수백개일 때 화산학자 지난 7월 제네바에 모인 세계 최대 규모의 행사 화산학 회의이탈리아의 국립 지구물리학 및 화산학 연구소 (INGV) 특별한 관심을 끌었습니다. INGV가 발표했습니다 결과 지중해에서 가장 많이 감시되는 화산 중 하나인 스트롬볼리(Stromboli)를 5년간 매우 가까운 거리에서 관찰한 결과입니다. 빈번한 소규모 폭발로 인해 이곳은 화산학자들을 위한 자연 실험실이자 약 500명의 섬 주민과 수천 명의 관광객들에게 지속적인 안전 문제가 되고 있습니다.
지난 3년간의 면밀한 관찰은 폭발성 폭발의 운동학적 획득을 위한 설정(SKATE)이라는 휴대용 관측소를 통해 가능해졌습니다. 여행 가방 크기의 시스템에는 분출을 초당 수백 프레임으로 포착하여 포효와 열기를 동시에 기록하는 기술이 탑재되어 있습니다.
몇 시간 동안 폭발물 폭발을 촬영하고 분석하는 동시에 열, 소리, 움직임에 대한 데이터를 캡처하는 것은 역사적으로 까다롭고 위험했습니다. 그러나 이것이 바로 데이터 과학자들이 폭발이 어떻게 작동하고 시간이 지남에 따라 진화하는지 이해하는 데 필요한 것입니다. SKATE는 관측소 데이터의 동기화된 스트림을 자동으로 기록하고 연구자가 화산 경사면에서 소요하는 시간을 최소화함으로써 해당 프로세스를 보다 안전하고 간단하게 만듭니다.
“폭발성 분출은 트럭 크기의 입자나 초당 몇 미터에서 초음속으로 이동할 수 있는 먼지 알갱이의 매우 빠른 과정입니다.”라고 말합니다. 야코포 타데우치INGV 선임연구원. “원인과 결과를 이해하려면 초당 수백 프레임을 촬영하는 카메라와 분출을 한 번에 보고 듣고 느낄 수 있는 도구가 필요합니다.”
스트롬볼리 외에도 SKATE는 인근 지역에서 테스트를 거쳤습니다. 에트나 산뿐만 아니라 과테말라의 화재 그리고 산티아기토 화산. 세계적인, 5억명 활화산 근처에 살고 있는데, 그 중 대부분은 모니터링 시스템이 없습니다. INGV는 현재 다음을 포함한 다른 화산에 배치를 계획하고 있습니다. 바누아투의 야수르 산, 백열등의 용암과 가스가 리드미컬하게 분출되는 거의 연속적인 폭발로 인해 “태평양의 등대”로 알려져 있습니다.
SKATE의 혁신적인 화산학 기술
SKATE를 조립한 사람은 기술 장비 엔지니어링 솔루션 (TEES)는 맞춤형 과학 장비를 생산하는 이탈리아 제조업체입니다. 듀소프트고속 데이터 수집 및 측정 시스템을 전문으로 하는 슬로베니아 회사입니다. 두 회사는 INGV의 사양에 따라 전체 천문대를 €50,000(약 US $58,000)의 예산으로 단단한 폴리프로필렌 껍질에 포장했습니다.
SKATE는 고속, 열 및 음향 센서 결합의 가치를 최초로 입증한 FAMoUS(Fast Multiparametric Setup)로 알려진 초기 INGV 프로토타입의 간소화된 후속 제품입니다. 그러나 심각한 단점도 있었습니다. 무겁고 부피가 크고, 현장에 설치하는 데 오랜 시간이 걸렸으며, 수동 트리거링이 필요했기 때문에 연구자들은 소수의 시퀀스만 캡처하기 위해 위험 구역에서 몇 시간을 보내야 했습니다.
SKATE는 이전 시스템인 FAMoUS보다 이식성과 배포가 더 쉽습니다.피에르조르지오 스칼라토와 야코포 타데우치
SKATE 내부에는 방수 PC 초당 32프레임의 열화상 카메라 녹화를 조정합니다. 고속 카메라 급격한 온도 상승을 감지하면 영상을 연속으로 녹화합니다. 실제로 연속 4K 비디오 캡처는 SKATE의 데이터 스토리지를 빠르게 가득 채우게 됩니다. 하루에 4K를 녹화하려면 SKATE보다 100배 많은 메모리가 필요하기 때문입니다.
“진정한 과제는 카메라와 센서를 연결하는 것이 아니었습니다.”라고 말합니다. 알레시아 롱고Dewesoft의 엔지니어. “그것은 완벽하게 동기화된 단일 파일에 쓰도록 강요하고 데이터 홍수를 길들이는 것이었습니다.”
