Извержение и пепел: чем опасны вулканы и чем могут помочь нейросети

Вулканическая активность в мире

Вулкан — это гора с кратером, через который периодически может извергаться лава и пепел. Вулканы бывают действующими — извергались последние 10 тыс. лет, спящими — извергались когда-то давно, но вряд ли будут извергаться в ближайшее время, потухшими — извергаться больше никогда не будут.

На Земле насчитывается более 1,5 тыс. действующих вулканов. Из них порядка 50–70 извергаются ежегодно. В 2023 году было зафиксировано 72 извержения 69 вулканов по всему миру. Среди них — вулканы Марапи и Демпо в Индонезии, Кикаи и Иото в Японии, Майон на Филиппинах, Сан-Кристобаль в Никарагуа, Сундхнукур в Исландии, Шишалдин в США, Шивелуч, Чикурачки и Ключевский в России.

Последствия извержений вулканов

Вулканы извергаются как на суше, так и на дне океана. В результате извержения подводных вулканов могут появляться горы и даже острова. Осенью 2023 года после извержения подводного Иото появился небольшой остров диаметром около 100 м и высотой 20 м над уровнем моря.

Однако чаще извержение вулканов, как наземных, так и подводных, влечет за собой трагические последствия. Например, в 1883 году извержения Кракатау в Индонезии привело к гибели более 36 тыс. человек, Тамборы в 1815 году (тоже в Индонезии) — к 11 тыс. смертей, Везувия в 79 году (в Италии) — к 2 тыс. В конце 2023 года в результате неожиданного извержения вулкана Марапи погибли 23 альпиниста.

Извержение вулканов опасно не только раскаленной лавой, но также тяжелыми газами, такими как углекислый газ и сероводород. Они могут скапливаться в низменных районах и затруднять дыхание как у людей с астмой и другими респираторными заболеваниями, так и у здоровых людей.

Другая серьезная проблема — пепел. В России от вулканической активности страдает Камчатка. Вулканы накрывают десятки населенных пунктов пеплом, авиасообщение останавливается, администрация тратит большое количество средств на восстановление дорог, электро- и водоснабжения. Кроме того, при мощных пеплопадах почва затвердевает, сотни животных остаются без пищи, из-за чего вымирают популяции уникальных видов.

Может ли ИИ предсказать извержение вулкана?

Моделей ИИ, которые бы предсказывали извержение вулканов нет, но есть проекты, которые мониторят вулканическую активность в реальном времени и анализируют ее с помощью технологий ИИ.

В 2019 году группа исследователей во главе с вулканологом Себастьеном Валаде из Технического университета Берлина и Потсдамского центра имени Гельмгольца разработала платформу мониторинга вулканической активности MOUNTS. Она собирает спутниковые снимки вулканов, а ИИ помогает обрабатывать данные. На момент написания статьи (февраль 2024 года) на платформе можно отследить активность 88 вулканов по всему миру.

Платформа представляет собой сайт с интерактивной картой, на которой можно выбрать вулкан и посмотреть данные о его активности: объем выбросов оксида серы, температурные изменения, изменения рельефа и т.д. Кроме того, сервис предоставляет данные исторических наблюдений с 2000 года, позволяет сравнить спутниковые изображения вулканов в разные периоды и предоставляет другую информацию, которая может быть полезной для мониторинга и предсказания вулканической активности.

Другой проект мониторинга данных вулканической активности — центр наблюдения и моделирования землетрясений, вулканов и тектоники (COMET). Группа исследователей изучает землетрясения и вулканы с помощью данных спутников, наземных наблюдений и геофизических моделей.

На портале есть данные по 95 вулканам. По каждому из них представлены графики временных рядов смещения (они показывают динамику тектонических движений) и карты вероятностей изменения формы вулканов и окружающей его земли, сформированные методами машинного обучения. Эти данные помогают вулканологам быстро обнаруживать деформации вулканов на графиках и оценивать, являются ли какие-либо видимые сигналы шумом или настоящими тектоническими смещениями.

