O înțelegere mai aprofundată a fizicii subterane este esențială, iar vulcanologii cred că este posibilă predictarea erupțiilor vulcanice.
În vara anului 1991, Pinatubo, un vulcan din Filipine, a suferit o autodistrugere spectaculoasă. Erupția a început pe 12 iunie și, trei zile mai târziu, a culminat într-o explozie monumentală. În momentul în care fluxurile piroclastice – avalanșe incandescente de rocă topită și gaz – s-au revărsat pe pantele sale sterilizate, vârful Pinatubo a fost obliterat, înlocuit de un crater cu un diametru de 2,5 kilometri. Erupția a ucis peste 800 de oameni, în mare parte din cauza prăbușirii acoperișurilor sub greutatea cenușii îmbibate cu ploaie. Însă, consecințele puteau fi mult mai grave: aproximativ 250.000 de oameni, locuind în numeroase orașe și pe o bază extinsă a Forțelor Aeriene Americane, trăiau la umbra vulcanului.
Când Pinatubo a început să se agite și să elibereze aburi în aprilie 1991, oameni de știință din SUA și Filipine au desfășurat o serie de instrumente care au urmărit agitația internă a vulcanului. „Nu știam prea multe despre acel vulcan, așa că a existat o evaluare geologică foarte rapidă. Și evaluarea a spus: „Oh, nenorocire, când acest lucru erupe, erupe doar mare”, spune Mike Poland, actualul om de știință responsabil la Observatorul Vulcanilor Yellowstone din cadrul Serviciului Geologic al SUA. „Și aceasta a stat la baza prognozei.” Până la începutul lunii iunie, cenușa și lava ieșeau din flancurile Pinatubo, iar o evacuare a fost ordonată, cu doar câteva zile înainte de lovitura cataclismică. A fost, cu alte cuvinte, un «miracol».
Acei oameni de știință au salvat nenumărate vieți, dar prognoza lor a fost mai mult o ghicire educată decât ar fi putut părea. Nu semăna deloc cu o prognoză meteo; nu puteau spune cu nicio certitudine că pe 12 iunie va avea loc o erupție explozivă, nici că puteau prezice evoluția acelei erupții. Cu foarte puține excepții, această imprecizie este valabilă pentru toți vulcanii bine monitorizați. Însă vulcanologia, ca domeniu, a făcut salturi mari de când Pinatubo a „suflat capacul”. Instrumentația este mai avansată, învățarea automată a făcut interpretarea datelor mult mai eficientă, iar oamenii de știință au o înțelegere mult mai bună a „țevilor magmatice” care alimentează vulcanismul. Acest lucru m-a determinat – ca vulcanolog pregătit profesional, care acum scrie mult despre domeniu – să mă întreb: Cât de aproape suntem de a prezice comportamentul vulcanilor așa cum prezicem vremea?
Astăzi, știm că o furtună de o anumită magnitudine va lovi un oraș anume în câteva zile. Vor putea oare oamenii de știință să spună vreodată că, peste o săptămână, un anumit vulcan are o șansă de 80% de a erupe într-un mod specific – cu lavă curgând, cu o anumită forță explozivă, cu fluxuri piroclastice care se vor deplasa pe flancul său vestic? Am întrebat în jur și am găsit atât scepticism, cât și un grad surprinzător de optimism. „Răspunsul scurt – altfel nu aș face asta – este da”, spune Diana Roman, vulcanolog la Carnegie Science în Washington, D.C.
Deși observatorii cerului anticipează vremea de milenii, predicția științifică contemporană a vremii este o invenție recentă: primele ecuații matematice care stau la baza acestor modele au fost derivate la începutul secolului al XX-lea. Astăzi, meteorologii pot lua un sistem pandemonic – atmosfera Pământului, oceanele și formațiunile terestre – și pot face prognoze precise pe o durată de până la două săptămâni. Vremea afectează mai mulți oameni decât vulcanismul – anume, pe toți, tot timpul – dar aproximativ 800 de milioane de oameni trăiesc la mai puțin de 100 de kilometri de un vulcan activ, iar câteva erupții (foarte rare) pot afecta chiar și întreaga planetă.
