Neue Forschungsergebnisse der University of Washington zeigen, dass Signale aus der oberen Atmosphäre die Tsunami-Vorhersage verbessern und eines Tages dazu beitragen könnten, Aschewolken und andere Auswirkungen nach einem Vulkanausbruch zu verfolgen.
Eine neue Studie analysierte Anfang des Jahres den Ausbruch des Hunga Tonga-Hunga Ha’apai im Südpazifik. Der Vulkanausbruch vom 15. Januar 2022 war der größte, der mit moderner Ausrüstung aufgezeichnet wurde. Asche bedeckte die Region. Auf der Insel Tonga verursachte eine Tsunamiwelle Schäden und tötete mindestens drei Menschen. Es hatte auch unerwartete Fernwirkungen.
Kein Vulkanausbruch seit mehr als einem Jahrhundert hat einen globalen Tsunami ausgelöst. Die Tsunamiwelle des Unterwasserausbruchs wurde zunächst nur als regionale Gefahr vorhergesagt. Stattdessen erreichte die Welle Peru, wo zwei Menschen ertranken.
Ergebnisse der neuen Studie, veröffentlicht in diesem Herbst Geophysikalische Forschungsbriefeverwendet Beweise aus der Ionosphäre, um zu erklären, warum die Tsunami-Welle größer wurde und sich schneller fortbewegte, als von Modellen vorhergesagt.
„Dies war der stärkste Vulkanausbruch seit dem Ausbruch des Krakatau im Jahr 1883, und viele Aspekte davon waren unerwartet“, sagte die Hauptautorin Jessica Ghent, eine UW-Doktorandin in Erd- und Weltraumwissenschaften. „Wir haben eine neue Überwachungstechnik verwendet, um zu verstehen, was hier passiert ist, und zu lernen, wie wir zukünftige Naturgefahren überwachen können.“
Sie präsentiert die Arbeit in a Poster Mittwoch, 14. Dezember, beim Jahrestreffen der American Geophysical Union in Chicago, und sie wird es tun gegenwärtig die Arbeit bei der Sitzung an diesem Nachmittag.
Tsunamis sind so seltene Ereignisse, dass Prognosemodelle, die sich auf eine begrenzte Anzahl von Gezeitenpegeln und Meeressensoren stützen, immer noch perfektioniert werden. Diese Studie ist Teil eines aufstrebenden Forschungsgebiets, das die Verwendung von GPS-Signalen untersucht, die durch die Atmosphäre wandern, um Ereignisse am Boden zu verfolgen.
Ein großes Erdbeben oder in diesem Fall ein riesiger Vulkanausbruch erzeugt Druckwellen in der Atmosphäre. Wenn diese Druckwellen die Zone in einer Höhe von etwa 50 bis 400 Meilen passieren, in der Elektronen und Ionen frei schweben, die als Ionosphäre bekannt ist, werden die Partikel gestört. GPS-Satelliten, die Koordinaten zurück zur Erde senden, senden ein leicht verändertes Funksignal, das die Störung verfolgt.
„Andere Gruppen haben sich die Ionosphäre angesehen, um Tsunamis zu überwachen. Wir sind daran interessiert, sie für die Vulkanologie anzuwenden“, sagte Co-Autor Brendan Crowell, ein UW-Forschungswissenschaftler für Erd- und Weltraumwissenschaften. „Diese Tonga-Eruption hat unsere Forschung auf Hochtouren gebracht. Es gab einen großen Vulkanausbruch und einen Tsunami – normalerweise würde man das eine oder andere studieren.“
Eine Reihe von GOES-17-Satellitenbildern fing die Regenschirmwolke ein, die durch den Unterwasserausbruch des Vulkans Hunga Tonga-Hunga Ha’apai am 15. Januar 2022 erzeugt wurde. Bildnachweis: NASA
Für die neue Studie analysierten die Forscher 818 Bodenstationen im Global Navigation Satellite System, dem globalen Netzwerk, das GPS und andere Satelliten im Südpazifik umfasst, um die atmosphärischen Störungen in den Stunden nach dem Ausbruch zu messen. Die Ergebnisse stützen die Hypothese, dass der durch die Vulkanexplosion erzeugte Überschallknall die Tsunamiwelle größer und schneller machte. Die Ozeanwelle erhielt einen zusätzlichen Schub durch die atmosphärische Druckwelle, die durch die Eruption erzeugt wurde. Dieser zusätzliche Schub war in den ursprünglichen Tsunami-Prognosen nicht enthalten, sagten die Forscher, weil von Vulkanen ausgelöste Tsunamis so selten sind.
„Tsunamis können sich im offenen Ozean normalerweise mit 220 Metern pro Sekunde oder 500 Meilen pro Stunde ausbreiten. Basierend auf unseren Daten bewegte sich diese Tsunami-Welle mit 310 Metern pro Sekunde oder 700 Meilen pro Stunde“, sagte Ghent.
Die Autoren waren in der Lage, verschiedene Aspekte des Ausbruchs zu trennen – die akustische Schallwelle, die Meereswelle und andere Arten von Druckwellen – und ihre Genauigkeit mit bodengestützten Beobachtungsstationen zu überprüfen.
„Die Trennung dieser Signale, von der akustischen Schallwelle bis zum Tsunami, war das, was wir zu finden versucht hatten“, sagte Ghent. „Aus Sicht der Gefahrenüberwachung bestätigt dies unsere Hoffnung, wofür wir die Ionosphäre nutzen können. Dieses ungewöhnliche Ereignis gibt uns die Zuversicht, dass wir eines Tages die Ionosphäre nutzen könnten, um Gefahren in Echtzeit zu überwachen.“
Während der Tonga-Ausbruch für die Größe des Ereignisses nicht viel Asche ausgestoßen hat, sagen Ghent und Crowell, dass die Signale des Global Navigation Satellite System auf andere Weise verwendet werden könnten, um vulkanische Aschewolken genau zu verfolgen.
Der Blick nach oben zur Überwachung von Vulkanen und Tsunamis ist attraktiv, da die bodengestützte Überwachung im pazifischen Nordwesten und in anderen Gebieten mit Herausforderungen verbunden ist. Sensoren müssen gewartet und repariert werden, Schnee und Eis können Signale blockieren oder Schäden verursachen, der Zugang zu den Überwachungsstationen kann schwierig sein.
Außerdem „können die wilden Bergziegen die Kabel der Bodeninstrumente fressen, weil die Ziegen Salz mögen“, sagte Gent. „Wenn Sie eine Möglichkeit haben, einen Bereich zu überwachen, ohne tatsächlich dort zu sein, öffnen Sie wirklich die Tür, um ihn das ganze Jahr über überwachen zu können, und tragen dazu bei, die Sicherheit der Menschen auf der ganzen Welt zu gewährleisten.“
Mehr Informationen:
Jessica N. Ghent et al, Spectral Characteristics of Ionospheric Disturbances Over the Southwestern Pacific From the Tonga Eruption and Tsunami vom 15. Januar 2022, Geophysikalische Forschungsbriefe (2022). DOI: 10.1029/2022GL100145