Quarenta anos após a erupção do Monte St Helens galvanizar os pesquisadores de vulcões, eles estão usando novas e poderosas ferramentas para espionar as montanhas mais perigosas do mundo.
No início de 2018, o vulcão Anak Krakatau, na Indonésia, começou a desmoronar. Foi uma transformação sutil – que ninguém percebeu na época. Os flancos sul e sudoeste do vulcão deslizavam em direção ao oceano a uma taxa de cerca de 4 milímetros por mês, uma mudança tão pequena que os pesquisadores só o viram tempos depois do fato enquanto vasculhavam os dados de radar por satélite. Em junho, porém, a montanha começou a mostrar sinais óbvios de inquietação. Vomitou cinzas e pedras de fogo no céu em uma série de pequenas erupções. E estava esquentando. Outro instrumento de satélite registrou emissões térmicas da Anak Krakatau que atingiram 146 megawatts – mais de 100 vezes o valor normal. Com o aumento da atividade, a derrapagem saltou para 10 milímetros por mês.
Então, em 22 de dezembro, o flanco sul colidiu com o mar, provocando um tsunami que matou pelo menos 430 pessoas nas costas próximas de Java e Sumatra. Embora ninguém tenha previsto esse desastre, um estudo de 2019 descobriu que os instrumentos terrestres e de satélite captaram um conjunto de sinais precursores que poderiam ajudar a prever eventos semelhantes no futuro em Anak Krakatau e em outros picos.
O inesperado colapso em Anak Krakatau mostra alguns dos desafios que os pesquisadores enfrentam ao tentar monitorar milhares de vulcões potencialmente perigosos ao redor do mundo – cada um único. Mas também destaca vários avanços no campo que prometem dar aos cientistas uma chance muito maior de prever desastres.
Os vulcanologistas estão fazendo progressos substanciais, graças a uma torrente de dados de satélites que podem detectar movimentos sutis das montanhas, sensores terrestres que rastreiam rochas derretidas se movendo no subsolo e dispositivos de farejamento de gás que os drones podem transportar sobre montanhas ferventes. E a compreensão teórica dos vulcões aumentou acentuadamente à medida que os pesquisadores aprendiam a combinar todos esses dados em modelos do que está acontecendo nos sistemas vulcânicos. Os pesquisadores agora estão experimentando o aprendizado de máquina para filtrar a enxurrada de dados para identificar padrões sutis, como o movimento inicial de Anak Krakatau meses antes de mostrar sinais de despertar.
O campo tem feito grandes avanços desde a maior crise vulcânica da história dos EUA, exatamente 40 anos atrás – a erupção do Mount St Helens em 18 de maio de 1980 no estado de Washington. Esse evento – que começou com o maior deslizamento de terra registrado na história – matou 57 pessoas e cobriu grande parte de Washington e estados vizinhos com cinzas, fechando a região por dias. Mas também foi um ponto de virada para a ciência vulcânica, provocando um enorme influxo de dinheiro e pessoas no campo e preparando o terreno para rápidas melhorias no entendimento.
Os cientistas haviam viajado para a montanha nos meses que antecederam a explosão e rastrearam cuidadosamente seu comportamento, incluindo terremotos frequentes, gases fumegando de sua cratera e uma protuberância ameaçadora que inchou em seu flanco norte. “Foi a primeira erupção realmente significativa que foi capturada pela instrumentação científica moderna”, diz Seth Moran, cientista encarregado do Observatório do Vulcão Cascades no US Geological Survey (USGS), em Vancouver, Washington. “E, de várias maneiras, tornou-se uma referência para as maneiras pelas quais as pessoas olham vulcões ao redor do mundo”.
A proliferação de dados de monitoramento baseados no solo e no espaço desde então, juntamente com o aumento do poder da computação, revolucionou a compreensão dos cientistas sobre os sistemas vulcânicos. Por fim, os pesquisadores esperam que novas ferramentas e técnicas os aproximem da possibilidade de atribuir probabilidades às chances de um vulcão entrar em erupção em um determinado período de tempo, da mesma forma que os meteorologistas distribuem as chances de chuva ou neve em um dia específico.
“Eu acho que quando as pessoas olharem para esse período, imaginarão que essa é a era de ouro da vulcanologia física”, diz o vulcanologista Christopher Kilburn, da University College London.
