Wetenschap

Wereldwijde vulkaanvoorspellingen mogelijk realiteit dankzij KI

De 800 miljoen mensen die wereldwijd in de buurt van een actieve vulkaan wonen, zouden binnenkort veel meer tijd kunnen hebben om te evacueren wanneer een berg begint op te spelen.Wednesday, August 14, 2019

Door Jackie Snow
Op deze foto, die op 24 januari 2016 werd genomen vanuit Paso de Cortes in de Mexicaanse deelstaat Puebla, is te zien hoe de vulkaan Popocatepetl aswolken uitstoot.

Ongeveer zes procent van de 1500 actieve vulkanen in de wereld – 50 tot 85 bergen – barsten elk jaar opnieuw uit, maar minder dan de helft van alle vulkanen zijn uitgerust met sensoren. Meer dan de helft van de vulkanen op aarde wordt amper in de gaten gehouden, als gevolg van de hoge kosten die nodig zijn om in zo’n onherbergzame omgeving de vereiste apparatuur te installeren en te onderhouden. Rond vulkanen die als uitgedoofd worden beschouwd, worden zelden sensoren geplaatst, ondanks recente verrassingen, zoals de uitbarsting van de vulkaan Chaitén in Chili, die in 2008 na een slaap van achtduizend jaar weer wakker werd.

Maar vulkanologen doen nu een beroep op satellietbeelden en kunstmatige intelligentie (KI) om meer vulkanen beter in de gaten te houden en uiteindelijk ook uitbarstingen te kunnen voorspellen. In het kader van het project MOUNTS (‘Monitoring Unrest from Space’), worden momenteel achttien vulkanen nauwgezet gevolgd, waaronder de vulkanen Fuego in Guatemala en Etna in Italië.

Er zijn genoeg redenen om het niveau van de observaties op te schroeven, want achthonderd miljoen mensen in de wereld wonen binnen een straal van honderd kilometer van een actieve vulkaan.

Door de hele geschiedenis heen hebben mensen zich op vulkaanhellingen gevestigd; de gevaren ervan werden getrotseerd vanwege de enorme vruchtbaarheid van vulkanische bodem, vertelt Sébastien Valade, projectleider van MOUNTS en onderzoeker aan de Technische Universität Berlin (TU Berlin).

In een recent onderzoek dat in het vakblad Remote Sensing is verschenen, wordt beschreven hoe in het kader van MOUNTS meerdere databases van satellietgegevens worden gebruikt om vulkanen permanent in de gaten te houden. Daarbij wordt gekeken naar signalen die meestal duiden op een verandering in vulkanische activiteit: vervormingen van de rotsbodem, uitstoot van gassen en toename van de temperatuur. Deze signalen kunnen in verschillende golflengten van het elektromagnetisch spectrum worden geregistreerd en worden daardoor allemaal door verschillende satellieten opgepikt.

Maar zulke omvangrijke databases, van gegevens die bovendien geregeld worden bijgewerkt, zijn onmogelijk om met de hand door te spitten. Dus werd de eerste fase van MONTS gewijd aan het onderzoeken van de mogelijkheid om gegevens met behulp van machinaal leren en algoritmen te analyseren. De onderzoekers ontwikkelden een kunstmatig neuraal netwerk, een vorm van KI, om grote vervormingen te detecteren, een teken dat magma zich onderaards verplaatst. Daarbij vergelijkt het neurale netwerk opnames van meerdere dagen om de verschillen te kunnen spotten.

“We willen de vulkanen niet permanent in de gaten houden,” zegt Andreas Ley, een onderzoeker van de TU Berlin die heeft samengewerkt met MOUNTS. “Wat we wilden, is dat het systeem ons vertelt wanneer er iets interessants aan de hand is.”

Detecteren van erupties

MOUNTS is in staat gebleken om tekenen van enkele recente uitbarstingen op te pikken, waaronder de eruptie van de Erta Ale in Ethiopië en uitbarstingen op Hawaï en in Italië. Het systeem zag ook een vervorming in verband met de uitbarsting van de Piton de la Fournaise op het eiland Réunionen stuurde een automatisch e-mailalarm aan gebruikers die zich hadden aangemeld voor updates. Op dit moment zijn alle gegevens van MOUNTS vrij beschikbaar op het internet, zodat wetenschappers ermee kunnen werken.

