یک آتشفشان که به خاطر دریاچه گدازه‌ای درخشانش مشهور است، یک سیستم پیچیده از ماگما را در زیرزمین پنهان کرده است. دانشمندانی از دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا شواهدی از دو منبع ماگما که قبلاً ناشناخته بودند را در زیر آتشفشان فعال ماسایا در نیکاراگوئه کشف کرده‌اند و سؤالات جدیدی را در مورد نحوه حرکت سنگ مذاب در زیر سطح زمین مطرح کرده‌اند.
این کشف به ویژه مهم است زیرا تقریباً دو میلیون نفر در فاصله 13 مایلی این آتشفشان زندگی می‌کنند که همچنین یک مقصد گردشگری محبوب است. درک فعالیت‌های زیرزمینی آن می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا نشانه‌های هشداردهنده فوران‌های آینده را شناسایی کرده و جوامع مجاور را بهتر محافظت کنند.
محققان با استفاده از شش سال مشاهدات ماهواره‌ای، تغییرات ظریف در زمین اطراف ماسایا را ردیابی کردند. آنها دریافتند که یک قسمت از آتشفشان در ابتدا فرو نشست و سپس شروع به بالا آمدن کرد، که احتمالاً نشان‌دهنده ورود ماگما تازه به یک مخزن عمیق است. در همین حال، زمین اطراف دهانه فعال سانتیاگو و دریاچه گدازه به فرو نشستن خود ادامه داد که نشان می‌دهد یک مخزن ماگما جداگانه و کم‌عمق‌تر رفتار متفاوتی دارد.
یافته‌ها، که در Geophysical Research Letters منتشر شده است، نشان می‌دهد که سیستم ماگما زیرزمینی این آتشفشان ممکن است بسیار پیچیده‌تر از آنچه قبلاً تصور می‌شد باشد.
لیدی جانسون، نویسنده اصلی این تحقیق که در ماه می مدرک کارشناسی خود را در علوم زمین از دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا دریافت کرد، گفت: «این مشاهدات به دانشمندان کمک می‌کند تا نحوه حرکت ماگما در زیر ماسایا را بهتر درک کنند و ممکن است در آینده به بهبود پایش و پیش‌بینی فوران کمک کند.»
چرا آتشفشان ماسایا به دقت پایش می‌شود
ماسايا که در نزدیکی ماناگوآ، پایتخت نیکاراگوئه واقع شده است، یک آتشفشان از نظر زمین‌شناسی پیچیده است که دارای چندین دهانه و دهانه آتشفشانی همپوشان است. دهانه‌های آتشفشانی فرورفتگی‌های بزرگ هستند که به طور کلی زمانی تشکیل می‌شوند که زمین پس از خروج ماگما از یک حفره زیرزمینی فرو می‌پاشد.
اگرچه دانشمندان سال‌هاست که ماسایا را مطالعه می‌کنند، اما حرکت ماگما در مخازن و گذرگاه‌های زیرزمینی آن هنوز به خوبی درک نشده است. این سیستم‌ها می‌توانند در طول زمان تغییر کنند و تعیین دقیق آنچه در زیر آتشفشان می‌گذرد را دشوار کنند.
جانسون گفت: «داشتن درک کامل از فعالیت‌های آتشفشانی ماسایا و خطرات مرتبط با آن بسیار مهم است، زیرا حدود دو میلیون نفر در نزدیکی ماسایا زندگی می‌کنند و دهانه آتشفشانی یک پارک ملی و یک مقصد گردشگری محبوب است.» اگرچه ماسایا آخرین بار در سال 1772 جریان گداوه‌ای بزرگ ایجاد کرد، اما گازدهی مداوم آن اغلب غلظت‌های خطرناک گاز دی‌اکسید گوگرد را تولید می‌کند.
دی‌اکسید گوگرد یک گاز آتشفشانی بالقوه مضر است که هنگام نزدیک شدن یا ماندن ماگما در سطح آزاد می‌شود. حتی بدون فوران بزرگ، غلظت‌های بالا می‌توانند شرایط خطرناکی برای بازدیدکنندگان و جوامع اطراف ایجاد کنند.
