Toeristen die Whakaari/White Island op 9 december vorig jaar bezochten, hadden geen waarschuwing voor de op handen zijnde gewelddadige uitbarsting. De explosie van zure stoom en gassen doodde 21 mensen, en de meeste overlevenden liepen kritieke verwondingen en ernstige brandwonden op.

De tragedie heeft ons ertoe aangezet een systeem voor vroegtijdige waarschuwing te ontwikkelen. Ons onderzoek toont patronen van seismische activiteit vóór een uitbarsting die waarschuwing vooraf mogelijk maken. Als ons systeem er was geweest, het zou 16 uur voor de dodelijke uitbarsting van de vulkaan alarm hebben geslagen.

We werden ook gemotiveerd door het feit dat verschillende andere vulkanen in Nieuw-Zeeland soortgelijke bedreigingen vormen. Explosies en pieken op de populaire bezoekersbestemming Waimangu geothermische gebied doodden drie mensen in 1903, een uitbarsting op Raoul Island in 2006 kostte één persoon het leven, ballistiek op Mt Ruapehu in 2007 veroorzaakte ernstige verwondingen en toeristen ontsnapten ternauwernood aan twee uitbarstingen tijdens een populaire dagwandeling in het Tongariro National Park in 2012.

Ons geautomatiseerde waarschuwingssysteem biedt realtime informatie over gevaren en een veel hoger veiligheidsniveau om toeristen te beschermen en operators te helpen bepalen wanneer het veilig is om vulkanen te bezoeken.

Een geschiedenis van uitbarstingen

Nieuw-Zeeland heeft een netwerk van meetinstrumenten die zelfs de kleinste aardbewegingen continu meten. Dit GeoNet-netwerk levert high-rate data van vulkanen, inclusief Whakaari, maar het wordt momenteel niet gebruikt als een realtime waarschuwingssysteem voor vulkaanuitbarstingen.

Hoewel afgestemd op de internationale beste praktijken, Het huidige Volcano Alert Level (VAL)-systeem van GeoNet wordt te langzaam bijgewerkt, omdat het voornamelijk berust op deskundig oordeel en consensus. Evenmin schat het de waarschijnlijkheid van een toekomstige uitbarsting - in plaats daarvan, het geeft een achterwaarts beeld van de toestand van de vulkaan. Alle eerdere uitbarstingen bij Whakaari vonden plaats op alarmniveau 1 of 2 (onrust), en het niveau werd vervolgens pas na het evenement verhoogd.

Onze studie maakt gebruik van machine learning-algoritmen en het afgelopen decennium van continue monitoringgegevens. Gedurende deze tijd waren er vijf geregistreerde uitbarstingen bij Whakaari, veel vergelijkbaar met het evenement van 2019. Sinds 1826, er zijn meer dan 30 uitbarstingen geweest bij Whakaari. Niet iedereen was zo gewelddadig als 2019, maar omdat er heet water en stoom vastzitten in een hydrothermisch gebied boven een ondiepe laag magma, we kunnen elke één tot drie jaar destructieve explosies verwachten.

De uitbarsting van vorig jaar werd voorafgegaan door 17 uur seismische waarschuwing. Dit begon met een sterke uitbarsting van seismische activiteit van vier uur, waarvan we denken dat het verse magmatische vloeistof was die opsteeg om druk uit te oefenen op het gas en water dat vastzat in de rots erboven.

Dit leidde tot de uiteindelijke barsten, als het deksel van een snelkookpan die eraf wordt gestraald. Een soortgelijk signaal werd 30 uur voor een uitbarsting in augustus 2013 geregistreerd. en het was aanwezig (hoewel minder duidelijk) in twee andere uitbarstingen in 2012.

Een systeem voor vroegtijdige waarschuwing bouwen

We gebruikten geavanceerde algoritmen voor machine learning om de seismische gegevens te analyseren op onontdekte patronen in de aanloop naar uitbarstingen. De energiestoot van vier uur bleek een signaal dat vaak een op handen zijnde uitbarsting aankondigde.

Vervolgens hebben we deze pre-uitbarstingspatronen gebruikt om een ​​computermodel te leren een waarschuwing te geven en te testen of het andere uitbarstingen kon anticiperen waarvan het niet had geleerd. Dit model zal blijven "leren door ervaring". Elke volgende gebeurtenis die we gebruiken om het te onderwijzen, verbetert zijn vermogen om de toekomst te voorspellen.

We hebben ook onderzocht hoe we het beste kunnen optimaliseren wanneer waarschuwingen worden afgegeven om het meest effectieve waarschuwingssysteem te maken. De belangrijkste afweging is tussen een systeem dat zeer gevoelig is en veel waarschuwingen genereert versus een systeem dat de lat behoorlijk hoog legt, maar mist ook enkele uitbarstingen.

We hebben gekozen voor een drempel die elke keer dat de kans op een uitbarsting groter is dan 8,5% een waarschuwing genereert. Dit betekent dat wanneer een waarschuwing wordt gegeven - die elk ongeveer vijf dagen duurt - er ongeveer een kans van 1 op 12 is dat er een uitbarsting zal plaatsvinden.

Dit systeem zou een alarm hebben gegenereerd voor vier van de laatste vijf grote uitbarstingen bij Whakaari. Het zou een waarschuwing van 16 uur hebben gegeven voor de uitbarsting van 2019. Maar deze evaluaties zijn gemaakt met het voordeel van achteraf:voorspellingssystemen kunnen hun waarde alleen bewijzen op toekomstige gegevens.

We denken dat er een goede kans is dat uitbarstingen zoals het evenement van 2019 of groter worden gedetecteerd. De wisselwerking is dat de waarschuwingen, indien gehandeld, zou het eiland ongeveer een maand per jaar niet toegankelijk maken voor bezoekers.

Waarheen?

We hebben het systeem nu vijf maanden in gebruik, op een 24/7 basis, en werken samen met GNS Science aan de beste manier om dit te integreren om hun bestaande protocollen te versterken en tijdige waarschuwingen te geven bij vulkanen in Nieuw-Zeeland.

We zijn van plan het systeem te ontwikkelen voor de andere actieve vulkanen van Nieuw-Zeeland, inclusief Mt Tongariro en Mt Ruapehu, die jaarlijks tienduizenden bezoekers ontvangen. Eventueel, dit kan waardevol zijn voor andere vulkanen over de hele wereld, zoals Mt Ontake in Japan, waar een uitbarsting in 2014 63 mensen doodde.

Vanwege de enorme publieke waarde van dit soort systemen voor vroegtijdige waarschuwing, we hebben al onze data en software open source beschikbaar gesteld.

Hoewel de meeste uitbarstingen bij Whakaari voorspelbaar lijken, er zullen waarschijnlijk toekomstige gebeurtenissen zijn die waarschuwing tarten. In 2016 was er een uitbarsting die geen duidelijke seismische voorloper had en dit zou niet zijn voorzien door ons waarschuwingssysteem.

Uitbarstingen bij andere vulkanen kunnen voorspelbaar zijn met vergelijkbare methoden als er voldoende gegevens zijn om modellen te trainen. In elk geval, menselijke operators, al dan niet ondersteund door systemen voor vroegtijdige waarschuwing, zal een belangrijke rol blijven spelen bij het beschermen van degenen die in de buurt van vulkanen wonen of deze bezoeken.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.