Πρόβλεψη της δράσης των ηφαιστείων με λέιζερ

Πηγή: Scientific American, Δεκέμβριος 2004

Το 79 μ.Χ., ο Βεζούβιος εξερράγη, αφανίζοντας τις πόλεις Πομπηία και Ηράκλειο στην περιοχή της Καμπανιάς και σκοτώνοντας χιλιάδες ανθρώπων που δεν πρόλαβαν να τις εγκαταλείψουν. Προς αποτροπή μιας ανάλογης μοίρας για τη σύγχρονη πόλη της Νάπολης, η οποία βρίσκεται γύρω στα 10 χιλιόμετρα δυτικά του ακόμα ενεργού Βεζούβιου, αλλά και των πόλεων που γειτνιάζουν με την εκρηκτική Αίτνα στη Σικελία, ένα καινοφανές σύστημα λέιζερ θα μπορεί σύντομα να προβλέπει τις ηφαιστειακές εκρήξεις μήνες πριν.

Οι τρέχουσες μέθοδοι πρόβλεψης ηφαιστειακών εκρήξεων έχουν διάφορα μειονεκτήματα. Τα σεισμόμετρα παρακολουθούν και καταγράφουν ελαφρές δονήσεις και άλλα είδη εδαφικής δραστηριότητας που σηματοδοτούν το ξύπνημα ενός ηφαιστείου, όμως οι ενδείξεις τους μπορεί τελικά να αποδειχθούν ανακριβείς ή δυσερμήνευτες.

Η αναζήτηση διαφυγόντων αερίων μπορεί να αποκαλύψει αν στο εσωτερικό του ηφαιστείου κινείται μάγμα, ωστόσο τα όργανα που χρησιμοποιούνται για την ανάλυση τέτοιου είδους εκπομπών είναι συχνά πολύ λεπτεπίλεπτα και ογκώδη για να λειτουργήσουν εκτός εργαστηρίου.

"Στην αρχή πρέπει να περισυλλέξουμε δείγματα από το ηφαίστειο, κατόπιν να τα μεταφέρουμε στο εργαστήριο, και συχνά να περιμένουμε στην ουρά για βδομάδες έως και μήνες μέχρι να γίνει η ανάλυση τους", εξηγεί ο Frank Tittel, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Rice (Χιούστον).

Μια περισσότερα υποσχόμενη τεχνική πρώιμης ανίχνευσης εστιάζει στις μεταβολές των ισοτόπων άνθρακα στο διοξείδιο του άνθρακα. Ο λόγος άνθρακα 12 προς άνθρακα 13 στην ατμόσφαιρα είναι χονδρικά 90 προς 1, μπορεί όμως να διαφέρει σημαντικά στα ηφαιστειακά αέρια. Μια ισχνή μεταβολή του λόγου αυτού, της τάξεως του 0,1 μέρους ανά εκατομμύριο, θα μπορούσε να σηματοδοτεί την εισροή διοξειδίου του άνθρακα από το μάγμα το οποίο είτε συγκεντρώνεται κάτω από το ηφαίστειο είτε ανέρχεται στο εσωτερικό του.

Τα λέιζερ μπορούν να συμβάλλουν στην ανίχνευση αυτής της μεταβολής, αφού ο άνθρακας 12 και ο άνθρακας 13 απορροφούν το φως σε ελαφρά διαφορετικά μήκη κύματος του μέσου υπερύθρου. Τα λέιζερ πρέπει να συντονίζονται διαρκώς σε αυτά τα μήκη κύματος. Προηγουμένως, οι ερευνητές χρησιμοποιούσαν λέιζερ ημιαγωγών μολύβδου (lead-salt lasers), τα οποία απαιτούν ψύξη με υγρό άζωτο και γι' αυτό δεν είναι πρακτικά για επιτόπιες έρευνες. Επιπλέον δε, πρόκειται για διατάξεις χαμηλής ισχύος και η συχνότητα εκπομπής τους δεν παρουσιάζει σταθερότητα. Αλλά και διάφορες άλλες τεχνικές ανίχνευσης ισοτόπων είναι δέσμιες του εργαστηρίου.

Ο Tittel και διάφοροι άλλοι επιστήμονες στις ΗΠΑ και τη Βρετανία, σε συνεργασία με την ιταλική κυβέρνηση, επινόησαν ένα σύστημα παρακολούθησης ηφαιστείων το οποίο βασίζεται σε ένα λέιζερ κβαντικής ενίσχυσης (quantum-cascade laser). Τα συγκεκριμένα λέιζερ ημιαγωγών μπορούν να παράγουν υψηλή ισχύ σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Επιπρόσθετα, είναι ανθεκτικά και δεν απαιτούν ψύξη με υγρό άζωτο. Ως εκ τούτου, είναι τόσο μικροκαμωμένα ώστε χωράνε μέσα σε ένα κουτί παπουτσιών.

