Liệu khoa học có thể dự báo núi lửa phun trào như dự báo thời tiết?

Vào mùa hè năm 1991, núi Pinatubo ở Philippines tự hủy diệt chính mình. Đợt phun trào bắt đầu từ ngày 12 tháng 6, và ba ngày sau đó đạt đỉnh điểm với một vụ nổ kinh hoàng. Khi các dòng tro nóng — những trận lở đất của đá nóng chảy và khí gas — đổ xuống sườn núi đã bị thiêu rụi, đỉnh Pinatubo đã bị xóa sổ và thay thế bằng một hố sụt rộng 2,5 km.

Núi Pinatubo phun trào năm 1991

Vụ phun trào đã cướp đi sinh mạng của hơn 800 người, chủ yếu do mái nhà bị tro núi lửa thấm nước mưa đè sập. Nhưng thiệt hại có thể còn thảm khốc hơn nhiều: Khoảng 250.000 người sống ở nhiều thành phố và một căn cứ Không quân Mỹ rộng lớn nằm trong bóng đổ của núi lửa. Khi Pinatubo bắt đầu rung chuyển và phun hơi nước vào tháng 4 năm đó, các nhà khoa học từ Mỹ và Philippines đã triển khai một loạt thiết bị để theo dõi sự hỗn loạn bên trong núi lửa.

Dự báo thiên tai — bài toán khó của nhân loại

"Chúng tôi không biết nhiều về ngọn núi lửa đó, nên đã tiến hành đánh giá địa chất rất nhanh. Và kết quả đánh giá cho thấy: 'Ôi chao, khi ngọn núi này phun trào, nó chỉ phun trào lớn mà thôi'", Mike Poland, hiện là nhà khoa học phụ trách Đài quan sát Núi lửa Yellowstone thuộc Cơ quan Khảo sát Địa chất Mỹ (USGS), chia sẻ. "Và điều đó đã trở thành cơ sở cho một bản dự báo."

Đến đầu tháng 6, tro và dung nham đã tràn ra khỏi sườn Pinatubo, và lệnh sơ tán được ban hành chỉ vài ngày trước khi thảm họa ập đến. Đó thực sự là một cuộc thoát hiểm trong gang tấc.

Các nhà khoa học đã cứu sống vô số người, nhưng bản dự báo của họ mang tính phỏng đoán hơn là một dự báo khoa học chính xác. Nó không giống dự báo thời tiết chút nào; họ không thể nói một cách chắc chắn rằng vào ngày 12 tháng 6 một vụ phun trào bùng nổ sẽ xảy ra, cũng như không thể dự đoán được diễn biến của vụ phun trào đó.

Bước tiến vượt bậc của ngành núi lửa học

Ngoài một vài trường hợp ngoại lệ, sự thiếu chính xác này là đặc điểm chung của tất cả các núi lửa được giám sát tốt. Nhưng ngành núi lửa học đã có những bước tiến vượt bậc kể từ khi Pinatubo phun trào. Thiết bị đo lường ngày càng tiên tiến hơn, học máy (machine learning) giúp việc phân tích dữ liệu hiệu quả hơn rất nhiều, và các nhà khoa học đã hiểu rõ hơn về hệ thống dẫn magma bên dưới lòng đất.

"Không có lý do gì để chúng ta không thể nghĩ rằng, vào một thời điểm nào đó trong tương lai, chúng ta có thể có những bản dự báo núi lửa giống như dự báo thời tiết." — Mike Poland, USGS

Ngày nay, chúng ta biết rằng một cơn bão với cường độ nhất định sẽ đổ bộ vào một thành phố cụ thể trong vài ngày tới. Liệu các nhà khoa học có bao giờ có thể nói rằng một tuần nữa, một ngọn núi lửa nhất định có 80% khả năng phun trào theo một cách cụ thể nào đó — với dung nham phun trào, với một lực nổ nhất định, với các dòng tro nóng sẽ chảy xuống sườn phía tây?

" Câu trả lời ngắn gọn — nếu không thì tôi đã không làm công việc này — là có", Diana Roman, nhà núi lửa học tại Carnegie Science ở Washington, DC, khẳng định.

Sự khác biệt cơ bản giữa núi lửa và thời tiết

Dù con người đã quan sát thời tiết hàng thiên niên kỷ, dự báo thời tiết khoa học hiện đại mới chỉ là phát minh gần đây: Các phương trình toán học đầu tiên làm nền tảng cho những mô hình này được xây dựng vào đầu thế kỷ 20. Ngày nay, các nhà khí tượng học có thể dự báo chính xác tới hai tuần dựa trên một hệ thống hỗn loạn gồm khí quyển, đại dương và địa hình Trái Đất.

