火山噴發是危險的，但不幸的是，它們也很難預測。現在，東京大學的一個科學家小組發現，從火山熔岩（地球表面的縫隙）中釋放出的特定氣體中的原子比例可以提供一個指標，說明下面深處的岩漿正在發生什麼。它的作用相當類似於進行血液測試來檢查人的健康，這可以表明什麼時候火山噴發的可能正在”升溫”。

具體來說，氬-40和氦-3的比例變化可以表明岩漿的泡沫程度，這預示著不同類型的噴發風險。了解哪些氣體的比例表明某種類型的岩漿活動是一個很大的進步。接下來，研究人員希望通過開發能夠提供現場實時測量的便攜式設備，構建一個全天候的火山活動監測和預警系統。

由於其地熱活躍的位置，群馬縣草津鎮（在這張圖片的背景中）是日本最受歡迎的溫泉（溫泉）目的地之一。然而，酸性和充滿活力的綠松石火山口湖絕對不適合游泳。

一想到要站在火山上，你是興奮得發抖，還是害怕？對於許多人來說，生活在火山的陰影下是日常生活的一部分。日本有111座活火山，每年平均有15次火山”事件”，包括火山噴發。然而，這些事件對於當地人而言並不是什麼令人興奮的事情，它可能是致命的，也是眾所周知的難以預測。

禦嶽山是日本第二高的火山，也是一個著名的旅遊景點，在2014年意外地爆發，不幸地造成58人死亡，5人失踪。雖然地震活動通常是一個早期預警信號，但一些爆發（包括禦嶽山的爆發）可能在沒有明確地震信號的情況下發生。因此，減災人員如日本氣象局希望受益於其他可靠的方式，以預示居民下一次潛在的災難。

火山口是地球表面（地殼）的洞和裂縫，它釋放氣體和蒸汽，經常出現在火山周圍。噴出的氣體是由混合的化學物質組成的。它的成分可以讓我們了解在地殼下面的地幔中發生了什麼，岩漿（熔岩）在那裡形成並向上推進，最終以熔岩的形式爆發出來。研究人員已經知道，某些氣體的同位素（來自某種元素的原子，具有相同的化學性質，但質量不同）的比例可以表明隱藏的岩漿活動。

“我們知道，當岩漿活動增加時，氦的同位素比率偶爾會從一個低值（類似於在地殼中發現的氦）變為一個高值，就像在地幔中發現的氦。這是基於對加那利群島（位於非洲西北海岸的大西洋中）埃爾埃羅島冷泉氣體的氦同位素比率的觀察，那裡在2011年發生了一次噴發，”來自先進科學和技術研究中心的住野宏一教授解釋說。”但是我們不知道為什麼在岩漿動盪期間有更多的地幔衍生的氦氣。”

Hirochika Sumino（深綠色外套）、Tomoya Obase（藍色外套）和Hiroshi Shinohara（橙色外套）在日本富山縣的Tateyama Jigokudani（”地獄谷”）地熱區收集氣體樣本。由於有毒氣體和熱蒸汽，從煙孔收集氣體樣本是很危險的，因此需要戴防毒面具、護目鏡、頭盔和手套。但是Sumino說，這項研究的結果表明，從樣本中獲得的洞察力是非常值得挑戰的。

為了獲得進一步的了解，Sumino和研究小組決定監測活躍的Kusatsu-Shirane火山周圍的六個熔岩的氣體，該火山位於群馬縣東京西北部約150公里（90英里）處。該團隊在2014年至2021年的7年間，每隔幾個月收集一次樣本。採集後，他們將樣本帶回實驗室，使用稱為惰性氣體質譜儀的最先進設備進行分析。這使他們能夠精確地測量同位素組成，包括超微量（微小但重要）同位素的組成，如氦-3，與地殼或空氣相比，氦-3在地幔中通常更豐富。

“我們成功地檢測到岩漿衍生的氬-40/氦-3比例的變化，與岩漿動盪有關。使用計算機模型，我們發現該比率反映了地下岩漿發泡的程度，使火山氣體的氣泡從液態岩漿中分離出來，”Sumino解釋說。”岩漿發泡的程度控制著有多少岩漿氣體被提供給火山下的熱液系統，以及岩漿的浮力如何。前者與岩漿噴發的風險有關，在這種情況下，熱液系統中水壓的增加會導致噴發的發生。後者將增加岩漿上升的速度，導致岩漿噴發。”

草津白根火山地圖

這張地圖顯示了研究小組所採樣的煙孔的位置。同時還顯示了最近在2018年1月發生的、意料之外的、致命的噴發的位置，這次噴發造成1人死亡，11人受傷。

“當你把火山與人體相比較時，以觀察地震和地殼變形為代表的傳統地球物理方法類似於聽胸腔和測量體型。在這種情況下，如果沒有詳細的醫療檢查，很難知道是什麼健康問題導致胸部的一些噪音或體重的突然增加。另一方面，分析火成氣體中元素的化學和同位素組成，就像呼吸或血液測試。這意味著我們正在研究直接來自岩漿的實際材料，以準確了解岩漿的情況。”

就目前而言，氣體樣本必須在野外收集，並帶回實驗室進行分析，這是一個具有挑戰性和耗時的過程。然而，Sumino在改進惰性氣體質譜儀方面有經驗，並希望開發一種新的工具，使他們能夠進行同樣的分析，但要實時和在野外進行。

“我們希望能夠盡快發現岩漿活動的變化，”Sumino說。”現在我們正在開發一種便攜式質譜儀，用於現場實時監測來自熔岩氣體的惰性氣體同位素比率。我們的下一步是用這個新儀器建立一個惰性氣體分析協議，使所有的活火山–至少是那些有可能給當地居民帶來災難的活火山–每週七天、每天24小時都受到監測成為現實。”