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科學家如何利用熱成像預測火山活動變化

夏威夷島上的基拉韋厄火山是世界上最活躍的活火山之一。2018年4月下旬，該火山開始出現(xiàn)活動增加跡象。2018年5月3日，火山出現(xiàn)了第一條裂縫，即所謂的裂隙，緊跟著接連出現(xiàn)了19條裂隙，總數(shù)達到20條。隨著熔巖流和島上毀壞情況相關(guān)圖片的大量傳播，火山活動情況引起了人們的廣泛關(guān)注。

此后，美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)及其夏威夷火山觀測站提供的新聞和信息不斷升級，并于2018年5月15日，USGS警報級別從“橙色”變?yōu)椤凹t色”，表明“重大火山噴發(fā)即將或已經(jīng)發(fā)生，或者地面和空中都存在疑似危險的火山活動?！?/p>

科學家收集各種關(guān)鍵信息和數(shù)據(jù)，以更好地了解正火山噴發(fā)情況，包括利用手持式熱像儀進行溫度測量。他們利用上述信息來幫助進行可能的救生預測。美國境內(nèi)有大約169座活火山，而全球范圍內(nèi)約有1,500座活火山。

在基拉韋厄火山捕捉熱能
USGS進行的大部分監(jiān)控活動都利用非活動時間安裝的儀器來收集信息，其中許多都是臨時性的。然而，火山活動增加時，USGS和其他相關(guān)組織將有機會獲得關(guān)于火山實時行為模式的核心信息。

USGS科學家們利用各種空中(飛機)、軌道(衛(wèi)星)和手持式感測儀器(如熱像儀)來收集數(shù)據(jù)。一旦收集到數(shù)據(jù)，就可以對其進行分析并用于預測未來的火山爆發(fā)。

“使用手持式熱像儀進行測量有很多優(yōu)勢，”夏威夷大學希洛校區(qū)地質(zhì)系主任Steve Lundblad表示：“USGS的科學家在進入一些潛在危險地區(qū)時，必須對危險格外警惕。借助便攜式熱像儀，可以輕松即時獲得事件發(fā)展和變化的實時數(shù)據(jù)。而使用其他方法測量溫度可能需要額外的時間來安裝和回收設(shè)備。”

比如熱耦合器，該設(shè)備必須被確實放置于地面，測量完成后再拆除回收。然而，紅外熱像儀提供了一種可快速測量溫度的非接觸式方式。

“USGS竭盡所能地來收集紅外(IR)熱圖測量結(jié)果是非常值得的，”Lundblad說道：“由于USGS一直在捕獲和分析其他火山噴發(fā)事件的數(shù)據(jù)，因此他們已經(jīng)能夠?qū)f厄火山的運動和行為做出準確預測。了解火山接下來的活動情況對于保障公民安全非常有用?！?/p>

確保周圍社區(qū)在火山爆發(fā)期間的安全性和知情權(quán)是成功管理火山噴發(fā)事件的最重要條件。除了USGS相關(guān)部門及其觀測站以外，諸如夏威夷民防局等關(guān)鍵組織還提供重要的警告和信息，包括可能撤離的信息。USGS還努力保障科學家的安全。

“關(guān)于是否在某些地區(qū)進行測量的決策很可能要根據(jù)具體情況而定?！盠undblad表示：“例如，第17號裂隙非?；钴S，噴涌出巨大的熔巖炸彈，因此太過危險，無法靠近。但是，仍然可以從其他相對穩(wěn)定的火山口或裂隙中獲取有價值的數(shù)據(jù)，以幫助預測火山再次噴發(fā)的可能性?！?/p>

紅外熱像儀如何工作？
與捕捉可見光來生成圖片的常規(guī)相機不同，熱像儀通過檢測物體發(fā)出的紅外能量(如熔巖流輻射的能量)來建立圖像。熱像儀利用紅外敏感傳感器來檢測紅外能量并將其轉(zhuǎn)換為熱圖，并利用不同的顏色來表示不同的溫度以指示溫度變化，例如高溫點。

遠距離測量熱能
USGS還利用安裝在飛機和衛(wèi)星上的熱成像設(shè)備來收集測量數(shù)據(jù)。無論是近距離還是遠距離，根據(jù)火山的具體情況不同，每種方法都具有其最佳的使用時間和地點。

相對于安全捕獲熱活動有時可能非常危險的現(xiàn)場監(jiān)測，遠距離捕獲熱圖也有缺點，因為這種方法對有利的天氣和大氣條件依賴性較大。例如，第20號裂隙產(chǎn)生了大量火山灰，對熱像儀的可見性產(chǎn)生影響，導致測量不可靠。

盡管仍然無法準確確定火山噴發(fā)的確切時間，但是利用熱像儀來捕獲用于當前和歷史參考的有價值的數(shù)據(jù)，可以為USGS科學家提供巨大幫助。USGS的科學家越了解火山在非活動和活動時期的表現(xiàn)，就越能夠加快其準確確定火山噴發(fā)時間的步伐。