fizyka wczoraj, dziś, jutro

20

Fizyka w Szkole

2/2013

Zbigniew Wiśniewski

Wulkany niejednokrotnie gościły

na łamach tego czasopisma. Wpływ
na to miała zarówno osobista fascy-
nacja autora procesami wulkanicz-
nymi, jak i ich niezwykłe znaczenie
dla rozwoju naszej planety. Stano-
wią one też najbardziej spektaku-
larne zjawisko geofizyczne, jakie
występuje na Ziemi. Wulkany od-
grywają bardzo ważną rolę w kształ-
towaniu warunków życia na naszej
planecie i od razu dodajmy – nie jest
to rola jednoznacznie negatywna.

Wręcz przeciwnie, bez wul-

kanów najprawdopodobniej ży-
cie na naszej planecie nie byłoby
możliwe. I to z kilku powodów.
Po pierwsze, rzeźba naszej pla-
nety jest w dużej części wynikiem
eksplozji wulkanów. Na przykład
wzgórze wawelskie jest w rze-
czywistości wygasłym wulkanem.
Po drugie, w momencie eksplozji
wulkanu zachodzi jednoczesna
emisja gazów. Gazy te zmieniają
skład ziemskiej atmosfery.

Zanim powstał człowiek, to wła-

śnie wulkany były głównym do-
starczycielem dwutlenku węgla
do atmosfery, a jak wiadomo, ilość
dwutlenku węgla w znacznym stop-
niu determinuje warunki klima-
tyczne na danej planecie. Poza tym
dwutlenek węgla jest niezbędny
do istnienia wegetacji.

Obecnie sytuacja się odwróciła.

Ilość dwutlenku węgla emitowane-
go przez wulkany to mniej niż jeden
procent tego, co emituje człowiek.
Inny efekt aktywności wulkanów,
nawet ważniejszy od poprzedniego,
to emisja wszelkiego rodzaju pyłów,
które z jednej strony odcinają na-
szą planetę od światła, a z drugiej

strony stanowią izolator termiczny
chroniący Ziemię przed uciecz-
ką ciepła. Mimo przedstawionego
przeze mnie optymistycznego obra-
zu wulkanów nie mogę jednak ukryć
jednego faktu. Otóż wybuchy wul-
kaniczne to jednak zjawiska nisz-
czycielskie. Istotne jest więc ostrze-
ganie przed nimi, jak i dokładne
monitorowanie ich przebiegu.

Zanim nastąpi eksplozja

Co może być zapowiedzią erup-

cji wulkanu? Procesowi budzenia
się wulkanu towarzyszą zazwyczaj
ruchy magmy pod jego powierzch-
nią. Należy się więc spodziewać,
że przemieszczenia lawy wewnątrz
wulkanu będą wpływać na ukształ-
towanie powierzchni ziemi. Zjawi-
sko przypomina obserwację kota
w worku. Aby stwierdzić, że kot
się poruszył (a więc żyje), nieko-
niecznie trzeba zajrzeć do środka
worka. Wystarczy przyjrzeć się
samemu workowi. Oczywiście de-

formacje wywołane ruchem kota
są lepiej widoczne niż te spowodo-
wane przemieszczeniami lawy we-
wnątrz wulkanu.

Dlatego do obserwacji ruchów

powierzchni wulkanów używa się
subtelniejszych metod. Używa się
mianowicie metod interferencyj-
nych. Najbardziej znaną z nich jest
technika zwana InSAR (interfe-
rometric synthetic aperture radar).
W ogromnym skrócie polega ona
na obserwacji amplitudy i fazy pro-
mieniowania odbitego od danej
powierzchni. Przy czym pomiaru
fazy dokonuje się, mierząc obraz
interferencyjny powstały przy na-
kładaniu się promieniowania pa-
dającego i odbitego.

Dokładnie tak jak w przypadku

szkolnych eksperymentów interfe-
rencyjnych obserwuje się charakte-
rystyczne prążki (rys. 1). Przemiesz-
czenia gruntu powodują oczywiście
przemieszczenia prążków, co po-
zwala wnioskować o zmianie

Monitorowanie
wulkanów

Rys. 1. Typowy obraz stożka wulkanicznego otrzymany techniką InSAR

Źródło: ESA

fizyka wczoraj, dziś, jutro

Fizyka w Szkole

2/2013

21

ukształtowania terenu. Opisywana
metoda służyła do pomiaru małych
przemieszczeń gruntów na stosun-
kowo dużych obszarach. Dolną
granicą wrażliwości wspomnianej
metody jest połowa długości użytej
fali. W przypadku rys. 1 można było
wykryć różnice wysokości rzędu 2,8
cm. Nawet tak małe zmiany mogą
mieć nieocenioną wartość. Jeśli
na przestrzeni 100 m

2

teren podniósł

się o kilka centymetrów, to znaczy,
że coś od spodu usiłuje go podnieść.