Explosão histórica
Os primeiros indícios de problemas em Mount St Helens ocorreram em 16 de março de 1980, com uma série de pequenos terremotos. Então, uma semana depois, explosões de vapor irromperam no gelo no topo do vulcão, escavando uma cratera que cresceu até 400 metros em poucos dias. Equipes de pesquisadores chegaram do USGS e de outras instituições para vigiar a montanha. Aviões voaram sobre a cratera fumegante para medir os gases que escapavam do vulcão, e os sismômetros registraram os tremores do magma – rocha derretida – se movendo sob a superfície. Os vulcanologistas subiram as encostas da montanha para medir o abaulamento norte, usando fitas métricas e equipamentos de levantamento a laser.
O magma estava claramente subindo alto no vulcão e empurrando contra a encosta, e os pesquisadores alertaram que uma grande erupção poderia acontecer em breve. Mas o que aconteceu depois pegou os cientistas de surpresa.
Às 8:32 da manhã de 18 de maio, um deslizamento de terra maciço desceu a encosta da montanha, levando o cume e a neve e o gelo com ele. A liberação de pressão abriu o vulcão, provocando uma poderosa explosão. Uma explosão de rochas, cinzas, gás e vapor foi lançada para cima e para fora em velocidades supersônicas e viajou até 25 quilômetros ao norte.
“Aprendemos com a erupção de 18 de maio como os vulcões instáveis de lados íngremes são e como eles podem sofrer uma falha catastrófica e gerar uma grande onda ou explosão lateral”, diz Don Swanson, geólogo pesquisador do USGS Hawaiian Volcano Observatory, envolvido no monitoramento a erupção de 1980. “O que parece tão óbvio agora, não era óbvio antes dessa época.”
Após a erupção, os cientistas analisaram a paisagem e a encontraram repleta de colinas – grandes colinas e montes que haviam sido transportados ladeira abaixo em blocos intactos. Esses recursos correspondem aos encontrados perto de muitos vulcões ao redor do mundo. E a partir do registro histórico, os vulcanologistas reconheceram que cerca de 1.000 deslizamentos de terra semelhantes ocorreram em mais de 550 vulcões. “Vulcões altos desabam, não estão apenas crescendo, estão desabando”, diz o vulcanologista Thomas Walter, do Centro Alemão de Pesquisa em Geociências de Potsdam.
A erupção do Monte St Helens ensinou outras lições, como o impacto mortal das cinzas e gás vulcânicos superaquecidos que correm montanha abaixo a velocidades de furacões e o poder dos deslizamentos de terra que destruíram tudo em seu caminho. A erupção também provocou um enorme crescimento na vulcanologia. Na década após a explosão, o USGS estabeleceu observatórios de vulcões no noroeste do Pacífico, Havaí e Alasca.
O financiamento para o programa de riscos vulcânicos do USGS hoje é quase dez vezes o que era antes da explosão do Mount St Helens. E depois que um deslizamento vulcânico na Colômbia matou 23.000 pessoas em 1985, o USGS estabeleceu o Programa de Assistência a Desastres de Vulcão para ajudar outros países a se prepararem para crises vulcânicas – um projeto que logo provou seu valor quando pesquisadores do USGS trabalharam com cientistas nas Filipinas em 1991 para avaliar o risco do Monte Pinatubo. Dezenas de milhares de pessoas foram evacuadas da região antes da erupção cataclísmica do vulcão.
Hoje, os pesquisadores confiam em muitas das lições aprendidas em St Helens, Pinatubo e em dezenas de outros vulcões. Normalmente, o tremor sísmico é o primeiro sinal de que um vulcão está se mexendo. As erupções ocorrem quando o magma empurra para a superfície, mas mesmo quando o magma começa a subir do manto da Terra, ele pode desencadear terremotos. Hoje, as redes sísmicas estão monitorando dezenas de alguns dos vulcões mais perigosos do mundo.
Esse mesmo movimento de magma pode fazer com que os vulcões inflem, como fez o Monte St. Helens antes da explosão. Agora, os pesquisadores podem gravar movimentos de forma segura e contínua, usando receptores GPS e, mais recentemente, radares de satélite – que detectaram o movimento em Anak Krakatau.