Οι ερευνητές δοκίμασαν πρώτα τη διάταξη τους το 2000 σε εκπομπές αερίων από κρατήρες στη Νικαράγουα. Οι νέες επιτόπιες δοκιμές θα ελέγξουν τις επιδόσεις και την ακρίβεια της σε τραχιές ηφαιστειακές τοποθεσίες. Ο Dirk Richter, ερευνητής μηχανικός στο Εθνικό Κέντρο Ατμοσφαιρικών Ερευνών του Μπόουλντερ στο Κολοράντο, δηλώνει ότι ο σχεδιασμός ενός συστήματος «ικανού να δουλεύει σε ένα από τα χειρότερα και πλέον απαιτητικά περιβάλλοντα της Γης» θα αποδεικνυόταν δύσκολος, όμως «αν υπήρχε μία ομάδα στον κόσμο που θα τολμούσε να το επιχειρήσει, τότε σίγουρα αυτή θα ήταν η ομάδα του Frank Tittel».

Αν οι παραπάνω δοκιμές στεφθούν με επιτυχία, το σχέδιο προβλέπει για τη συνέχεια ανάπτυξη συστημάτων πρώιμης προειδοποίησης με λέιζερ γύρω από τα ηφαίστεια, με την κάθε διάταξη να μεταδίδει τα δεδομένα της σε πραγματικό χρόνο. Θεωρείται απίθανο να σημαίνουν λάθος συναγερμοί, διότι οι λόγοι των ισοτόπων άνθρακα στο μάγμα διαφέρουν σημαντικά από εκείνους στο φλοιό.

Επίσης, οι μεταβολές, στην ανίχνευση των οποίων συμβάλλει το λέιζερ, εκτυλίσσονται μέσα σε βδομάδες έως και μήνες, δίνοντας έτσι αρκετό χρόνο για τη σύγκριση των δεδομένων με εκείνα άλλων οργάνων, αλλά και χρονική ευχέρεια για έγκαιρη εκκένωση.

"Το σύστημα μας αποσκοπεί στην αποτροπή καταστροφών σαν αυτή που ακολούθησε την έκρηξη του Βεζούβιου", δηλώνει το μέλος της ομάδας Damien Weid-mann, φυσικός του Εργαστηρίου Rutherford Appleton στο Όξφορντσαϊρ της Αγγλίας.

Οι δοκιμές με το πρωτότυπο έχουν προγραμματιστεί για την άνοιξη του 2005 στην ηφαιστειακή περιοχή των Λόφων Αλμπάνο, νοτιοανατολικά της Ρώμης, καθώς και σε ηφαιστειακές περιοχές του Λος Αλαμος στο Νιου Μεξικό.

ΚΑΤΑΡΡΑΚΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ

Τα λέιζερ κβαντικής ενίσχυσης αποτελούνται από λεπτά στρώματα ημιαγώγιμων υλικών με νανομετρικές διαστάσεις, τα οποία παρέχουν στα ηλεκτρόνια πολλά ενεργειακά επίπεδα.

Καθώς ένα διεγερμένο ηλεκτρόνιο «κατρακυλά» στα επίπεδα αυτά, χάνει ενέργεια, εκπέμποντας σε κάθε «σκαλοπάτι» και από ένα φωτόνιο. Με αυτό τον τρόπο, ένα και μόνο ηλεκτρόνιο μπορεί να εκπέμψει δεκάδες φωτόνια, καθιστώντας τα λέιζερ κβαντικής ενίσχυσης ισχυρότερα των τυπικών λέιζερ ημιαγωγών —στα οποία κάθε διεγερμένο ηλεκτρόνιο εκπέμπει ένα μόνο φωτόνιο.

Επιπρόσθετα, ρυθμίζοντας κατάλληλα το πάχος των στρωμάτων κατά την κατασκευή, οι ερευνητές μπορούν να υποχρεώσουν ένα ηλεκτρόνιο να εκπέμπει φωτόνια διαφορετικών συχνοτήτων.

Ο συνδυασμός υψηλής ισχύος, ευρύτητας φάσματος συχνοτήτων και βολικού μεγέθους καθιστά τα λέιζερ κβαντικής ενίσχυσης ιδανικά για την παρακολούθηση της δραστηριότητας των ηφαιστείων.