NASA-geleitete Kampagne erforscht die berühmten Vulkane auf Hawaii

Nachtansicht des hawaiianischen Vulkans Kilauea. (Credits: NASA)
Nachtansicht des hawaiianischen Vulkans Kilauea. (Credits: NASA)

Der Vulkan Kilauea auf der Insel Hawaii ist einer der aktivsten Vulkane der Erde und zieht Wissenschaftler und Touristen aus der ganzen Welt an, um ihn zu untersuchen und Zeuge seines spektakulären Anblicks zu werden. Diesen Monat erforscht ein von der NASA geleitetes Wissenschaftsteam den Kilauea und den benachbarten Vulkan Mauna Loa aus der Luft, vom Boden aus und aus dem Weltraum. Ihr Ziel: Vulkanische Prozesse und Bedrohungen besser zu verstehen.

Ende Januar begannen Wissenschaftler der NASA, des USGS Hawaiian Volcano Observatory (HVO), des Hawaii Volcanoes National Park und mehrerer Universitäten eine sechswöchige Feldkampagne, um verschiedene Aspekte und Zusammenhänge zu untersuchen, darunter:

  • vulkanische Gase und Wärmeemissionen
  • das Ausmaß und die Gesundheit der Vegetation
  • die Lavaströme der Vulkane
  • thermale Anomalien
  • Gasfahnen
  • andere aktive vulkanische Prozesse
  • Möglichkeiten zur Abschwächung vulkanischer Bedrohungen

Die Kampagne, die außerdem die Korallenriffe Hawaiis erforscht, wird vorläufige Daten für das Missionskonzept des NASA-Satelliten HyspIRI (Hyperspectral Infrared Imager) liefern, das die Ökosysteme der Erde und natürliche Bedrohungen wie Vulkane, Waldbrände und Dürren studieren soll.

Hoch fliegen, um Informationen über die hawaiianischen Vulkane zu bekommen

Ein in großer Höhe fliegendes NASA-Flugzeug vom Typ ER-2 des Armstrong Flight Research Center der NASA in Palmdale (Kalifornien), stationiert auf der Marine Corps Base Hawaii auf der Insel Oahu, ist die Hauptplattform der luftgestützten Kampagne. Die ER-2 trägt das Airborne Visible and Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS), das vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena entwickelt wurde, sowie den MODIS-ASTER-Airborne Simulator (MASTER), entwickelt vom Ames Research Center der NASA in Moffett Field (Kalifornien).

Diese Woche wird sich ein NASA-Flugzeug des Typs Gulfstream III vom Johnson Space Center der NASA in Houston (Texas) der Kampagne anschließen. Sie wird das am JPL entwickelte Glacier and Land Ice Surface Topography Interferometer (GLISTIN) Instrument tragen, das hochauflösende Daten sammeln wird, um topografische Veränderungen von neuen Lavaströmen am Kilauea zu messen.

"Die während der HyspIRI-Kampagne gesammelten Daten werden unser Wissen über vulkanische Prozesse auf Hawaii und anderswo auf der Welt verbessern", sagte Ben Phillipps, Leiter der Abteilung für die Erdoberfläche und das Erdinnere am NASA-Hauptquartier in Washington. "Solche Beobachtungen könnten zukünftige Entscheidungen von Vulkanbedrohungszentren und Ordnungsbehörden beeinflussen."

Die ER-2 wird auf der Marine Corps Base Hawaii für einen Flug vorbereitet. (Credits: NASA)
Die ER-2 wird auf der Marine Corps Base Hawaii für einen Flug vorbereitet. (Credits: NASA)

Die ER-2 fliegt in einer Höhe von 65.000 Fuß (etwa 19.800 Meter) oberhalb von 95 Prozent der Erdatmosphäre und kann dadurch die Daten nachbilden, die ein zukünftiger Satellit sammeln könnte. Die Instrumente an Bord wurden entwickelt, um das reflektierte Sonnenlicht und die emittierte Wärmestrahlung in hunderten unterschiedlicher Kanäle sorgfältig zu messen. Die Daten geben Wissenschaftlern quantitative und exakte Informationen über die Zusammensetzung der Erdoberfläche, sowie über die Gastypen und die Temperatur. Durch die Kombination dieser Daten mit bodenbasierten Bestätigungsinstrumenten, können Forscher atmosphärische, geologische und ökologische Prozesse untersuchen, um unsere natürliche Umgebung zu verstehen.

Was werden sie untersuchen?

