夏威夷火山持续喷发，量子重力仪投入使用

Original 光子盒研究院光子盒 2023-03-04

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美国夏威夷州的基拉韦厄火山正在持续喷发，科学家正在使用各种仪器对夏威夷岛火山进行不间断的观察，包括一个新的“绝对量子重力仪”。

基拉韦厄火山喷发

为了不断提高监测和响应火山爆发的能力，美国地质勘探局(USGS)夏威夷火山观测站(HVO)使用了一种新的、最先进的仪器——绝对量子重力仪(AQG)。HVO科学家对AQG能够测量地表下非常小的质量变化的能力感到兴奋，这将有助于探测地下火山过程。

所有物体都有质量，因此有重力场。地球的重力在质量较大的区域略强，在质量较小的区域略弱。重力仪可以测量重力。在火山研究中，重力仪帮助科学家探测由岩浆运动引起的重力的细微变化。在火山活跃区测量重力时，重力越强，表明地表下的岩浆越多。

重力仪有两种主要类型：相对重力仪和绝对重力仪。

相对重力仪是最常见的，包含一个附在灵敏的垂直弹簧上的重物。重力拉伸弹簧，拉伸量与局部重力的测量值成正比。相对重力仪测量不同位置之间的重力差。

然而，这些仪器受到“漂移”的影响，在超过几周到几个月的时间里，测量结果会增加噪声，其精度逐渐降低。需要通过频繁重复的测量来表征和消除漂移。

绝对重力仪则直接测量重力加速度。最常见的自由落体绝对重力仪使用激光测量真空中小型反射棱镜(测试质量，test mass)的自由落体加速度。

与相对重力仪不同，绝对重力仪不会随时间漂移或降低精度。然而，它们体积大，具有精密的机械部件，需要充足的电源，并且不是为在诸如火山这样的恶劣野外条件下使用而设计的。那些可在野外携带的仪器不能进行长期连续测量，也不够灵敏，无法探测火山监测所需的微小变化。

与自由落体绝对重力仪类似，HVO的新AQG测量真空中小测试质量的加速度。然而，AQG通过将激光冷却的铷原子云代替了小棱镜，克服了经典自由落体绝对重力仪的局限性。这样就可以进行精确和长期的连续测量。AQG的体积也很小，可以在活火山环境下部署，并且可以连续运行而不会“漂移”。

美国地质勘探局表示：“夏威夷火山观测站的绝对量子重力仪在基拉韦厄火山安装之前正在进行设置、测试和校准。”如下图所示，这台AQG来自法国初创公司Muquans，该公司于去年被法国光通信设备生产商iXblue收购。

绝对量子重力仪正在进行设置、测试和校准

Muquans仪器相对紧凑，该仪器由高度为70厘米的圆柱体和一个稍大的电子和激光模块组成。

Muquans总裁Bruno Desruelle透露：“在接下来的四年里，我们的仪器的重量将减半，从现在的100公斤降至50公斤，这将进一步扩大其应用范围。”

同样的AQG模型已经安装在频繁喷发的意大利埃特纳火山的北侧。尽管该环境下振动噪音水平很高，但该仪器已成功记录了数月的高质量数据。它继续帮助意大利改进火山灾害报告和危机管理规划。

Muquans在埃特纳火山安装了AQG

目前，HVO的AQG正在进行实验测试和校准。最终，它的长期基地将与基拉韦厄火山上的其他仪器位于同一地点。除了偶尔进行实地部署外，在那里它将进行连续测量。

虽然AQG对HVO来说是新的，但是重力监测在夏威夷已经有很长的历史了。自20世纪70年代以来，相对重力仪已经成功地用于夏威夷岛上超过65个基准点的测量。这些基准点每隔几年测量一次，以探测莫纳罗亚和基拉韦厄火山在长时间尺度内的岩浆堆积或变浅。

此外，从2010年左右开始，在基拉韦厄火山有一些连续相对重力仪。它们在监测2018年基拉韦厄火山喷发中发挥了至关重要的作用，使科学家能够估计东部裂谷带和山顶岩浆聚集和退出的速度和体积。

不幸的是，这些仪器要么在火山喷发引起的山顶坍塌期间丢失，要么已经停止工作，致使HVO好几年没有连续运行的重力仪。

在2018年基拉韦厄事件之后，HVO获得了2019年《救灾追加拨款法案》资助。为了重建基拉韦厄的连续重力网络，2021年6月在基拉韦厄Halemaʻumaʻu火山口底部重新安装了一台重力仪。2022年4月，计划在基拉韦厄的其他地点再安装两台连续相对重力仪。

新的绝对量子重力仪、新的连续重力仪和正在进行的活动测量相结合，使得使用重力测量来监测、调查和评估夏威夷火山的危险的前景令人兴奋和充满希望。

参考链接：

[1]https://www.bigislandvideonews.com/2022/03/19/volcano-watch-absolute-quantum-gravimeter-to-measure-kilauea-mass-changes/

[2]https://www.nps.gov/media/webcam/view.htm?id=BA08FE10-B9F1-6EF1-3EE8A0E9DC683143

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