Nya drönare främjar studier av avlägsna vulkaner

Forskare på Chalmers har spelat en viktig roll i den internationella forskargrupp som tagit fram nya specialutvecklade drönare. De har använts för att samla in data från aldrig tidigare utforskade vulkaner, och gjort det möjligt för lokala samhällen att bättre förutsäga framtida utbrott.
Den banbrytande forskningen vid vulkanen Manam i Papua Nya Guinea förbättrar också forskarnas förståelse för hur vulkaner bidrar till den globala kolcykeln, nyckeln till att upprätthålla livet på jorden och till att reglera klimatet.
Resultaten från det University College London-ledda teamet har publicerats i en artikel i Science Advances​, och visar för första gången hur det är möjligt att kombinera mätningar från luften, jorden och rymden för att lära sig mer om de mest oåtkomliga, mycket aktiva vulkanerna på planeten.
 
Teamet skapade lösningar på utmaningarna med att mäta gasutsläpp från aktiva vulkaner genom att använda modifierade långdistansdrönare. Pionjärer på området var de Chalmers-forskare som 2016 nådde molnen ovanför vulkanen Bagana, vid en höjd av nästan 2 km, på den avlägsna ön Bougainville (läs hela historien här). Chalmers-teamet, som arbetar i nära samarbete med forskare från Rabaul vulkanobservatorium i Papua Nya Guinea, donerade också ett instrument för permanent övervakning av vulkanen Tavurvur, en vulkan som utbröt 1994 och 2014 och täckte staden Rabaul under aska.

 Vi var där för att göra vetenskap som hjälper till att rädda liv, säger Bo Galle, professor emeritus vid Chalmers, som deltagit vid alla fältkampanjer i Papua Nya Guinea

Mer data än tidigare möjligt
Genom att kombinera flygmätningar på plats vid vulkanen Manam med resultat från satelliter och markbaserade fjärrsensorer kunde forskarna samla en mycket mer omfattande datamängd än tidigare möjligt. Det gjorde det möjligt för dem att fjärrövervaka den aktiva vulkanen, förbättra förståelsen för hur mycket koldioxid (CO2) som släpps ut, och inte minst var detta kol har sitt ursprung.

Med en diameter på 10 km ligger vulkanen Manam på en ö 13 km utanför fastlandets nordöstra kust, 1800 m över havet. Tidigare studier har visat att den är bland världens största utsläppare av svaveldioxid (SO2), men ingenting var känt om dess CO2-produktion. Att beräkna förhållandet mellan svavel- och koldioxidnivåer i en vulkans utsläpp är avgörande för att bestämma hur troligt det är att ett utbrott ska äga rum.

​Koldioxidutsläpp från vulkaner är svåra att mäta på grund av höga koncentrationer av koldioxid i den omgivande atmosfären. Mätningar måste därför göras mycket nära aktiva utlopp, och vid farliga vulkaner som Manam är drönare det enda sättet att göra sådana mätningar på ett säkert sätt. Ändå har längre flygningar där drönarna försvinner utom synhåll sällan försökts i vulkaniska miljöer.

Genom att lägga till miniatyriserade gassensorer, spektrometrar och provtagningsanordningar som automatiskt öppnas och stängs vid rätt tillfällen, kunde teamet flyga drönaren 2 km högt och 6 km bort för att nå Manams topp, för att ta gasprover som sedan kunde analyseras inom några timmar.

Chalmers-forskarnas erfarenhet och expertisen från svenske drönarpiloten Gustav Gerdes var avgörande för att genomföra mätningarna med en specialdesignad drönare samt markbaserade sensorer.

 Vår drönare blev till slut basen för mätningar av andra kollegor i teamet, säger Santiago Arellano, en chalmersforskarna som deltog i fältkampanjen, från realtidsmätning av gassammansättning och flöde till insamling av gasprover i påsar och speciellt beredda gasbehållare, som sedan användes för analys av isotoper och halogener. Denna information är avgörande för att avslöja magmas ursprung och för att bedöma effekterna av utsläpp på miljön. Mätningarna kunde inte göras praktiskt på annat sätt, avslutar Arellano, som arbetar vid avdelningen för mikrovågs- och optisk fjärranalys, vid institutionen för rymd-, geo och miljövetenskap på Chalmers.

Santiago Arellano, hur var det att arbeta på Papua Nya Guinea under detta projekt?
– Att arbeta i PNG var utmanande men mycket givande. Vi har gjort fältarbete på alla möjliga platser i Afrika, Latinamerika, Kamchatka och så vidare. Och vi har alltid fått anpassa oss till oväntade omständigheter och välkomna överraskningar med öppna armar. Men i PNG hade vi alla slags utmaningar samtidigt! Vi upplevde en jordbävning med risk för en tsunami den första natten, var tvungen att stoppa vår resa på grund av strider i pågående inbördeskrig, transportera alla förnödenheter och utrustning med flygplan, bil, båt och slutligen till fots över floderna... listan är lång. Men vi fick också lära känna och lära oss av extraordinära människor, generösa och motståndskraftiga, som har ett eget förhållande till vulkanerna. Man inser att vulkaner inte bara är mål för vetenskaplig forskning, utan de är först och främst en del av miljön där tusentals människor lever och drömmer.

