Vulkanologie je vědní obor zabývající se vznikem a stavbousopek, sopečnou činností, projevyvulkanismu a zkoumáním vlastností sopek,lávy,magmatu a souvisejících geologických jevů. Název disciplíny pochází od jména římského boha ohněVulkána astejnojmenné sopky považované za jeho sídlo.
Vědci, kteří se zabývají vulkanologií, se nazývají vulkanologové. Vulkanologové se často pohybují v oblastech aktivních sopek, kde zkoumají lávové proudy, sopečné kužele, vyvřelé horniny atd. Související disciplínou jeseismologie, která zkoumá doprovodní jevy sopečné činnosti a to v podobězemětřesení.
Vulkanologie se také zaměřuje na předpovídání sopečných erupcí. V současné době ale neexistuje žádný spolehlivý způsob, jak předpovědět erupci sopky. Je to podobné jako předpovídánízemětřesení. I zde může existovat celá řada nápověd, které indikují blížící se zemětřesení. V mnoha případech ale tyto nápovědy úplně chybí a erupce sopky přijde nečekaně.
Jako nejstarší záznamy sopečné erupce mohou být považovány nástěnné malby datované asi 7000 let před naším letopočtem. Pochází zneolitického sídliště na místě dnešníAnatolie vTurecku. Tento obraz byl interpretován jako zobrazeníerupce sopky.[1] Zobrazená sopka může býtHasan Dag, nebo jeho menší soused, Melendiz Dag.[2]
Prvního pokusu o vědecké vysvětlení sopek se ujal řecký filosofEmpedoklés (490–430 př. n. l.), který rozdělil svět na 4 základní živly: země, vzduch, oheň a voda. Sopky pak filosofEmpedoklés označoval jako „elementární oheň“. Jiný starověký filosof,Aristotelés, je považoval za podzemní oheň, jako výsledek „… tření větru, když se řítí do úzkých chodeb.“
Naopakkřesťanský svět vysvětloval sopky jako díloSatana nebo Boží hněv. Později JezuitaAthanasius Kircher (1602–1680) navštívil kráter sopkyVesuv a vysvětloval sopky jako ústí centrálního ohně v zemi, který je způsobený spalováním síry, asfaltu a uhlí.Johannes Kepler zase vyslovil názor, že Bůh stvořil zemi ze tří vrstev: ohnivé hloubky, vrstvy vody a vrstvy vzduchu. Sopky pak podleKeplera byly vytvořeny v místech, kde sluneční paprsky probodly zemi.
Vulkanologie se jako vědní obor začala formovat v 19. a 20. století. V roce 1841 vznikla první vulkanologická observatoř Vesuvius, která byla postavena na svazíchVesuvu (v současnosti se operativní centrum nachází vNeapoli).
K monitorování sopek se používají všechny dostupné technologie. Používají seseismografy, rozmístěné v blízkosti sopečných oblastí, které sledují nárůsty seismické aktivity, především pak harmonické otřesy. Ty signalizují, že semagma uvnitř sopky dalo do pohybu.
Velmi často se k monitorování sopek používají i satelity. Ty umožňují velmi snadno sledovat velké plochy. Měří se šíření sopečného popela (jako v případě erupceEyjafjallajökull v roce 2010), a dále pakemise oxidu siřičitého (SO2).
Další metody výzkumu, které využívá vulkanologie, jsougeofyzikální metody (elektrické, gravitační a magnetické měření), nebo také sledování kolísání a náhlé změny v zemním odporu, gravitační anomálie nebo magnetické anomálie. Všechny toto změny mohou indikovat vznik vulkanické aktivity.[3]
Vulkanická činnost je způsobena výstupem roztavenéhomagmatu na zemský povrch. Každý vulkán se obvykle skládá zmagmatického rezervoáru, který se nachází pod sopkou a představuje zásobárnu magmatu. Magma vystupuje přívodnými komíny a vylévá se přes hlavní nebo vedlejšíkrátery na povrch, kde se nazýváláva. Charaktersopečných erupcí je ovlivněný složením magmatu a může být více či méně explozivní. Doprovodné znaky erupce jsou emise plynů, pár a popela,zemětřesení a sopečná mračna.[4]
Při monitorování sopek se sledují různégeologické,geochemické ageofyzikální údaje, poskytující informace o fyzikálních procesech, které probíhají v nitru sopek a mohou souviset s pohybemmagmatu nebo jinou přederupční aktivitou. Monitorování rovněž přináší důležitá vědecká data pro jejich výzkum. Zároveň představuje významný faktor pro vyhodnocení potenciálního nebezpečí, předpovězeníerupcí a předběžného varování příslušných orgánů s cílem zmírnění možných ztrát na životech nebo majetku. Zejména správná interpretace naměřených údajů závisí na kvalitě znalostí složitých vulkanických procesů jak v obecné rovině, tak pro jednotlivý konkrétní případ, neboť každý vulkán je svým způsobem jedinečný. Moderní způsoby monitoringu používají řadu fyzikálních a chemických měření, z nichž některé vyžadují dlouhou laboratorní analýzu, jiné poskytují okamžité výsledky.[5] Lze např. sledovat:
