Tema

Otillgänglig vulkan undersöks med drönare

Specialutvecklade drönare har använts för att samla in data från aldrig tidigare utforskade vulkaner. Data som gör det lättare för lokala samhällen att förutsäga framtida utbrott. Forskningen vid vulkanen Manam i Papua Nya Guinea förbättrar också förståelsen för hur vulkaner påverkar klimatet.

Forskare på Chalmers har spelat en viktig roll i den internationella forskargrupp som utvecklat de speciella drönarna. Resultaten från det University College London-ledda projektet visar hur det är möjligt att kombinera mätningar från luften, jorden och rymden för att lära sig mer om de mest oåtkomliga, mycket aktiva vulkanerna på planeten.

Teamet har använt modifierade långdistansdrönare för att möta utmaningarna med att mäta gasutsläpp från aktiva vulkaner. Pionjärer var Chalmersforskarna som 2016 nådde molnen ovanför vulkanen Bagana, vid en höjd av nästan 2 km, på den avlägsna ön Bougainville.

Chalmers drönare, med utrustning för att mäta vulkaniska gaser. Santiago Arellano, forskare vid Chalmers och drönarpilot Gustav Gerdes.

Chalmers-teamet, som arbetar i nära samarbete med forskare från Rabaul vulkanobservatorium i Papua Nya Guinea, donerade också ett instrument för permanent övervakning av vulkanen Tavurvur, en vulkan som utbröt 1994 och 2014 och täckte staden Rabaul under aska.

– Vi var där för att göra vetenskap som hjälper till att rädda liv, säger Bo Galle, professor emeritus vid Chalmers, som deltagit vid alla fältkampanjer i Papua Nya Guinea

Flygmätning, satellitdata och markbaserade sensorer

Genom att kombinera flygmätningar på plats vid vulkanen Manam med resultat från satelliter och markbaserade fjärrsensorer kunde forskarna samla en mycket mer omfattande datamängd än tidigare möjligt.

Vulkanen Manam med en diameter på 10 km ligger på en ö 13 km utanför fastlandets nordöstra kust, 1800 m över havet. Tidigare studier har visat att den är bland världens största utsläppare av svaveldioxid (SO2), men ingenting var känt om dess CO2-produktion.

Att beräkna förhållandet mellan svavel- och koldioxidnivåer i utsläppen är avgörande för att bestämma hur troligt det är att ett utbrott ska äga rum. Men att ​mäta koldioxidutsläpp från vulkaner är svårt på grund av höga koncentrationer av koldioxid i den omgivande atmosfären. Mätningar måste därför göras mycket nära aktiva utlopp, och vid farliga vulkaner som Manam är drönare det enda sättet att göra sådana mätningar på ett säkert sätt. Ändå har längre flygningar där drönarna försvinner utom synhåll sällan gjorts i vulkaniska miljöer.

Genom att lägga till miniatyriserade gassensorer, spektrometrar och provtagningsanordningar som automatiskt öppnas och stängs vid rätt tillfällen, kunde forskarteamet flyga drönaren 2 kilometer högt och 6 kilometer bort för att nå Manams topp, och ta gasprover som sedan kunde analyseras inom några timmar.

Mätningar avslöjar magmans ursprung

Chalmersforskarnas erfarenhet och expertisen från svenske drönarpiloten Gustav Gerdes var avgörande för att genomföra mätningarna.

– Vår drönare blev till slut basen för mätningar av andra kolleger i teamet, säger Santiago Arellano, en chalmersforskarna som deltog i fältkampanjen, från realtidsmätning av gassammansättning och flöde, till insamling av gasprover i påsar och speciellt beredda gasbehållare, som sedan användes för analys av isotoper och halogener.

– Denna information är avgörande för att avslöja magmas ursprung och för att bedöma effekterna av utsläpp på miljön. Mätningarna kunde inte göras praktiskt på annat sätt, menar Santiago Arellano, som arbetar vid avdelningen för mikrovågs- och optisk fjärranalys, vid institutionen för rymd-, geo och miljövetenskap på Chalmers.

Hur var det att arbeta på Papua Nya Guinea under detta projekt?

– Att arbeta i Papua nya Guinea var utmanande men mycket givande. Vi har gjort fältarbete på alla möjliga platser, i Afrika, Latinamerika, Kamchatka och så vidare. Och vi har alltid fått anpassa oss till oväntade omständigheter och välkomna överraskningar med öppna armar. Men i Papua nya Guinea hade vi alla slags utmaningar samtidigt!, säger Santiago Arellano.

–Vi upplevde en jordbävning med risk för en tsunami den första natten, var tvungen att stoppa vår resa på grund av strider i pågående inbördeskrig, transportera alla förnödenheter och utrustning med flygplan, bil, båt och slutligen till fots över floderna… listan är lång.

– Men vi fick också lära känna och lära oss av extraordinära människor, generösa och motståndskraftiga, som har ett eget förhållande till vulkanerna. Man inser att vulkaner inte bara är mål för vetenskaplig forskning, utan de är först och främst en del av miljön där tusentals människor lever och drömmer.

Varför är det viktigt att mäta koldioxidutsläppen från vulkaner?

– Vulkaner avger gaser före och under utbrott, mestadels vattenånga och gaser som innehåller kol och svavel. CO2 släpps ut från stora djup före andra gaser och därför kan det ge en tidig signal om oroligheter i en vulkan. Om utsläppen sker på låg höjd kan det utgöra ett hot mot omgivande liv, om det kommer högre upp i atmosfären kan det till och med förändra klimatet. På global nivå avger alla vulkaner i världen cirka en tusendel av vad mänskliga aktiviteter gör, såvida det inte skulle uppstå ett utbrott liknande det i Toba (Det mest kraftfulla utbrottet på jorden, som skedde på Sumatra för 70 000 år sedan). En viktig skillnad är dock att vi inte kan kontrollera utsläppen från vulkaner,  säger Santiago Arellano. forskare vid vid institutionen för rymd-, geo och miljövetenskap på Chalmers.

Varför är det viktigt att veta var dessa utsläpp kommer – mantel, skorpa eller sediment?

– Om källan till utsläpp är magma (smält lava) från manteln är betydelsen något helt annat än om den kommer, säg från biogen aktivitet eller sediment i skorpan, eftersom det skulle betyda att vulkanen är aktiv och ett utbrott är möjligt. Vanligtvis avslöjas ursprunget av den isotopiska kompositionen. För att få reda på den måste man ta prover måste tas från koncentrerade gaskällor, något som är farliga för människor men inte för drönare.

Film som beskriver projektet ABOVE, Aerial-based Observations of Volcanic Emissions (20 minuter, 39 sekunder lång)

Vetenskaplig artikel:

Aerial strategies advance volcanic gas measurements at inaccessible, strongly degassing volcanoes. Science Advances

Läs mer:

Artikeln (en längre version) var först publicerad på Chalmers tekniska högskolas webb.

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Otillgänglig vulkan undersöks med drönare

 lästid ~ 5 min