De Kilauea-vulkaan op het eiland Hawaï is een van de meest actieve vulkanen op aarde, wetenschappers en toeristen van over de hele wereld aantrekken om de spectaculaire natuurvertoningen te bestuderen en te aanschouwen. Deze maand, een door NASA geleid wetenschappelijk team onderzoekt Kilauea en de aangrenzende vulkaan Mauna Loa vanuit de lucht, grond en ruimte. Hun doel:vulkanische processen en gevaren beter begrijpen.

Eind januari, wetenschappers van NASA, het USGS Hawaiian Volcano Observatory (HVO), Hawaii Volcanoes Nationaal Park, en verschillende universiteiten begonnen aan een veldcampagne van zes weken om de verbanden tussen vulkanische gassen/thermische emissies en de gezondheid en omvang van de vegetatie te bestuderen; de stroom van lava uit de vulkanen; thermische afwijkingen; gaspluimen; andere actieve vulkanische processen; en manieren om vulkanische gevaren te verminderen. De campagne, die ook de koraalriffen van Hawaï bestudeert, zal voorlopergegevens leveren voor NASA's Hyperspectral Infrared Imager (HyspIRI) satellietmissieconcept om aardse ecosystemen en natuurlijke gevaren zoals vulkanen te bestuderen, bosbranden en droogte.

Hoog vliegen om alles te weten te komen over de vulkanen van Hawaï

Een ER-2-vliegtuig op grote hoogte van NASA's Armstrong Flight Research Center, Palmdale, Californië, gebaseerd op Marine Corps Base Hawaii op het eiland Oahu, is het belangrijkste platform voor de HyspIRI-campagne in de lucht. De ER-2 draagt ​​de Airborne Visible and Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS), ontwikkeld door NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Californië; en de MODIS-ASTER Airborne Simulator (MASTER), ontwikkeld door NASA's Ames Research Center, Moffett-veld, Californië. Deze week, een Gulfstream III-vliegtuig van NASA's Johnson Space Center, Houston, zal deelnemen aan de campagne. Het zal JPL's Glacier and Land Ice Surface Topography Interferometer (GLISTIN) instrument dragen, die gegevens met een hoge resolutie zal verzamelen om topografische veranderingen van nieuwe Kilauea-lavastromen te meten.

"De gegevens die tijdens de HyspIRI-campagne in de lucht zijn verzameld, zullen ons begrip van vulkanische processen op Hawaï en elders in de wereld vergroten, " zei Ben Philips, lood voor NASA's Earth Surface en Interior focusgebied, NASA-hoofdkwartier, Washington. "Dergelijke observaties kunnen toekomstige beslissingen van vulkanische hulpverleners en regelgevende instanties informeren."

Vliegen op 65, 000 voet (19, 800 meter), boven 95 procent van de atmosfeer van de aarde, de ER-2 kan de gegevens die een toekomstige satelliet zou kunnen verzamelen nauwkeurig repliceren. De instrumenten aan boord zijn ontworpen om gereflecteerd zonlicht en warmtestraling zorgvuldig te meten in honderden verschillende kanalen. De gegevens geven wetenschappers kwantitatieve en nauwkeurige informatie over de samenstelling van het aardoppervlak, soorten gassen en temperatuur. Door deze gegevens te combineren met grondgebaseerde validatiemetingen, wetenschappers kunnen atmosferische, geologische en ecologische processen om onze natuurlijke omgeving te begrijpen.

Wat gaan ze studeren?

Vog:JPL-wetenschapper Vincent Realmuto gebruikt MASTER- en AVIRIS-gegevens om vog te bestuderen, de beruchte vulkanische luchtvervuiling van het eiland Hawaï. Zijn team bestudeert Kilauea's uitstoot van warmte en gas, het in kaart brengen van de samenstelling en chemische evolutie van zijn gaspluimen.

