væsentlig evne til at få indsigt i udviklingen af ​​lynet, som "vokser" ved hastigheder på mellem 8 og 80 miles per sekund.

Ved brug af højhastighedskameraer har forskere lært, at lyngnister udbreder sig i en række rystende fremskridt kendt som trinlede ledere, en proces, der også ses i tordenhoveder. Det trinbaserede svar svarer til kortslutningen af ​​ladede regioner, der er blevet adskilt enten inden for en sky eller mellem skyen og jorden. Når forbindelsen er færdig, strømmer og opvarmer atmosfæren, hvilket skaber den synlige puls, som observatører genkender som lyn. [Hvad forårsager hovmodig vulkanisk lyn?]

Gnisterne, der opdages under vulkaniske lynepisoder ved Sakurajima, er generelt små og måler mellem 30 og 600 fod - en eller to størrelsesordener, der er kortere end den lynnedslag, der optræder under stormen.

Højhastighedsbillede af vulkanblitz på Sakurajima

Højhastighedsbillede af vulkanblitz på Sakurajima

Kredit: Corrado Cimarelli

Højhastighedskameraet kortlægger fordelingen af ​​gnister over tid, men denne information bliver meget mere værdifuld, når den suppleres med magnetotellurisk (MT) overvågning, som også registrerer gnister der forekommer inden for den uigennemsigtige, midterste del af udbrudssøjlen.

MT observationer prøver både elektriske og magnetiske felt variationer fra mange miles væk og med en utrolig 65.000 gange per sekund. Tiny magnetiske feltfluktuationer - ca. 1 del i 10.000 af Jordens omgivende felt - er velindspillede og har afsløret, at Sakurajima vulkanblitz bærer op til 1.000 amperes strøm. Ved hjælp af MT-teknikken med sine værdifulde tidsopløsningsmuligheder kan forskningsholdet også tælle blinker, bestemme retningen for strømmen for hver flash og vurdere, om lynet forbliver inden for askeskylen (intracloud) eller når jorden (sky til jord ).

Sammen giver højhastighedsproduktion af vulkanisk lyn og MT-studier et mere fuldstændigt billede af den indre drift af en brændende, turbulent kolonne af vulkansk aske og gas.

Laboratorie lyn

Selvom forskernes forståelse af tordenvejrens lys er moden, begynder de kun at opbygge en forståelse af vulkanens lyn. Baseret på vulkanforlystning "kartlægning" undersøgelser udført i Alaska kan vulkan lynnedslag i vid udstrækning grupperes i kategorier, der beskrives som "udluftningsudslip", "nærblæst lys" eller "plume lightning" afhængigt af hvor de er placeret i en udbrudssøjle.

Udluftningsudladningerne ved Sakurajima omfatter gnister t.o.-hundrede meter lange, der forekommer nær vulkanens munding. Her udbryder små askemner og fortrinsvis oplades - det vil sige, at de større partikler bliver lidt mere positive. Og da partikelstørrelser er sorteret efter luftmodstand inden for askeskyen, bliver de fysisk adskilt. Når asken eksploderer opad, har de mindre partikler en tendens til at bremse hurtigere. Dette er når ladningsadskillelse kan forekomme, enten på grund af fraktokarging, da det pyroklastiske materiale er voldsomt revet ud under udbruddet; eller på grund af trio-opladning, som er ladningstransport gennem gnidning. Denne anden mekanisme er beslægtet med den velkendte statiske elektricitet, der opbygges, når du gnider en ballon på dit hår.

Lyn er svaret på ladningsseparationsprocessen. Disequilibrium afhjælpes når atmosfæren kortslutninger og producerer en gnist - lynbolten. Den producerede strøm inducerer magnetfeltdebøjninger, som varer i en millisekund, og forekommer med nanoteslaintensitet flere miles væk. Begivenhederne registreres eksternt ved hjælp af MT-metoder.

