Month: January 2021

Ilmu baru gunung berapi memanfaatkan AI, satelit, dan sensor gas

Empat puluh tahun setelah letusan Gunung St Helens yang kini telah di beli oleh situs wm casino, peneliti gunung berapi yang digalvanisasi, mereka menggunakan alat baru yang ampuh untuk memata-matai gunung paling berbahaya di dunia.

Awal tahun 2018, gunung berapi Anak Krakatau di Indonesia mulai runtuh. Itu adalah transformasi halus – yang tidak diperhatikan siapa pun pada saat itu. Sisi selatan dan barat daya gunung berapi itu tergelincir ke arah laut dengan kecepatan sekitar 4 milimeter per bulan, pergeseran yang sangat kecil sehingga para peneliti hanya melihatnya setelah fakta saat mereka menyisir data radar satelit. Namun, pada bulan Juni, gunung tersebut mulai menunjukkan tanda-tanda kerusuhan yang jelas. Itu memuntahkan abu berapi dan bebatuan ke langit dalam serangkaian letusan kecil. Dan itu memanas. Instrumen satelit lain mencatat emisi termal dari Anak Krakatau yang mencapai 146 megawatt – lebih dari 100 kali nilai normal. Dengan peningkatan aktivitas, selip melonjak menjadi 10 milimeter per bulan.

Kemudian, pada 22 Desember, sisi selatan jatuh ke laut, memicu tsunami yang menewaskan sedikitnya 430 orang di sepanjang pantai Jawa dan Sumatera yang berdekatan. Meskipun tidak ada yang meramalkan bencana itu, sebuah studi tahun 2019 menemukan bahwa satelit dan instrumen berbasis darat telah mengambil serangkaian sinyal prekursor yang dapat membantu meramalkan peristiwa serupa di masa depan di Anak Krakatau dan puncak lainnya.

Runtuhnya Anak Krakatau yang tidak terduga menunjukkan beberapa tantangan yang dihadapi para peneliti saat mereka mencoba memantau ribuan gunung berapi yang berpotensi berbahaya di seluruh dunia – masing-masing unik. Tapi itu juga menyoroti beberapa kemajuan di bidang yang menjanjikan untuk memberi para ilmuwan kesempatan yang lebih baik dalam meramalkan bencana.

Keruntuhan tragis

Ketika gunung berapi Anak Krakatau Indonesia meletus pada 22 Desember 2018, bagian barat daya gunung berapi tersebut runtuh ke laut, menyebabkan tsunami besar. Pindahkan penggeser untuk membandingkan gambar satelit yang diambil pada Mei 2018 dan Maret 2019.

Ahli vulkanologi membuat kemajuan besar, berkat semburan data dari satelit yang dapat mendeteksi pergerakan halus pegunungan, sensor berbasis darat yang melacak batuan cair yang bergerak jauh di bawah tanah, dan perangkat penghirup gas yang dapat dibawa oleh drone ke pegunungan yang mendidih. Dan pemahaman teoritis tentang gunung berapi telah berkembang pesat karena para peneliti telah belajar menggabungkan semua data ini menjadi model tentang apa yang terjadi dalam sistem vulkanik. Peneliti kini bereksperimen dengan pembelajaran mesin untuk menyaring banjir data guna mengidentifikasi pola halus, seperti pergerakan awal Anak Krakatau berbulan-bulan sebelum menunjukkan tanda-tanda bangun.

Lapangan ini telah membuat langkah besar sejak krisis vulkanik terbesar dalam sejarah AS tepatnya 40 tahun yang lalu – letusan Gunung St Helens pada 18 Mei 1980 di negara bagian Washington. Peristiwa itu – yang dimulai dengan tanah longsor terbesar dalam sejarah yang tercatat – menewaskan 57 orang dan menyelimuti sebagian besar Washington dan negara bagian terdekat dengan abu, menutup wilayah itu selama berhari-hari. Tapi itu juga merupakan titik balik bagi ilmu vulkanik, memicu masuknya uang dan orang dalam jumlah besar ke lapangan dan menyiapkan panggung untuk peningkatan pemahaman yang cepat.

