Il monitoraggio delle emissioni vulcaniche

C. Spinetti, L. Guerrieri, T. Caltabiano, D. Randazzo, G. Salerno

• Le emissioni vulcanicheLe emissioni vulcaniche

• Misurare i plumes vulcanici utilizzando Misurare i plumes vulcanici utilizzando dati da remoto: dati da remoto:

I moduli del sistema SRV – sito di test EtnaI moduli del sistema SRV – sito di test Etna

• I risultati nei periodi di testI risultati nei periodi di test

• ConclusioniConclusioni

Sommario

Le emissioni vulcanicheLe emissioni vulcaniche

Componenti di un plume vulcanico

Vapore Acqueo Rappresenta 70-90 % dei gas che compongono un plume

Anidride Carbonica I vulcani attivi immettono 130 millioni di tonnelate annue di CO2 in atmosfera

Anidride Solforosa I vulcani attivi immettono ~1 milione di tonnellate annue di SO2 in atmosfera

Particolato solido e liquido Di dimensioni variabili dal metro (bombe laviche) fino al particolato fine dell’ordine del nm (aerosol). La cenere vulcanica e gli aerosol possono arrivare a coprire milioni di Km2 secondo l’altezza raggiunta in atmosfera

Il particolato liquido è composto da nucleazione etereogenea di acido solforico.

DATA SOURCE:Symonds et al., 1994; Gerlach et al., 1997; Allard et al., 1998; Varley et al., 1998; Delagdo et al., 1998;Kopenick et al., 1996; Allard et al., 1991; Wardell and Kyle, 1998; Brantley et al., 1993; O'Keefe, 1994

Volcanic gases flux (1975-1995)

Species

Global

Volcanism

(Gg/yr)

Etna/Global

Volcanism

H2O 5.0⋅106 10%

CO2 (8-20)⋅104 (7-16)%

SO2 1.3⋅104 11%

HCL (4-110)⋅102 9%

HF 60-6000 8%

Br 77 2.6%

Zn 9.6 51%

Cu 9.4 5.9%

Mn 42 0.6%

Pb 3.3 4.5%

Importanza della misura del Flusso SO2

• Il flusso di SO2 e’ un indicatore diretto della presenza di magma vicino alla superficie, dei movimenti magmatici e del volume all’interno sistema di alimentazione superficiale del sistema magmatico: alti flussi indicano grandi volumi di magma in gioco.

• Dalle analisi petrologiche dei prodotti eruttati ci permettono di avere indicazioni sulla quantita’ di zolfo (S) presente nel magma Etneo ~0.3 wt% ed indicano che il magma comincia ad essolvere a circa 3-4 km in profondita’.

•Ogni ton di SO2 implica ~60 m3 in volume di magma.

Misurare i plumes vulcanici utilizzando dati da remoto: Misurare i plumes vulcanici utilizzando dati da remoto: I moduli del sistema SRVI moduli del sistema SRV

EO Data used to S/S Surveillance and Early Warning of eruptions

Modules Products Satellite - Sensor Satellite Revisit Time

Map Products spatial resolution

VAOT LAOT

Aerosol Optical Thickness

TERRA ASTEREO-1 HYPERION TERRA AQUA MODIS

16 gg16 gg2 gg

15 m30 m1 km

WV H2O Content (g/cm2)

EO-1 HYPERION 16 gg 30 m

SO2 SO2 Flux (Kg/s) FLAME Ground remote sensing network

Continuous -

SO2 SO2 Content (g/m2)

ASTER 16 gg 90 m

CO2 CO2 Abundance(ppm)

HYPERION Simulation - 30 m

Modulo Logic workflowFor each sensor a data series of remote sensed data have been processed

By means of specific algorithm and using Auxiliary and Ancillary… …the

parameter is obtained

Before to post on the GIS each raster needs to be converted in a ESRI like vector..

Dal dato raw al parametro del plume vulcanico

Product

Vectorfile

Product

RTMSimulation

Maps

CalibrationGeoreferentiation

Surface reflectanceVertical profilePlume altitude

Optical particle parameters

Convolution with sensor response function

Aerosol vulcanicoAerosol vulcanico

nel plume di nel plume di

degassamentodegassamento

Lo spessore ottico del plume Lo spessore ottico del plume vulcanico (AOT) e’ un vulcanico (AOT) e’ un parametro geofisico parametro geofisico

proporzionale alla quantita’ proporzionale alla quantita’ di particolato presente nel di particolato presente nel

plumeplume

Spinetti et al, 2003, AG

Moduli LAOT e VAOTLOW RESOLUTION AEROSOL OPTICAL THICKNESS

and Medium-high RESOLUTION AEROSOL OPTICAL THICKNESS

Il modulo VAOT analizza dati Aster e Hyperionil modulo LAOT analizza dati modis (satelliti terra e aqua) forniscono entrambi una mappa di aot a 550 nm con diversa risoluzione spaziale 15m, 30m e 1 km

