En tillförlitliga model för akustik-gravitaions vågor från vulkanutbrott

Tidsperiod:

1 januari 2018 – 31 december 2021

Projektledare:

Ken Mattsson

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

2 800 000 SEK

Att kunna förutse vulkanutbrott, genom att kombinera avancerade datormodeller och uppmätta infraljudsdata, är ett av målen med detta projektsamarbete mellan Uppsala Universitet och Stanford Universitet.Vulkanutbrott är ett något av de mest spektakulära och förödande naturfenomenen. Detta blev vi nyligen påminda om då ett vulkanutbrott vid Eyjafjallajökull på Island stängde ned flygtrafiken i Europa 2010. Detta och andra vulkanutbrott under de senaste 20,000 åren bleknar dock om man jämför mot utbrott från så kallade “Supervulkaner”. Supervulkaner anses vara den våldsammaste och mest destruktiva naturkraft som finns på Jorden. Ett utbrott från en supervulkan har potential att ödelägga en hel kontinent och allvarligt rubba det globala klimatet. Många forskare menar även att utbrott från supervulkaner i det förgångna har bidragit till massutdöenden. Den största och mest kända supervulkanen finns i Yellowstone national park i USA. Mellan varje utbrott är det ca 700,000 år, men det kan ta mer eller mindre tid. Det senaste utbrottet var för 640,000 år sedan.Då vulkanen Krakatoa exploderade år 1883, uppmätta man tryckvariationer i atmosfären globalt över hela jorden och man insåg då för första gången att vulkanutbrott generar stora mängder infraljud som kan registreras tusentals kilometer bort. Infraljud är akustiska vågor med frekvenser under 20 Hz, vilket människor normalt inte kan uppfatta med hörseln. Detta kan dock många olika djur, tex elefanter. Infraljud kan transporteras stora avstånd i atmosfären eftersom dessa vågor inte dämpas av atmosfären. Detta medför att infraljud från vulkanutbrott kan registreras globalt över hela jorden. Vulkaner genererar även seismiska vågor i marken, vilka också kan registreras. Seismiska vågor i marken genereras dock av relativt djupa källor och är därför svåra att direkt observera.Till skillnad mot seismiska vågor genereras infraljud i atmosfären av ytliga källor, och möjliggör därför en direkt jämförelse mellan direkta (i närheten) och avlägsna mätningar av ask-moln, och andra utbrotts-fenomen. Atmosfären, till skillnad från marken, är dessutom betydligt mer homogen är därför betydligt enklare att modellera och analyser.Olika typer av vulkanaktivitet genererar en stor variation av infraljud, genom komplicerade processer i marken som sedan sprids till atmosfären. Det finns idag mycket mätningar av infraljud från vulkaner. På Stanford Universitet bedrivs idag världsledande forskning på vulkaner, där man försöker ställa upp avancerade matematiska modeller för att beskriva dessa komplicerade processer. Genom att lösa dessa avancerade matematiska modeller och jämföra mot infraljuds mätningar kan man indirekt få en insikt om hur en vulkan fungerar så att man kan förutse när ett vulkanutbrott är att vänta, eller hur länge vulkanutbrottet förväntas pågå. De matematiska modeller vi föreslår lösa i detta projekt kommer kräva avancerade numeriska algoritmer, för tillförlitliga svar. För att lösa dessa avancerade modeller med tillräcklig effektivt krävs dessutom enormt kraftfulla och snabbräknande datorer, som finns tillgängliga på SNIC centret UPPMAX på Uppsala Universitet och Stanford Universitet. Institutionen för informationsteknologi vid Uppsala Universitet har lång erfarenhet av att analysera avancerade modeller för ljudgenerering och ljudutbredning. Man har även en gedigen kunskap om hur man löser dessa modeller på ett effektivt och tillförlitligt sätt, vilket är en förutsättning för att klara av att ge tillförlitliga svar på frågor som när en vulkan förväntas vakna. Vulkaner är kraftfulla och ibland repetitiva källor av infraljud, och kan därför användas för att testa modeller för våg-utbredning i atmosfären och för att dra slutsatser om atmosfärens struktur. Genom att kombinera infraljuds-mätningar från vulkaner med tillförlitliga infraljuds simuleringar, som möjliggörs med den framtagna datormodellen, kan detta kraftfulla beräkningsverktyg även utnyttjas i atmosfärsforskning, som på sikt kan bi