Kamchatka and the Kuril Islands are home to 36 active volcanoes with yearly explosive eruptions that eject ash to heights of 8 to 15 km above sea level, posing hazards to jet planes. In order to reduce the risk of planes colliding with ash clouds in the north Pacific, the KVERT team affiliated with the Institute of Volcanology and Seismology of the Far East Branch of the Russian Academy of Sciences (IV&S FEB RAS) has conducted daily satellite-based monitoring of Kamchatka volcanoes since 2002. Specialists at the IV&S FEB RAS, Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences (SRI RAS), the Computing Center of the Far East Branch of the Russian Academy of Sciences (CC FEB RAS), and the Far East Planeta Center of Space Hydrometeorology Research (FEPC SHR) have developed, introduced into practice, and were continuing to refine the VolSatView information system for Monitoring of Volcanic Activity in Kamchatka and on the Kuril Islands during the 2011–2015 period. This system enables integrated processing of various satellite data, as well as of weather and land-based information for continuous monitoring and investigation of volcanic activity in the Kuril–Kamchatka region. No other information system worldwide offers the abilities that the Vol-SatView has for studies of volcanoes. This paper shows the main abilities of the application of VolSatView for routine monitoring and retrospective analysis of volcanic activity in Kamchatka and on the Kuril Islands.

Ключевская группа вулканов Камчатки уникальна во многих отношениях: она включает 13 вулканов, четыре из которых действующие, здесь находится самый молодой и активный вулкан Камчатки – Ключевской; в пределах относительно небольшой территории группы отмечается распространение контрастного (базальтового и андезитового) вулканизма. На основании анализа комплекса спутниковых данных среднего и высокого разрешения (MODIS, SRTM, ASTER, Landsat, Метеор-М, Канопус-В и др.), различных опубликованных материалов и собственных вулканологических исследований автора, в работе приведена уточненная схема расположения основных разломных зон в районе Ключевской группы вулканов. Все разломы, показанные на схеме, хорошо выражены на всех рассмотренных спутниковых снимках. Показано, что разломы, когда-либо здесь проявившиеся, являются долгоживущими, их активизация связана с определенными этапами развития Ключевской группы вулканов; формирование стратовулканов группы обязано преимущественно разломам северо-западного, северо-восточного и западно-северо-западного простираний. Например, современная активность вулкана Ключевской связана, вероятно, с разломами северо-западного и северо-восточного простираний; правосторонние сбросо-сдвиговые подвижки по разломам северо-северо-восточного простирания, вероятно, привели к обрушению в разное время восточных частей вулканов Острый Толбачик и Камень.

The Klyuchevskaya volcanic group of Kamchatka is unique in many respects: it includes 13 volcanoes, four of which are active; Klyuchevskoy volcano is the youngest and the most active of Kamchatka; the contrast (basaltic and andesitic) volcanism is observed within the relatively small area of this group. This work provides a general scheme of principal fault zones in the area of the Klyuchevskaya volcanic group superimposed on satellite data of middle and high resolution (MODIS, SRTM, ASTER, Landsat, Meteor-M, Kanopus-B and the others). The scheme of the fault zones was created on the basis of the analysis of a set of various published materials and numerous satellite data of different resolution, as well as on the author’s studies of the Klyuchevskaya group volcanoes. All faults at the scheme were well expressed in all examined satellite images. It is shown that the faults ever formed here are long-lived and their activity is associated with certain stages of the evolution of the Klyuchevskaya volcanic group. The formation of all volcanoes of this group mainly happens owing to faults of the northwest, northeast and west-northwest directions. For example, the current activity of Klyuchevskoy volcano is associated probably with the northwest and northeast striking faults; right-hand downthrow-upheaval movements along the faults of the north-northeast directions are likely to have led at different times to the collapse of the eastern parts of the volcanoes Ostry Tolbachik and Kamen.