Para ilmuwan telah berbondong-bondong ke gunung itu pada bulan-bulan sebelum ledakan dan dengan hati-hati melacak perilakunya, termasuk seringnya gempa bumi, gas yang mengepul dari kawahnya, dan tonjolan tidak menyenangkan yang membengkak dari sisi utara. “Itu adalah letusan yang sangat signifikan pertama yang ditangkap oleh instrumentasi ilmiah modern,” kata Seth Moran, ilmuwan yang bertanggung jawab di Observatorium Gunung Berapi Cascades Survei Geologi AS (USGS) di Vancouver, Washington. “Jadi, dalam banyak hal, ini menjadi tolok ukur cara orang memandang gunung berapi di seluruh dunia.”

Proliferasi data pemantauan berbasis darat dan ruang angkasa sejak saat itu, ditambah dengan peningkatan daya komputasi, telah merevolusi pemahaman ilmuwan tentang sistem vulkanik. Pada akhirnya, para peneliti berharap bahwa alat dan teknik baru akan mendorong mereka lebih dekat untuk dapat menetapkan probabilitas pada kemungkinan gunung berapi meletus dalam jangka waktu tertentu, seperti ahli meteorologi membagikan kemungkinan hujan atau salju pada hari tertentu.

“Saya pikir ketika orang melihat kembali periode ini, mereka akan membayangkan ini adalah era keemasan fisik vulkanologi,” kata ahli vulkanologi Christopher Kilburn dari University College London.

Ledakan bersejarah

Tanda-tanda masalah pertama di Gunung St Helens datang pada 16 Maret 1980, dengan serangkaian gempa bumi kecil. Kemudian, seminggu kemudian, ledakan uap menyembur melalui es di puncak gunung berapi, membentuk kawah yang tumbuh hingga 400 meter dalam beberapa hari. Tim peneliti datang dari USGS dan institusi lain untuk berjaga-jaga di atas gunung. Pesawat terbang di atas kawah berasap untuk mengukur gas yang keluar dari gunung berapi, dan seismometer mencatat getaran dari magma – batuan cair – yang bergerak di bawah permukaan. Ahli vulkanologi mendaki lereng gunung untuk mengukur bagian utara yang menggembung menggunakan meteran dan peralatan survei laser.

Magma jelas naik tinggi di gunung berapi dan mendorong lereng, dan para peneliti memperingatkan bahwa letusan besar bisa segera terjadi. Tapi apa yang terjadi selanjutnya mengejutkan para ilmuwan.

Pada pukul 8:32 pagi tanggal 18 Mei, tanah longsor besar-besaran menghantam lereng gunung, menyebabkan puncak dan salju serta es bersamanya. Pelepasan tekanan membuka sumbatan gunung berapi, memicu ledakan kuat. Ledakan batu, abu, gas, dan uap didorong ke atas dan ke luar dengan kecepatan supersonik, dan menempuh jarak sejauh 25 kilometer ke utara.

“Kami belajar dari letusan 18 Mei betapa tidak stabilnya sisi gunung berapi yang curam, dan bagaimana gunung tersebut bisa gagal dan menghasilkan gelombang besar atau ledakan lateral,” kata Don Swanson, ahli geologi peneliti di USGS Hawaiian Volcano Observatory, yang terlibat dalam pemantauan letusan 1980. “Apa yang tampak begitu jelas sekarang, tidak jelas sebelum waktu itu.”

Setelah letusan, para ilmuwan menganalisis lanskap dan menemukannya berserakan dengan gundukan – bukit besar dan gundukan yang telah diangkut ke lereng dalam blok utuh. Fitur ini cocok dengan yang ditemukan di dekat banyak gunung berapi di seluruh dunia. Dan dari catatan sejarah, ahli vulkanologi mengenali bahwa sekitar 1.000 tanah longsor serupa telah terjadi di lebih dari 550 gunung berapi. “Gunung berapi tinggi runtuh, mereka tidak hanya tumbuh, tapi juga runtuh,” kata ahli vulkanologi Thomas Walter dari Pusat Penelitian Geosains Jerman di Potsdam.