Jeśli mówimy o dużych obsza-

rach oświetlanych danym promie-
niowaniem, pojawia się oczywiście
pytanie o źródło tego promienio-
wania. Można oczywiście nad da-
nym obszarem rozmieścić wieże
z nadajnikami, które będą nada-
wać odpowiednie sygnały, jak rów-
nież sieć anten do odbioru tych sy-
gnałów. W praktyce jednak stosuje
się do rozwiązania tego problemu
wyspecjalizowane satelity.

Zastosowanie satelitów do mo-

nitorowania wulkanów to kwinte-
sencja nauki zwanej wulkanologią
satelitarną. Rozwiązanie to ma kil-
ka zalet. W zasadzie w sytuacjach
przed eksplozją nie ma sensu stałe
monitorowanie wulkanu. Wystar-
czy, że odpowiednią fotkę zrobi się
raz na jakiś czas. W okresie pomię-
dzy wykonywaniem zdjęcia wulka-
nu nasz satelita może zajmować się
innymi problemami, czyli mamy
urządzenie wielozadaniowe. W tym
czasie możemy np. dokonywać po-
miarów meteorologicznych. Drugą
cechą charakteryzującą satelity jest
fakt, że w większości przypadków
satelita nie wisi stale w jednym
miejscu, lecz zmienia swoje poło-
żenie, przesuwając się od wulkanu
do wulkanu, a to oznacza, że za po-
mocą jednego satelity możemy ob-
serwować wiele wulkanów.

Jedną z najważniejszych cech

opisujących użyteczność satelity
z punktu widzenia wulkanologii sto-
sowanej jest wysokość orbity. To ona
determinuje podstawowe parame-
try obserwacyjne istotne z punktu
widzenia wulkanologii satelitarnej.
Pierwszy z nich to obszar, który

satelita widzi, czyli rozdzielczość
przestrzenna. Drugi dotyczy tego,
jak często satelita przelatuje nad da-
nym wulkanem. Ten drugi parametr
w wulkanologii satelitarnej nosi na-
zwę rozdzielczości czasowej.

Aby odpowiedzieć sobie na py-

tanie, jaki jest związek pomiędzy
rozdzielczością czasową a wysoko-
ścią satelity, nie wystarczy przeana-
lizować najbardziej podstawowe
równanie, znane od czasów New-
tona i obecne w programie naucza-
nia szkoły średniej, opisujące ruch
ciał po okręgu w polu grawitacyj-
nym, wyrażające równość siły gra-
witacji i odśrodkowej:

GMm

= mω

2

(R

z

+ h).

(R

z

+ h)

2

Z tej zależności można otrzy-

mać wzór na czas obiegu satelity
wokół Ziemi. Jest on następujący:

.

Zależność ta stanowi analog III

prawa Keplera. Analizując tę za-
leżność, dochodzimy do wniosku,
że im niższa orbita, tym krótszy
okres. Czyli dla nisko latających
satelitów powinna poprawiać się
rozdzielczość czasowa. Tymczasem
jest dokładnie odwrotnie. Wraz
z obniżaniem się wysokości satelity
maleje bowiem jego pole widzenia,
co pogarsza rozdzielczość czasową.

Obecnie istnieją dwa podstawo-

we typy systemów monitorujących
wulkany. Typ pierwszy to systemy
o dużej rozdzielczości czasowej,
ale o małej rozdzielczości prze-
strzennej. Typ drugi, jak łatwo
się domyślić, to systemy o dużej
rozdzielczości przestrzennej, lecz
małej czasowej. Wynika to z faktu,
że tor satelity obserwowany z Zie-
mi zazwyczaj nie jest kołowy. Tak
więc z punktu widzenia obserwato-
ra naziemnego istotniejszy niż czas
obiegu jest czas rewizyty (ang. re-
visit period). Jest to czas, po jakim
satelita dokona obserwacji tego
samego punktu Ziemi. Osobom
zainteresowanym technologią sate-
litarną, chcącym się dowiedzieć, ja-

kie parametry opisują ruch satelity,
jak wyznaczyć jego położenie w da-
nym momencie i co z tym wszyst-
kim ma wspólnego efekt Dopplera,
serdecznie polecam książkę Jacka
Januszewskiego Systemy satelitarne
GPS, Galileo i inne. My tymczasem
wróćmy do naszych wulkanów.