Vog: Vincent Realmuto vom JPL wird MASTER- und AVIRIS-Daten nutzen, um Vog zu erforschen, die starke vulkanische Luftverschmutzung auf der Hauptinsel Hawaii. Sein Team untersucht die Freisetzung von Hitze und Gas am Kilauea und kartiert die Zusammensetzung und die chemische Entwicklung seiner Gasfahnen.

Als der Gipfel des Kilauea im Jahr 2008 wieder auszubrechen begann, stiegen die Emissionen von Schwefeldioxid dramatisch an. Schwefeldioxid verwandelt sich in Sulfataerosole, um Vog zu bilden – eine giftige, ätzende Suspension aus Schwefeldioxid und feinen Sulfataerosolen. Die vom Kilauea windabwärts gelegenen Gemeinden leiden an schädlichen Auswirkungen. Um der Öffentlichkeit zu helfen, mit dem Vog umzugehen, produziert das Vog Measurement and Prediction Project (VMAP) der University of Hawaii in Manoa (UH) Vorhersagen der Vog-Bewegungen und -konzentrationen auf den hawaiianischen Inseln.

VMAP nutzt die vom HVO gemessenen Schwefeldioxid-Emissionsraten, um die Anfangsbedingungen für die Vog-Vorhersage zu ermitteln. Die Genauigkeit der Vorhersagen wird beurteilt, indem sie mit den Luftqualitätsmessungen eines spärlichen Netzwerks aus Bodenstationen verglichen werden.

Realmutos Team verwendet MASTER-Daten, um die Schwefeldioxidkonzentrationen auf dem Gipfel des Kilauea zu kartieren und Konzentrationsveränderungen mit zunehmender Entfernung zum Gipfel zu verfolgen. AVIRIS-Daten werden genutzt, um die Konzentrationen und räumlichen Verteilungen von Sulfataerosolen windabwärts des Gipfels zu kartieren. Die Daten werden Wissenschaftlern helfen besser zu verstehen, wie schnell sich Schwefeldioxidgas in Sulfataerosole umwandelt, und Karten dessen zu erstellen, wie sich die Raten von Ort zu Ort verändern.

Die von den Daten abgeleiteten Gas- und Aerosolkarten werden durch bodenbasierte Daten von Forschern des HVO und der UH validiert. Die validierten Karten werden verwendet, um die VMAP-Vorhersagen zu initialisieren und den Einfluss der neuen Datenprodukte auf deren Genauigkeit zu beurteilen.

In Zukunft könnten die während einer weltraumgestützten HyspIRI-Mission gesammelten Daten entscheidend zu Ansätzen der Luftqualitätsüberwachung auf Hawaii beitragen. Diese Beobachtungen werden genutzt, um die Schwefeldioxid- und Sulfatkonzentrationen mit einer räumlichen Auflösung von 60 Metern in Zeitspannen von Stunden bis Tagen abzuschätzen.

"Solche frühzeitigen Beobachtungen können verwendet werden, um Veränderungen im Verhalten von Vulkanen zu verfolgen und können Vulkan-Observatorien und Offizielle dazu bewegen, die Kontrolle derartiger Veränderungen zu verstärken", sagte Realmuto. "Die Erfahrung, die wir aus der luftgestützten HyspIRI-Kampagne gewinnen, wird uns erlauben, die Daten einer weltraumbasierten HyspIRI-Mission sofort zu gebrauchen."

Spektroskopiedaten des Kilauea vom Airborne Visible/Infrared Imaging Spektrometer. Der Lavasee (orange) und die Aschewolke (hellblau) sind unterhalb der Bildmitte erkennbar. (Credits: NASA / JPL-Caltech)
Spektroskopiedaten des Kilauea vom Airborne Visible/Infrared Imaging Spektrometer. Der Lavasee (orange) und die Aschewolke (hellblau) sind unterhalb der Bildmitte erkennbar. (Credits: NASA / JPL-Caltech)

Beziehungen zwischen Vulkanen und Pflanzen: Chad Deering von der Michigan Technological University in Houghton leitet eine Untersuchung, um mittels AVIRIS- und MASTER-Daten Zustandsveränderungen von Vulkanen zu registrieren und aus der Distanz mögliche Zusammenhänge zwischen vulkanischen Gasen, deren thermalen Emissionen und dem Ausmaß und der Gesundheit der Vegetation in der Nähe von Vulkanen zu messen.

Wenn ein seichtes Magmareservoir wieder aufgefüllt wird, kann das einerseits den Beginn einer Eruption eines aktiven, aber momentan nicht ausbrechenden Vulkans wie dem Mauna Loa anzeigen. Andererseits kann es auf deutliche Verhaltensänderungen eines ausbrechenden Vulkans wie dem Kilauea hindeuten. Aufsteigendes Magma setzt Gase durch die Oberfläche frei. Die Registrierung und Charakterisierung dieser Gasemissionen und ihrer indirekten Auswirkungen auf die Vegetation könnte Krisenmanagern helfen, wesentliche Veränderungen des Vulkanverhaltens besser zu erfassen und Verschiebungen der Aktivitätsorte zu überwachen.