Letusan Gunung St Helens mengajarkan pelajaran lain, seperti dampak mematikan dari abu vulkanik yang sangat panas dan gas yang melesat menuruni gunung dengan kecepatan badai, dan kekuatan tanah longsor yang menghancurkan semua yang dilewatinya. Letusan itu juga memacu pertumbuhan vulkanologi yang besar. Dalam dekade setelah ledakan, USGS mendirikan observatorium gunung berapi di Pacific Northwest, Hawaii dan Alaska.

Pendanaan untuk program bahaya vulkanik USGS saat ini hampir sepuluh kali lipat dibandingkan sebelum ledakan Gunung St Helens. Dan setelah tanah longsor vulkanik di Kolombia menewaskan 23.000 orang pada tahun 1985, USGS mendirikan Program Bantuan Bencana Gunung Berapi untuk membantu negara-negara lain bersiap menghadapi krisis vulkanik – sebuah proyek yang segera terbukti nilainya ketika para peneliti USGS bekerja dengan para ilmuwan di Filipina pada tahun 1991 untuk menilai. resiko dari Gunung Pinatubo. Puluhan ribu orang dievakuasi dari wilayah tersebut sebelum letusan dahsyat gunung berapi tersebut.

Para peneliti saat ini mengandalkan banyak pelajaran yang dipetik di St Helens, Pinatubo, dan puluhan gunung berapi lainnya. Biasanya, guncangan seismik adalah tanda pertama bahwa gunung berapi sedang bergerak. Letusan terjadi saat magma mendorong ke permukaan, tetapi bahkan saat magma mulai naik dari mantel bumi, hal itu dapat memicu gempa. Saat ini, jaringan seismik sedang memantau lusinan dari beberapa gunung berapi paling berbahaya di dunia.

Pergerakan magma yang sama dapat menyebabkan gunung berapi mengembang, seperti yang dilakukan Gunung St Helens sebelum ledakannya. Para peneliti sekarang dapat merekam pergerakan dengan aman dan terus menerus, menggunakan penerima GPS dan, baru-baru ini, radar yang dibawa satelit – yang mendeteksi pergerakan di Anak Krakatau.

Bahkan sebelum tanda peringatan dapat dilihat atau dirasakan, peningkatan kadar karbon dioksida dari kawah gunung berapi atau ventilasi dapat mengisyaratkan masalah yang akan datang. Magma mengandung gas terlarut dan saat bahan cair ini naik dan tekanan menurun, gas terpisah dan bergerak ke atas. Karbon dioksida, salah satu gas vulkanik yang paling tidak larut, keluar lebih dulu, saat magma masih jauh di dalam gunung berapi. “Pada prinsipnya, Anda harus mendapatkan sinyal gas jauh sebelum magma mencapai permukaan dalam sebuah letusan,” kata ahli geokimia gas vulkanik Alessandro Aiuppa dari Universitas Palermo di Sisilia, Italia.

Secara historis, para ilmuwan harus mengumpulkan sampel gas dari dekat kawah atau ventilasi – tugas berbahaya yang hanya menghasilkan informasi singkat. Kemudian, pada tahun 2005, peneliti Italia merancang instrumen – sistem penganalisis gas multikomponen (Multi-GAS) – yang tidak lebih besar dari kotak sepatu. Ahli vulkanologi memasang sensor ini di dekat ventilasi, dan juga memasangnya pada drone yang terbang di atas kawah aktif untuk mengukur tingkat lima gas utama yang dipancarkan oleh gunung berapi. “Ini telah menjadi revolusi nyata bagi ilmu gas vulkanik karena ini berarti Anda dapat mengukur komposisi gas vulkanik setiap detik, secara real time, di komputer Anda,” kata Aiuppa.

Perkiraan ledakan

Instrumen Multi-GAS telah diujicobakan dengan api di Stromboli, sebuah gunung berapi di lepas pantai utara Sisilia. Ilmuwan Italia memasang sensor ini, bersama dengan kamera dan spektrometer, di gunung berapi pada tahun 2005 dan telah mengumpulkan data gas sejak saat itu. Pada Februari 2007, lahar mulai keluar dari gunung berapi dalam letusan yang dahsyat. Para peneliti melihat bahwa tingkat karbon dioksida meningkat sepuluh kali lipat selama dua minggu sebelum gunung tersebut meletus secara eksplosif pada 15 Maret1.