Otřesy –zemětřesení sopečného původu téměř vždy předchází nebo doprovázísopečnou činnost u všech druhů vulkánů. Jejich příčiny jsou velmi složité a zahrnují interakci plynných, kapalných a pevných látek.Seismický monitoring v reálném čase pomocíseismografu je jedním z nejběžnějších sledovací nástrojů. Jeho výhodou je relativně nízká cena a snadná instalace seismometrů v terénu, ačkoliv sběr a přenos dat může být ve vzdálenějších oblastech obtížný. Pro dostatečnou kvalitu dat a následné správné vyhodnocení je kolem vulkánu nutné zřídit vícero měřících stanic. Dobře sledované sopky mají zhruba šest a více lokálních stanic v okruhu 15 km od sopky, plus několik regionálních v okruhu 30–200 km.[6] Seismometry měří nejenom intenzitu zemětřesení, ale také určují jejich hloubku,frekvenci a délku trvání. Zároveň jde o extrémně citlivá zařízení, neboť erupce mnohdy předchází i slabá sopečná zemětřesení omagnitudě menší než 1,0Mw.[5]
Seismický monitoring je cenným zdrojem informací, pomocí něhož lze detekovat výstupmagmatu (intruzi) a tím odhalit možnou erupci v nadcházející době. Magma při své cestě vzhůru totiž postupuje podélzlomů a puklin. Tím, jak je roztavená hmota vyplňuje a tlakem láme okolníhorninové bloky, dochází k vzniku charakteristických otřesů a vibrací. Pod sopkou často dochází k tzv.zemětřesnému roji, kdy během jediného dne může dojít k několika tisícům drobným záchvěvům, koncentrující se na relativně malém území.[7][8] Mezi další seismické jevy patři tzv.harmonický třes (rytmicky se opakujícísinusoidní vlny), který navíc může i doprovázet sopečnou činnost.[9] Zdrojem seismické aktivity nemusí být nutně magma, ale například pohybfluid (směs plynů a kapaliny).[5] Ty jsou mimo jiné zodpovědné za zemětřesné roje v okolíChebska na západěČech.[10]
Infrazvukové měření – sopečná aktivita, kam patří jednotlivé výbuchy, výtrysky hmoty či vulkanický třes, produkujeinfrazvukové vlny s frekvencí 0,1–20 Hz. Podobají se seismickýmP-vlnám při klasickýchzemětřesení. Speciální senzory dokáží tyto signály detekovat, určit polohu zdroje a zjistit jejich fyzikální parametry. Z těchto údajů lze nejenom zaznamenat právě probíhající erupci, ale i její typ a intenzitu. Podle studie z roku2018 nabízí sledování infrazvukového pásma poměrně spolehlivé včasné varování. Mezi roky2010–2018 se naEtně tímto způsobem podařilo s hodinovým předstihem předpovědět blížící se erupce s 96,6% úspěšností. Jedná se tak o první příklad funkčního systému včasného varování.[5][11]
Radarový satelitní snímek (interogram) sopkyCalbuco, zachycující 12 cm pokles povrchu na západním úpatí po jejíerupci v roce2015[12]
Deformace zemského povrchu – výstupmagmatu může mít za následekdeformacizemského povrchu v podobě výzdvihu (inflace) či poklesu (deflace) terénu, vyboulenin, hrbolů a trhlin. Tyto anomálie se obyčejně projevují hodiny nebo dny před zahájenímerupce. Nutno dodat, že deformace povrchu nutně nezaručují erupci, magma totiž k povrchu dospět nemusí a utuhne v podzemí.[13] Jejich monitoring patří mezi další běžné metody pro sledování sopek. Provádějí se opakovaným měřením výšek a horizontálních vzdáleností. Tradičně se k tomu používaly elektronickédálkoměry, ale ty nahradilo měření polohy pomocíGPS, které je rychlejší, méně náročné a není závislé na příznivémpočasí.Družice naoběžné dráze poskytují téměř v reálném čase přesnou polohu jednotlivých terénních stanic, rozmístěných v klíčových místech. Tímto způsobem je možné detekovat i nepatrné pohyby, jenž by mohly naznačovat výstup nebo naopak stažení magmatu či vody v hydrotermálním systém. Další možností pro mapování změn reliéfu z vesmíru jeradarová interferometrie. Výstupem je interogram, vycházející z porovnání dvou radarových snímků určitého území s vhodným časovým odstupem.[14] Ovšem interval mezi jednotlivými průlety satelitů omezuje jejich použitelnost jen pro krátkodobé monitorování.[5]