Mesmo antes que os sinais de alerta possam ser vistos ou sentidos, níveis crescentes de dióxido de carbono da cratera ou das aberturas de um vulcão podem sugerir problemas à frente. O magma contém gases dissolvidos e, à medida que esse material fundido aumenta e a pressão diminui, os gases se separam e viajam para cima. O dióxido de carbono, um dos gases menos vulcânicos solúveis, escapa primeiro, enquanto o magma ainda está no fundo do vulcão. “Em princípio, você deve receber um sinal de gás muito antes do magma atingir a superfície em uma erupção”, diz o geoquímico de gás vulcânico Alessandro Aiuppa na Universidade de Palermo, na Sicília, Itália.
Historicamente, os cientistas precisavam coletar amostras de gás perto da cratera ou aberturas de ventilação – uma tarefa perigosa que produzia apenas informações episódicas. Então, em 2005, os pesquisadores italianos projetaram um instrumento – um sistema analisador de gases multicomponentes (Multi-GAS) – que não é muito maior que uma caixa de sapatos. Os vulcanologistas instalam esses sensores perto de respiradouros e também os montam em drones que sobrevoam crateras ativas para medir os níveis de cinco gases-chave emitidos pelos vulcões. “Esta foi uma verdadeira revolução para a ciência dos gases vulcânicos, porque significa que você pode medir a composição dos gases vulcânicos a cada segundo, em tempo real, no seu computador”, diz Aiuppa.
Previsão de explosão
Os instrumentos Multi-GAS foram julgados a fogo em Stromboli, um vulcão na costa norte da Sicília. Cientistas italianos instalaram esses sensores, juntamente com câmeras e espectrômetros, no vulcão em 2005 e coletaram dados de gás desde então. Em fevereiro de 2007, a lava começou a escorrer do vulcão em uma erupção efusiva. Os pesquisadores observaram que os níveis de dióxido de carbono aumentaram dez vezes nas duas semanas anteriores à erupção explosiva do vulcão em 15 de março [Estudo 1].
As descobertas permitiram aos vulcanologistas construir um modelo conceitual desse complexo vulcão, no qual explosões emanam de uma câmara profunda de magma 7 a 10 quilômetros abaixo do cume. Os pesquisadores determinaram que as chances de uma erupção explosiva aumentam quando as emissões de dióxido de carbono atingem 2.000 toneladas por dia.
Em agosto de 2019, o Stromboli soltouo novamente lava e, nas duas semanas seguintes, os italianos acompanharam um aumento lento e progressivo do dióxido de carbono. “Então, sabíamos que algo iria acontecer”, diz Aiuppa. A equipe aumentou sua vigilância e também monitorou de perto as mudanças no nível do solo usando medidores de inclinação que medem mudanças sutis no ângulo do solo. Eventualmente, o que eles viram garantiu a ocorrência de uma explosão em breve e alertaram as autoridades locais minutos antes da explosão, em 28 de agosto.
No Monte Etna, no continente siciliano, pesquisadores italianos estão rastreando ondas sonoras de baixa frequência – ondas infra-sonoras – que alguns vulcões emitem antes de entrar em erupção. Os cientistas instalaram o sistema no Etna em 2008 e analisaram seu desempenho em 59 erupções nos 8 anos seguintes. Previu com sucesso 57 dos eventos e enviou mensagens aos pesquisadores cerca de uma hora antes de cada erupção [Estudo 2]. Dado esse sucesso, em 2015 a equipe programou o sistema para enviar alertas automáticos por e-mail e mensagens de texto ao departamento de proteção civil em Roma e à cidade de Catania, perto do vulcão.
A motivação original dos pesquisadores para desenvolver o sistema era encontrar uma maneira de detectar erupções em vulcões não monitorados, porque mesmo explosões remotas podem ter impactos de longo alcance. A erupção de Eyjafjallajökull na Islândia em 2010 criou uma nuvem de cinzas que interrompeu o tráfego aéreo na Europa por semanas. “O risco vulcânico não tem fronteiras”, diz Maurizio Ripepe, geofísico da Universidade de Florença, Itália, que ajudou a criar o sistema automatizado de alerta precoce no Etna.
Atualmente, menos da metade dos vulcões ativos do mundo em terra tem qualquer tipo de instrumentação no solo e, em muitos casos, isso consiste em apenas alguns sismômetros. Mas na década passada, os pesquisadores ganharam novas maneiras de monitorar todos os vulcões usando instrumentos montados em satélites.