Thời tiết ảnh hưởng đến nhiều người hơn so với núi lửa — cụ thể là tất cả mọi người, mọi lúc — nhưng khoảng 800 triệu người sống trong vòng 100 km từ một núi lửa đang hoạt động, và một số vụ phun trào (rất hiếm) có thể ảnh hưởng đến toàn bộ hành tinh. Cả thời tiết và núi lửa đều là những hệ thống phức tạp mà chúng ta muốn hiểu rõ, nhưng những bài toán chúng đặt ra cho việc dự báo lại khác nhau.

Nhà núi lửa học lắp đặt trạm đo trọng lực trên núi Etna

"Sự khác biệt lớn nhất giữa núi lửa và dự báo thời tiết là thời tiết luôn luôn đang diễn ra", Jenni Barclay, nhà núi lửa học tại Đại học Bristol ở Anh, nhận định. Khí quyển luôn hiện hữu và có thể đo lường được đối với các nhà khí tượng học. "Ngay cả họ cũng sẽ nói rằng họ cần thêm dữ liệu quan sát." Magma, ngược lại, nằm sâu hàng km dưới vỏ Trái Đất, và các núi lửa đang hoạt động chỉ phun trào một lần trong vài thập kỷ.

Mỗi ngọn núi lửa cũng là duy nhất. Cấu trúc của các đường dẫn ngầm dẫn magma lên bề mặt, thành phần hóa học của magma, nhịp độ phun trào và các kiểu phun trào khác nhau đều khác biệt tùy theo địa điểm. Và phun trào không chỉ có một nguyên nhân duy nhất. Nhiệt độ và áp suất của buồng chứa magma, độ yếu của đá bao quanh, hàm lượng khí và tinh thể, độ sâu của magma, chuyển động khu vực của các mảng kiến tạo — tất cả những yếu tố này đều góp phần quyết định liệu một vụ nổ có xảy ra hay không.

Tại sao dự báo chính xác đến vậy lại khó?

Hãy tưởng tượng núi lửa như những dàn nhạc giao hưởng gồm hàng trăm nhạc cụ khác nhau. Dự báo phun trào không phải là vấn đề nghe nhạc. Chúng ta đã làm được điều đó: Máy đo địa chấn cảm nhận sự nứt vỡ của đá khi magma đi lên; cảm biến mặt đất và vệ tinh có thể theo dõi sự dịch chuyển của vỏ Trái Đất, chỉ ra nơi magma đang chảy; máy dò khí phát hiện khi magma lên đến độ sâu nông, giảm áp suất và phát thải khí độc.

Thách thức nằm ở việc biết được bản giao hưởng sẽ phát triển đến cao trào như thế nào, từ rất lâu trước khi nó bắt đầu. Ngày nay, tại những núi lửa được giám sát toàn diện nhất, điều tốt nhất mà các nhà núi lửa học thường có thể đưa ra không phải là dự đoán mà là một dạng cảnh báo nghiêm trọng. Các hệ thống cảnh báo thường thông báo cho công chúng nếu một núi lửa đang có dấu hiệu bất ổn gia tăng. Nhưng điều đó không có nghĩa là một vụ phun trào sắp xảy ra.

"Chỉ 50% các dấu hiệu bất ổn núi lửa trông giống như sắp phun trào thực sự dẫn đến phun trào." — Jessica Johnson, Đại học East Anglia

Mặt khác, một số núi lửa thích tấn công bất ngờ, ngay cả khi được bao phủ bởi thiết bị đo đạc. Các túi nước có áp suất cao bị mắc kẹt ngay dưới bề mặt có thể bị nung nóng bởi các khối magma lân cận. Nếu túi đó vỡ, một vụ nổ hơi nước nguy hiểm sẽ xảy ra, và sau đó có thể giải phóng magma bị giam giữ. Kiểu phun trào này thường xảy ra mà không có dấu hiệu cảnh báo rõ ràng, giống như một quả mìn phát nổ bên cạnh một ngọn núi thuốc nổ bị chôn vùi.

Núi lửa Soufrière Hills ở Montserrat phun trào

Vật lý — Mảnh ghép còn thiếu

Tất cả những người tôi trò chuyện đều đồng ý rằng các nhà khoa học vẫn cần giải mã một mảnh ghép quan trọng của bài toán dự báo núi lửa. "Chúng ta thậm chí chưa hiểu đầy đủ về vật lý cơ bản", Roman nói. Điều gì khiến một buồng chứa magma chuyển từ trạng thái ổn định sang sụp đổ thảm khốc?

"Chúng phải có chung nền tảng vật lý", bà nói. Nếu có thể khám phá ra những phương trình cơ bản đó, có lẽ chúng ta có thể áp dụng chúng cho tất cả các núi lửa và đưa ra những giá trị cho biết, với độ chính xác cao, khi nào vụ phun trào tiếp theo sẽ xảy ra và hình thái của nó có thể như thế nào.