Активность вулканов Камчатки в 2014 г. была ниже, чем в предыдущие годы: ежегодно на полуострове в состоянии извержения находятся от 4 до 8 вулканов, в этом году извергались лишь три вулкана.

В 2015 г. в состоянии извержения и высокой активности находились четыре вулкана Камчатки (Шивелуч, Ключевской, Карымский, Жупановский) и два вулкана Северных Курил (Алаид и Чикурачки), их деятельность представляла опасность для авиаперевозок. В течение всего года продолжалось экструзивно-эксплозивное извержение вулкана Шивелуч, отдельные пепловые эксплозии поднимали пепел до 9-10 км н.у.м.; с 1 января по 24 марта 2015 г. происходило эксплозивно-эффузивное извержение вулкана Ключевской, пепловые шлейфы поднимались до 8 км н.у.м.; с 6 июня 2014 г. до 30 ноября 2015 г. продолжалось эксплозивное извержение вулкана Жупановский, пепловые облака поднимались до 6-10 км н.у.м.; весь год наблюдалось эксплозивное извержение вулкана Карымский, пепел поднимался до 4 км н.у.м.; с 15 по 19 февраля 2015 г. наблюдалось эксплозивное извержение вулкана Чикурачки на о. Парамушир Северных Курил, эксплозии поднимали пепел до 7,5 км н.у.м.; с 1 октября до конца 2015 г. отмечалась активизация вулкана Алаид на о. Атласова Северных Курил.

Умеренное эксплозивное извержение вулканского типа вулкана Чикурачки продолжалось с 28 по 31 марта 2016 г. Эксплозии поднимали пепел до 4 км над уровнем моря, пепловые шлейфы протягивались до 600 км преимущественно на юго-восток от вулкана, но также на северо-восток, юг и юго-запад от него. Наибольшая площадь пеплового шлейфа – до 13676 км2 – была отмечена 30 марта. Во время извержения вулкана Чикурачки усилилась эруптивная активность вулкана Алаид, который находится в состоянии слабого эксплозивного извержения с 1 октября 2015 г. до настоящего времени. Пепловые шлейфы от вулкана Алаид протягивались до 60 км с 29 марта по 01 апреля. Для наблюдений за извержениями вулканов были использованы преимущественно спутниковые данные среднего разрешения информационной системы “Мониторинг активности вулканов Камчатки и Курил” (VolSatView).

A moderate Vulcanian type explosive eruption of Chikurachki volcano lasted from 28 till 31 March, 2016. Explosions sent ash up to 4 km above sea level, ash plumes drifted for about 600 km mainly to the southeast from the volcano, but also to the northeast, south and southwest from it. The largest area of the ash plume – up to 13 676 km2 – was detected on 30 March. During the eruption of Chikurachki volcano, the eruptive activity of Alaid volcano, which has been in the state of weak explosive eruption from 01 October 2015 till present, increased,. Ash plumes of Alaid volcano extended for about 60 km from 29 March till 01 April. To observe the eruptions we used mainly satellite images of medium resolution of the information system "Monitoring of volcanic activity in Kamchatka and the Kurile Islands" (VolSatView).

Ресуспендированные пеплы, широко распространенные в районах активного вулканизма, могут быть опасны для экосистем, человека и животных, а также для транспорта, включая малую авиацию. По данным ученых из KVERT, на Камчатке образование шлейфов ресуспендированных пеплов происходит в районе вулкана Шивелуч ежегодно преимущественно с августа до середины октября в течение 1–2 суток. Например, такие шлейфы наблюдались 3 августа 2011 г., 15–16 сентября и 3–4 октября 2015 г., 28–29 сентября и 2–4 октября 2016 г. Плотные пепловые шлейфы высотой от поверхности земли до 3 км н.у.м. и шириной до 16–22 км протягивались на расстояния до 600 км на юго-восток от вулкана. Анализ различных спутниковых данных в информационной системе VolSatView позволил выявить характерные особенности шлейфов ресуспендированных пеплов вулкана Шивелуч: шлейф на расстоянии 60–70 км от вулкана имеет наибольшую концентрацию пепловых частиц; его ширина на суше на протяжении 100 км достигает 16–22 км, а мощность – 1–2 км от поверхности земли; широкий шлейф, насыщенный пепловыми частицами, сохраняется в атмосфере от 3–5 ч до нескольких
суток.

