Utilizando dados dessa tecnologia, chamada sensoriamento acústico distribuído (DAS), pesquisadores desenvolveram um método para emitir alertas com até 30 minutos de antecedência em caso de erupções de lava. O estudo demonstra que o DAS pode ser uma ferramenta útil tanto para estudar a atividade vulcânica quanto para fornecer alertas antecipados ao público.

A pesquisa foi conduzida no laboratório de Zhongwen Zhan (PhD '13), professor de geofísica, titular da Cátedra Clarence R. Allen e diretor do Laboratório Sismológico do Caltech . Um artigo descrevendo o estudo foi publicado na revista Science em 24 de abril.

Desde novembro de 2023, a Península de Reykjanes sofreu oito erupções de lava, algumas das quais foram grandes o suficiente para ameaçar cidades. Embora a Islândia seja relativamente vulcanicamente ativa, pesquisadores teorizam que esta área em particular pode estar entrando em um período de anos de atividade aumentada. Para estudar isso, Zhan e sua equipe desenvolveram uma colaboração com cientistas islandeses e a empresa de telecomunicações Ljósleidarinn para implantar os sensores DAS na península por um ano com o objetivo de melhor caracterizar a atividade vulcânica e desenvolver um sistema de alerta precoce de erupções.

"A implantação foi extremamente rápida", afirma Jiaxuan Li, o primeiro autor do estudo e ex-bolsista de pós-doutorado no Caltech, que agora é professor assistente na Universidade de Houston. "Conseguimos instalar nosso sistema em um cabo de fibra óptica de 100 quilômetros de extensão em 10 dias após um evento de intrusão de magma substancial em 10 de novembro de 2023. Cerca de um mês depois, registramos a primeira erupção com nosso sistema. Esta foi uma grande colaboração internacional com impacto no mundo real."

O DAS funciona apontando lasers para cabos de fibra óptica subterrâneos não utilizados (como os que fornecem internet). À medida que as vibrações passam pelo cabo, sejam elas de um terremoto ou do barulho do trânsito, a luz do laser sofre a chamada mudança de fase. A medição da mudança de fase nessa luz do laser fornece aos pesquisadores informações sobre as ondas que passam, tornando um cabo de 100 quilômetros equivalente a uma linha com milhares de sensores sísmicos convencionais.

A atividade vulcânica também causa deformações subterrâneas: o solo se estica e se comprime à medida que o magma é empurrado para cima a partir de câmaras subterrâneas rasas, onde às vezes acumula pressão suficiente para irromper na superfície através de rachaduras chamadas diques. O DAS consegue medir com precisão o movimento subterrâneo na ordem de milímetros em tempo real, uma resolução muito maior do que o GPS ou imagens de satélite.

Ao longo do ano do estudo, o DAS coletou dados sobre a atividade vulcânica subterrânea, monitorando a expansão da Terra em tempo real à medida que o magma se move. A partir desses dados, a equipe desenvolveu um sistema preliminar de alerta antecipado que dava ao público um aviso prévio de 30 minutos a várias horas antes de uma erupção, dependendo da natureza da intrusão de magma.

A sismóloga Vala Hjörleifsdóttir, da Universidade de Reykjavik, coautora do estudo, trabalhava na Islândia para desenvolver um método de alerta precoce de erupções. Em particular, um local de erupção ativo perto da cidade de Grindavik representava uma ameaça aos milhares de habitantes da cidade. Quando a equipe do Caltech instalou os sensores DAS, Hjörleifsdóttir colaborou com eles para identificar sinais nos dados que indicassem a iminência de uma erupção.

"Este é o sistema vulcânico mais ativo da Islândia", diz Zhan. "Além da necessidade de fornecer alertas antecipados antes de uma erupção, o projeto é cientificamente interessante porque observamos mais eventos de intrusão de magma lá do que pensávamos inicialmente — eventos que não chegam à superfície. Há muito mais trabalho a ser feito, e todos os vulcões são diferentes, mas o DAS nos oferece uma nova capacidade de ver coisas que não podíamos antes. Nosso projeto também é um ótimo exemplo do poder da colaboração internacional."

O artigo é intitulado " Dinâmica em escala de minutos de intrusões recorrentes de diques na Islândia com geodésia de fibra óptica ". Além de Li, Hjörleifsdóttir e Zhan, os co-autores são Ettore Biondi, Qiushi Zhai, Shane Zhang, Xiaozhuo Wei e Elijah Bird (MS '24) do Caltech Seismo Lab; Elías Rafn Heimisson (ex-bolsista de pós-doutorado do Caltech) e Halldór Geirsson da Universidade da Islândia; Simone Puel, ex-bolsista de pós-doutorado do Caltech que agora trabalha na Moody's; Andy Klesh do Laboratório de Propulsão a Jato , que o Caltech gerencia para a NASA; Valey Kamalov da Valey Kamalov LLC; e Theodór Gunnarsson do Google. O financiamento foi fornecido pela Fundação Gordon e Betty Moore, pela National Science Foundation (NSF) e pelo Centro NSF para Geomecânica e Mitigação de Riscos Geológicos.