SKATE يعزز سلامة مراقبة البركان

عندما اجتمع المئات من علماء البراكين في جنيف في يوليو الماضي لأكبر حدث في العالم مؤتمر علم البراكين، إيطاليا المعهد الوطني للجيوفيزياء والبراكين (INGV) لفت انتباها خاصا. كان INGV يقدم العرض نتائج من خمس سنوات من المراقبة قريبة جدًا لسترومبولي، أحد البراكين الأكثر مراقبة في البحر الأبيض المتوسط. إن ثوراناتها الصغيرة المتكررة تجعلها مختبرًا طبيعيًا لعلماء البراكين ومصدر قلق دائم للسلامة لسكان الجزيرة البالغ عددهم حوالي 500 نسمة وآلاف السياح.

أصبحت السنوات الثلاث الأخيرة من عمليات المراقبة الدقيقة ممكنة بفضل مرصد محمول يسمى “إعداد اكتساب الحركة الحركية للانفجارات المتفجرة”، أو SKATE. النظام الذي بحجم حقيبة السفر مليء بالتكنولوجيا التي تلتقط الانفجارات بمئات الإطارات في الثانية، وتسجل زئيرها وحرارتها بشكل متزامن.

لقد كان تصوير وتحليل الانفجارات البركانية عن قرب لساعات، مع التقاط البيانات حول حرارتها وصوتها وحركتها، أمرًا صعبًا وخطيرًا على مر التاريخ. ولكن هذه هي البيانات التي يحتاجها العلماء لفهم كيفية عمل الانفجارات وتطورها مع مرور الوقت. يجعل SKATE هذه العملية أكثر أمانًا وبساطة من خلال تسجيل التدفقات المتزامنة من بيانات المرصد بشكل مستقل وتقليل الوقت الذي يحتاج الباحثون إلى إنفاقه على منحدرات البركان.

يقول: “إن الانفجارات الانفجارية عبارة عن عمليات سريعة للغاية تحتوي على جزيئات بحجم شاحنة أو حبة غبار يمكن أن تنتقل من بضعة أمتار في الثانية إلى سرعات تفوق سرعة الصوت”. جاكوبو تاديوتشي، باحث أول في INGV. “أنت بحاجة إلى كاميرات تلتقط مئات الإطارات في الثانية، وأدوات يمكنها رؤية الانفجار وسماعه والشعور به في وقت واحد لفهم السبب والنتيجة.”

بصرف النظر عن سترومبولي، تم اختبار SKATE في المنطقة المجاورة جبل إتنا، وكذلك على غواتيمالا فويغو و براكين سانتياجويتو. في جميع أنحاء العالم، 500 مليون شخص تعيش بالقرب من البراكين النشطة، وكثير منها ] دون أي نظام مراقبة. وتخطط شركة INGV الآن لعمليات النشر على البراكين الأخرى، بما في ذلك جبل ياسور في فانواتو تُعرف باسم “منارة المحيط الهادئ” بسبب ثوراناتها شبه المستمرة التي تتميز بتدفقات إيقاعية من الحمم البركانية والغازات المتوهجة.

تقنية علم البراكين المبتكرة من SKATE

تم تجميع SKATE بواسطة حلول هندسة المعدات التكنولوجية (TEES)، شركة إيطالية متخصصة في تصنيع الأدوات العلمية المخصصة ديويسوفت، وهي شركة سلوفينية متخصصة في الحصول على البيانات عالية السرعة وأنظمة القياس. الشركتين اتبعت مواصفات INGV لتعبئة مرصد كامل في غلاف صلب من مادة البولي بروبيلين بميزانية قدرها 50 ألف يورو (حوالي 58 ألف دولار أمريكي).

SKATE هو خليفة مبسط لنموذج أولي سابق لـ INGV يُعرف باسم FAMoUS (الإعداد السريع متعدد المعلمات)، والذي أثبت لأول مرة قيمة الجمع بين أجهزة الاستشعار عالية السرعة والحرارية والصوتية. ولكنه جاء أيضًا مصحوبًا بعيوب خطيرة: فقد كان ثقيلًا وضخمًا، واستغرق تثبيته في الموقع وقتًا طويلاً، ويتطلب تشغيلًا يدويًا، مما أجبر الباحثين على قضاء ساعات في المناطق الخطرة لالتقاط عدد قليل من التسلسلات فقط.

يعد SKATE أكثر قابلية للحمل وأسهل في النشر من سابقه، وهو نظام يسمى FAMoUS.بيرجيورجيو سكارلاتو وجاكوبو تاديوتشي

داخل SKATE، أ جهاز كمبيوتر مقاوم للماء تقوم بتنسيق تسجيل كاميرا حرارية بمعدل 32 إطارًا في الثانية، وأ كاميرا عالية السرعة الذي يسجل رشقات نارية من اللقطات عندما يكتشف ارتفاعًا مفاجئًا في درجات الحرارة. في الواقع، سيؤدي التقاط الفيديو المستمر بدقة 4K إلى إغراق مساحة تخزين بيانات SKATE بسرعة، حيث سيتطلب يوم واحد من تسجيل 4K ذاكرة أكبر 100 مرة من ذاكرة SKATE.

تقول أليسيا لونغو، المهندسة في شركة Dewesoft: “لم يكن التحدي الحقيقي يتمثل في توصيل الكاميرات وأجهزة الاستشعار. “لقد كان يجبرهم على الكتابة في ملف واحد متزامن تمامًا، وترويض طوفان البيانات.”

