海底火山噴發(fā)可以事先預(yù)測(cè)嗎？

1月14日湯加洪阿哈阿帕伊島海底火山發(fā)生劇烈噴發(fā)，其引發(fā)的海嘯已造成6人死亡。湯加約84%的人口受到火山灰和海嘯的影響?；鹕絿姲l(fā)給這個(gè)南太平洋島國(guó)造成了巨大的災(zāi)難。

作為一種地質(zhì)現(xiàn)象，火山噴發(fā)本是常事，但由于火山噴發(fā)可能會(huì)導(dǎo)致毀滅性的后果，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，甚至還會(huì)引發(fā)海嘯等災(zāi)害，所以目前世界各國(guó)都非常重視火山噴發(fā)的預(yù)測(cè)工作。

聲吶技術(shù)用于預(yù)測(cè)

在陸地上，科學(xué)家們可以在火山地表及大氣層中持續(xù)監(jiān)測(cè)火山活動(dòng)過(guò)程。 而海底火山巖漿大部分隱藏在海平面幾千米以下，且脾氣反復(fù)無(wú)常。傳統(tǒng)的衛(wèi)星觀測(cè)技術(shù)只能在火山噴發(fā)出海面時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，為時(shí)已晚。

水下聲吶技術(shù)是通過(guò)在海底布放聲吶設(shè)備，相當(dāng)于“耳朵”，監(jiān)測(cè)巖漿活動(dòng)所產(chǎn)生的次聲波數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)海底火山的噴發(fā)。但是想要成功預(yù)測(cè)，則需要研究火山噴發(fā)與噴發(fā)前巖漿活動(dòng)所產(chǎn)生的次聲波信號(hào)的關(guān)聯(lián)?；鹕絿姲l(fā)是地下巖漿短時(shí)間內(nèi)向地表強(qiáng)烈噴溢的地質(zhì)現(xiàn)象，是地球內(nèi)部能量快速釋放形式之一。

地下巖漿向地表運(yùn)移而產(chǎn)生巖石破裂或顛動(dòng)往往可能引發(fā)一系列中小地震?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)在海底火山噴發(fā)前幾個(gè)小時(shí)會(huì)監(jiān)測(cè)到數(shù)千個(gè)中小地震信號(hào)，同時(shí)火山噴發(fā)初期產(chǎn)生的熔巖和水發(fā)生了劇烈的反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生“咕嚕咕嚕”的聲音。聲吶設(shè)備一旦監(jiān)測(cè)到這些信號(hào)能量突然的增加，通過(guò)信號(hào)分析技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)海底火山噴發(fā)的短期預(yù)警。2011年，科學(xué)家們?cè)诿绹?guó)俄勒岡州附近的Axial Seamount海底火山噴發(fā)前的2.6小時(shí)監(jiān)測(cè)到信號(hào)能量突然的飆升，證明了短期預(yù)警的可能性。

至于海底火山噴發(fā)的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，卻一直沒(méi)有特別有效的方法。因?yàn)楹５谆鹕揭汛嬖诹藬?shù)百年甚至數(shù)萬(wàn)年，并可能長(zhǎng)期處于休眠狀態(tài)，在如此漫長(zhǎng)的時(shí)間軸上，很難區(qū)分?jǐn)?shù)天和數(shù)年產(chǎn)生信號(hào)的差距。目前，有科學(xué)家收集了幾年內(nèi)巖漿不斷侵入引發(fā)海底火山膨脹的資料，用于火山噴發(fā)的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。但是如何保證長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性讓科學(xué)家們研究起來(lái)非常頭疼。

水聲通信技術(shù)用于海底傳輸

海底火山預(yù)警的信息如何從海底傳送到陸地上則是另外一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。由于水下電纜、光纜布設(shè)困難、成本高昂、易被破壞，使得水下有線通信的應(yīng)用受到非常大的限制。同時(shí)，由于電磁波在水下衰減嚴(yán)重，所以無(wú)法在深水中傳輸。我們?nèi)粘Ｓ玫氖謾C(jī)是無(wú)法在水下進(jìn)行通信的，因此需要用聲波作為傳輸媒介，建立水聲通信系統(tǒng)。水聲通信系統(tǒng)工作原理是首先將文字、語(yǔ)音和圖像等信息經(jīng)過(guò)編碼、調(diào)制后，由聲學(xué)換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)。聲信號(hào)通過(guò)水這一介質(zhì)，將信息傳遞到接收換能器。這時(shí)聲信號(hào)又轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大濾波和解調(diào)后，將信息還原成文字、語(yǔ)音和圖像。但是聲波在水下具有帶寬窄、傳輸速度慢、時(shí)空頻變和干擾多等問(wèn)題，使得水聲通信面臨很多挑戰(zhàn)。

不過(guò)，經(jīng)過(guò)科學(xué)家們大量的研究探索，水聲通信技術(shù)水平已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。我國(guó)“蛟龍”號(hào)在7000米深的海底通過(guò)水聲通信系統(tǒng)與在太空的“天宮一號(hào)”航天員實(shí)現(xiàn)了海天對(duì)話。這也是在國(guó)際上的一次創(chuàng)舉。水聲通信網(wǎng)絡(luò)和高速的水聲通信系統(tǒng)應(yīng)該是未來(lái)水聲通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

最后，在海底設(shè)備的安裝布放、供電以及維修等都比在陸地上困難許多，使得海底火山監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)面臨諸多挑戰(zhàn)。真正實(shí)現(xiàn)海底火山噴發(fā)的預(yù)警，人類社會(huì)依舊任重道遠(yuǎn)。一方面亟需資金支持，同時(shí)也需要更多的科學(xué)家和足夠的設(shè)備來(lái)支撐研究工作。近年來(lái)新興的人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法為我們提供了一個(gè)新的切入點(diǎn)，但是距離海底火山噴發(fā)的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)還有很長(zhǎng)一段路要走。盡管如此，海底火山的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)仍然是一個(gè)值得全人類共同努力的目標(biāo)。目前需要耐心，拭目以待。