Resuspended ash is common in the areas of active volcanism and can be dangerous for ecosystems, human being and animals, different means of transport including local aviation. According to KVERT scientists data, a formation of resuspended ash plumes on Kamchatka occurs in the area of Sheveluch volcano annually, mainly from August to mid-October within two days. For example, these plumes observed on August, 3, 2011, September, 15–16 and October, 3–4, 2015, September, 28–29 and October, 2–4, 2016. Dense ash plumes rising 3 km above the surface to a.s.l. and 16–22 km in width drifted 600 km to the south-east from the volcano. Analysis of various satellite data in the VolSatView information system revealed typical features of Sheveluch resuspended ash plumes. The largest concentration of ash particles is observed in ash plumes at a distance of 60–70 km from the volcano; its width on the land for over 100 km reaches 16–22 km and is 1–2 km thick from the earth’s surface; a wide ash-rich plume is retained in the atmosphere from 3–5 hours to several days.

Эксплозивные извержения вулканов являются наиболее опасными в мире в связи с высокой энергетикой вулканогенного процесса и их непредсказуемостью. Для обеспечения безопасности населения при извержениях необходимо проведение вулканологами комплексного мониторинга вулканов с использованием данных всех доступных видов наблюдений (дистанционных и наземных инструментальных средств, метеоинформации). Созданная в 2011-2015 гг. совместными усилиями специалистов ИВиС ДВО РАН, ИКИ РАН, ВЦ ДВО РАН и ДВ НИЦ Планета ИС “Дистанционный мониторинг активности вулканов Камчатки и Курил (VolSatView)” ориентирована на непрерывный мониторинг вулканической активности Камчатки и Курил и анализ влияния извержений на окружающую среду.

На Камчатке и Северных Курилах расположено 36 действующих вулканов, ежегодно здесь происходят сильные эксплозивные извержения с выбросом пеплов до 8-15 км над уровнем моря, представляющие реальную угрозу для современной реактивной авиации. Для снижения опасности столкновения самолетов с пепловыми облаками в северной части Тихоокеанского региона, группа KVERT ИВиС ДВО РАН с 2002 г. проводит ежедневный спутниковый мониторинг камчатских вулканов. В 2011-2015 гг. специалистами ИВиС ДВО РАН, ИКИ РАН, ВЦ ДВО РАН и ДЦ НИЦ Планета была создана, введена в эксплуатацию и развивается информационная система "Мониторинг активности вулканов Камчатки и Курил" (VolSatView), позволяющая вулканологам комплексно работать с различными спутниковыми данными, а также метео- и наземной информацией, для непрерывного мониторинга и исследования вулканической активности Курило-Камчатского региона. Таких возможностей как в VolSatView в настоящее время нет ни в одной информационной системе мира, работающей в направлении исследования вулканов. В работе показаны основные возможности применения VolSatView для решения задач оперативного мониторинга и ретроспективного анализа активности вулканов Камчатки и Курил.