Utilizzano banda nel visibile, quindi funziona solo con immagini diurne

Moduli pensati per essere usato “user-driven”, in maniera semi-automatica per VAOT e Automatica per LAOT

Specifico per particelle di piccole dimensioni

AOT_Hy

24-9-2001 09:34GMTAOT mean 0.30+-0.09

AOTmin0.05+-0.02

AOTmax 1.10+-0.33

Plume area 2.25km2

Plume direction NE

Hyperion VAOT 550nm@30m

EO-1 - Hyperion 24 Sept 2001

Module input

ASTER VAOT 550nm@15m

TERRA-ASTER 10 May 2010

Module inputModule output Classificated

min0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6max

MODIS LAOT550nm @1 km

Terra MODIS 16-6-2008 9:40UTC

AOTCLASS

La mappa classificata è stata pensata in modo da fare la ricerca del plume in maniera AUTOMATICA (senza l’intervento di un operatore esterno); ciò naturalmente comporta possibili errori di valutazione a causa di presenza di nubi vicino al cratere, sunglint sul mare, scala non adeguata (plume con valori di AOT molto bassi o valori ambientali elevati), assenza del plume, ecc ...

La possibilità di fare la ricerca in maniera SEMIAUTOMATICA (controllo da parte di un operatore) eviterebbe la maggior parte di tali errori.

AOT550NM AOTCLASS

< 0.2 or > 2 - 9999

0.2 – 0.4 0

0.4 – 0.6 1

0.6 – 0.8 2

> 0.8 3

3 July 2008 10:20UTC

AOTCLASS Results: 19 July 2008 10:20UTC

Modulo WVMedium-high RESOLUTION water vapor content

WV 25-10-2006 Il prodotto del 25 Ottobre 2006 ci mostra la struttura del plume di vapore maggiormente concentrato in 3 distinte zone dell’area sommitale corrispondenti ai crateri centrali. Luglio 2007 il plume risulta molto diffuso su tutta l’area sommitale. Da un’analisi del prodotto dei flussi di SO2 questo risulta un periodo di flussi elevati. Il prodotto dell’8 Ottobre 2009 ci mostra un plume di vapore acqueo ben direzionato a Sud.

WV 9-7-2007 8-10-2009

Modulo Flusso di SO2 Rete terrestre FLAME

Le prime misure del flusso di SO2 rislagono agli anni ’70 con il COSPEC. Dal 2005 all’Etna e’ stata svilupata la rete FLAME con i sistemi UV-Doas.

station scans

Data analysisFLAME-Etna network

ENIC

ECUR

EILI

EVEN

EMIL

SO2 emission during the initial phase of 2008-2009 eruption

20000 t/g

700 t/g

I Ciclo II Ciclo III Ciclo

SO

2 F

lux

Date

Analisi della serie storica 2000-2010 VAOT e 2005-2008 SO2

16 sett 0728 gen 06

Impact index AOT max* areaThe plume has not been identified due to- absence of plume- snow surface under the plume higher reflectance that the plume extinction- presence of clouds on the summit and or high stratus clouds - data georefencing problem due to presence of cloud around the summit

Spinetti et al 2011 submitted to IEEE

Salerno et al 2009, JVGR

Parossisma 13 Gennaio 2011

11 gennaio 20119:16 UTC

11 gennaio 201112:36 UTC

Input :Dati Modis Terra e Aqua

Output:AOT@550nm 1km

Ricerca e Sviluppo Modulo CO2 Medium-high RESOLUTION carbon dioxide abundance

Visualizzazione nel WebGis del prodotto di anidride carbonica di origine vulcanica. Distribuzione spaziale sintetica del plume vulcanico in CO2 dell’Etna utilizzando le caratteristiche spettrali del sensore Hyperion.

Spinetti et al 2008, RSE

- I moduli del sistema che sono stati sviluppati durante l’intera durata del progetto forniscono informazioni sullo stato di degassamento dell’Etna attraverso la misura di diversi parametri nelle fasi early warning.

- Le mappe dei vari costituenti del plume vulcanico sono a diversa risoluzione spaziale dai 15 m ai 1 km e con diversi tempi di rivista, il che permette di avere informazioni anche sulla struttura del plume analizzando i dati a piu’ alta risoluzione come Aster e di avere informazioni sulla presenza di consistenti plume vulcanici con dati Modis con 2 passaggi al giorno. Le limitazioni sono date dalla copertura nuvolosa.

- L’analisi delle serie storiche di 10 anni di dati sembrano indicare che prima di alcuni eventi ci sono valori elevati di spessore ottico, come nell’eruzione del 2001 o il parossisma del 2007, 13 gennaio 2011 a cui corrispondono periodi di elevati valori di flussi di SO2, che e’ il parametro piu’ consolidato ed utilizzati in tutti i sistemi di monitoraggio vulcanico.

Conclusioni

Grazie dell’attenzione