Dilúvio de dados
Em 10 de abril de 2020, o indonésio Anak Krakatau lançou uma coluna de cinzas a 500 metros no céu e o Centro de Vulcanologia e Mitigação de Riscos Geológicos da Indonésia emitiu um alerta de nível 2, o que significa que o vulcão tem potencial para entrar em erupção, mas apresenta riscos limitados .
Após o tsunami mortal em 2018, os vulcanologistas alemães encontraram um padrão impressionante em Anak Krakatau que ficou aparente nos dados registrados pelo espectrorradiômetro de imagem de resolução moderada (MODIS) em um satélite da NASA. Os canais infravermelhos revelaram que as emissões térmicas aumentaram em junho de 2018 [Estudo 3]. “Todo o vulcão estava quente, a atividade mais intensa já registrada”, diz Walter. “Então, esse foi um comportamento claramente anômalo.”
Os pesquisadores também usaram observações de radar por satélite, que podem detectar pequenas mudanças no movimento vertical e horizontal, para descobrir que o flanco do vulcão já estava escorregando a uma taxa de 10 milímetros por mês antes de desabar: (imagem abaixo).
A pesquisa demonstrou como, mesmo quando a instrumentação no solo é limitada, os cientistas podem aprender sobre o início de uma erupção ou deslizamento vulcânico de satélites. “Como vulcanologistas, sempre dizíamos que estávamos com poucos dados”, diz Michael Poland, cientista encarregado do Observatório do Vulcão USGS Yellowstone em Vancouver, Washington. “Mas agora os dados de satélite realmente expandem nossa capacidade de ver o que os vulcões estão fazendo”.
A vulcanologia recebeu um grande impulso em 2014 e 2016 com o lançamento dos satélites de radar Sentinel 1A e 1B da Agência Espacial Europeia. Usando a técnica de radar interferométrico de abertura sintética, eles podem rastrear movimentos de vulcões em níveis de resolução sem precedentes e em intervalos de tempo frequentes (consulte ‘Relógio de inflação’). “Esses satélites podem detectar deformações subcentimétricas das superfícies do solo, o que significa que podemos ver quando o vulcão está inchando”, diz o vulcanologista Charles Mandeville, coordenador do programa do USGS Volcano Hazards Program. “Existe uma mangueira de incêndio inteira desses dados sendo coletada agora.”
Os pesquisadores combinaram dados de radar com observações de satélite que registram as emissões de temperatura e dióxido de enxofre para capturar uma imagem multidimensional do que acontece nos vulcões antes e durante as erupções. Um estudo dos 47 vulcões mais ativos da América do Sul, que utilizaram 17 anos de dados de satélite, mostrou que alterações em pelo menos uma dessas variáveis e, às vezes, nas três, precedem uma erupção, às vezes com anos de antecedência [Estudo 4].
Para explorar esses dados, muitos dos quais estão disponíveis gratuitamente, Walter e colegas criaram uma plataforma de monitoramento de vulcões chamada MOUNTS (monitoramento de distúrbios do espaço). A plataforma usa dados do conjunto atual de satélites Sentinel e informações sobre terremotos no solo e atualmente monitora 17 vulcões, incluindo Anak Krakatau.
No início do projeto, no entanto, os pesquisadores enfrentaram um problema novo e incomum – muitos dados. Os satélites fornecem torrents de leituras, mais do que os pesquisadores podem analisar usando métodos convencionais. “Existem tantos vulcões e tantos dados que precisávamos de maneiras mais inteligentes de lidar com o conjunto de dados”, diz Walter.
Em resposta a esse desafio, os pesquisadores se voltaram para as técnicas de aprendizado de máquina, uma forma de inteligência artificial na qual algoritmos de computador, como redes neurais, podem ser treinados para identificar padrões nos dados. Juliet Biggs, vulcanologista da Universidade de Bristol, Reino Unido, e seus colegas criaram uma rede neural que produziu cerca de 30.000 imagens Sentinel-1 de mais de 900 vulcões e sinalizou cerca de 100 imagens como necessitando de mais atenção. Dessas imagens, 39 mostraram distorções reais do solo [Estudo 5], o que significa que o sistema de IA reduziu a carga de trabalho dos vulcanologistas em um fator de quase 10. Agora, eles estão testando seu sistema em cerca de meio milhão de imagens de mais de 1.000 vulcões.