Kamchatka and the Kuril Islands are home to 36 active volcanoes with yearly explosive eruptions that eject ash to heights of 8 to 15 km above sea level, posing hazards to jet planes. In order to reduce the risk of planes colliding with ash clouds in the north Pacific, the KVERT team affiliated with the Institute of Volcanology and Seismology of the Far East Branch of the Russian Academy of Sciences (IV&S FEB RAS) has conducted daily satellite-based monitoring of Kamchatka volcanoes since 2002. Specialists at the IV&S FEB RAS, Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences (SRI RAS), the Computing Center of the Far East Branch of the Russian Academy of Sciences (CC FEB RAS), and the Far East Planeta Center of Space Hydrometeorology Research (FEPC SHR) have developed, introduced into practice, and were continuing to refine the VolSatView information system for Monitoring of Volcanic Activity in Kamchatka and on the Kuril Islands during the 2011–2015 period. This system enables integrated processing of various satellite data, as well as of weather and land-based information for continuous monitoring and investigation of volcanic activity in the Kuril–Kamchatka region. No other information system worldwide offers the abilities that the Vol-SatView has for studies of volcanoes. This paper shows the main abilities of the application of VolSatView for routine monitoring and retrospective analysis of volcanic activity in Kamchatka and on the Kuril Islands.

Эксплозивные извержения вулканов являются наиболее опасными в мире в связи с высокой энергетикой вулканогенного процесса и их непредсказуемостью. Для обеспечения безопасности населения при извержениях необходимо проведение вулканологами комплексного мониторинга вулканов с использованием данных всех доступных видов наблюдений (дистанционных и наземных инструментальных средств, метеоинформации). В 2011-2015 гг. совместными усилиями специалистов ИВиС ДВО РАН, ИКИ РАН, ВЦ ДВО РАН и ДВ НИЦ «Планета» была создана информационная система “Дистанционный мониторинг активности вулканов Камчатки и Курил (VolSatView)”, ориентированная на непрерывный мониторинг вулканической активности Камчатки и Курил и анализ влияния извержений на окружающую среду. В работе представлено краткое описание ее возможностей для комплексного анализа извержений вулканов Камчатки.

Explosive volcanic eruptions are the most dangerous in the world due to the high energy of volcanic processes and their unpredictability. In order to ensure the population safety during eruptions, volcanologists are necessary to conduct comprehensive monitoring of volcanoes using data from all available types of observations (remote sensing and ground-based tools, meteorological information). In 2011-2015, the joint efforts by experts IVS FEB RAS, SRI RAS, CC FEB RAS and FEC SRC Planet was created the information system "Remote monitoring of active volcanoes of Kamchatka and the Kurile Islands (VolSatView)", focused on the continuous monitoring of volcanic activity of Kamchatka and the Kurile Islands and the analysis of eruptions impact on the environment. The paper provides a brief description of its capabilities for a comprehensive analysis of the Kamchatkan volcanic eruptions.