Почему предсказать извержение вулкана сложно

Во-первых, нет единой закономерности, по которой можно предсказать извержение. Многие вулканы ведут себя по-разному. Одни могут демонстрировать всплеск активности, но в итоге ничего не произойдет. Другие, наоборот, могут перед извержением подавать мало признаков. Кроме того, поведение одного и того же вулкана в разное время может отличаться.

Во-вторых, для точного предсказания нужны не только спутниковые данные, но и датчики на самих вулканах. Установить приборы бывает сложно, потому что до них бывает трудно и опасно добираться. Обычно на место выезжает один исследователь, потому что посылать большую многопрофильную команду может быть очень дорого. Сейсмографы, которые нужны для мониторинга вулканической активности, тоже стоят дорого. Кроме того, они неравномерно распределены по миру, и место их установки зависит от наличия специалистов с необходимыми навыками для его использования и обслуживания. Все это приводит к недостаточному количеству данных, по которым трудно спрогнозировать извержение вулкана.

Что ИИ может точно предсказать?

Метеорологическая компания Weathernews в 2021 году запустила систему обнаружения вулканического пепла. Если извержение вулкана несильное и количество выброшенного пепла небольшое, то обычные облака могут заслонять облака вулканического пепла. В таком случае зафиксировать извержение со спутниковых снимков может быть сложно. Это опасно для самолетов, в турбины которых может попасть пепел. Если обычные облака состоят из воды, то пепел — из фрагментов горных пород, минеральных кристаллов и вулканического стекла. Они могут вывести двигатель из строя, поцарапать стекло кабины пилотов, загрязнить топливную и водяную системы самолета и т.д.

Weathernews предложила систему, которая в реальном времени анализирует изображения спутниковых снимков и распознает в просветах облаков вулканический пепел по его форме и текстуре. Система помогает компании информировать своих клиентов об извержении вулканов, скорости и направлении распространении пепла. Особенно в этом заинтересованы авиакомпании в Японии и Юго-Восточной Азии, где много действующих вулканов.

А в 2024 году облачная платформа Yandex Cloud, «Яндекс Погода» совместно со Школой анализа данных (ШАД) «Яндекса» разработала сервис для прогнозирования распространения вулканического пепла. Он поможет спасательным и городским службам быстрее оповещать авиацию, жителей и туристов о распространении пепла. Сейчас сервис уже работает на Камчатке. Пользователь может выбрать вулкан и следить за передвижением облака пепла. Сервис отобразит его границы на разных высотах в разные моменты времени. Его также можно адаптировать для прогноза распространения выбросов пепла в любой точке мира.

Сервис представляет собой интерактивную карту, которая показывает, как с момента выброса облака пепла будут распространяться в течение следующих суток. В основе лежит модель машинного обучения и математическая модель рассеивания примесей в атмосфере.

ML-модель, обученная студентами ШАД, отслеживает момент выброса пепла, а математическая определяет, где именно будет находиться облако. В обучающую выборку вошли фото и видео за 23 года наблюдений за вулканами, предоставленные Геофизической службой РАН. Разработчики планируют добавить возможность определять высоту и плотность пепла с помощью других моделей машинного обучения.

Есть и другие работы, где авторы по спутниковым снимкам с помощью технологий искусственного интеллекта предлагают распознавать наличие вулканического пепла в атмосфере, предсказывать его распространение и анализировать его состав. Однако они, как правило, представлены в виде исследований, а не реализованных систем и сервисов. Например, в 2023 году канадские исследователи разработали модель, которая прогнозирует скопление конкретных частиц пепла в вулканическом шлейфе. В том же году группа французских исследователей предложила модель анализа частиц вулканического пепла. Анализ частиц может рассказать о процессах, стимулирующих активность вулкана.