یونگ چئول کیم که این تابستان دکترای خود را در علوم زمین در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا به پایان رساند، توضیح داد که پایش مداوم آتشفشان برای تشخیص فعالیت‌های عادی از تغییراتی که ممکن است نشان‌دهنده افزایش خطرات آتشفشانی باشد، ضروری است.
او گفت: «پایش مداوم به ما امکان می‌دهد تا فعالیت پایه را درک کنیم و ببینیم که آیا تغییراتی رخ می‌دهد یا خیر.» و اگر نیاز به هشدار به مردم باشد، می‌توانیم این کار را به موقع انجام دهیم.
ماهواره‌ها حرکات پنهان زیر آتشفشان را آشکار می‌کنند
برای بررسی فعالیت‌های زیرزمینی ماسایا، محققان اندازه‌گیری‌های جمع‌آوری‌شده توسط ماهواره سنتینل-1 را که تقریباً هر 12 روز یک بار آتشفشان را مشاهده می‌کند، تجزیه و تحلیل کردند.
تیم از تکنیکی به نام رادار مصنوعی با دیافراگم ترکیبی (InSAR) استفاده کرد که می‌تواند تغییرات بسیار کوچک در ارتفاع سطح زمین را تشخیص دهد. با مقایسه اندازه‌گیری‌های ماهواره‌ای گرفته‌شده در زمان‌های مختلف، دانشمندان می‌توانند مناطقی را که زمین در حال بالا یا پایین رفتن است، شناسایی کنند.
این تکنیک دو قابلیت مهم را با هم ترکیب می‌کند. رادار مصنوعی سیگنال‌های مایکروویو را به سمت سطح زمین ارسال می‌کند و به ماهواره‌ها اجازه می‌دهد تا حتی زمانی که ابرها زمین را پوشانده‌اند، اندازه‌گیری‌ها را جمع‌آوری کنند. تداخل‌سنجی سیگنال‌های رادار بازگشتی را مقایسه می‌کند تا تغییرات در فاصله بین ماهواره و سطح را تشخیص دهد.
این امر به ویژه در مناطق گرمسیری که پوشش ابری مکرر می‌تواند تصاویر ماهواره‌ای معمولی را کمتر قابل اعتماد کند، ارزشمند است.
کیم توضیح داد: «نفوذ ابر برای آتشفشان‌ها مهم است زیرا بسیاری از آنها، مانند ماسایا، در مناطق گرمسیری با پوشش ابری مکرر قرار دارند.» و وقتی به تمام تصاویر ماهواره‌ای در طول چندین سال نگاه می‌کنیم، می‌توانیم ببینیم که فاصله بین ماهواره و زمین چگونه تغییر می‌کند، جایی که در حال بالا رفتن یا فرورفتن است.
با بررسی این حرکات ظریف در طول زمان، محققان می‌توانند فرآیندهایی را که در اعماق زیر سطح رخ می‌دهد، بررسی کنند بدون اینکه مستقیماً ماگما را مشاهده کنند.
دو مخزن ماگما با رفتارهای متفاوت
اندازه‌گیری‌های ماهواره‌ای الگوی جالبی را بین سال‌های 2018 و 2024 نشان داد. در طول قسمت اول مطالعه، زمین درون دهانه ماسایا به تدریج فرونشست، به این معنی که به سمت پایین حرکت کرد. بعداً، همان منطقه شروع به بالا آمدن کرد.
دانشمندان معتقدند که این انتقال می‌تواند نشان‌دهنده تغییر در مقدار ماگما ذخیره شده در زیرزمین باشد. هنگامی که ماگما از یک مخزن تخلیه می‌شود، زمین بالای آن می‌تواند فرونشست کند. هنگامی که ماگما اضافی وارد می‌شود و فشار را در یک مخزن افزایش می‌دهد، سطح ممکن است بالا بیاید.
شگفت‌انگیزترین یافته این بود که منطقه اطراف دهانه سانتیاگو این الگو را دنبال نکرد. در عوض، حتی زمانی که کل دهانه شروع به بالا آمدن کرد، به فرونشستن خود در طول کل دوره شش ساله ادامه داد.