Czy to na pewno lawa?

Deformacje terenu mogą być

wywoływane przez różne czynniki.
W przypadku wulkanu prawdopo-
dobnie jest to lawa, choć w sumie
niekoniecznie. Może to być równie
dobrze woda. Co zrobić, aby się
przekonać, z którą substancją mamy
do czynienia? Należy się tu odwołać
do innych technik, np. do pomiaru
przyśpieszenia ziemskiego.

Tego typu pomiary noszą nazwę

grawimetrii. Zastosowanie grawi-
metrii pozwala nam odpowiedzieć
na pytanie o gęstość substancji,
która spowodowała odkształcenie,
a – jak wiadomo – lawa ma znacz-
nie większą gęstość niż woda. Po-
miar polega na stworzeniu na za-
grożonym terenie w miarę gęstej
siatki grawimetrów i obserwacji
czasowych zmian wartości przy-
śpieszenia grawitacyjnego.

Zmiany wartości przyśpieszenia

ziemskiego g odzwierciedlają oczy-
wiście przesunięcia płynów pod po-
wierzchnią. Porównując je ze zmie-
rzonymi odkształceniami, możemy
oszacować gęstość znajdującej się
pod powierzchnią substancji, co
z kolei pozwala odpowiedzieć na
pytanie, co to właściwie jest. Przy
czym często z punktu widzenia
monitorowania ruchów lawy istot-
niejsze są czasowe zmiany warto-
ści przyśpieszenia grawitacyjnego
w czasie niż jego dokładna wartość.

Ta odmiana grawimetrii nosi na-

zwę grawimetrii 4D [1]. Do pomia-
rów bezwzględnej wartości przy-
śpieszenia ziemskiego wykorzystuje
się urządzenia zwane grawimetra-
mi. Zasada ich działania jest mate-
rializacją typowych zadań rachun-
kowych z fizyki. Sam pomiar polega
albo na pomiarze czasu spadania
swobodnego kulki w szklanej ru-

fizyka wczoraj, dziś, jutro

22

Fizyka w Szkole

2/2013

rze, albo na pomiarze okresu drgań
wahadła fizycznego. Z kolei pomia-
ry różnicowe zazwyczaj polegają
na pomiarze zmiany odkształcenia
sprężyny obciążonej znaną masą.

Czy o czymś nie zapomnieli-

śmy? No raczej tak. Zapomnieli-
śmy, że zanim wybuchnie wulkan,
to często ziemia drży, a drgania
ziemi to oczywiście domena sejs-
mologii. Dlatego wokół wulka-
nów często rozmieszcza się stacje
sejsmologiczne. Oczywiście jeśli
wulkan nie jest kompletnie mar-
twy (tak jak wspomniane uprzed-
nio wawelskie wzgórze), to zawsze
związana jest z nim jakaś aktyw-
ność sejsmiczna. Oczywiście pro-
blem pojawia się wtedy, gdy ta ak-
tywność zaczyna wzrastać.

Sejsmolodzy wyróżniają trzy ro-

dzaje aktywności sejsmicznej zwią-
zanej z wulkanami. Pierwszy z nich
to krótkie wstrząsy związane z pęk-
nięciami skał, towarzyszącymi
przemieszczaniu się magmy. Ich
przeciwieństwem są długotrwałe
wstrząsy związane ze wzrostem ciś-
nienia gazów we wnętrzu wulka-
nu. Najwięcej powodów do niepo-
koju dostarczają jednak wstrząsy
harmoniczne. Towarzyszą one za-
zwyczaj procesowi przebijania się
magmy do powierzchni. Stanowią
więc ostateczny sygnał ostrzegaw-
czy przed spodziewaną erupcją.