Toen de top van Kilauea in 2008 weer uitbarstte, De uitstoot van zwaveldioxide is enorm gestegen. Zwaveldioxide wordt omgezet in sulfaataerosol om vog te creëren:een schadelijk, corrosieve suspensie van zwaveldioxide en fijne sulfaataerosolen. Gemeenschappen benedenwinds van Kilauea lijden nadelige gevolgen. Om het publiek te helpen omgaan met vog, het Vog Measurement and Prediction Project (VMAP) aan de Universiteit van Hawaï-Manoa (UH) produceert voorspellingen van vogbeweging en concentratie over de Hawaiiaanse eilanden. VMAP gebruikt zwaveldioxide-emissiesnelheden gemeten door HVO om de beginvoorwaarden voor de vog-voorspelling in te stellen. De nauwkeurigheid van de voorspellingen wordt geëvalueerd door ze te vergelijken met luchtkwaliteitsmetingen van een dun netwerk van grondstations.

Het team van Realmuto gebruikt MASTER-gegevens om de zwaveldioxideconcentraties op de top van Kilauea in kaart te brengen en veranderingen in de concentratie te volgen met de afstand tot de top. AVIRIS-gegevens worden gebruikt om concentraties en ruimtelijke verdelingen van sulfaataerosolen benedenwinds van de top in kaart te brengen. De gegevens zullen wetenschappers helpen beter te begrijpen hoe snel zwaveldioxidegas wordt omgezet in sulfaataerosolen, en maak kaarten van hoe de tarieven van plaats tot plaats variëren. De gas- en aerosolkaarten die zijn afgeleid van de luchtgegevens zullen worden gevalideerd met gegevens op de grond verzameld door HVO- en UH-wetenschappers. De gevalideerde kaarten zullen worden gebruikt om de VMAP-voorspellingen te initialiseren om de impact van de nieuwe dataproducten op hun nauwkeurigheid te beoordelen.

In de toekomst, gegevens verzameld tijdens een HyspIRI-missie in de ruimte kunnen aanzienlijk bijdragen aan de inspanningen voor monitoring van de luchtkwaliteit in Hawaï. Deze waarnemingen zullen worden gebruikt om zwaveldioxide- en sulfaatconcentraties te schatten met een ruimtelijke resolutie van ongeveer 60 meter op tijdschalen van uren tot dagen. "Zulke tijdige waarnemingen kunnen worden gebruikt om veranderingen in het gedrag van vulkanen te volgen en kunnen ertoe leiden dat vulkaanobservatoria en luchtkwaliteitsfunctionarissen hun onderzoek naar dergelijke veranderingen vergroten, "Zei Realmuto. "De ervaring die we opdoen met de HyspIRI-campagne in de lucht zal ons in staat stellen om onmiddellijk gebruik te maken van de gegevens van een HyspIRI-missie in de ruimte."

Verbanden tussen vulkanen en planten:wetenschapper Chad Deering van Michigan Technological University, Houghton, leidt een onderzoek om veranderingen in vulkanische toestand te detecteren door AVIRIS- en MASTER-gegevens te gebruiken om op afstand mogelijke verbanden tussen vulkanische gassen en hun thermische emissies te meten, en de gezondheid en omvang van de vegetatie in de buurt van vulkanen. Wanneer een ondiep magmareservoir wordt aangevuld, het kan ofwel het begin van een uitbarsting van een actieve, maar momenteel niet uitbarstend, vulkaan zoals Mauna Loa, of significante gedragsveranderingen bij een uitbarstende vulkaan zoals Kilauea. Opstijgend magma laat gassen vrij door het oppervlak. Het detecteren en karakteriseren van deze gasemissies en hun indirecte effecten op de vegetatie kan risicomanagers helpen om significante veranderingen in vulkanisch gedrag beter te detecteren en verschuivingen in de locatie van de activiteit te monitoren.

