Bildrechte: imago/Westend61

Big Data in der Vulkanologie Künstliche Intelligenz soll Vulkanausbrüche vorhersagen

14. Dezember 2018, 15:44 Uhr

Obwohl Forscher immer mehr über Vulkane wissen, können sie Ausbrüche nur selten vorhersagen. Das sollen jetzt Computer übernehmen. Neue Algorithmen lernen aus Satellitendaten, ob sich ein Ausbruch andeutet.

In und um Neapel herum leben 4,4 Millionen Menschen mit einer ständigen Gefahr: Bricht der Vesuv wieder aus? Oder erwacht der Supervulkan unter den Phlegräischen Feldern zu neuem Leben? Einen Vorteil haben die Bewohner in dieser aktiven Vulkanregion in Italien: Ihre Regierung wendet viel Geld dafür auf, die Feuerberge ständig zu überwachen.

Bewegt sich die Erdoberfläche, weil in der Tiefe Magma fließt? Gibt es seismische Aktivitäten, tritt Gas aus dem Berg aus? Wie entwickelt sich die Temperatur an den Austrittsöffnungen? Diese Parameter werden mit Hilfe eines umfangreichen Netzes aus Sensoren und Messstationen permanent überwacht. Die Kosten dafür belaufen sich pro Vulkan auf schätzungsweise 500.000 Euro im Jahr.

Überwachung durch Satelliten

So viel Geld haben nicht alle Behörden in Gegenden, die an aktive Vulkane angrenzen. Rund 1.500 gibt es davon weltweit, sagt der Vulkanologe Thomas Walter vom deutschen Geoforschungszentrum (GFZ) in Potsdam. Nur etwa 220 werden engmaschig überwacht, schätzt er. Gerade in Regionen mit vielen Vulkanen ist das eine große Gefahr für die Bevölkerung, etwa in Indonesien und in den südamerikanischen Anden.

Deshalb suchen viele Forschungsgruppen nach neuen Methoden, wie Vulkane mit Hilfe von Satelliten kostengünstiger überwacht werden können. Das Problem dabei: Solche Systeme erzeugen derartige Unmengen an Daten, dass sie manuell nicht in der nötigen Geschwindigkeit ausgewertet werden können. Einen viel versprechenden neuen Ansatz haben Wissenschaftler der britischen Gruppe COMET jetzt auf der Herbsttagung der American Geophysical Union vorgestellt.

Sentinel-Satelliten liefern Datengrundlage

Wie das Fachjournal Science auf seiner Webseite berichtet, entwickelten die britischen Wissenschaftler zwei Algorithmen, die zusammen in einigen Jahren die Grundlage für ein globales Ausbruchswarnsystem bilden könnten. Andrew Hooper, Vulkanologe an der Universität Leeds hofft, dass davon bis zu 800 Millionen Menschen profitieren, die im Umfeld unüberwachter Vulkane leben.

Die Programme nutzen Methoden der künstlichen Intelligenz. Die Daten dafür liefern die beiden ESA-Satelliten Sentinel 1A und 1B. Sie können Bodenbewegungen mit Hilfe von Radar-Interferometrie beobachten, die durch unterirdische Magmaströme ausgelöst werden. Weil sie jeden Beobachtungsort alle sechs Tage erneut überfliegen, liefern sie die nötigen regelmäßigen Aktualisierungen.

Bodenveränderungen und Ausbrüche

Um die Daten sauber aufzubereiten, muss der erste Algorithmus zunächst Bodenveränderungen von atmosphärischen Veränderungen unterscheiden. Die Gruppe von Andrew Hooper nutzt dafür ein Verfahren namens "Independent Component Analysis", um die Daten zu sortieren. Damit können nicht nur die Bodenbewegungen an sich erkannt werden, sondern auch die Geschwindigkeit und kleine Veränderungen im Rhythmus herausgefiltert werden.

Seine Kollegin Juliet Biggs, Vulkanologin an der Universität Bristol, hat mit ihren Mitarbeitern ein Neuronales Netzwerk programmiert. Das ist eine beliebte Methode des sogenannten maschinellen Lernens, bei dem Computerprogramme eigenständig lernen, Muster zu erkennen. Hier soll das Neuronale Netzwerk anhand großer Datenmengen aus Vulkanbeobachtungen Ausbrüche und sichere Anzeichen dafür erkennen.

Beide Systeme arbeiten komplementär. Diese Jahr haben sie aktuelle Daten von Vulkanausbrüchen auf den Galapagos-Inseln verarbeitet. Doch es gibt noch verschiedene technische Probleme. Die Satelliten stellen die Daten zwar sehr schnell bereit. Die Integration in die beiden Algorithmen der COMET-Gruppe dauert allerdings noch mehrere Wochen.

Vulkanausbrüche auch in Deutschland möglich

Der deutsche Vulkanologe Thomas Walter hält den KI-Ansatz seiner britischen Kollegen für vielversprechend. Allerdings glaubt er nicht, dass sich aus der Bodenbewegung allein das Ausbruchsrisiko verlässlich bestimmen lässt. "Bei jeder Bewegung von Magma in einer Tiefe von drei bis fünf Kilometern sieht man leichte Deformationen an der Oberfläche. Neun von zehn dieser Bewegungen ziehen aber keinen Ausbruch nach sich", sagt er. Deswegen müsste ein Überwachungssystem auch seismische Aktivität, Temperatur und den Austritt von Gasen einbeziehen.

Dafür sind Daten der anderen Sentinell-Satelliten nötig, die Temperaturen und Gase überwachen. Damit beschäftigen sich derzeit andere Arbeitsgruppen. "Nur zu seismischer Aktivität gibt es bislang keine Satelliten-Daten", sagt Walter. Doch auch Erdbeben werden inzwischen mit vielen automatischen Systemen geortet, unter anderem durch das GFZ.

Wichtig ist das auch für Deutschland, wo in der Vulkaneifel Feuerberge schlummern. "Vulkane wie der Laacher See haben Ruhephasen von einigen Jahrtausenden. Wir müssen aber damit rechnen, dass sie irgendwann wieder ausbrechen", sagt Walter. Je eher die Bevölkerung im Umfeld zuverlässig gewarnt werden kann, desto mehr Menschen können künftig gerettet werden.