Wenn es in einem bewohnten Gebiet zu einem Vulkanausbruch kommt, können schnelle und genaue Vorhersagen des Lavastroms Leben retten und die Verluste an Infrastruktur und Eigentum reduzieren. Um sicherzustellen, dass aktuelle Lavavorhersagemodelle schnell genug Ergebnisse liefern können, um in der Praxis nützlich zu sein, müssen sie leider physikalische Vereinfachungen enthalten, die ihre Genauigkeit einschränken.
Um Evakuierungspläne zu unterstützen, müssen Vorhersagemodelle die Geschwindigkeit, Richtung und Ausdehnung eines Lavastroms vorhersagen. Diese Attribute sind eng damit verbunden, wie sich die Lava beim Abkühlen verfestigt. Um jedoch Echtzeitgeschwindigkeit zu erreichen, gehen die meisten aktuellen Modelle davon aus, dass eine Strömung eine einheitliche Temperatur hat. Dies ist eine wesentliche Vereinfachung, die die modellierten Abkühlungsraten direkt beeinflusst; Im Allgemeinen sind Lavaströme an ihren Grenzen, wo sie mit Luft oder dem Boden in Kontakt kommen, viel kühler als im Inneren.
Mit dem Ziel, einen besseren Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Realismus zu finden, entwickelten David Hyman und ein Team ein physikbasiertes 2D-Lavastrommodell namens Lava2d. Sie erweiterten die traditionelle, vertikal gemittelte Behandlung eines Lavapakets, indem sie es als drei unterschiedliche Regionen betrachteten: den Teil nahe der Lava-Luft-Grenze, den Teil nahe der Lava-Boden-Grenze und den flüssigkeitsähnlichen zentralen Kern. Die oberen und unteren Bereiche einer modellierten Strömung kühlen basierend auf der Physik der Wärmeübertragung an die Luft und den Boden ab, während die Temperatur in der Mitte wie bei früheren Ansätzen gleichförmig bleibt. Dieser Aufbau ermöglicht es dem Modell, einen Temperaturgradienten zu berücksichtigen, ohne dass ein rechenintensiver 3D-Ansatz erforderlich ist.
Um die Technik zu evaluieren, wendeten die Autoren Lava2d auf drei zunehmend realistische Szenarien an: einen hypothetischen synthetischen Fluss, einen im Labor erzeugten Fluss, der in der Literatur beschrieben ist, und einen Fluss von einem Ausbruch in der realen Welt. Sie fanden eine gute Übereinstimmung zwischen modellierter und gemessener Strömungsausdehnung und -geschwindigkeit für die Laborströmung, obwohl die modellierten Oberflächentemperaturen der Strömung kühler waren als die gemessenen, eine Diskrepanz, die die Autoren auf die Schwierigkeit zurückführen, den experimentellen Aufbau zu modellieren.
Für den realen Test konfigurierten die Forscher das Modell mit Eingaben, die auf den ersten Stunden des Ausbruchs des Mauna Loa im Jahr 1984 basierten. Dann simulierten sie 12 Stunden Strömung und verglichen die modellierte Ausdehnung mit den gemessenen Positionen der realen Strömung am Ende der Eruption. Das Modell identifizierte die allgemeine Morphologie des Flusses in der realen Welt korrekt, obwohl die Ausmaße verschiedener Unterflüsse zu niedrig oder zu hoch vorhergesagt wurden.
Die Recheneffizienz des Modells war jedoch klar. Die 12 Stunden simulierter Strömung wurden in nur 4,5 Minuten Rechenzeit erreicht. In einem realen Prognoseszenario würde diese Geschwindigkeit es ermöglichen, ein Ensemble von Modellläufen durchzuführen und zu mitteln, stellen die Forscher fest, was dazu beitragen würde, Ungenauigkeiten innerhalb einzelner Läufe auszugleichen. Ihre Forschung ist in der veröffentlicht Journal of Geophysical Research: Feste Erde.
David MR Hyman et al, Toward Next-Generation Lava Flow Forecasting: Development of a Fast, Physics-Based Lava Propagation Model, Journal of Geophysical Research: Feste Erde (2022). DOI: 10.1029/2022JB024998
Bereitgestellt von Eos
Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von Eos, gehostet von der American Geophysical Union, neu veröffentlicht. Lesen Sie die Originalgeschichte hier.