Varför är det viktigt att mäta koldioxidutsläppen från vulkaner?
 Vulkaner avger gaser före och under utbrott, mestadels vattenånga och gaser som innehåller kol och svavel. CO2 släpps ut från stora djup före andra gaser och därför kan det ge en tidig signal om oroligheter i en vulkan. Om utsläppen sker på låg höjd kan det utgöra ett hot mot omgivande liv, om det kommer högre upp i atmosfären kan det till och med förändra klimatet. På global nivå avger alla vulkaner i världen cirka en tusendel av vad mänskliga aktiviteter gör, såvida det inte skulle uppstå ett utbrott liknande det i Toba (Det mest kraftfulla utbrottet på jorden, som skedde på Sumatra för 70 000 år sedan). En viktig skillnad är dock att vi inte kan kontrollera utsläppen från vulkaner.

Varför är det viktigt att veta var dessa utsläpp kommer - mantel, skorpa eller sediment?
 Om källan till utsläpp är magma (smält lava) från manteln är betydelsen något helt annat än om den kommer, säg från biogen aktivitet eller sediment i skorpan, eftersom det skulle betyda att vulkanen är aktiv och ett utbrott är möjligt. Vanligtvis avslöjas ursprunget av den isotopiska kompositionen. För att få reda på den måste man ta prover måste tas från koncentrerade gaskällor, något som är farliga för människor men inte för drönare. 

Vilket är Chalmers bidrag till den här forskningen?
 Chalmers hade demonstrerat tillämpningen av drönare för att nå vulkanmoln i hög höjd under fältkampanjer i Papua Nya Guinea 2016 (Tavurvur, Bagana, Ulawun) och 2018 (Langila). Vanliga utmaningar var tekniska (att nå upp till 2500 m höjd över marken och 5 km avstånd, styrning utan att se drönaren) och logistiska (mycket avlägsna vulkaner, grundläggande infrastruktur saknas, importrestriktioner etc.). Vi inledde ett bra samarbete med lokala Rabaul Volcano Observatory och bidrog också med mätningar från marken, vilket var vårt grupps ursprungliga bidrag till ett internationellt team som inkluderade kollegor från Cambridge, Bristol, Palermo, Heidelberg / Mainz, New Mexico, Costa Rica, och naturligtvis PNG. 
– Kampanjen ABOVE (läs mer längst ner på sidan) var den sista ansträngningen för det 10-åriga Deep Carbon Observatory-projektet och hade ambitionen att sammankoppla grupper som utvecklade drönarapplikationer för vulkaner vid en dedikerad kampanj i Manam, en av de starkaste gasutsläpparna i världen, samtidigt som det var en av de minst kända. Vårt tillvägagångssätt var framgångsrikt för att få de uppgifter som vi åtagit oss att tillhandahålla och vi kunde också hjälpa andra grupper att uppnå sina mätningsmål.

Vad har ni lärt er och har ni gjort nya kontakter inför kommande projekt? 
- Vi har identifierat källan och storleken på utsläpp av kol och svavel på de här vulkanerna, vilket är nyckeln till att förbättra uppskattningarna av hur stora de världsomspännande vulkanutsläppen är. Projektet gjorde att vi tog ett stort steg framåt för att skapa nya instrument och metoder för att kombinera mätningar från mark och luft – och därmed göra observationer som annars inte skulle vara möjliga. Vi har upprätthållit samarbetet med de andra grupperna, men naturligtvis har inget mer fältarbete varit möjligt under 2020. Denna drönareutveckling kommer förhoppningsvis att användas för forskning om utsläpp från fartyg och industrier av vår grupp på Chalmers, säger Santiago Arellano.

Den första delen av texten är baserad på ett pressmeddelande från ABOVE-projektet. Pressmeddelandet, som kan läsas i sin helhet här: New drone ​

Mer om projektet ABOVE - Aerial-based Observations of Volcanic Emissions

The ABOVE project was led by University College London and involved specialists from the UK, USA, Canada, Italy, Sweden, Ecuador, Germany, Costa Rica, New Zealand, and Papua New Guinea, spanning remote sensing, volcanology and aerospace engineering. Vladimir Conde, Johan Mellqvist, Jiazhi Xu, Gustav Gerdes and Tomas Krejci were also involved in Chalmers instruments and drone developments. ABOVE was funded by the Alfred P. Sloan Foundation. Chalmers UAV research has been supported by FORMAS and the Swedish National Space Board.

Sidansvarig Publicerad: on 02 dec 2020.