Sopečné plyny – jakmagma stoupá k povrchu, klesá i okolní litostatický tlak a nastává částečnéodplynění magmatu. Segregovanésopečné plyny při své cestě vzhůru využívají různézlomy, pukliny a na povrchu pak volně unikají prostřednictvímfumarol,solfatar nebomofet. Sopky (aktivní i spící) jsou přirozenými emitory těchto plynů. Jejich monitorován může být užitečné při předpovídání potenciálnícherupcí. Změny teplot,koncentrací a složení (zejménaoxidu uhličitého aoxidu siřičitého) totiž může naznačovat zvyšující se magmatickou aktivitu pod vulkánem. Důležité parametry lze měřit přímým vzorkováním plynů z průduchů, které jsou následně analyzovány vgeochemických laboratořích, ovšem tento způsob je poměrně rizikový. Detekce plynů z bezpečné vzdálenosti se provádí pomocí korelačníhospektrometru. K dispozici je rovněž monitoring združic, jež mohou sledovat koncentrace SO2 vestratosféře.[15][5]
Změny teplot – vzestupmagmatu, jehož teplota se pohybuje mezi 800 a 1 200 °C, provází lokální zvýšení teploty v okolníhornině. Růst teploty se může objevit až na zemském povrchu, kde vznikají tepelné zdroje, kudy teplo uniká. Ty lze detekovat pomocí stacionárních stanic, ručními přístroji nebo infračervených snímků z družic. Nicméně pro monitorování z oběžné dráhy jsou tyto termální anomálie příliš malé. Proto se dává přednost spíše prvním dvou výše zmíněným variantám, které se ukázaly být cennými nástroji a to včetně sledování vývojelávových dómů.[5][16]
Podzemní voda – systémypodzemních vod jsou mnohdy narušeny stoupajícím magmatem. Zahřátí vody ve vodonosných vrstvách může iniciovat vzrůst tlaku, vedoucí k jejímu vypuzení na povrch. Někdy v takovém množství, že může dojít ke vznikulaharů.[17] V jiných případech naopak dochází k poklesu hladiny podzemních vod, což se projevuje vyschnutímpramenů, včetně snížení úrovně vody vestudních a vrtech. Ačkoliv je monitoring podzemních vod mezi vulkanologickými observatořemi obyčejně spíše sporadický, nachází uplatnění tam, kde je to vhodné (Vesuv aUsu).[18] Výhodou jsou nízké provozní náklady. Podzemní voda je rovněž často kontaminována sopečnými plyny, jejichž koncentrace mohou být pro odborníky dalším zdrojem informací.[5]
Gravimetrické a magnetometrické změny – průnik žhavé taveniny do nízkých hloubek se lokálně projevuje změnami vgravitačním poli. Tyto změny jsou zapříčiněny rozdílem vhustotěmagmatu a okolníchhornin. Mikrogravimetrické anomálie lze detekovat pomocí vysoce citlivýchgravimetrů. Kromě toho se dají registrovat změny také vmagnetickém poli. Nicméně, správná interpretace magnetických anomálií je oproti těm gravitačním výrazně složitější, proto je metoda méně využívanou.[5][19]
↑MEECE, Stephanie. A bird’s eye view - of a leopard’s spots. The Çatalhöyük ‘map’ and the development of cartographic representation in prehistory..www.dspace.cam.ac.uk. 2006.Dostupné online [cit. 2023-09-10]. (anglicky)
↑Ülkekul, Cevat, (2005)Çatalhöyük Şehir Plani: Town Plan of Çatalhöyük Dönence, Istanbul.
↑Bartel, B., 2002. Magma dynamics at Taal Volcano, Philippines from continuous GPS measurements. Master's Thesis, Department of Geological Sciences, Indiana University, Bloomington, Indiana
↑Robert Decker and Barbara Decker,Volcanoes, 4th ed., W. H. Freeman, 2005,ISBN0-7167-8929-9
↑Stephen R. McNutt.Seismic Monitoring of Volcanoes: A Review of the State-of-the-Art and Case Histories [online]. Springer, 1996.Dostupné online. (anglicky)
↑Li Cohen. A "swarm" of over 20,000 earthquakes has rocked Iceland in the past 10 days — and it could spark a volcanic eruption.https://www.cbsnews.com [online]. 2021-03-05.Dostupné online.
↑Diana C. Roman; Katharine V. Cashman.The origin of volcano-tectonic earthquake swarms [online]. Geology, 2006-06-01.Dostupné online. (anglicky)
↑M. Ripepe; E. Marchetti; D. Delle Donne; R. Genco; L. Innocenti; G. Lacanna; S. Valade.Infrasonic Early Warning System for Explosive Eruptions [online]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2018-10-31.Dostupné online. (anglicky)
↑P. J. Johnson; G. A. Valentine; P. H. Stauffer; C. S. Lowry; I. Sonder; B. A. Pulgarín; C. C. Santacoloma.Groundwater drainage from fissures as a source for lahars [online]. Bulletin of Volcanology, 2018-03-22.Dostupné online. (anglicky)
↑C. Federico; P. Madonia; P. Cusano; S. Petrosino.Groundwater geochemistry of the Mt. Vesuvius area: Implications for volcano surveillance and relationship with hydrological and seismic signals [online]. Annals of geophysics = Annali di geofisica, 2013-11.Dostupné online. (anglicky)
↑J. Zlotnicki; M. Bof; L. Perdereau; P. Yvetot; W. Tjetjep; R. Sukhyar; M. A. Purbawinata.Magnetic monitoring at Merapi volcano, Indonesia [online]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2000-07.Dostupné online. (anglicky)
.jpg)