Penemuan ini memungkinkan ahli vulkanologi untuk membangun model konseptual dari gunung berapi yang kompleks ini, di mana ledakan berasal dari ruang magma dalam 7-10 kilometer di bawah puncak. Para peneliti menentukan bahwa kemungkinan letusan eksplosif meningkat ketika emisi karbon dioksida mencapai 2.000 ton per hari.

Pada Agustus 2019, Stromboli mengeluarkan lava lagi, dan selama dua minggu berikutnya orang Italia melacak peningkatan karbon dioksida yang lambat dan progresif. “Jadi, kami tahu sesuatu akan terjadi,” kata Aiuppa. Tim meningkatkan kewaspadaannya dan juga memantau secara dekat perubahan permukaan tanah menggunakan pengukur kemiringan yang mengukur perubahan halus pada sudut permukaan tanah. Akhirnya, apa yang mereka lihat membuat mereka yakin bahwa ledakan akan segera terjadi, dan mereka memberi tahu pihak berwenang setempat beberapa menit sebelum ledakan pada 28 Agustus.

Di Gunung Etna di daratan Sisilia, peneliti Italia melacak gelombang suara berfrekuensi rendah – gelombang infrasonik – yang dipancarkan beberapa gunung berapi sebelum meletus. Ilmuwan memasang sistem di Etna pada tahun 2008 dan menganalisis kinerjanya untuk 59 letusan dalam 8 tahun berikutnya. Ini berhasil memprediksi 57 peristiwa, dan mengirim pesan kepada para peneliti sekitar satu jam sebelum setiap letusan2. Mengingat keberhasilan ini, pada tahun 2015 tim memprogram sistem untuk mengirim email otomatis dan peringatan pesan teks ke departemen perlindungan sipil di Roma dan ke kota Catania yang dekat dengan gunung berapi.

Motivasi asli para peneliti untuk mengembangkan sistem ini adalah menemukan cara untuk mendeteksi letusan di gunung berapi yang tidak terpantau, karena ledakan jarak jauh pun dapat berdampak luas. Letusan Eyjafjallajökull di Islandia pada tahun 2010 menciptakan asap abu yang mengganggu lalu lintas udara di seluruh Eropa selama berminggu-minggu. “Risiko vulkanik tidak terbatas,” kata Maurizio Ripepe, ahli geofisika di Universitas Florence, Italia, yang membantu menciptakan sistem peringatan dini otomatis di Etna.

Saat ini, kurang dari separuh gunung berapi aktif dunia di darat memiliki instrumentasi darat apa pun, dan dalam banyak kasus ini hanya terdiri dari beberapa seismometer. Namun dalam dekade terakhir, para peneliti telah mendapatkan cara baru untuk memantau semua gunung berapi menggunakan instrumen yang dipasang di satelit.

Banjir data

Pada 10 April 2020, Anak Krakatau Indonesia memuntahkan kolom abu 500 meter ke langit dan Pusat Vulkanologi dan Mitigasi Bencana Geologi di Indonesia mengeluarkan peringatan level-2, yang menandakan bahwa gunung berapi tersebut berpotensi meletus tetapi menimbulkan bahaya yang terbatas. .

Setelah tsunami mematikan pada tahun 2018, ahli vulkanologi Jerman menemukan pola mencolok di Anak Krakatau yang terlihat dalam data yang direkam oleh spektroradiometer pencitraan resolusi sedang (MODIS) di satelit NASA. Saluran inframerah mengungkapkan bahwa emisi termal melonjak pada Juni 20183. “Seluruh gunung berapi itu panas, aktivitas paling intens yang pernah tercatat,” kata Walter. “Jadi, ini jelas merupakan perilaku yang ganjil.”

Para peneliti juga menggunakan pengamatan radar satelit, yang dapat mendeteksi perubahan kecil dalam gerakan vertikal dan horizontal, untuk menemukan bahwa sisi gunung berapi sudah tergelincir dengan kecepatan 10 milimeter per bulan sebelum runtuh (lihat ‘Pulau sedang bergerak’).

