«Вулканы играют не по правилам»: как прогнозируют извержения и пеплопады на Камчатке
В апреле 2023 года извержение вулкана Шивелуч на Камчатке вызвало самый масштабный пеплопад за 60 лет. Перекрывались дороги, приостанавливалось авиасообщение, закрывались школы. Как учёные прогнозируют подобные извержения, отслеживают пепловые облака и чем полезна интерактивная карта, разработанная вместе с Yandex Cloud, рассказывает директор камчатского филиала Единой геофизической службы РАН Данила Чебров.
На Камчатке 29 действующих вулканов, и почти каждый год происходит хотя бы одно извержение. В прошлом году были активны сразу четыре вулкана: Шивелуч, Безымянный, Ключевской и Карымский. После извержения Шивелуча слой пепла в посёлке Ключи в 50 км от вулкана составил 10 см, тогда как обычно его высота на таком расстоянии от эпицентра не превышает 1 мм. Мощность пеплового слоя в Ключах была около 40–50 кг на м² — для сравнения, обычная составляет несколько десятков граммов.
Наша служба занимается сейсмическим и геофизическим мониторингом территории Камчатки. Одна из задач — контролировать состояние вулканов и прогнозировать извержения.
Зачастую нам удаётся предсказать извержение, далее оцениваем его масштаб и последствия с помощью инструментального мониторинга — приборов, которые фиксируют скорость смещения грунта и другие параметры. Также мы создали технологию детектирования пепловых выбросов по сейсмическим данным — колебаниям земной коры. Наша разработка помогает при плотной облачности, когда даже космические спутники не сразу обнаруживают выброс.
Что такое пепловые облака и почему важно прогнозировать их распространение
Пепловое облако формируется в результате выброса пепла из кратера вулкана в ходе взрывного извержения. На Камчатке облако может дойти до населённых пунктов за пару часов — начинается пеплопад.
В зависимости от масштаба извержения, силы и направления ветра, пеплопад может пройти практически незаметно и никак не отразиться на жизни города (если выпадет до нескольких граммов пепла на квадратный метр), а может вмешаться во множество сфер, включая авиацию, дорожное движение, сотовую связь и GPS, водо- и электроснабжение, сельское хозяйство и туризм (при осадке более 1 мм и высоте выброса от 10 км).
Пепел перегружает крыши, что в самых тяжёлых случаях может приводить к повреждению зданий. Кроме того, высокая концентрация частиц пепла опасна для слизистых и органов дыхания, так что во время сильных пеплопадов не стоит лишний раз выходить на улицу.
Пепел — это частицы вулканического стекла с острыми краями. Они могут быть радиоактивны
Как работает интерактивная карта пепловых облаков
Yandex Cloud, Яндекс Погода, «Геоинтеллект» и Школа анализа данных совместно с Единой геофизической службой РАН создали сервис для отслеживания облаков пепла на Камчатке. Она показывает движение облака на сутки вперёд. Это поможет местным жителям и МЧС готовиться к пеплопадам.
В основе проекта — технология машинного обучения, которая распознаёт данные с камер видеонаблюдения.
Чтобы собрать больше примеров для обучения модели, команда дополнила реальные изображения синтетическими, созданными с помощью ColorJitter.
Для пользователей сервис работает не сложнее, чем карта осадков в Яндекс Погоде. Достаточно выбрать высоту, и на карте отобразится, какую площадь покроет облако в этом месте в определённое время. Плотность выброса обозначается цветами: красный — высокая, серый — низкая.
Как наша служба детектирует момент извержения и что происходит потом — по шагам
➡ Нам поступает сигнал с сети сейсмических станций, которые расположены в 5–15 км от вулканов. Они регистрируют сейсмические сигналы, распространяющиеся в земле в момент извержения и перед ним.
➡ По записям с камер оператор устанавливает, происходит ли действительно извержение. Если да, оценивает его масштаб и высоту выброса пепла по данным с сети видеонаблюдений и спутников, а также по сейсмическим сигналам.
➡ Информация об извержении автоматически направляется в МЧС и Консультативный центр по вулканическому пеплу в Токио (VAAC, Volcanic Ash Advisory Centre), который корректирует пути следования самолётов.
➡ Собирается Камчатский филиал Российского экспертного совета по прогнозу землетрясений. На совете констатируем начало извержения, рассматриваем сценарии поведения вулкана и масштабы последствий. Пересмотр делаем каждые сутки или чаще — в зависимости от интенсивности извержения.
➡ МЧС и Росгидромет с помощью своих моделей оценивают, куда пойдёт пепел и сколько его выпадет, при необходимости вводят ограничения в населённых пунктах и рассылают распоряжения администрациям: запасти воду, раздать маски, перекрыть дороги, закрыть школы и т. п.
Чем мы занимаемся, когда всё хорошо, и почему ML пока не умеет предсказывать извержения
Даже когда извержений не происходит, мы продолжаем контролировать состояние вулканов: отсматриваем записи с камер, наблюдаем за сейсмическим режимом вулканов — определяем параметры вулканических землетрясений и вулканического дрожания. Бывает, что параметры землетрясения определить невозможно — тогда фиксируем только количество сигналов. Все эти данные помогают спрогнозировать следующее извержение вулкана.
Обычно первые признаки готовящегося извержения можно предсказать за неделю. По Безымянному вулкану в прошлом году нам удалось дать прогноз за месяц. А по некоторым вулканам предсказать активность не получается — они ведут себя каждыи раз по-разному.
ML для прогнозирования извержений мы пока не используем. Во-первых, извержения, особенно крупные, происходят относительно редко — данных мало. Во-вторых, даже если несколько вулканов ведут себя похоже — это не значит, что они ведут себя одинаково, и собрать однородныи датасет не получается.
Если бы нам сказали, что в посёлке Ключи будет лежать 10 см пепла, мы бы подумали, что к этому должно привести катастрофическое извержение. На самом деле извержение Шивелуча было умеренным. В науках о Земле реальность часто сложнее прогноза — автоматизировать такие предсказания пока нельзя.
Вулканология находится на стыке многих наук: физики, петрологии (наука о горных породах), геологии и других. Поэтому пока прогнозирование извержения — тонкая ручная работа, которая зависит от экспертности и насмотренности вулканолога.
В сборе данных может помочь интерактивная карта пепловых облаков: мы сможем сравнивать её прогноз с реальным распространением облака и накапливать информацию. Плюс, даже если ML-модель не получится обучить под все камчатские вулканы, можно начать с нескольких самых «предсказуемых».
Несмотря на опасность, туристов извержения только привлекают. Мы рекомендуем следить за предупреждениями МЧС перед поездкой на Камчатку и во время путешествия. Подниматься на вулканы лучше с опытным гидом, который знает безопасные тропы. Перед походом в дикие места маршрут нужно регистрировать в МЧС — там же ответят на любые вопросы. А ещё оценить обстановку можно по нашей фактографической базе «Активность вулканов Камчатки» и на сайте Камчатской группы реагирования на вулканические извержения (KVERT), которая входит в Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН.
И кстати, геофизики тоже бывают обычными туристами.