해당 데이터는 총 용량이 최대 6TB인 두 개의 SSD에 저장되며, 시스템은 날씨가 좋을 때 하루 종일 자율적으로 작동합니다. 태양 전지 패널 그리고 교체 가능한 배터리.
“화산학자의 창의성은 스포츠 행사에 사용되는 고속 카메라나 군용 열화상 카메라 등 다른 산업을 위해 개발된 기술을 활용하여 활화산에 대한 과학적 연구에 적용하는 능력에 있습니다.”라고 말합니다. 피에르조르지오 스칼라토INGV의 연구 이사.
모듈식 설계로 화산 모니터링 강화
Stromboli의 활성 통풍구에서 300~900m 떨어진 곳에 위치한 SKATE는 거의 전적으로 자체적으로 작동합니다. 연구원들은 배터리와 메모리 카드를 교체하기 위해 하루에 한 번만 하이킹을 합니다.
디자인도 모듈식이다. 열, 고속 및 음향 센서와 함께 INGV는 이제 UV 카메라로 SKATE를 테스트하여 정량화하고 있습니다. 이산화황 방출. 또한 화산 기둥이나 분화구 가장자리까지의 거리를 제공하거나 초당 10회 경사를 이동하는 레이저 거리 측정기를 테스트하고 있습니다. 또한 폭발 중에 분출된 개별 용암 폭탄과 암석 조각에 대한 분석을 제공하여 궤적과 착륙 지점을 정확하게 재구성할 수 있습니다.
Scarlato는 “깊이는 멋진 이미지를 측정값으로 바꾸는 것입니다. 화산 발사체가 어떻게 발사되는지, 얼마나 멀리 이동하는지, 어디로 떨어지는지 이해함으로써 폭발이 사람, 인프라 및 주변 환경에 미치는 영향을 더 잘 평가할 수 있습니다.”라고 말합니다.
스트롬볼리에서 INGV 팀은 2019년부터 2024년 사이에 기록된 천 건 이상의 폭발을 분석하여 고속 비디오, 온도 및 소리를 일치시켰습니다. 그들이 발견한 각각의 분출구는 고유한 특성을 갖고 있습니다. 가스가 풍부한 제트기의 소리는 더 부드럽고 오래 지속되는 반면, 화산 폭탄(분출 중에 튀어나온 용암 덩어리)과 화산재가 풍부한 폭발은 짧게 굉음을 내며 백열등 파편을 공중으로 더 높이 던지는 것입니다.
화산 데이터 분석에서 SKATE의 역할
SKATE는 연중무휴 알람이 아닙니다. 분화구 가장자리에서 실시간으로 스트리밍하기에는 너무 복잡하고 데이터가 많이 필요합니다. 대신, 열화상 카메라, 초저주파 어레이, 기타 장비 등 크레이터에서 멀리 떨어진 곳에 위치한 고정 모니터링 네트워크가 신호를 더 잘 이해하는 데 도움이 됩니다.
연구원은 SKATE를 사용하여 화산을 모니터링합니다.피에르조르지오 스칼라토와 야코포 타데우치
SKATE의 데이터는 과학자들에게 도움이 됩니다 가설 검정 마그마 내부에서 기포가 어떻게 솟아 오르고 터지는지, 화산 통로가 어떻게 형성되는지, 일반 모니터링으로는 볼 수 없는 지하 과정을 연구합니다. INGV는 일부 반복 패턴을 참조 라이브러리로 전환하여 자동화 시스템이 실시간 데이터 스트림에서 조기 경고 신호를 인식하도록 훈련할 수 있는 것을 목표로 합니다.
SKATE의 성공은 화산학자들이 활화산에서 경고 신호를 모니터링하는 방식을 변화시키고 있습니다. 그러나 화산은 결코 예측 가능하거나 안전한 환경이 될 수 없습니다. 습기는 케이블을 부식시키고 카메라 렌즈에 김이 나는 경우가 많습니다. 최근 배포 중에 염소가 마이크 케이블을 먹은 일이 있었습니다. 그리고 최근 Stromboli에 대한 연구 캠페인에서 INGV는 밤에 빛나는 폭탄을 추적하는 데 이상적인 새로운 흑백 고속 센서를 실험했는데, Stromboli의 폭발은 단 몇 초만 지속되고 센서가 폭탄에 초점을 맞추기 어렵게 만들기 때문에 예상보다 까다로웠습니다.
장애물에도 불구하고 SKATE가 제공하는 빠르고 상세한 데이터는 환영할 만합니다. Scarlato는 “습도, 가스, 급격한 온도 변화 등 극한의 조건에서 작업하는 것은 모든 기술에 대한 실제 테스트입니다.”라고 말합니다. “이제 차이점은 우리의 개입이 몇 시간이 아닌 몇 분 동안 지속된다는 것입니다.”