Maar het project en de toekomstige toepassingen ervan moeten eerst nog heel wat obstakels overwinnen. Het KI-systeem raakt verward doordat waterdamp in de atmosfeer satellietbeelden kan vervormen. Ook het vergelijken van meerdere satellietopnamen van hetzelfde gebied in verschillende seizoenen en bij veranderde bosbedekking levert problemen op. Bovendien kan het systeem de dure bodemsensoren nog niet vervangen.

Hoewel satellieten vulkanen zonder bodemsensoren in de gaten kunnen houden, kunnen ze niet alle eventualiteiten oppikken. Sommige uitbarstingen kunnen twee jaar van tevoren worden gedetecteerd, terwijl op andere opnamen misschien pas tien minuten van tevoren tekenen van een uitbarsting te zien zouden zijn. Satellieten kunnen deze veranderingen niet op tijd spotten om autoriteiten de kans te geven het gebied te ontruimen of omwonenden te waarschuwen.

Maar de ontwikkeling van KI staat wat betreft het in de gaten houden van vulkanen en het analyseren van erupties nog in de kinderschoenen. De volgende fase voor MOUNTS is de toepassing van KI op gecombineerde gegevens over de uitstoot van gassen, temperatuurstijgingen en bodemvervormingen. Daarbij wordt gekeken of het clusteren van al deze gegevens betere voorspellingen oplevert.

“We proberen KI te gebruiken om complexere signalen op te pikken die zonder KI misschien moeilijker zijn te herkennen,” zegt Valade.

Een nieuwe blik

Veel van de verwachte vooruitgang zal afhangen van satellietbeelden die gratis door overheden ter beschikking worden gesteld, zoals opnamen van de Europese Sentinel-satellietenen de Amerikaanse Landsat-satellieten. Voorheen waren dit soort opnamen duur, waardoor onderzoekers zich noodgedwongen moesten concentreren op een handvol vulkanen. Maar nu is het mogelijk om veel meer vulkanen in de gaten te houden, aldus Fabien Albino, een onderzoeker van de University of Bristol in Groot-Brittannië die heeft gewerkt aan een project waarbij 30.000 beelden van 900 vulkanen met behulp van een zelflerend algoritme werden geanalyseerd. Hij wist er zo’n honderd opnamen uit te zeven waarop mogelijke bodemvervormingen te zien waren. “Dat is veel meer dan we in het verleden hadden kunnen doen,” zegt Albino.

Met projecten die gebruikmaken van satellietopnamen zouden ook ontwikkelingslanden kunnen worden geholpen, waar men doorgaans over minder bodemstations beschikt. Een alarm op basis van satellietopnamen zou deze landen kunnen waarschuwen om meer bodemsensoren te plaatsen, een vulkaan extra in de gaten te houden of eventuele evacuaties te plannen. Volgens Albino werkt zijn team samen met collega’s in Ethiopië en Ecuador om erachter te komen met welk type informatie deze landen zich beter kunnen voorbereiden op potentiële dreigingen.

“We hebben niet het recht om tegen autoriteiten in die landen te zeggen of ze een gebied al dan niet moeten evacueren,” zegt hij. “Maar we kunnen ze wel meer inzicht in de situatie geven.”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

lees verder

Waarom vulkanen rookkringen uitblazen

<em>Het fascinerende fenomeen is overal ter wereld boven vulkanen waargenomen en stelde wetenschappers voor raadsels – tot nu toe.</em>

Zes onderzeese vulkanen ontdekt recht onder onze neus

<em>Veel geheimen van de diepzee blijven verborgen voor het oog van de mens, maar sommige liggen zelfs onder drukke scheepvaartroutes.</em>

Dit is nu (weer) de grootste vulkaan op aarde

<em>Nieuw onderzoek naar het onderzeese Tamu-massief toont aan dat deze formatie niet langer als ‘grootste vulkaan op aarde’ beschouwd kan worden, omdat het mogelijk helemaal geen vulkaan is.</em>
Lees meer