Atât vremea, cât și vulcanismul sunt sisteme complexe pe care dorim să le înțelegem, dar problemele pe care le prezintă pentru prognoză sunt diferite. „Marea diferență între [vulcani] și prognoza meteo este că vremea se întâmplă mereu”, spune Jenni Barclay, vulcanolog la Universitatea din Bristol, Anglia. Atmosfera este perpetuu vizibilă și măsurabilă pentru meteorologi. „Chiar și ei ar spune că au nevoie de mai multe observații.” Magma, pe de altă parte, se află la kilometri sub scoarța Pământului și, în cel mai bun caz, vulcanii activi erupe o dată la câteva decenii. Fiecare vulcan este, de asemenea, unic. Arhitectura căilor subterane care canalizează magma spre suprafață, chimia magmei, cadența erupțiilor și asortimentul de stiluri de erupție diferă de la un loc la altul. Și erupțiile nu au un singur declanșator. Temperatura și presiunea rezervorului de magmă, slăbiciunea rocilor înconjurătoare, conținutul de gaz și cristale, adâncimea magmei, mișcarea regională a plăcilor tectonice – acești factori contribuie la apariția sau stingerea unui paroxism. „Geologia este haotică”, spune Marius Isken, geofizician la Centrul Helmholtz GFZ pentru Geosciențe din Potsdam, Germania. Dar există ordine ascunsă în haos. O putem găsi?
Îmi imaginez vulcanii ca pe niște orchestre compuse din sute de instrumente diferite. Prognoza erupțiilor nu înseamnă a auzi muzica. Facem deja asta: seismometrele detectează crăparea rocilor pe măsură ce magma urcă; senzori la sol și sateliți pot urmări deplasarea scoarței, indicând unde curge magma; detectoare de gaz dezvăluie când magma ajunge la adâncimi mici, se deprimează și emite vapori nocivi. Provocarea constă în a ști cum va evolua simfonia către un climax, cu mult înainte ca aceasta să înceapă.
Astăzi, la cei mai bine monitorizați vulcani, cel mai mult ce pot oferi vulcanologii este nu predicția, ci o formă de prudență acută. Adesea, sistemele de alertă – inclusiv cele utilizate de Serviciul Geologic al SUA – notifică publicul dacă un vulcan prezintă o activitate sporită sau în escaladare. Dar asta nu înseamnă că o erupție este iminentă. „Doar 50% din activitatea neobișnuită care pare a fi o erupție se materializează într-o erupție”, spune Jessica Johnson, geofizician la Universitatea din East Anglia, Anglia.
Pe de altă parte, unii vulcani preferă să ne surprindă, chiar și atunci când sunt copleșiți de instrumente. Buzunare de apă puternic presurizată, prinse chiar sub suprafață, pot fi încălzite de corpuri adiacente de magmă. Dacă acel buzunar cedează, urmează o explozie periculoasă de aburi, care poate apoi elibera magma prinsă. Acest tip de erupție apare adesea fără semne prevestitoare discernabile și este ca o mină terestră care explodează lângă un munte subteran de dinamită.
