Riassunto analitico
Le eruzioni vulcaniche esplosive possono iniettare nell’atmosfera grandi quantità di cenere e generare nubi che possono viaggiare anche per settimane e per migliaia di chilometri di distanza dalla sorgente trasportate dal vento. Il rischio per la sicurezza aerea nel caso di aerei che attraversino queste nubi di cenere è considerato molto alto. Gli strumenti più efficaci per mitigare questo tipo di rischio sono i sensori satellitari sviluppati per l’osservazione della Terra perché permettono una copertura globale ed un monitoraggio continuo e indipendente dalla posizione dei vulcani in attività. Sfruttando i dati satellitari nell’infrarosso termico (TIR) sono stati studiati diversi metodi quantitativi per individuare le nubi vulcaniche e stimarne il contenuto di cenere sia di giorno che notte.
Per un efficace monitoraggio e per un’effettiva mitigazione del rischio per il traffico aereo la rapidità con cui vengono generate le risposte è di cruciale importanza: la presenza e le caratteristiche delle nuvole vulcaniche potenzialmente pericolose devono essere comunicate il più rapidamente possibile alle autorità responsabili della sicurezza aerea.
In questo quadro si inserisce questa tesi di dottorato il cui obiettivo è la definizione di un metodo di facile utilizzo per ottenere una stima approssimata, veloce e affidabile della massa di cenere e di SO2 contenuti in una nube vulcanica non appena è disponibile una nuova immagine satellitare multispettrale nel TIR. Questo implica non attendere misure atmosferiche ottenibili solo con un certo ritardo e non utilizzare modelli di trasferimento radiativo computazionalmente costosi.
Questo risultato è stato raggiunto caratterizzando lo ‘stato dell’atmosfera’ dall’immagine stessa, ovvero determinandone lo stato specifico nel momento in cui l’immagine è stata ripresa e misurata dal sensore satellitare.
Inizialmente disegnato per il sensore multispettrale MODIS a bordo dei satelliti polari AQUA e TERRA e per lo studio delle eruzioni dell’Etna, questo metodo è stato successivamente adattato al sensore SEVIRI presente sui satelliti geostazionari MSG, sensore caratterizzato da una alta frequenza di acquisizione (15 minuti). Questo sviluppo ha permesso di identificare un secondo importante obiettivo: la stima della velocità (intensità e direzione) della nube vulcanica dalle immagini stesse.
Le due implicazioni più interessanti connesse alla conoscenza della velocità delle nubi vulcaniche sono la possibilità di investigare la storia passata dell’eruzione attraverso la ricostruzione dei flussi di cenere ed SO2 emessi e la possibilità di seguire l’evoluzione futura della nube vulcanica. L’apertura di queste nuove prospettive trasforma i risultati di questo studio in nuovo e potente strumento di indagine utile non solo al monitoraggio operativo e alla mitigazione del rischio vulcanico per il traffico aereo, ma anche agli studi scientifici sui meccanismi eruttivi, sui modelli di trasporto e circolazione delle nubi vulcaniche in atmosfera, sull’impatto delle eruzioni sul clima globale.
La tesi è articolata in una introduzione generale cui seguono la descrizione della cornice di riferimento sul trasferimento radiativo, dei sensori MODIS e SEVIRI e dei dati utilizzati, dell’iniziale modello sviluppato per la stima del contenuto di cenere e SO2 delle nubi vulcaniche dai dati MODIS. Quindi l’applicazione ai dati SEVIRI con il calcolo della velocità della nube vulcanica e la ricostruzione del flusso emesso alla sorgente.
Infine vengono descritti i risultati dell’applicazione del metodo sviluppato ad alcune fontane di lava dell’Etna e le principali linee di sviluppo futuro individuate tra cui la stima del contenuto di acqua e ghiaccio presenti nelle nubi vulcaniche, diversi tipi di cenere, nubi a quote differenti.
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Abstract
Explosive volcanic eruptions can inject large amounts of ash into the atmosphere and generate clouds that can travel downwind for weeks and thousands of kilometres away from the source. The risk to air safety in the case of planes that pass through these ash clouds is considered very high. The most effective tools to mitigate this type of risk are the satellite sensors developed for Earth observation, because they allow global coverage and continuous monitoring independent of the position of the active volcanoes. By exploiting satellite data in the thermal infrared (TIR) were studied different quantitative methods to detect volcanic clouds and estimate their ash content by day and night.
For effective monitoring and mitigation of risk for air traffic, the promptness with which the responses are generated is of crucial importance: the presence and characteristics of potentially dangerous volcanic clouds must be notified as quickly as possible to the authorities responsible for aviation security.
The work developed in this doctoral thesis is part of this scenario, and its goal is to define an easy to use method to get an approximate, fast and reliable estimation of the ash and SO2 amounts contained in a volcanic cloud, as soon as a new multispectral TIR satellite image becomes available.
This implies not having to wait for atmospheric measurements obtainable only with a certain lag, and not using radiative transfer models which are computationally expensive. This result is achieved by characterizing the 'state of the atmosphere' from the image itself, i.e., by determining its specific state at the time when the image was taken and measured by the satellite sensor. Initially designed for MODIS multispectral sensor on board the polar satellites AQUA and TERRA, and for the study of the eruptions of Mt.Etna, this method was later adapted to the SEVIRI sensor onboard MSG geostationary satellites, which is characterized by a high frequency of acquisition (one image every 15 minutes). This development has identified a second important objective: the estimate of the velocity (magnitude and direction) of the volcanic ash cloud from the images themselves.
The two most interesting implications related to the knowledge of the speed of the volcanic clouds are the opportunity to investigate the past history of the eruption through the reconstruction of the fluxes of ash and SO2 emitted, and the opportunity to follow the future evolution of the volcanic cloud. The opening of these new perspectives transforms the results of this study in a powerful new investigative tool useful not only to the monitoring and mitigation of volcanic risk for air traffic, but also to scientific studies on the eruptive mechanisms, on transport and circulation models of volcanic clouds in the atmosphere, on the impact of eruptions on the global climate.
The thesis is divided into a general introduction, followed by the description of the frame of reference on the radiative transfer, the sensors MODIS and SEVIRI and data used, and the initial model developed to estimate the content of ash and SO2 from volcanic clouds from MODIS data. Then follows the extension of the procedure to SEVIRI data with the calculation of the speed of the volcanic ash cloud and the reconstruction of the flux emitted at the source. Finally, are described the results obtained for some Etna lava fountains, and the main lines of future development identified, including the estimation of water content and ice present in volcanic clouds, different types of ash, and clouds at different heights.
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