Volcano lightning skabt i laboratorie eksperiment på Ludwig Maximilian University of Munich. Gnisten er få inches i længden.

Volcano lightning skabt i laboratorie eksperiment på Ludwig Maximilian University of Munich. Gnisten er få inches i længden.

Kredit: Corrado Cimarelli

Cimarelli mener, at tribocharging spiller en vigtig rolle i ladningsseparationsprocessen, fordi et af hans tidligere eksperimenter involverede produktion af vulkanblitz i laboratoriet. Resultaterne blev fremhævet i et 2014-geologipapir, hvor han og kollegerne udkastede fint vulkansk aske fra en trykdyser - en laboratorie vulkanventil - og genererede lynlignende gnister nogle få inches i længden. Disse gnister dannede sig uden åbenbar magmafragmentation og uden tilstedeværelse af is - eller graupel - hvilket er det konventionelle ladningsseparationsbil til lyn i en typisk tordenvejr. [Elektrifugering Billeder af Volcano Lightning]

Hvorfor vi bryr os om vulkan gnister

Et væld af vulkanforskning har vist, at udbrudskolonner bliver statisk ladede på grund af askeudskillelse i en plume. Dette er vigtigt, fordi nærliggende vulkanisk lyn - inklusiv dens intensitet, frekvens og karakter - er direkte relateret til, hvor meget fint materiale er udbrudt. Disse opdagelser er spændende og foreslår, at vi snart kan bruge lyndetektion som et mål for, hvor meget aske udstødes under udbrud.

Andre metoder til beregning af askeemissioner fungerer ikke rigtig godt. Satellit- og jordbaserede multispektrale målinger kan opdage askepulver, men gør ikke et meget godt job, når det drejer sig om at kvantificere, hvor meget aske er i plume eller for at forudsige den hastighed, hvormed asken udkastes. Skydeksel og mørke hindrer både satellit- og jordbaserede visuelle observationer af plumer, og udledninger af aske er begrænset af vores forståelse af askens pludetæthed.

Hvis du er en aktuel ekspert - forsker, virksomhedsleder, forfatter eller innovatør - og gerne vil bidrage med et op-ed-stykke, mail os her.

Hvis du er en aktuel ekspert - forsker, virksomhedsleder, forfatter eller innovatør - og gerne vil bidrage med et op-ed-stykke, mail os her.

Lyndetektering, derimod, giver mulighed for potentielt at kvantificere askeudslip under uvejr og om natten. Detektorer kan befinde sig i sikre afstande, titusind miles fra udluftningen, og skyen forhindrer ikke MT-sensors evne til at "se" lyn.

Sådanne detektioner er kritiske, da vulkaniske askeskyer er en af ​​de væsentligste farer, der skyldes udbrud. Selv fortyndede mængder aske, der indtages af en jetturbine, kan inkapacere motoren og forårsage, at den svigter katastrofalt. Denne potentielle fare blev bragt til offentlighedens opmærksomhed af Islands 2010 Eyjafjallajökull vulkanudbrud, der sprang aske over Europas luftkorridorer. Udbruddet grundede mere end 100.000 fly i løbet af en uge, der ramte 10.000.000 rejsende og forårsager milliarder af dollars i tab.

På grund af den økonomiske virkning af ashy udbrud vil den næste generation af omfattende udbrudskontrol fokusere på askekvantificering og vil sandsynligvis anvende lynassessorer som et primært instrument.Sakurajima, en laboratorie vulkan i det sydlige Japan, lette udviklingen af ​​dette værktøj.

Følg alle spørgsmålene og debatterne fra Expert Voices - og blive en del af diskussionen - på Facebook, Twitter og Google+. Synspunkterne er de af forfatteren og afspejler ikke nødvendigvis udgiverens synspunkter. Denne version af artiklen blev oprindeligt udgivet på WordsSideKick.com.


Video Supplement: .




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com