Monitorowanie przepływu
lawy

Kiedy wulkan wybuchnie, to

najlepiej trzymać się z daleka od roz-
grzanej lawy, jednak aby móc prze-
widzieć jej dalszy ruch, wypadałoby
coś o niej wiedzieć. Wypadałoby
wiedzieć, jak szybko wypływa, jaką
ma temperaturę i prędkość, jaki
ma skład chemiczny i jaki jej pro-
cent uległ już krystalizacji. To z ko-
lei pozwoliłoby zdobyć informacje
na najbardziej zasadniczy temat: jaki
będzie prawdopodobny zasięg lawy
i jaki będzie scenariusz czasowy jej
rozprzestrzeniania się. No dobrze,
ale jak zdobyć takie informacje?

Znów idealnym narzędziem wy-

dają się satelity. Najlepiej satelity

z czujnikami podczerwieni. Należy
mieć na uwadze fakt, że wybucha-
jąca lawa to przede wszystkim po-
tężne źródło ciepła. Pierwsze tego
typu pomiary wykonano w roku
1965, kiedy to pierwszy w historii
satelita meteorologiczny Nimbus 1
dokonał pomiaru promieniowa-
nia podczerwonego emitowanego
przez wulkan Kilauea. Współczes-
ne systemy monitorujące zawierają
zazwyczaj po kilka tzw. kanałów.
Każdy z nich mierzy natężenie in-
nych długości fali.

Za przykład można podać za-

awansowany radiometr o wysokiej
rozdzielczości (ang. Advanced
Very High Resolution Radiometer,
AVHRR). Jest to przyrząd umiesz-
czony na wyspecjalizowanych sate-
litach należących do Narodowej
Administracji Oceanu i Atmosfery
(USA) z serii NOAA i Metop-A.
AVHRR wykorzystuje aż pięć róż-
nych kanałów:

Numer kanału

Zakres długości fal

1

0,55–0,90

2

0,725–1,10

3

3,55–3,93

4

10,3–11,3

5

11,4–12,4

Dlaczego aż tyle? To wynika

ze specyfiki samych pomiarów.
Praktycznie nigdy nie obserwujemy
sygnału od samej lawy. Obok sy-
gnału pochodzącego z lawy systemy
pomiarowe odbierają też sygnał bę-
dący wynikiem odbijania się światła
słonecznego, emisji cieplnej nagrza-
nych skał itp. Istnieją też różne czyn-
niki zakłócające. Na przykład chmu-
ry mogą znacznie utrudnić procesy
obserwacyjne. A co się dzieje potem
z tak otrzymanymi danymi?

Obszar obserwacji jest dzielony

na piksele. Są to zazwyczaj kwa-
draty o boku kilkuset metrów. Dla
każdego z takich pikseli mierzy się
całkowitą emisję w danej długości
fali. To, co tak naprawdę intere-
suje wulkanologów, to te piksele,
w których emisja jest nadzwyczaj
wysoka. Integrując dane z kilku

długości fali, można otrzymać in-
formacje o wielu innych interesu-
jących parametrach lawy, takich
jak zawartość fazy stałej w lawie,
wydajność źródeł lawy itp. Następ-
ny krok to zintegrowanie otrzyma-
nych danych z dokładnymi mapa-
mi terenu, takimi, jakie dostarcza
np. Google. Mając wspomniane
dane satelitarne i dane dotyczą-
ce ukształtowania terenu, można
pokusić się o rozwiązanie równań
ruchu lawy, a tym samym o przewi-
dzenie jej dalszego ruchu. Nikomu
nie trzeba mówić, jak ważne mogą
być takie obliczenia.

W przedstawionym tu artykule

nie wyczerpaliśmy wszystkich tech-
nik obserwacji wulkanów, choć
myślę, że przedstawiliśmy te najbar-
dziej zaawansowane technologicz-
nie. Jak widać, do monitorowania
zagrożeń stwarzanych przez te nie-
zwykle tajemnicze obiekty wyko-
rzystuje się techniki od naziemnych
po satelitarne. Olbrzymia jest przy
tym rola modelowania komputero-
wego. Olbrzymi wysiłek naukowców
wkładany w monitorowanie zacho-
wania wulkanów ma jednak nieoce-
nione znaczenie, zarówno poznaw-
cze, jak i praktyczne. Są to prace,
od których może zależeć życie wielu
tysięcy ludzi.

LI TE RA TU RA

[1] Battaglia M., Gottsmann J., Car-

bone D., Fernández J., 4D volcano
grawimetry, Geophysics, Vol. 73,
No. 6, Doi: 10.1190/1.2977792.

Rys. 2. Satelita NOAA