噴火予測のための新たなツール：炭素捕獲ドローン

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フィオナ・ダーシーはこれまで34の火山を訪れているが、そのたびに特別な体験をする。アイスランドでは霧が濃すぎて同僚と道に迷った。ハワイでは、今の夫がプロポーズした火口。コスタリカでは、彼女と仲間が火山の中にいる間に噴火した（彼らは無事に脱出した）。

しかし、すべての下山に共通するのは、地球上で最も不安定な自然環境の一つに身を置くことで生じる、迫りくる危険感だ。これは、火山噴火の特徴を明らかにしようとする科学者にとって、避けられないリスクだ。「私たちは常に、データを取得して下山しなければならないという意識を持っています。何が起こるかわからないからです」と、マギル大学大学院で火山地球化学を研究するダーシー氏は語る。ベテランの火山学者は、1991年に日本の雲仙岳が噴火した際に3人の研究者が亡くなったことや、1993年のガレラス山の噴火で6人が火口に閉じ込められ死亡したことを覚えている。

だからこそ、ダーシー氏もこの分野の他の研究者と同様に、巨大な岩盤に登るよりも安全な代替手段があるかどうか、つまり遠隔操作ドローンで同様の作業ができるかどうかを調べたいと考えている。彼女とチームは最近、Journal of Volcanology and Geothermal Research誌に「イエス」と論文を発表した。ドローンによる大気観測データは、二酸化炭素排出量を迅速かつ確実に測定できると、この方法が現実的な選択肢であることを証明する初の論文で結論づけている。

この手法をテストするため、ダーシー氏は2019年4月、コスタリカのポアス火山から噴出する高温の有毒ガスの噴煙の中へ、サンプリング用ドローンを飛ばしました。ポアス火山はわずか2年前に激しい噴火を起こしたばかりでした。チームはまた、火口までハイキングし、地上から直接CO2_濃度を手動で測定しました。ハイキングには4時間以上かかりましたが、ドローンの飛行はわずか数分でした。それでも、得られたデータは驚くほど似通っていました。「これが当たり前になれば、作業はずっと楽になるでしょう」とダーシー氏は言います。「誰もが火口に入ってリスクを冒すことなく、サンプルを採取できるのです。」

この方法により、より頻繁なサンプル採取が可能になり、火山活動のさまざまな段階でガス濃度がどのように変化するかについての理解を深めるのに役立つ可能性があります。また、より正確な噴火予報にもつながる可能性があります。結局のところ、火山は予測不可能なことで有名です。確かに、新鮮なガス、地震、地下でマグマが膨張する際の不審な隆起など、警告の兆候がある場合もあります。しかし、これらの兆候があるにもかかわらず、何も起こらない場合もあります。または、兆候がなくても、とにかく爆発が起こる場合もあります。2019年にはニュージーランドの火山が予期せず噴火し、灰、煙、有毒ガスが何マイルも上空に噴き上がり、10人近くの観光客が死亡しました。2021年にも同じことが起き、コンゴ共和国のニーラゴンゴ山が割れて溶岩が近隣の町に流れ込み、避難する時間がほとんどありませんでした。

より多くのガスサンプルが、このデータギャップを埋める可能性がある。研究者は何年にもわたる情報、特に噴火直前と噴火中の期間の情報を必要としている。「まさにその時が最も重要なのです」と、コスタリカ火山地震観測所の研究者で、この研究の共著者であるマールテン・デ・ムーア氏は言う。「しかし、常に葛藤がつきまといます。サンプル採取に行くのは安全だろうか？サンプル採取のために命を危険にさらす価値があるだろうか？」

放出される二酸化炭素の量は、噴火につながる圧力を高めるため、特に重要です（ダーシー氏によると、炭酸飲料の瓶を振るようなもので、開けると炭酸ガス_によって炭酸飲料が爆発します）。これは、研究者たちがポアス山で比較したデータポイントの1つでした。ダーシー氏は、観光展望台から、ガスポンプ、バルブ、センサーを搭載した市販のクワッドコプターを火山の噴煙の中へ直接飛ばしました。ドローンのセットアップは、科学者が手で二酸化炭素を採取する方法を模倣したものです_。ボタンを押すと、ガスポンプが開き、周囲の空気が一方向バルブを通って小さなサンプルバッグに送り込まれ、保管されます。その後、ダーシー氏のチームは、バッグをガス検知用の機器であるキャビティリングダウン分光計に接続し、二酸化炭素濃度を測定し_ます。

彼女とチームは、火口内に立ちながらドローンを飛ばし、遠く離れた場所の大気観測データと発生源に近い場所の大気観測データを比較しました。また、従来の地上サンプリング技術を用いて、火山の噴出孔から直接_{二酸化炭素を採取しました。}

研究者たちはドローンデータを用いて、通常の大気中濃度より23%高い濃度を発見しました。これは、発生源から遠く離れた場所で測定されたにもかかわらず、サンプルにはデータから判別できるほど十分な量の火山性CO2が含まれていた_ことを示しています。希釈を考慮した後、その量は地上サンプルと一致することを確認しました。これは、ドローンが直接採取する代わりに使用できることを示しています。

研究チームはまた、二酸化炭素のうち、炭素13の割合も測定した。炭素₁₃は、通常の12個ではなく13個の中性子を持つ、わずかに重い元素である。その結果、ポアス火山の2019年の炭素13含有量は、2017年の噴火のわずか1週間前に収集されたデータと比較して大幅に増加していたことがわかった。ダーシー氏によると、これは注目に値する。なぜなら、炭素13の濃度は噴火の直前に減少し、噴火が静かな時期に上昇する可能性があることを示唆しているからだ。これは、将来のドローン飛行で追跡するのに役立つだろう。

「ドローンを使ってこれらのガスを採取できれば、噴火につながるメカニズムを察知し、それを安全に行うことができます」と、この研究には関わっていないブリガムヤング大学ハワイ校の火山学者ベンジャミン・ジョーダン氏は言う。

しかし、ドローンには独自の課題がある。ポアスでは、ダーシー率いるチームは3機のドローンを失った（1機は通信範囲外に飛び出し、信号に反応しなくなった。もう1機はローターがガス採取装置に絡まって墜落した。2機目を探すために送り出された3機目は、突然空から落ちてしまった）。とはいえ、ドローンの交換は比較的容易で、1機あたり数千ドルと、研究基準からすれば安価だ。「人命の代償は計り知れない」とジョーダンは言う。「ドローンを使えば、そのリスクを回避できるのだ。」

研究者たちは火山内部の探査を決してやめないだろう。確かに危険ではあるが、その経験は他に類を見ないものでもある。「とても謙虚な気持ちになります」と、月に一度ポアス島を訪れるデ・ムーア氏は言う。「まるで精神的な感覚です。なぜなら、この過酷な環境の中で、自分がこの場所に属しているという実感が湧かないからです。」

彼は、火山ドローン技術がいつかSF映画のような、地球上で最も激しい噴火の過酷な環境にも耐えられるよう最適化された、洗練された自動飛行装置になる日が来るかもしれないと想像している。「そしてその時」とデ・ムーア氏は言う。「私たちは多くのことを学ぶことになるでしょう」