Các nhà khoa học đã xác định được một số phương trình chi phối, nhưng chúng chỉ áp dụng sau khi phun trào đã bắt đầu. Sử dụng hơn một thế kỷ quan sát, các nhà nghiên cứu đã rút ra phần lớn vật lý của các mối nguy hiểm núi lửa — đặc biệt là dòng dung nham và dòng tro nóng. Ví dụ, phương trình Navier-Stokes, mô tả cách mọi loại chất lỏng chuyển động, đã được áp dụng thành công cho cả hai loại hiểm họa này, trong khi phương trình nhiệt tiết lộ cách và thời điểm các chất lỏng núi lửa nguội đi.

Công trình này cứu sống nhiều người, nhưng chỉ là một phần nhỏ của bài toán dự báo. "Giống như nói rằng: 'Khi mưa bắt đầu rơi, chúng ta có thể dự báo lưu vực nào có thể bị ngập'", Poland giải thích.

Trí tuệ nhân tạo — Vũ khí mới của ngành núi lửa học

Hiện tại, cảnh báo phun trào dựa trên việc nhận diện các mẫu trong tín hiệu địa vật lý có thể đo lường, như sự leo thang của hoạt động địa chấn. Nhưng tương quan không đủ để dự đoán nếu các mẫu không nhất quán, điều thường xảy ra.

Johnson là thành viên của dự án mới mang tên Ex-X: Expecting the Unexpected, một nỗ lực đa ngành do Đại học Bristol dẫn đầu nhằm điều tra các nguyên nhân gây leo thang nguy hiểm của núi lửa. Các nhà nghiên cứu đang tập trung vào các núi lửa ở Đông Caribe, nơi phun trào tương đối thường xuyên và có thể nhanh chóng chuyển từ kiểu phun trào chảy tràn sang đột ngột, thảm khốc.

Là một phần của công trình này, hàng trăm máy đo địa chấn, cũng như mạng cáp quang, sẽ được sử dụng để ghi lại ngay cả những trận động đất nhỏ nhất trong thời kỳ yên tĩnh và bất ổn. Nỗ lực giám sát này sẽ được hỗ trợ bởi các chương trình học máy được huấn luyện để nhận diện những thay đổi nhỏ nhất trong "bản nhạc địa chấn" của những núi lửa này. Những chương trình này đã tiết lộ vô số đường dẫn magma ẩn giấu trước đây bên dưới núi lửa, đồng thời cho phép các nhà khoa học theo dõi gần như thời gian thực dòng magma chảy qua vỏ Trái Đất.

Tương lai của dự báo núi lửa

Về lý tưởng, các nhà núi lửa học muốn thử một điều gì đó thực sự tham vọng: "Khoan thẳng xuống nơi có magma nằm ở độ sâu, và thực sự quan sát các quá trình này tại chỗ, thay vì chỉ nhìn thấy kết quả của chúng", Winder nói. Đó là một trong những mục tiêu của Krafla Magma Testbed ở Iceland. Cơ sở đột phá này sẽ trở thành đài quan sát magma trực tiếp đầu tiên trên thế giới.

Liệu chúng ta có thể có những bản dự báo núi lửa giống như dự báo thời tiết? Một số chuyên gia tin rằng điều đó hoàn toàn khả thi. Nhưng để rút ra được lý thuyết thống nhất về núi lửa sẽ cần một "Dự án Manhattan" về địa chất.

Trước tiên, một chòm sao gồm nhiều núi lửa đa dạng sẽ cần được trang bị thiết bị địa vật lý và giám sát liên tục qua nhiều chu kỳ phun trào — nghĩa là nhiều thập kỷ. Với dòng thông tin địa vật lý và địa hóa khổng lồ như vậy, các nhà khoa học (được hỗ trợ bởi học máy) có thể xác định những điểm chung cho phép họ rút ra các định luật địa vật lý nền tảng. Sau đó, họ có thể xây dựng mô hình núi lửa nguyên mẫu: một mô hình rất tổng quát nhưng có thể áp dụng cho bất kỳ núi lửa nào trên thế giới.

Giả sử bạn lo ngại về núi Phú Sĩ ở Nhật Bản. Các nhà khoa học có thể đưa trạng thái địa chấn hiện tại, địa hóa magma và tốc độ biến dạng của nó vào mô hình. Phần mềm được điều khiển bởi các phương trình chi phối đó sau đó có thể mô phỏng nhanh chóng ngọn núi lửa tiến tới ngày phun trào có khả năng nhất, đồng thời mô tả kiểu phun trào và thời gian có khả năng nhất.

"Đó chắc chắn là cách suy nghĩ đúng đắn", Zach Ross, nhà địa vật lý và nghiên cứu học máy tại Viện Công nghệ California, nhận định.

Mỗi ngày, các nhà núi lửa học đang thực hiện những điều kỳ diệu của khoa học để bảo vệ hàng triệu người khỏi các vụ phun trào. Thật thú vị khi tưởng tượng một tương lai mà con người không chỉ có vài giờ mà có thể có nhiều ngày, thậm chí nhiều tuần để thoát khỏi vùng nguy hiểm.