Hoe vulkanische gassen en aerosolen worden getransporteerd:JPL-onderzoeker David Pieri gebruikt instrumenten op kleine onbemande luchtplatforms (vrij vliegende onbemande vliegtuigen en vastgebonden aerostat-vliegers) om MASTER- en AVIRIS-gegevens op de grond te valideren. De onbemande vliegtuigen en vliegers worden gebruikt in samenwerking met NASA Ames en NASA's Wallops Flight Facility, Wallops-eiland, Virginia. De instrumenten bemonsteren zwaveldioxide, kooldioxide en aerosolen in Kilauea. De gegevens zullen het begrip verbeteren van hoe gassen en aerosolen in de atmosfeer worden getransporteerd en zullen de schattingen van vulkanische gasemissies helpen verbeteren. Pieri's team zal ook gelijktijdige gegevens verzamelen met het Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER)-instrument op NASA's Terra-ruimtevaartuig om een ​​strategie te helpen ontwikkelen om ASTER's 15-jarige dataset van wereldwijde vulkaanobservaties uit te breiden naar de toekomst.

Manieren om schattingen van thermische gegevens van vulkaan te verbeteren:een team onder leiding van onderzoeker Michael Ramsey van de Universiteit van Pittsburgh gebruikt een nieuw instrument op de grond om multispectrale thermische infraroodgegevens te verzamelen bij het lavameer van Kilauea terwijl de ER-2 overvliegt. Het doel is om een ​​benadering te ontwikkelen om de thermische infraroodgegevens van de HyspIRI-satelliet op oppervlakken met een hoge temperatuur te corrigeren om rekening te houden met temperatuurmenging en schijnbare veranderingen in de uitgezonden straling. De correcties zullen de nauwkeurigheid van schattingen van vulkanische (en natuurbrand) thermische output en veranderingen in samenstelling verbeteren. Beide schattingen worden meestal gebruikt om de aanhoudende vulkanische activiteit te volgen.

Detectie van thermische anomalie:USGS-onderzoeker Greg Vaughan ontwikkelt een nieuw algoritme om vulkanische onrust of gerelateerde gevaren te detecteren en te voorspellen op basis van warmtesignalen die eraan voorafgaan. Het beoogde waarschuwingsalgoritme wordt geautomatiseerd, in staat om abnormaal thermisch gedrag te herkennen bij de meeste vulkanen wereldwijd, en gevoelig genoeg om relatief subtiele hittesignaturen te detecteren. De nieuwe aanpak, die gebruikmaakt van de beoogde capaciteiten van de HyspIRI-satellietmissie, zou wetenschappers in staat moeten stellen om kleine, warme anomalieën die de huidige thermische waarschuwingssystemen misschien missen. Vaughan zal de gegevens van de HyspIRI-campagne in de lucht vergelijken met HVO's eigen luchtgegevens met hoge resolutie. De waarnemingen zullen worden samengevoegd met satellietgegevens om uitgebreide tijdreeksen te genereren om de nieuwe aanpak te testen en te verfijnen.

Veranderingen in lavastroomvolume meten:JPL-onderzoeker Paul Lundgren leidt de komende GLISTIN-vluchten, die topografische gegevens met hoge resolutie verzamelt over actieve Kilauea-lavastromen om veranderingen te meten. Nauwkeuriger volgen van veranderingen in het lavastroomvolume zal modellen verbeteren die worden gebruikt om kenmerken van actieve uitbarstingen te begrijpen, zoals veranderingen in de uitbarstingssnelheid.

"Als het wordt ingezet bij een zich ontwikkelende vulkaancrisis, GLISTIN kan belangrijke metingen leveren van lavastroomvolumes of lavakoepelgroei die niet mogelijk zijn met de huidige satellieten, "zegt Lundgren. "Het kan wetenschappers helpen om het volume van vulkaanuitbarstingen en vulkaangedrag beter te begrijpen en te voorspellen."