Mai multe detalii predictive pot apărea dacă un vulcan a fost studiat pe parcursul mai multor cicluri de erupție. La anumite vârfuri, precum vulcanii Stromboli și Etna din Italia, care scuipă regulat fântâni de lavă, oamenii de știință pot prezice cu încredere o erupție. „Avem sisteme care ne pot spune că în câteva ore vulcanul va erupe”, spune Maurizio Ripepe, geofizician la Universitatea din Florența. Folosind seismologia și măsurătorile de deformare a solului, oamenii de știință de la alți vulcani, inclusiv Kīlauea din Hawaii și cei din peninsula Reykjanes din Islanda, pot urmări magma migrând subteran cu o precizie atât de uimitoare încât știu exact unde va ieși ca lavă, cu o marjă de eroare de aproximativ o oră. Dar astfel de prognoze precise sunt „relativ neobișnuite”, spune Tom Winder, seismolog vulcanic la Universitatea din Islanda. Aceștia sunt vulcani frecvent activi, improbabil să producă un eveniment exploziv major, iar oamenii din comunitățile învecinate știu, în general, să fie precauți față de ei. În majoritatea celorlalte cazuri, cele mai timpurii avertismente – poate cu o oră înainte de erupție – nu sunt întotdeauna suficiente pentru a aduce oamenii în siguranță.
Prognozarea erupțiilor este o cerință mare, deoarece vulcanii nu pot fi reduși la modele simple. Sunt bestii geologice baroce, cu țevi ascunse, labirintice. Acum douăzeci de ani, în primul meu an de licență în geochimia Pământului, un profesor mi-a spus că prezicerea când și unde va avea loc următoarea erupție majoră era un vis frumos – implicând că vulcanii sunt mult prea idiosincratici și mercuriali pentru a avea multe în comun unii cu alții. Acel comentariu mi s-a părut ciudat chiar și atunci. La urma urmei, sunt cu toții vase de presiune și căldură imense. Schemele lor pot diferi. Dar roca topită curge prin toți și, eventual, ceva crapă, se rupe și explodează.
Toți cei cu care am vorbit au fost de acord că oamenii de știință mai au de rezolvat o piesă vitală din puzzle-ul prognozei vulcanice. „Nici măcar nu înțelegem pe deplin fizica subiacentă”, spune Roman. Ce determină un rezervor de magmă să treacă de la o stare stabilă la o cedare catastrofală? „Trebuie să aibă fizică comună”, spune ea. Dacă acele ecuații subiacente pot fi descoperite, poate le putem aplica tuturor vulcanilor și obține valori care să ne spună, cu o precizie ridicată, când este programată următoarea erupție și cum ar putea fi forma acesteia.
Oamenii de știință au identificat unele dintre aceste ecuații de guvernare, dar acestea se aplică doar după ce erupțiile au început. Folosind mai mult de un secol de observații, cercetătorii au derivat în mare parte fizica hazardelor vulcanice – în special fluxurile de lavă și fluxurile piroclastice. De exemplu, ecuațiile Navier-Stokes, care descriu cum se mișcă fluidele de toate felurile, au fost aplicate cu succes ambelor tipuri de hazarde, în timp ce ecuația căldurii dezvăluie cum și când se răcesc aceste fluide vulcanice. Astăzi, acestea permit experților să prezică, pentru vulcani specifici, unde vor apărea emisiunile, cât de departe vor ajunge diferitele tipuri de fluxuri și cât de repede se va întâmpla totul. Această muncă salvează vieți, dar este o fracțiune din dilema prognozei. Folosind analogia noastră meteo, este ca și cum am spune: „Odată ce ploaia începe să cadă, putem prezice ce bazine hidrografice s-ar putea inunda”, spune Poland. A ști când va începe furtuna necesită accesarea fizicii subterane a rezervoarelor de magmă.
Deocamdată, avertizările de erupție se bazează pe recunoașterea tiparelor în semnale geofizice măsurabile, cum ar fi o escaladare a activității seismice, care preced erupțiile. Dar corelația nu este suficientă pentru predicție dacă tiparele nu sunt consistente, ceea ce este adesea cazul. „Ceea ce încercăm să facem este să analizăm relațiile cauzale de acolo… pentru a înțelege fizica”, spune Johnson. „Dacă înțelegi ce înseamnă acele tipare, [atunci] când acele tipare se schimbă, nu suntem atât de blocați.”