Penelitian menunjukkan bagaimana, bahkan ketika instrumentasi di darat terbatas, para ilmuwan dapat mempelajari tentang penyebab letusan atau tanah longsor vulkanik dari satelit. “Sebagai ahli vulkanologi, kami selalu mengatakan bahwa kami miskin data,” kata Michael Poland, ilmuwan yang bertanggung jawab di USGS Yellowstone Volcano Observatory di Vancouver, Washington. “Tapi sekarang data satelit benar-benar memperluas kemampuan kami untuk melihat apa yang dilakukan gunung berapi.”

Vulkanologi mendapat dorongan besar pada 2014 dan 2016 dengan peluncuran satelit radar Sentinel 1A dan 1B Badan Antariksa Eropa. Dengan menggunakan teknik radar apertur sintetis interferometri, mereka dapat melacak pergerakan gunung berapi pada tingkat resolusi yang belum pernah terjadi sebelumnya dan pada interval waktu yang sering (lihat ‘Jam inflasi’). “Satelit ini dapat mendeteksi deformasi subcentimetre permukaan tanah, yang berarti bahwa kita dapat melihat saat gunung berapi membengkak,” kata ahli vulkanologi Charles Mandeville, koordinator program Program Bahaya Gunung Berapi USGS. “Ada banyak sekali data darurat yang dikumpulkan sekarang.”

Para peneliti telah menggabungkan data radar dengan pengamatan satelit yang merekam suhu dan emisi sulfur dioksida untuk menangkap gambaran multidimensi tentang apa yang terjadi di gunung berapi sebelum dan selama letusan. Sebuah studi terhadap 47 gunung berapi paling aktif di Amerika Selatan, yang menggunakan data satelit selama 17 tahun, menunjukkan bahwa perubahan setidaknya pada salah satu variabel ini, dan terkadang di ketiganya, mendahului letusan, terkadang bertahun-tahun sebelumnya4.

Untuk mengeksploitasi data ini, yang banyak di antaranya tersedia secara gratis, Walter dan rekannya telah membuat platform pemantauan gunung berapi yang disebut MOUNTS (memantau kerusuhan dari luar angkasa). Platform ini menggunakan data dari rangkaian satelit Sentinel saat ini dan informasi gempa bumi, dan saat ini memantau 17 gunung berapi, termasuk Anak Krakatau.

Namun, saat mereka memulai proyek, para peneliti menghadapi masalah baru dan tidak biasa – terlalu banyak data. Satelit menyediakan torrents bacaan, lebih dari yang dapat dianalisis peneliti menggunakan metode konvensional. “Ada begitu banyak gunung berapi dan begitu banyak data sehingga kami membutuhkan cara yang lebih cerdas untuk menangani kumpulan data,” kata Walter.

Menanggapi tantangan ini, para peneliti telah beralih ke teknik pembelajaran mesin, suatu bentuk kecerdasan buatan di mana algoritma komputer seperti jaringan saraf dapat dilatih untuk memilih pola dalam data. Juliet Biggs, seorang ahli vulkanologi di Universitas Bristol, Inggris, dan rekan-rekannya telah membuat jaringan saraf yang telah menghasilkan sekitar 30.000 gambar Sentinel-1 dari lebih dari 900 gunung berapi dan menandai sekitar 100 gambar yang membutuhkan perhatian lebih. Dari gambar-gambar itu, 39 menunjukkan distorsi tanah yang nyata5, yang berarti bahwa sistem AI telah mengurangi beban kerja para ahli vulkanologi dengan faktor hampir 10. Sekarang, mereka menguji sistem mereka pada sekitar setengah juta gambar dari lebih dari 1.000 gunung berapi.

“Anda tidak bisa melihat setiap gambar,” kata Poland. “Saya melihat pembelajaran mesin memiliki dampak nyata dalam memfilter melalui volume data yang sangat besar ini.”

Untuk platform MOUNTS, para ilmuwan juga telah mengembangkan jaringan saraf untuk mencari perubahan bentuk yang besar. Kelompok lain mencoba mengembangkan algoritme yang dapat menyaring data suhu atau emisi gas dari satelit.