“Você simplesmente não consegue ver todas as imagens”, diz Michael Poland. “Vejo o aprendizado de máquina como tendo um impacto real na filtragem por esses enormes volumes de dados”.
Para a plataforma MOUNTS, os cientistas também desenvolveram uma rede neural para procurar grandes mudanças de forma. Outros grupos estão tentando desenvolver algoritmos que podem filtrar dados de temperatura ou de emissão de gases dos satélites.
Quando Anak Krakatau entrou em ação novamente em 10 de abril deste ano, Walter rapidamente monitorou a situação remotamente, analisando os dados do satélite. Como a visibilidade era baixa, ele teve que confiar nos dados do radar, que podem penetrar em nuvens espessas. As informações ajudarão os cientistas a entender o comportamento de Anak Krakatau e, no futuro, poderão ser usadas para ajudar a criar um sistema de alerta precoce de tsunami para deslizamentos de terra do vulcão indonésio, diz Walter.
Biggs diz que a combinação de dados de satélite e IA é uma ferramenta útil para chamar a atenção para possíveis riscos e priorizar a instalação de instrumentos terrestres. Tais técnicas de monitoramento remoto fornecem informações valiosas e são mais seguras para os cientistas, mas ela acha que nunca substituirão completamente os instrumentos próximos ao próprio vulcão.
Nos Estados Unidos, os pesquisadores ganharão em breve uma grande e nova fonte de dados baseados em terra. Em março de 2019, os legisladores dos EUA aprovaram um projeto de lei para financiar o Sistema Nacional de Aviso Prévio do Vulcão (NVEWS). Quando implementado, o NVEWS levará à instalação de sismômetros digitais de banda larga em 104 dos vulcões do país e de novas redes de telemetria digital com largura de banda suficiente para transportar dados de vários sensores terrestres diferentes.
Choques futuros
Nos últimos 40 anos, os cientistas previram com sucesso o momento de muitas erupções, desde pequenas explosões no Monte St Helens, no início dos anos 80, até as fontes de lava ricas em cinzas do Monte Etna. “Muito progresso foi feito no aspecto do tempo”, diz Poland. “Talvez em grande parte devido à quantidade de instrumentação, ao advento do monitoramento baseado no espaço e ao aumento das observações que temos”.
No entanto, as erupções vulcânicas ainda pegam as pessoas fatalmente de surpresa. Uma pequena erupção explosiva no Monte Ontake, no Japão, em 2014, matou 63 pessoas, e uma violenta erupção do vulcão Fuego, na Guatemala, em junho de 2018, matou centenas. Uma erupção menor em White Island, na Nova Zelândia, em 2019, matou 21 pessoas.
Um desafio enfrentado pelos vulcanologistas é que eles estão tentando inferir o que está acontecendo no subsolo, observando dados como emissões de gases e mudanças de forma na superfície. E cada vulcão tem sua própria personalidade – seu próprio conjunto de materiais e estrutura.
A natureza individualista dos vulcões destaca as limitações do uso de padrões de erupções passadas para prever futuras. Quando os vulcanologistas vêem os primeiros sinais de alerta, geralmente pensam que já viram isso antes e sabem o que acontece, diz Poland. “Mas os vulcões ainda não assistiram esse filme”, diz ele. “Eles evoluíram de maneiras incrivelmente complexas e nossa compreensão das complexidades é muito superficial neste momento”.
Com mais dados e melhor entendimento dos sistemas vulcânicos, os pesquisadores esperam desenvolver modelos dinâmicos que possam capturar a física e a química do que acontece embaixo da terra. Dessa maneira, o desenvolvimento da vulcanologia pode ser paralelo ao da meteorologia, que utiliza modelos dinâmicos da atmosfera para prever o clima com muitos dias de antecedência.
Mas os sistemas vulcânicos são tão complexos e ocultos que as previsões vulcânicas nunca serão tão boas quanto as meteorológicas, diz a Polônia. “É um exercício divertido pensar que um dia você abrirá o jornal e verá a previsão do vulcão ao lado da previsão do tempo”, diz ele. “Mas ainda estamos muito longe disso.”
Publicado em 20/05/2020 06h49
Artigo original:
Estudos originais:
- https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2010GL043837
- https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2018JB015561
- https://www.nature.com/articles/s41467-019-12284-5
- https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2018JB016199
- https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2018JB015911
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