Redaktörens anmärkning: I denna veckoserie utforskar LiveScience hur teknik driver vetenskaplig utforskning och upptäckt.
Att övervaka vulkaner är en tuff spelning. Du måste veta vad som händer - men att komma för nära är ett dödligt förslag.
Lyckligtvis har tekniken gjort det enklare än någonsin att hålla koll på magma- och askspridande berg runt om i världen. Mycket av denna teknik gör det möjligt för forskare att hålla sig tillbaka (till och med titta på vulkaner från rymden) och samtidigt hålla ett öga på vulkanisk aktivitet. Vissa av dessa teknologier kan till och med tränga igenom molnsträngda vulkan toppar, vilket gör att forskare kan "se" markförändringar som kan signalera ett överhängande utbrott eller farligt lavakuppel.
"Du gillar att ha flera informationskällor för att maximera din förmåga att förstå vad som händer," säger Geoff Wadge, chef för Environmental Systems Science Center vid University of Reading i Storbritannien.
Ett gassigt jobb
Tidigare handlade det om att övervaka vulkaner att få stövlar på marken. Personligt fältarbete händer naturligtvis fortfarande idag, men nu har forskare mycket fler verktyg till sitt förfogande för att spåra förändringar dygnet runt.
Till exempel måste forskare vid en tidpunkt troppa till vulkaniska gasventiler, dra ut en flaska för att fånga gasen och sedan skicka den förseglade flaskan till ett laboratorium för analys. Den tekniken var tidskrävande och farlig med tanke på att ett stort antal vulkaniska gaser är dödliga. Nu vänder forskare mycket oftare till teknik för dessa smutsiga jobb. Ultravioletta spektrometrar mäter till exempel mängden ultraviolett ljus från solljus som absorberas av en vulkanisk plym. Denna mätning gör det möjligt för forskare att bestämma mängden svaveldioxid i molnet.
Ett annat verktyg, som användes vid Hawaiian Volcano Observatory sedan 2004, är Fourier-transformationsspektrometern, som fungerar på liknande sätt men använder infrarött ljus istället för ultraviolett. Och ett av observatoriets senaste tricks kombinerar ultraviolett spektrometri med digital fotografering med kameror som kan fånga flera gasmätningar per minut i fältet. All denna gasinformation hjälper forskare att ta reda på hur mycket magma som finns under vulkanen och vad den magma gör.
Mäta rörelse
Andra högteknologiska tekniker spårar vulkanutlösad markrörelse. Deformationen av marken runt en vulkan kan signalera ett överhängande utbrott, liksom jordbävningar. Hawaiian Volcano Observatory har mer än 60 sensorer för global positioneringssystem (GPS) som följer rörelser på statens aktiva vulkanplatser. Dessa GPS-sensorer skiljer sig inte mycket från dem i bilens navigationssystem eller i din telefon, men de är mer känsliga.
Tiltometrar, som är exakt hur de låter, mäter hur marken lutar i ett vulkaniskt område, ett annat tecken på att något kan röra under marken.
Att ha ett öga på himlen är också praktiskt för att spåra vulkanförändringar. Satellitbilder kan avslöja jämn förändringar i höjden på marken. En populär teknik, kallad interferometrisk syntetisk bländarradar (eller InSAR), involverar två eller flera satellitbilder tagna från samma plats i omloppsbana vid olika tidpunkter. Förändringar i hur snabbt satellits radarsignal studsar tillbaka i rymden avslöjar subtila deformationer i jordens yta. Med hjälp av denna information kan forskare skapa kartor som visar markändringar ner till centimeter.
Satelliter passerar bara över vulkaner så ofta, men begränsar utsikten till var tionde dag i bästa fall, berättade Wadge till LiveScience. För att kompensera distribuerar forskare nu markbaserad radar, liknande radaren som används för att spåra väder, för att hålla ett öga på vulkanisk aktivitet. Wadge och hans kollegor har utvecklat ett verktyg, kallat all-weather vulkan topography imag sensor (ATVIS), som använder vågor med frekvenser av bara millimeter för att tränga igenom molnen som ofta höljer vulkaniska toppar från sikten. Med ATVIS kan forskarna "titta" på bildandet av lavakupoler, eller gradvis växande svullnader, på vulkaner.
"Lava kupoler är mycket farliga, eftersom de häller ut denna mycket viskösa lava i en stor hög och så småningom kollapsar den. På så sätt producerar den pyroklastiskt flöde," sade Wadge.
Pyroklastiskt flöde är en dödlig, snabbt rörande flod av het berg och gas som kan döda tusentals på några minuter.
Wadge och hans kollegor testar ATVIS på den vulkaniskt aktiva ön Montserrat i Västindien. Sedan 1995 har Soufriere Hills vulkan på ön periodvis utbrott.
Radarmätningar kan också spåra flöden av smält lava från rymden, sade Wadge. Även om satellitpass kan förekomma bara några dagar, kan radarinstrumentna fastställa platser ner till några meter (1 till 2 meter). Att sätta ihop bilder tagna från rymden i ett långsamt rörande lavaflöde kan avslöja en "filmstil" -sekvens av hur flödet går framåt, sade Wadge.
Avancerad teknik
I allt högre grad vänder forskare sig till obemannade drönare för att svänga sig nära en vulkan samtidigt som människor håller sig undan skadas väg. I mars 2013 flög NASA tio fjärrstyrda obemannade droneuppdrag in i rosten på Costa Ricas vulkan Turrialba. 5-pund (2,2 kilogram) drönare hade videokameror som filmer i både synligt och infrarött ljus, svaveldioxid-sensorer, partikelsensorer och luftprovtagningsflaskor. Målet är att använda data från plymen för att förbättra datorprognoser för vulkaniska faror som "vog" eller giftig vulkanisk smog.
Ibland kan tekniken till och med fånga ett utbrott som ingen skulle ha märkt på annat sätt. I maj blåste Alaskas avlägsna vulkan i Cleveland sin topp. Vulkanen är på Aleutiska öarna, så avlägsen att det inte finns någon seismisk nätverksövervakning för explosioner. Men utbrott kan störa luftfarten, så det är avgörande att forskare vet när en explosion inträffar. För att övervaka den upptagna vulkan i Cleveland använder forskare vid Alaska Volcano Observatory infrasound för att upptäcka lågfrekvent rumling under området för mänsklig hörsel. Den 4 maj möjliggjorde denna teknik forskarna att upptäcka tre sprängningar från den rastlösa vulkan.
I ett annat fall av detektering av fjärrvulkan, rapporterade ett fartyg i Nya Zeelands kungliga marin i augusti 2012 en flytande ö med pimpsten som var 482 km lång i södra Stilla havet. Ursprunget till pimpstenen skulle troligen ha förblivit ett mysterium, men vulkanolog Erik Klemetti från Denison University och NASA-visualiseraren Robert Simmon gillade källan. De två forskarna sökte månader med satellitfoton från NASA: s Terra- och Aqua-satelliter och hittade den första antydan till ett utbrott: askgrått vatten och en vulkanisk plommon vid en undervattensvulkan som heter Havre Seamount den 19 juli 2012.
"Om du inte visste var du skulle titta, skulle du ha missat det," sa Klemetti till LiveScience. Satellitbilder, tillsammans med andra tekniska framsteg, har gjort det möjligt för vulkanologer att upptäcka fler utbrott än någonsin tidigare, sade han.
"Gå tillbaka för 25 år sedan, det finns gott om platser där vi inte hade haft någon aning om att ett utbrott inträffade," sade Klemetti.