Wie vulkanische Gase und Aerosole transportiert werden: David Pieri vom JPL nutzt Instrumente an Bord unbemannter, frei fliegender Fluggeräte und angeleinter Kites, um bodenbasierte Validierungen der MASTER- und AVIRIS-Daten durchzuführen. Die unbemannten Fluggeräte und Kites werden in Zusammenarbeit mit dem Ames Research Center und der Wallops Flight Facility der NASA (Wallops Island, Virginia) betrieben. Die Instrumente untersuchen Schwefeldioxid, Kohlendioxid und Aerosole am Kilauea.

Die Daten werden helfen zu verstehen, wie Gase und Aerosole in der Atmosphäre transportiert werden und Schätzungen der vulkanischen Gasemissionen verbessern. Pieris Team wird außerdem gleichzeitig Daten mit dem Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) an Bord des NASA-Satelliten Terra sammeln, um die Entwicklung einer Strategie zu unterstützen, den 15 Jahre umfassenden ASTER-Datensatz globaler Vulkanbeobachtungen in Zukunft zu erweitern.

Möglichkeiten zur besseren Schätzung von vulkanischen Thermaldaten: Ein Team unter Leitung von Michael Ramsey von der University of Pittsburgh nutzt ein neues, bodengestütztes Instrument, um multispektrale, thermale Infrarotdaten am Lavasee des Kilauea zu sammeln, wenn die ER-2 darüber hinweg fliegt. Das Ziel ist es, einen Ansatz zu entwickeln, um die thermalen Infrarotdaten des HyspIRI-Satelliten von Hochtemperaturoberflächen zu korrigieren und die Temperaturvermischung und scheinbare Veränderungen der emittierten Strahlung zu berücksichtigen.

Die Korrekturen werden die Genauigkeit der Schätzungen von vulkanischen (und waldbrandbedingten) thermalen Emissionen und Veränderungen der Zusammensetzung erhöhen. Beide Schätzungen werden üblicherweise für die Überwachung aktueller vulkanischer Aktivitäten eingesetzt.

Die Insel Hawaii aus dem Fenster des NASA-Flugzeugs ER-2. (Credits: NASA)
Die Insel Hawaii aus dem Fenster des NASA-Flugzeugs ER-2. (Credits: NASA)

Registrierung thermaler Anomalien: Greg Vaughan vom US Geological Survey (USGS) entwickelt einen neuen Algorithmus zur Registrierung und Vorhersage vulkanischer Unruhe oder damit verbundener Bedrohungen, basierend auf Hitzesignalen, die ihnen vorausgehen. Der angedachte Alarmalgorithmus wird automatisiert in der Lage sein, anomales, thermales Verhalten bei den meisten Vulkanen weltweit zu entdecken, und empfindlich genug sein, um relativ geringe Hitzesignaturen zu registrieren.

Der neue Ansatz, der die Fähigkeiten der geplanten HyspIRI-Satellitenmission heranzieht, sollte Wissenschaftlern erlauben, kleine, warme Anomalien zu registrieren, die aktuelle Wärmealarmsysteme möglicherweise übersehen könnten. Vaughan wird die luftgestützten Daten der HyspIRI-Kampagne mit den eigenen hochauflösenden, luftgestützten Daten des HVO vergleichen. Die Beobachtungen werden mit Satellitendaten kombiniert, um erweiterte Serien zu testen und den neuen Ansatz zu verfeinern.

Die Messung von Volumenveränderungen in Lavaströmen: Paul Lundgren vom JPL leitet die kommenden GLISTIN-Flüge, die hochauflösende Topografiedaten über aktiven Lavaströmen am Kilauea sammeln, um Veränderungen festzustellen. Mehr genaue Überwachungen der Veränderungen im Lavastromvolumen werden die derzeitigen Modelle verbessern, um die Eigenschaften aktiver Eruptionen und Veränderungen der Eruptionsrate zu verstehen.

"Auf eine sich anbahnende Vulkankrise angewandt, könnte GLISTIN wichtige Messungen der Lavastromvolumina oder des Lavadomwachstums liefern, die mit aktuellen Satelliten nicht möglich sind", sagte Lundgren. "Es kann Wissenschaftler dabei unterstützen, das Volumen vulkanischer Eruptionen und das Verhalten von Vulkanen besser zu verstehen und vorherzusagen."

Quelle

(THK)

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