Zestaw danych z macierzy infradźwiękowej dotyczący paroksyzmy erupcyjnych wulkanu Etna w 2021 r.

Słuchając głębokiego głosu wulkanu

Gdy wulkan wybucha, nie tylko wyrzuca ogień i popiół — wydaje też bardzo niskie dźwięki, których nie słyszymy. Te „infradźwięki” rozchodzą się przez powietrze na duże odległości i mogą ujawniać, co dzieje się we wnętrzu wulkanu na długo przed pojawieniem się lawy czy pyłu. W tym badaniu naukowcy udostępniają nowy, ogólnodostępny zapis tych ukrytych dźwięków z Etny we Włoszech z wyjątkowo intensywnego roku erupcyjnego, oferując cenne źródło do poprawy prognoz erupcji i zwiększenia bezpieczeństwa okolicznych społeczności.

Dlaczego ciche grzmoty mają znaczenie

Etna jest jednym z najbardziej aktywnych wulkanów na świecie, często wyrzucając fontanny lawy i chmury popiołu, które mogą zakłócać ruch lotniczy i osadzać pył nad pobliskimi miastami. Aby to monitorować, włoscy naukowcy obsługują gęstą sieć instrumentów mierzących drgania gruntu, skład gazów i deformacje terenu. W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat zauważyli, że infradźwięki — bardzo niskoczęstotliwościowe fale dźwiękowe — są szczególnie przydatne do wykrywania początku erupcji, śledzenia ich przebiegu i szacowania ilości uwalnianego popiołu i gazów. Problem polegał na tym, że wysokiej jakości publicznie dostępne dane infradźwiękowe z aktywnych wulkanów są rzadkie, co utrudnia badaczom na całym świecie testowanie nowych metod.

Budowanie ucha dla Etny

Aby wypełnić tę lukę, zespół zainstalował specjalny „posterunek nasłuchowy” na wzgórzu Monte Conca, około sześciu kilometrów od kraterów szczytowych Etny. Zamiast pojedynczego mikrofonu, ustawiono macierz z sześciu czujników infradźwiękowych rozmieszczonych wokół punktu centralnego, podobnie jak mikrofony w systemie dźwięku przestrzennego. Taka konfiguracja pozwala porównać drobne różnice w czasie nadejścia fal dźwiękowych do każdego sensora, wzmacniając słabe sygnały i określając ich źródło. Czujniki, zaprojektowane specjalnie do pracy przy wulkanach, są małe, energooszczędne i potrafią rejestrować minimalne zmiany ciśnienia powietrza w szerokim zakresie częstotliwości.

Utrzymanie instrumentów przy surowych warunkach górskich

Eksploatacja wrażliwej elektroniki wysoko na zaśnieżonym wulkanie przez cały rok to nie lada wyzwanie. Każdy czujnik umieszczono w specjalnie zbudowanej skrzynce, która działa jak miniaturowy system podtrzymywania życia. Skrzynka jest wodoodporna i izolowana termicznie, mieści czujnik, jego rejestrator cyfrowy i dużą baterię, a na górze znajduje się panel słoneczny, który zasila system nawet zimą. Piankowe wyściółki i filtr mechaniczny chronią czujnik przed podmuchami wiatru, które mogłyby przypominać sygnały wulkaniczne. Ta wytrzymała konstrukcja pozwoliła macierzy działać niemal nieprzerwanie od maja 2021 do kwietnia 2022, z jedynie drobnymi przerwami serwisowymi i jednym kłopotliwym sensorem, który miał powtarzające się problemy z rejestratorem.

Śledzenie dziesiątek erupcji w szczegółzie

W czasie pracy stacja zarejestrowała szczególnie intensywną fazę aktywności Etny. Od końca 2020 do 2021 roku wulkan wygenerował ponad 60 potężnych wybuchów zwanych paroksyzmy — epizodów intensywnego fontannowania lawy i pióropuszy popiołu, które czasem sięgały do 10 kilometrów wysokości. Nowa macierz zarejestrowała 39 takich zdarzeń między majem a październikiem 2021 roku, a także cichsze uwolnienia gazów i mniejsze eksplozje z kilku kraterów. Traktując sześć czujników jako jeden system nasłuchowy i stosując zaawansowane przetwarzanie, naukowcy potrafili odfiltrować losowe szumy wiatru i wyizolować spójne fale ciśnieniowe powiązane z aktywnością wulkaniczną. Wykazali, że różne typy zachowań — od łagodnego uwalniania gazów w tle, przez serie eksplozji strombolijskich, po utrzymujące się fontanny lawy — mają odrębne wzory dźwiękowe i sygnatury częstotliwościowe.

Oddzielanie głosów z różnych kraterów

Jednym z najważniejszych efektów jest zdolność macierzy do wskazania, który krater „mówi” w danym momencie. Mierząc kierunek, z którego nadchodzą infradźwięki, zespół zidentyfikował stabilne skupiska sygnałów pochodzące z dwóch głównych obszarów: kraterów Południowo-wschodniego i Nowego Południowo-wschodniego, które wygenerowały większość spektakularnych fontann lawy, oraz kraterów Bocca Nuova i Voragine, które często jadły gazy w sposób bardziej łagodny. Wydarzenia wybuchowe z kraterów południowo-wschodnich charakteryzowały się ostrymi, impulsywnymi falami zdominowanymi przez częstotliwości rzędu 1–2 Hz, typowymi dla potężnych wyrzutów gazu. Natomiast sygnały z Bocca Nuova i Voragine prezentowały bardziej rezonansowe tony o kilku odrębnych częstotliwościach, ukształtowane przez geometrię otworów i ścian kraterów. Te różnice oznaczają, że tylko za pomocą infradźwięków naukowcy mogą rozróżnić nakładającą się aktywność z wielu otworów nawet przy słabej widoczności.

Co to oznacza dla mieszkańców w rejonie wulkanów

Dla osób niebędących specjalistami kluczowym wynikiem jest to, że Etna zyskała sprawdzony system „akustycznego nadzoru”, a cały roczny zbiór nagrań jest dostępny za darmo dla każdego, kto chce go badać. Badanie pokazuje, że trwałe macierze infradźwiękowe mogą działać przez cały rok na wysokim, zaśnieżonym wulkanie i niezawodnie rejestrować subtelne sygnatury ciśnienia powietrza zarówno dużych erupcji, jak i cichszego wydzielania gazów. Ten zestaw danych pomoże badaczom udoskonalić narzędzia wczesnego ostrzegania, które automatycznie wykrywają i lokalizują aktywność erupcyjną w czasie rzeczywistym, wspierając szybsze alerty dla lotnictwa i społeczności znajdujących się po stronie zawietrznej. Krótko mówiąc, przez uważne słuchanie najgłębszych grzmotów wulkanu naukowcy uczą się przewidywać jego następny głośny wybuch.

Cytowanie: Zuccarello, L., Gheri, D., De Angelis, S. et al. Infrasound Array Dataset of the 2021 Eruptive Paroxysms of Etna Volcano. Sci Data 13, 296 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-06638-0

Słowa kluczowe: infradźwięki, Etna, monitoring wulkanów, wczesne ostrzeganie przed erupcją, akustyka sejsmiczna