Johnson face parte dintr-un nou proiect numit Ex-X: Expecting the Unexpected, un efort multidisciplinar condus de Universitatea din Bristol pentru a investiga factorii declanșatori ai escaladărilor vulcanice periculoase. Cercetătorii se concentrează pe vulcanii din Caraibe de Est, care erupe relativ frecvent și se pot transforma rapid de la erupții efuzive, bogate în lavă, la cele explozive, bruște și catastrofale. La Soufrière, pe insula St. Vincent, a oferit un exemplu recent: în decembrie 2020, vulcanul a început să expulzeze o masă vâscoasă de lavă, care a continuat timp de câteva luni. Apoi, multiple explozii au aruncat fluxuri piroclastice pe pantele sale.
Ca parte a acestei lucrări, sute de seismometre, precum și rețele de cabluri din fibră optică, vor fi utilizate pentru a înregistra chiar și cele mai mici cutremure în perioadele de liniște și de activitate. Acest efort de monitorizare va fi ajutat de programe de învățare automată care vor fi instruite să identifice schimbări minuscule în „coloana sonoră seismică” a acestor vulcani. În ultimii ani, aceste programe au fost utilizate pentru a procesa un volum uriaș de date mult mai eficient și mai competent decât pot gestiona oamenii de știință singuri. Această muncă a relevat deja nenumărate căi magmatice ascunse anterior sub vulcani, permițând în același timp oamenilor de știință să urmărească, aproape în timp real, magma care se deplasează prin scoarță. Ideea Ex-X este de a obține detalii fără precedent despre cum schimbări minuscule în comportamentul sau poziția magmei pot duce la erupții. Aceste perspective pot, la rândul lor, să lumineze o parte din fizica subiacentă.
Toți acești vulcani din Caraibe, oricât de diverși ar fi, ar putea avea un set comun de ecuații de dinamica fluidelor. Cu toate acestea, seismologia nu va fi suficientă de una singură. „Ne lipsește înțelegerea fizică a ceea ce se întâmplă exact într-o cameră de magmă”, spune Poland. Ce cauzează nucleația de bule de neoprit într-un corp de magmă, care poate propulsa magma fierbinte și buoyantă prin scoarța de deasupra cu o efervescență similară unei doze de sifon? Ce combinație de rocă topită, cristale și gaz este pregătită să declanșeze o erupție? Ce determină o erupție să treacă de la expulzarea lavei curgătoare la aruncarea cenușii și a rocilor în cer?
Geochimia este, de asemenea, esențială pentru acest efort. Astăzi, oamenii de știință colectează lavă sau cenușă, proaspătă sau veche, în jurul vulcaniilor – atât în timpul unei erupții, cât și în intervalul dintre ele – pentru a identifica schimbări subtile în compoziția chimică. Oamenii de știință folosesc modele numerice sofisticate pentru a simula „viscerele” vulcanice, dar aceasta este încă o ghicire educată. Experimentele de laborator, însă, ar putea baza aceste modele. Recrearea celor mai extreme fenomene în medii de laborator nu este ușoară. Dar în experimente reușite din toamna anului 2025, oamenii de știință au recreat condițiile prezente la nașterea planetelor, complet cu simulări de magmă și atmosfere minuscule de hidrogen. „Nu poți pur și simplu să creezi o cameră de magmă la suprafața Pământului”, spune Poland. „Dar suntem mult mai aproape de un astfel de lucru decât am fost înainte.”
În mod ideal, vulcanologii doresc să încerce altceva cu adevărat ambițios: „Să săpăm până acolo unde există magmă la adâncime și să vedem cu adevărat aceste procese in situ, în loc să vedem doar rezultatele lor”, spune Winder. Acesta este unul dintre obiectivele Krafla Magma Testbed din Islanda. Această facilitate literalmente revoluționară urmează să devină primul observator direct de magmă din lume.