ويتم تخزين تلك البيانات على محركي أقراص SSD بسعة إجمالية تصل إلى 6 تيرابايت، ويعمل النظام بشكل مستقل لمدة يوم كامل في الطقس الجيد، بالاعتماد على الألواح الشمسية والبطاريات القابلة للاستبدال.

يقول: “إن إبداع عالم البراكين يكمن في قدرته على استخدام التقنيات التي تم تطويرها لصناعات أخرى، مثل الكاميرات عالية السرعة المستخدمة في الأحداث الرياضية أو أجهزة التصوير الحراري العسكرية، وتكييفها للبحث العلمي حول البراكين النشطة”. بيرجيورجيو سكارلاتو، مدير الأبحاث في INGV.

التصميم المعياري يعزز مراقبة البراكين

يقع SKATE على بعد ما بين 300 و900 متر من فتحات سترومبولي النشطة، ويعمل بشكل شبه كامل من تلقاء نفسه. يصعد الباحثون مرة واحدة فقط يوميًا لتبديل البطاريات وبطاقات الذاكرة.

التصميم هو أيضا وحدات. إلى جانب أجهزة الاستشعار الحرارية وعالية السرعة والصوتية، تقوم شركة INGV الآن باختبار SKATE باستخدام كاميرا للأشعة فوق البنفسجية لتحديد حجمها. ثاني أكسيد الكبريت الانبعاثات. كما أنها تختبر أيضًا جهاز تحديد المدى بالليزر الذي يوفر مسافات إلى عمود البركان أو حافة الحفرة، أو تحريك المنحدرات عشر مرات في الثانية. ويمكنه أيضًا تقديم تحليل لقنابل الحمم البركانية الفردية وشظايا الصخور المقذوفة أثناء الانفجارات، مما يسمح بإعادة بناء مساراتها ومناطق هبوطها بدقة.

يقول سكارلاتو: “العمق هو ما يحول الصورة المذهلة إلى قياس. ومن خلال فهم كيفية إطلاق المقذوفات البركانية، والمسافة التي تقطعها، ومكان سقوطها، يمكننا تقييم تأثير الانفجارات البركانية على الأشخاص والبنية التحتية والبيئة المحيطة بشكل أفضل.”

وفي سترومبولي، قام فريق INGV بتحليل أكثر من ألف انفجار تم تسجيله بين عامي 2019 و2024، وطابق مقاطع الفيديو عالية السرعة ودرجات الحرارة والصوت. واكتشفوا أن كل فتحة تنفيس تطور شخصيتها الخاصة: فالنفاثات الغنية بالغاز تبدو أكثر ليونة وتستمر لفترة أطول، في حين أن القنابل البركانية – قطع من الحمم البركانية تنطلق أثناء الثوران – والانفجارات الغنية بالرماد تزأر لفترة وجيزة وتقذف الشظايا المتوهجة إلى أعلى في الهواء.

دور SKATE في تحليل البيانات البركانية

SKATE ليس إنذارًا على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع. إنه أمر معقد جدًا ومتعطش للبيانات بحيث لا يمكن التدفق من حافة الحفرة في الوقت الفعلي. وبدلاً من ذلك، فهو يساعد شبكات المراقبة الثابتة الموجودة بعيدًا عن الحفرة – مثل الكاميرات الحرارية، ومصفوفات الموجات فوق الصوتية، وغيرها من الأدوات – على فهم إشاراتها بشكل أفضل.

يستخدم الباحث SKATE لمراقبة البركان.بيرجيورجيو سكارلاتو وجاكوبو تاديوتشي

البيانات من SKATE تساعد العلماء فرضيات الاختبار حول كيفية صعود فقاعات الغاز وانفجارها داخل الصهارة، وكيفية تشكيل القنوات البركانية، ودراسة العمليات تحت السطح التي لا تستطيع المراقبة العادية رؤيتها. يهدف INGV إلى تحويل بعض الأنماط المتكررة إلى مكتبات مرجعية يمكنها تدريب الأنظمة الآلية على التعرف على علامات الإنذار المبكر في تدفقات البيانات المباشرة.

أدى نجاح SKATE إلى تغيير الطريقة التي يراقب بها علماء البراكين البراكين النشطة بحثًا عن علامات التحذير. لكن البراكين لن تكون أبدًا بيئات آمنة أو يمكن التنبؤ بها حقًا. غالبًا ما تؤدي الرطوبة إلى تآكل الكابلات وتؤدي إلى تبخر عدسات الكاميرا. أثناء إحدى عمليات النشر الأخيرة، أكلت عنزة كابل الميكروفون. وفي الآونة الأخيرة على سترومبولي، قامت INGV بتجربة جهاز استشعار جديد عالي السرعة باللونين الأبيض والأسود، وهو مثالي لتتبع القنابل المتوهجة في الليل، وقد ثبت أنه أكثر صعوبة من المتوقع، حيث أن انفجارات سترومبولي تدوم بضع ثوانٍ فقط وتجعل من الصعب على المستشعر التركيز عليها.

على الرغم من العقبات، فإن البيانات السريعة والمفصلة التي توفرها SKATE هي موضع ترحيب. يقول سكارلاتو: “إن العمل في مثل هذه الظروف القاسية، مع الرطوبة والغازات والتغيرات المفاجئة في درجات الحرارة، هو الاختبار الحقيقي لأي تقنية”. “الفرق الآن هو أن تدخلاتنا تستغرق دقائق، وليس ساعات”.