2010年春天，冰島的艾雅法拉火山在冰蓋下噴發，炙熱的熔岩與大量融水混合，將一股氣體和火山灰柱噴射到10公里的高空。數百人被疏散，這場動盪的影響遠遠超出了冰島，幾個歐洲國家關閉了數天的領空。謝天謝地，艾雅法拉火山沒有造成人員傷亡，但仍然造成了相當大的混亂。
儘管火山噴發會造成危害和破壞——即使是非致命的噴發——科學家仍然無法可靠地預測它們。儘管他們成功預測了數十次噴發，但他們缺乏標準方法。“在制定預測方面，火山學領域遠遠落後於氣象學等領域，”牛津大學的火山學家大衛·派爾說。火山的行為複雜且不可預測——當然，它們的大部分活動都發生在地下，這使得它們比天氣系統更難研究和開發模型。“目前真正的挑戰在於，對於那些我們沒有先前的噴發觀測，並且目前沒有密集觀測的火山，很難預測接下來會發生什麼，”派爾說。他補充說，科學家今天用於噴發預測的方法“非常定性”。但是，薩瓦勃朗峰大學的一個研究小組正試圖開發一種更可靠、更準確、資料驅動的方法來預測像艾雅法拉火山這樣的噴發——並可能使用衛星和一種稱為資料同化的方法，建立每日甚至每小時的火山預測。
資料同化廣泛應用於氣象學等領域——我們的天氣預報依賴於它。該方法將天氣或氣候等系統的模型與真實世界的資料點相結合，以開發對未來的預測。該技術的優勢在於模型會不斷進行微調——它將其預測與真實世界的資料進行比較，並在近乎即時的狀態下進行自我糾正。
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在週三發表在《地球科學前沿》雜誌上的一項新研究中，薩瓦的研究人員將資料同化應用於火山模型，以檢視該技術是否可以準確預測火山噴發的一個重要引數：岩漿超壓。這是火山岩漿向外推力相對於上方岩石產生的向內壓力而產生的額外壓力。“對於每座火山，都有一個臨界超壓值，”該研究的主要作者、法國地球科學研究所的博士後研究員瑪麗·格蕾絲·巴託說。“如果達到這個值，那麼你就會知道在幾天或幾個月內可能會發生噴發。”能夠預測該系統要素如何變化可以幫助火山學家做出更好的預測。
在他們的研究中，該團隊建立了一個基於冰島格里姆斯沃頓火山的簡化模型。然後，他們使用了關於火山外部地面如何變形的合成衛星資料，來隨著時間的推移告知模型並做出預測。巴託提供了一種簡單的方法來思考地面變形和岩漿超壓之間的關係：“想象一下，火山的岩漿房就像一個氣球。如果不斷地向這個氣球注入岩漿，氣球就會膨脹，並導致其頂部的地面變形。我們可以使用GPS或雷達衛星資料來測量變形，然後我們可以推斷出岩漿超壓。”該團隊還可以使用衛星資料來微調其模型對未來岩漿超壓的預測。美國地質調查局卡斯卡德火山觀測站的研究地質學家丹尼爾·祖裡辛解釋說，目前的做法沒有使用這種基於物理的技術。他說，今天的噴發預測依賴於將監測資料與來自全球火山資料庫的資訊、對火山過去行為的當地瞭解以及基於經驗的科學見解相結合。
當研究人員將其預測與火山模擬進行比較時，他們發現數據同化能夠準確預測岩漿超壓的變化。除了該技術的預測能力外，它還有助於約束火山的地下特徵。“這表明科學家可以使用資料同化來更好地瞭解火山內部發生的各種成分和行為，”例如其岩漿房的幾何形狀和岩漿在該儲層內的流動速率，巴託解釋說。“這些引數很難推斷出來，因為它們埋藏在 10 公里以上的巨大深度。”
巴託指出，他們的研究只是測試資料同化用於火山預測的開始。該團隊使用了一個非常簡化的模型，並且他們的方法依賴於合成數據。在現實世界中，火山要混亂和複雜得多，該方法需要使用真實的 GPS 和衛星雷達資料。他們的研究也沒有納入其他重要的火山噴發預測因素，例如地震和氣體輸出——儘管研究人員計劃在未來的研究中納入這些測量值。
科學家還需要更好地瞭解岩漿超壓（本研究的主要重點）何時會在現實世界中預示噴發。“從概念上講，必須存在一個臨界超壓值。但該值通常是未知的，可能每座火山都不同，甚至[對於]一座火山也可能隨時間而變化，”祖裡辛解釋說。“儘管如此，能夠估計超壓……將是向前邁出的重要一步。”祖裡辛認為資料同化將在火山學界得到更廣泛的應用。“這種方法似乎在應用於噴發預測領域方面很有前景，”他說。“但是我們還有很長的路要走。”牛津大學的派爾同意該方法具有潛力。“這當然是前進的明顯道路，”他說。
接下來，巴託的團隊計劃使用真實的衛星資料將他們的方法應用於格里姆斯沃頓火山。巴託說，總有一天，“我希望我們可以為那些位於活火山附近的城市或城鎮提供每日甚至每小時的預測，因為這種研究在那裡最有價值。”