O Dr. Luciano Zuccarello cresceu à sombra do Monte Etna, um vulcão ativo na ilha italiana da Sicília. Fazendas e pomares circundam as encostas mais baixas do vulcão, onde o solo fértil é ideal para a agricultura. Mas o vulcão tem um papel importante na vida dos habitantes locais porque também é um dos vulcões mais ativos do mundo.

Mais de 29 milhões de pessoas vivem globalmente a 10 km de um vulcão, e entender o comportamento dos vulcões - e ser capaz de prever quando eles vão entrar em erupção ou cuspir cinzas no ar - é vital para salvaguardar o bem-estar das pessoas.

Contudo, prever o comportamento do vulcão é difícil, especialmente se eles estiveram dormentes, e monitorá-los pode ser um desafio, uma vez que coletar amostras ou instalar equipamentos apresenta perigos físicos. E embora os modelos teóricos possam aproximar como um determinado vulcão se comporta, dada a sua localização, composição geológica e o comportamento do magma da Terra por baixo dela (entre outras coisas), ainda existem muitas variáveis ​​desconhecidas - e cada vulcão é único.

Agora pesquisador da Universidade de Granada, na Espanha, O Dr. Zuccarello pretende analisar automaticamente as atividades vulcânicas para desenvolver modelos de alerta precoce que podem salvar a vida das pessoas que vivem perto dos vulcões.

Na última década, os métodos de coleta de dados melhoraram significativamente, com equipamentos novos e mais sensíveis, e os pesquisadores agora têm acesso a um dilúvio de dados sem precedentes. Por exemplo, eles podem acessar informações em tempo real sobre como a Terra treme nas proximidades do vulcão (atividade sísmica), a propagação de ondas sonoras de dentro da Terra, e os produtos químicos presentes dentro do vulcão e como eles estão mudando.

Os observatórios de vulcões precisam analisar grandes quantidades de dados em um curto período de tempo. "Há uma necessidade de técnicas mais rápidas e sem erros para coletar esses dados, "Dr. Zuccarello disse.

Seu projeto VOLCANOWAVES, que inclui pesquisadores baseados na Espanha, o Reino Unido, Itália, México, e Argentina, usa aprendizado de máquina para identificar padrões na atividade sísmica ao redor de um vulcão em um esforço para prever quando, ou se vai explodir. Em particular, Dr. Zuccarello está olhando para os eventos de baixa frequência, como tremores vulcânicos, que geralmente estão ligados ao movimento do magma dentro do encanamento de um vulcão.

Reconhecimento de fala

Na última década, a aplicação de aprendizado de máquina para identificação de padrões tem sido parte integrante do reconhecimento de fala, mas os pesquisadores agora estão usando para prever o comportamento dos vulcões. "Embora esses campos variem significativamente em termos de contexto e fonte, o objeto da análise é o mesmo - o estudo de seus harmônicos ao longo do tempo em busca de padrões, "Dr. Zuccarello disse.

O resultado principal do projeto será um conjunto de algoritmos - definidos para serem concluídos quando o projeto terminar, no final deste ano - e ele espera que eles sejam amplamente usados ​​na comunidade científica para monitorar vulcões no dia a dia.

"Sinais de fala e sísmicos compartilham propriedades importantes, "disse o Dr. Guillermo Cortés, especialista em processamento de sinais e aprendizado de máquina na Universidade de Udine, na Itália. Ele executou um projeto chamado VULCAN.ears, que também usou tecnologia de reconhecimento de voz para entender o que os vulcões estão dizendo.

Dr. Cortés e colegas desenvolveram um sistema de monitoramento de vulcão em tempo real, que detecta e rotula automaticamente 'eventos' vulcânicos nos fluxos de dados provenientes de estações de monitoramento que detectam sinais sísmicos. Esse sistema, então, cria catálogos de atividades para encontrar padrões de comportamento.

Dr. Roberto Carniel, um geofísico da Universidade de Udine e supervisor científico do projeto, diz:"A chegada do aprendizado de máquina e das técnicas de aprendizado profundo aplicadas está descobrindo novas soluções para problemas antigos. (Agora) é mais fácil misturar resultados de várias áreas de monitoramento que envolvem o estudo de sinais sísmicos, sinais infra-sônicos, sinais magnéticos, análise geoquímica de gases e fluidos, deformação, câmeras térmicas e de vídeo, para produzir previsões mais robustas e confiáveis. "

Com 29 milhões de pessoas em todo o mundo vivendo a 10 km de um vulcão, prever quando eles irão explodir é vital para salvaguardar o bem-estar das pessoas. Crédito da imagem - Pexels / pixabay, licenciado sob CC0

A equipe desenvolveu um sistema de reconhecimento sísmico vulcânico baseado em aprendizado de máquina supervisionado, em que eles analisaram dados que já haviam sido rotulados por outros especialistas, ensinar o software a identificar eventos vulcânicos, como tremores vulcânicos, ashfall, ou explosões dentro do vulcão. Essa abordagem é semelhante a encontrar palavras em uma conversa, rotulando suas classes gramaticais e encontrando os padrões de linguagem exclusivos de cada vulcão.

Esta é uma ruptura com os métodos clássicos de construção de catálogos de comportamento de vulcões, Dr. Cortés diz. Esses métodos envolvem a detecção automática de eventos e classificação manual por especialistas. "Normalmente, eles realizam essa tarefa diariamente, que pode ser muito lento em uma situação que envolve uma população em risco devido a uma erupção inesperada, " ele disse.

O tempo pode ser essencial quando se trata de vulcões, particularmente no caso de queda de cinzas, colapsos e deslizamentos de terra, ele diz. Nesses casos, 'a detecção e classificação em operação em tempo real é crítica' para reduzir o tempo de tomada de decisão se as comunidades próximas precisarem ser evacuadas.

O objetivo final do Dr. Cortés era desenvolver um sistema universal e independente de vulcão que pudesse ser facilmente incorporado a qualquer observatório de vulcão. Para construir isso, os pesquisadores criaram um banco de dados universal de dezenas de vulcões ao redor do mundo e usaram suas técnicas de aprendizado de máquina para construir modelos universais. Uma versão preliminar deste está disponível online.

Contudo, para o Dr. Carniel, o que é importante agora é que os observatórios vulcânicos em todo o mundo levem o trabalho adiante. "Eles são a verdadeira chave para o avanço da ideia independente do vulcão, instalar o sistema de reconhecimento sísmico vulcânico em seus próprios observatórios, compartilhando recursos, e dando feedback valioso, " ele disse.

Esses observatórios são, Afinal, a linha de frente dos esforços dos países para proteger seus cidadãos dos vulcões dentro de suas fronteiras - e os cientistas precisam ser capazes de ouvir os sussurros dos vulcões para prever quando eles começarão a gritar.