„Nu există niciun motiv să nu ne gândim că, la un moment dat în viitor, putem avea prognoze vulcanice care să semene cu prognozele meteo”, spune Poland. Dar derivarea unei teorii unificate a vulcanismului va necesita un „Proiect Manhattan geologic”. Mai întâi, o constelație de vulcani foarte diverși va trebui să fie acoperită cu instrumentație geofizică și monitorizată constant pe parcursul mai multor cicluri de erupție – adică multe decenii. „Ai vrea să crezi: „Ok, vulcanii sunt destul de bine monitorizați”. Dar nu sunt”, spune Roman. „Există o mână de vulcani «de lux» care au rețele permanente.” Chiar și mulți dintre cei mai periculoși vulcani din Statele Unite, de-a lungul Cascadelor din Pacificul de Nord-Vest (casa celebrului Mount St. Helens, de exemplu, și a precariosului Mount Rainier), sunt acoperiți doar parțial de un număr limitat de senzori.
Cu un astfel de torent de informații geofizice și geochimice, oamenii de știință (ajutați de învățarea automată) pot determina similitudinile care le-ar permite să derive legi geofizice fundamentale. Apoi pot construi modelul arhetipal de vulcan: unul foarte generic, dar care poate fi aplicat oricărui vulcan din lume. Să spunem că sunteți îngrijorați de vulcanul japonez Mount Fuji, predispus la explozii. Oamenii de știință ar putea introduce starea sa actuală de seismicitate, geochimia sa magmatică și rata de deformare în model. Software-ul, condus de acele ecuații de guvernare, ar putea apoi să deruleze virtual vulcanul spre data cea mai probabilă de erupție, descriind în același timp stilul și durata cea mai probabilă a erupției. Unii experți suspectează că ar putea exista mai multe arhetipuri de vulcani – unii care preferă să arunce lavă, de exemplu, sau cei deosebit de explozivi. Indiferent, acest concept de prognoză a erupțiilor este bine primit de mai mulți vulcanologi. „Aceasta este cu siguranță modalitatea corectă de a gândi”, spune Zach Ross, geofizician și cercetător în învățare automată la California Institute of Technology.
Dar scepticismul cu privire la prognoza precisă persistă. „În momentul de față, pot să-mi imaginez asta doar în circumstanțe excepționale”, spune Winder, citând vulcanii care erupe cu mare frecvență, precum cei din Hawaii sau Islanda. Alți oameni cu care am vorbit sunt mai optimiști, sugerând că, în timp ce anumiți vulcani vor fi întotdeauna problematici – cei care erupe o dată la câteva secole, de exemplu, sau cei care par să treacă de la liniște la violență în câteva ore – multe erupții ar trebui să fie prognozabile. „Ceea ce ne lipsește cu adevărat este mai multe date. Nu am observat încă multe sisteme diferite care să se declanșeze”, spune Isken. „Dar cred că acest gol se va umple în timp.”
Roman face parte din proiectul în curs de dezvoltare Subduction Zones in Four Dimensions, sau SZ4D. Dacă va fi finanțat corespunzător, acest efort internațional va desfășura o campanie intensă de monitorizare de-a lungul diverselor zone de subducție – vaste regiuni unde o placă tectonică se scufundă sub alta, inclusiv locații din Chile, Alaska și Cascade – pentru a studia factorii declanșatori ai alunecărilor majore de teren, cutremurelor și erupțiilor. Ea speră că fizica subiacentă care duce la fiecare dintre aceste pericole va ieși la iveală. SZ4D ar fi o întreprindere științifică colosală. Dar eforturi similare, mamute, au fost necesare pentru a înțelege cum funcționează vremea și cum clima Pământului se schimbă rapid. Trebuie să începi de undeva. „Este timpul pentru un mare impuls”, spune Roman.
În fiecare zi, vulcanologii realizează miracole științifice pentru a proteja milioane de oameni de erupții. Este emoționant pentru mine să-mi imaginez un viitor în care oamenii vor avea nu doar ore, ci zile sau chiar săptămâni pentru a scăpa din calea pericolului.