2010年春天，冰岛的艾雅法拉火山在冰盖下喷发，炙热的熔岩与大量融水混合，将一股气体和火山灰柱喷射到10公里的高空。数百人被疏散，这场动荡的影响远远超出了冰岛，几个欧洲国家关闭了数天的领空。谢天谢地，艾雅法拉火山没有造成人员伤亡，但仍然造成了相当大的混乱。
尽管火山喷发会造成危害和破坏——即使是非致命的喷发——科学家仍然无法可靠地预测它们。尽管他们成功预测了数十次喷发，但他们缺乏标准方法。“在制定预测方面，火山学领域远远落后于气象学等领域，”牛津大学的火山学家大卫·派尔说。火山的行为复杂且不可预测——当然，它们的大部分活动都发生在地下，这使得它们比天气系统更难研究和开发模型。“目前真正的挑战在于，对于那些我们没有先前的喷发观测，并且目前没有密集观测的火山，很难预测接下来会发生什么，”派尔说。他补充说，科学家今天用于喷发预测的方法“非常定性”。但是，萨瓦勃朗峰大学的一个研究小组正试图开发一种更可靠、更准确、数据驱动的方法来预测像艾雅法拉火山这样的喷发——并可能使用卫星和一种称为数据同化的方法，创建每日甚至每小时的火山预测。
数据同化广泛应用于气象学等领域——我们的天气预报依赖于它。该方法将天气或气候等系统的模型与真实世界的数据点相结合，以开发对未来的预测。该技术的优势在于模型会不断进行微调——它将其预测与真实世界的数据进行比较，并在近乎实时的状态下进行自我纠正。
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在周三发表在《地球科学前沿》杂志上的一项新研究中，萨瓦的研究人员将数据同化应用于火山模型，以查看该技术是否可以准确预测火山喷发的一个重要参数：岩浆超压。这是火山岩浆向外推力相对于上方岩石产生的向内压力而产生的额外压力。“对于每座火山，都有一个临界超压值，”该研究的主要作者、法国地球科学研究所的博士后研究员玛丽·格蕾丝·巴托说。“如果达到这个值，那么你就会知道在几天或几个月内可能会发生喷发。”能够预测该系统要素如何变化可以帮助火山学家做出更好的预测。
在他们的研究中，该团队创建了一个基于冰岛格里姆斯沃顿火山的简化模型。然后，他们使用了关于火山外部地面如何变形的合成卫星数据，来随着时间的推移告知模型并做出预测。巴托提供了一种简单的方法来思考地面变形和岩浆超压之间的关系：“想象一下，火山的岩浆房就像一个气球。如果不断地向这个气球注入岩浆，气球就会膨胀，并导致其顶部的地面变形。我们可以使用GPS或雷达卫星数据来测量变形，然后我们可以推断出岩浆超压。”该团队还可以使用卫星数据来微调其模型对未来岩浆超压的预测。美国地质调查局卡斯卡德火山观测站的研究地质学家丹尼尔·祖里辛解释说，目前的做法没有使用这种基于物理的技术。他说，今天的喷发预测依赖于将监测数据与来自全球火山数据库的信息、对火山过去行为的当地了解以及基于经验的科学见解相结合。
当研究人员将其预测与火山模拟进行比较时，他们发现数据同化能够准确预测岩浆超压的变化。除了该技术的预测能力外，它还有助于约束火山的地下特征。“这表明科学家可以使用数据同化来更好地了解火山内部发生的各种成分和行为，”例如其岩浆房的几何形状和岩浆在该储层内的流动速率，巴托解释说。“这些参数很难推断出来，因为它们埋藏在 10 公里以上的巨大深度。”
巴托指出，他们的研究只是测试数据同化用于火山预测的开始。该团队使用了一个非常简化的模型，并且他们的方法依赖于合成数据。在现实世界中，火山要混乱和复杂得多，该方法需要使用真实的 GPS 和卫星雷达数据。他们的研究也没有纳入其他重要的火山喷发预测因素，例如地震和气体输出——尽管研究人员计划在未来的研究中纳入这些测量值。
科学家还需要更好地了解岩浆超压（本研究的主要重点）何时会在现实世界中预示喷发。“从概念上讲，必须存在一个临界超压值。但该值通常是未知的，可能每座火山都不同，甚至[对于]一座火山也可能随时间而变化，”祖里辛解释说。“尽管如此，能够估计超压……将是向前迈出的重要一步。”祖里辛认为数据同化将在火山学界得到更广泛的应用。“这种方法似乎在应用于喷发预测领域方面很有前景，”他说。“但是我们还有很长的路要走。”牛津大学的派尔同意该方法具有潜力。“这当然是前进的明显道路，”他说。
接下来，巴托的团队计划使用真实的卫星数据将他们的方法应用于格里姆斯沃顿火山。巴托说，总有一天，“我希望我们可以为那些位于活火山附近的城市或城镇提供每日甚至每小时的预测，因为这种研究在那里最有价值。”