جانسون گفت: «هنگامی که در حال فرونشست است، به این معنی است که احتمالاً ماگما در حال تخلیه از آتشفشان است، اما هنگامی که زمین شروع به بالا آمدن می‌کند، می‌تواند به این معنی باشد که ماگما جدید در حال حرکت است.» در عین حال، منطقه مستقیماً در اطراف دهانه فعال سانتیاگو به طور مستقل از انتقال به تورم مخزن اصلی، در طول کل دوره مطالعه فرونشست. این نشان می‌دهد که سیستم لوله‌کشی پیچیده‌تر است و ممکن است به دلیل کاهش ماگما در مخزن کم‌عمق‌تر باشد.
این مشاهدات در کنار هم نشان می‌دهد که ماسایا ممکن است حداقل دو قسمت متمایز در سیستم ذخیره ماگما خود داشته باشد که تغییرات متفاوتی را تجربه می‌کنند. یک منبع عمیق‌تر ممکن است ماگما اضافی را به مخزن اصلی تأمین کند، در حالی که یک مخزن کم‌عمق‌تر در نزدیکی دهانه سانتیاگو ممکن است ماگما را از دست بدهد.
این امر می‌تواند توضیح دهد که چرا بخش‌های مختلف یک آتشفشان به طور همزمان در جهت مخالف حرکت می‌کنند.
این کشف چه معنایی برای فوران‌های آینده دارد
درک این حرکات زیرزمینی مهم است زیرا تغییرات در زمین می‌تواند نشان‌دهنده محل تجمع ماگما، نحوه حرکت آن و نحوه رسیدن آن به سطح باشد.
محققان تأکید کردند که مشاهدات آنها هیچ خطر فوری برای جوامع اطراف ماسایا نشان نمی‌دهد. با این حال، شناسایی رفتار عادی و درک سیستم تأمین ماگما می‌تواند شناسایی تغییرات غیرمعمول در آینده را آسان‌تر کند.
مشاهدات ماهواره‌ای مداوم، همراه با مدل‌های کامپیوتری دقیق‌تر، می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا ارتباط بین مخازن ماگما زیرزمینی و فعالیت‌های آتشفشانی در سطح را بهتر درک کنند.
جانسون گفت: «مطالعات ژئودتیک و مدل‌سازی طولانی‌مدت بیشتر، درک کاملی را فراهم می‌کند و امکان پایش و کاهش موثر خطرات را در ماسایا و سایر آتشفشان‌های بازالتی با دریاچه گداوه فراهم می‌کند.
بنابراین، این یافته‌ها ممکن است پیامدهایی فراتر از نیکاراگوئه، به ویژه برای سایر آتشفشان‌های فعال که دارای دریاچه‌های گداوه دائمی و سیستم‌های پیچیده ماگما زیرزمینی هستند، داشته باشد.
از تحقیقات کارشناسی تا علم آتشفشان
جانسون پس از شرکت در سخنرانی کریستل واتیر، استاد علوم زمین و مدیر مرکز محاسباتی دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، به این پروژه علاقه‌مند شد.
او این تحقیق را به عنوان بخشی از پایان‌نامه افتخاری خود در کالج افتخاری Schreyer انجام داد و در کنار محققان تحصیلات تکمیلی، از جمله کیم، برای تجزیه و تحلیل اندازه‌گیری‌های ماهواره‌ای و توسعه مهارت‌های علمی خود کار کرد.
جانسون گفت: «از اینکه توانستم نحوه کار یک گروه تحقیقاتی را یاد بگیرم، قدردانی کردم.» من قبلاً تجربه تحقیقاتی نداشتم، بنابراین عالی بود که بتوانم در جلسات گروه شرکت کنم و در مورد کار همه صحبت کنم. و یادگیری کدنویسی نیز مفید بود زیرا من در مقطع دکتری به آن ادامه می‌دهم.
این تحقیق از حمایت بنیاد ملی علوم ایالات متحده از طریق جوایز 1945417 و 2523375 و همچنین منابع محاسباتی ارائه شده توسط موسسه محاسباتی و علوم داده دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا برخوردار شد. نویسندگان مسئول انحصاری یافته‌ها و نتیجه‌گیری‌ها هستند که لزوماً دیدگاه‌های سازمان‌های تأمین‌کننده را نشان نمی‌دهد.