Ketika Anak Krakatau kembali beraksi pada 10 April tahun ini, Walter dengan cepat memantau situasi dari jarak jauh dengan menganalisis data satelit. Karena jarak pandang yang rendah, ia harus mengandalkan data radar yang mampu menembus awan tebal. Informasi tersebut akan membantu para ilmuwan memahami perilaku Anak Krakatau dan di masa depan dapat digunakan untuk membantu menciptakan sistem peringatan dini tsunami untuk tanah longsor dari gunung berapi di Indonesia, kata Walter.

Biggs mengatakan bahwa kombinasi data satelit dan AI adalah alat yang berguna untuk menarik perhatian terhadap kemungkinan risiko dan memprioritaskan pemasangan instrumen berbasis darat. Teknik pemantauan jarak jauh semacam itu memberikan informasi berharga dan lebih aman bagi para ilmuwan, tetapi menurutnya teknik tersebut tidak akan pernah sepenuhnya menggantikan keberadaan instrumen yang dekat dengan gunung berapi itu sendiri.

Di Amerika Serikat, para peneliti akan segera mendapatkan sumber data berbasis darat baru yang besar. Pada Maret 2019, legislator AS mengeluarkan undang-undang untuk mendanai Sistem Peringatan Dini Gunung Berapi Nasional (NVEWS). Saat diterapkan, NVEWS akan mengarah pada pemasangan seismometer broadband digital di 104 gunung berapi di negara tersebut dan jaringan telemetri digital baru dengan bandwidth yang cukup untuk membawa data dari sejumlah sensor darat yang berbeda.

Guncangan di masa depan

Dalam 40 tahun terakhir, para ilmuwan telah berhasil meramalkan waktu terjadinya banyak letusan, dari ledakan kecil di Gunung St Helens pada awal 1980-an hingga air mancur lava kaya abu di Gunung Etna. “Banyak kemajuan telah dibuat dalam aspek waktu,” kata Poland. “Mungkin sebagian besar karena jumlah instrumentasi, munculnya pemantauan berbasis ruang angkasa dan peningkatan pengamatan yang kami miliki.”

Namun demikian, letusan gunung berapi masih mengejutkan banyak orang. Letusan kecil di Gunung Ontake di Jepang pada tahun 2014 menewaskan 63 orang, dan letusan dahsyat gunung berapi Fuego di Guatemala pada Juni 2018 menewaskan ratusan orang. Letusan kecil di White Island di Selandia Baru pada 2019 merenggut 21 nyawa.

Salah satu tantangan yang dihadapi ahli vulkanologi adalah mereka mencoba menyimpulkan apa yang terjadi jauh di bawah tanah dengan melihat data seperti emisi gas dan perubahan bentuk di permukaan. Dan setiap gunung berapi memiliki ciri khasnya sendiri – bahan dan strukturnya yang unik.

Sifat individual dari gunung berapi menyoroti keterbatasan penggunaan pola dari letusan masa lalu untuk memperkirakan letusan di masa depan. Ketika ahli vulkanologi melihat tanda-tanda peringatan pertama, mereka sering mengira mereka pernah melihat ini sebelumnya dan tahu apa yang terjadi, kata Poland. “Tapi gunung berapi belum menonton film itu,” katanya. “Mereka telah berevolusi dengan cara yang sangat kompleks, dan pemahaman kami tentang kerumitan sangat sepintas pada saat ini.”

Dengan lebih banyak data dan pemahaman yang lebih baik tentang sistem vulkanik, para peneliti berharap dapat mengembangkan model dinamis yang dapat menangkap fisika dan kimia dari apa yang terjadi di bawah tanah. Dengan cara ini, perkembangan vulkanologi bisa paralel dengan meteorologi, yang menggunakan model dinamis atmosfer untuk meramalkan cuaca beberapa hari sebelumnya.

Tetapi sistem vulkanik sangat kompleks dan sangat tersembunyi sehingga prakiraan gunung berapi tidak akan pernah sebaik perkiraan meteorologi, kata Poland. “Ini adalah latihan yang menyenangkan untuk berpikir bahwa suatu hari Anda akan membuka koran dan melihat prakiraan gunung berapi di sebelah prakiraan cuaca,” katanya. “Tapi kita masih jauh dari itu.”