В настоящее время спутниковые данные интенсивно используются для обнаружения и количественной оценки термальных аномалий на действующих вулканах (Trifonov et al., 2016; Melnikov, Volynets, 2015; Ефремов и др., 2012). Для задач оперативного мониторинга успешно используются данные инструмента MODIS, установленного на борту ИСЗ Terra и Aqua, которые позволяют обнаруживать и проводить количественную оценку вулканической активности в условиях различных геотектонических обстановок (Wright et al., 2004; Coppola et al., 2016). Существуют различные алгоритмы обработки этих данных для обнаружения термальных аномалий. Одним из них является алгоритм глобального мониторинга вулканической активности - MODVOLC (Flynn et al., 2002; Wright et al., 2002). Он основан на поиске высокотемпературных аномалий в 21 (4 мкм) и 32 (12 мкм) каналах MODIS. Для этого рассчитывается нормализованный тепловой индекс (НТИ), как соотношение между разницей и суммой указанных яркостей. Порогом обнаружения термальных аномалий является значение НТИ=> -0.8 для ночных снимков MODIS.
В Институте вулканологии и сейсмологии ДВО РАН в 2015 году установлена приёмная станция УниСкан-36 (Сканэкс), которая позволяет производить приём и обработку спутниковых данных MODIS (от 4 до 8 снимков в сутки) в режиме реального времени. Авторами реализован алгоритм автоматической обработки снимков MODIS для обнаружения и количественной оценки термальных аномалий для действующих вулканов Камчатки и Курильских островов. Алгоритм позволяет: 1) для каждого действующего вулкана производится автоматический поиск тепловых аномалий на основе НТИ, 2) для каждого пикселя тепловых аномалий, имеющих пороговое значение НТИ=> -0.8 определяется мощность излучения (Wooster et al., 2003), 3) согласно определённой мощности излучения оценивается мгновенный расход лавы согласно методу D.Coppola (Coppola et al., 2013). Данные по зафиксированной максимальной, минимальной, фоновой температуре, количеству пикселей тепловых аномалий по каждому вулкану заносятся в базу данных.
Согласно описанному алгоритму, производится оперативный мониторинг извержения Ключевского вулкана, начавшегося в апреле 2016 года. Применение алгоритма позволило отметить начало извержения в виде стромболианской активности в кратере вулкана. Для этого периода характерна средняя мощность излучения 30-50 МВатт и расход лавы 0,6 м3/сек. 23 апреля произошло мощное эксплозивное событие, которое привело к частичному разрушению привершинной области восточного склона вулкана (верхняя часть Апахончичского желоба). По спутниковым снимкам 24-27 апреля было зафиксировано резкое увеличение мощности излучения до 500 МВатт и расхода лавы 5 м3/сек, что свидетельствовало о начале излияния лавового потока по восточному склону вулкана. Интенсивность излияния лавовых потоков начала повышаться с начала июня 2016 года, достигнув максимальных значений мощности излучения в 1500-1800 МВатт в июле-сентябре, средний расход лавы составил 4-6 м3/сек, при максимальных значениях 15-20 м3/сек. На сегодняшний день 30 сентября, извержение Ключевского вулкана продолжается, предварительный объём эффузивного материала составляет 0,05 км3 (±50%).
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 16-17-00042).

В связи с тем, что анализ распространения пепловых облаков и шлейфов от вулканов является сложной междисциплинарной задачей, реализация необходимых методов и технологий исключительно на одной платформе представляется крайне затруднительной. Более эффективным является подход, связанный с организацией взаимодействия между уже действующими информационными системами (ИС) и сервисами, на базе которых развиты необходимые научные компетенции, сформированы архивы специализированных данных и выстроена соответствующая вспомогательная программно-аппаратная инфраструктура. На основе указанного подхода с использованием ресурсов автоматизированной ИС «Сигнал», ИС VOKKIA и ИС VolSatView реализована интегрированная программная платформа, обеспечивающая возможность компьютерного моделирования распространения пепловых облаков и шлейфов от вулканов Камчатки, а также проведение совместного анализа полученных результатов расчетов со спутниковой информацией.
В статье дается описание этой платформы, а также рассматриваются архитектура взаимодействия специализированных прикладных информационных систем, средства и технологии, используемые для проведения компьютерного моделирования, обмена научными данными и работы с ними. Приведены примеры созданных пользовательских интерфейсов для постановки вычислительных задач и проведения совместного анализа результатов расчетов и данных, полученных методами дистанционного зондирования Земли из космоса.

Analysis of the spread of ash clouds and plumes from volcano eruptions is a complex interdisciplinary task, hence implementation of the necessary methods and technologies exclusively on a single platform is extremely difficult. A more efficient approach is associated with the organization of interaction between already existing information systems and services developed on the basis of particular scientific competence and specialized data archives formed and built in the corresponding supporting software and hardware infrastructure. Based on this approach, a software platform was implemented integrating three information systems: Signal, VOKKIA and VolSatView. The platform provides computer modeling of ash clouds and plumes from the volcanoes of Kamchatka, and joint analysis of modeling calculation results with remote sensing data. The paper describes the platform, and the architecture of interaction of specialized applications and information systems, tools and technologies used for computer modeling, exchange of scientific data and working with them. The article includes examples of user interfaces for setting computing tasks and conduct joint analysis of modeling results using the data obtained by remote sensing of the Earth from space.