LGS News

News section from LGS

IL SISTEMA DI EARLY WARNING INFRASONICO DEL VULCANO ETNA

1- Introduzione

L'Etna è uno stratovulcano alto 3350 m s.l.m.,a composizione basaltica, caratterizzato da una attività eruttiva che può variare da effusiva (lava flows) fino a Pliniana. Attualmente l'attività è prevalentemente effusiva, accompagnata da forti episodi esplosivi (eventi VEI2) caratterizzati da fontane di lava (FL) sostenute di 800-2000m di altezza al di sopra dei crateri, con durata da decine di minuti fino a diverse ore, il cui plumedi cenere ha raggiunto anche i 12 km di altezza. Dopo molti anni di quiescenza, l'attività esplosiva del vulcano è ripresa il 12 gennaio 2011 e da allora sono avvenuti più di 50 episodi esplosivi con FL.


Figura 1. (a) Mappa dell’area dei crateri sommitali (sud-est, SE; Bocca Nova, BN; Voragine, VOR; nord-est, NE) e dei due array infrasonici (ETN e MVT) e (b) ubicazione del vulcano Etna. Entrambi gli array hanno una geometria triangolare con un apertura massima di 150 m per MVT (c) e 250 m per ETN (d). AMT (triangolo blu in figura b) indica la posizione dell’array a larga apertura ubicato sul Monte Amiata.

I vulcani a condotto aperto come l'Etna possono quindi essere molto pericolosi per le loro eruzioni di tipo esplosivo, in quanto sono in grado di espellere una grande quantità di cenere in atmosfera, mettendo a rischio

In particolare, nell'area Etnea si trovano tre aeroporti nel raggio di 100km e quindi questi eventi esplosivi ricchi di cenere possono influenzare il traffico aereo ed in particolare i voli dall'Europa all'Africa. L'incidente più serio è avvenuto nel 2000, quando un Airbus A320 con 137 passeggeri a bordo, dopo il decollo da Catania, è passato attraverso la nube di cenere, non rilevata dai radar, che ha abraso i vetri della cabina di pilotaggio, costringendo il pilota a rientrare a Catania con un atterraggio di emergenza. 


2- Monitoraggio vulcanico

Questi eventi eruttivi esplosivi sono improvvisi e necessitano pertanto di una risposta rapida e una appropriata valutazione del rischio vulcanico per la sicurezza della popolazione e del traffico aereo.

Ad oggi solo una piccola parte dei vulcani attivi "storici", il 10% su un totale di 1500, viene monitorato in tempo reale. Il principale parametro geofisico utilizzato per il monitoraggio a livello mondiale è la sismicità, che può essere registrata in continuo anche a decine di chilometri di distanza, indipendentemente dalle condizioni ambientali, le cui elaborazioni possono essere svolte automaticamente quasi in tempo reale dagli osservatori vulcanologici, dando informazioni sulla localizzazione dei terremoti, sul tipo di sismicità e sull'ampiezza del tremore sismico. Tale tipologia di monitoraggio è affetta comunque da possibili errori che producono falsi allarmi correlati ad attività non vulcaniche (condizioni meteo, rumore ambientale, telesismi, malfunzionamento delle stazioni, ecc), per questo motivo, con questi parametri, gli osservatori hanno poi sviluppato una strategia di analisi multiparametrica su base statistica.

Le FL sull'Etna sono associate a chiari segnali sismici ed infrasonici, caratterizzati da un regolare incremento dell'ampiezza prima che la FL si sviluppi completamente e che la cenere sia immessa in atmosfera. L'analisi delle immagini termiche ha evidenziato che l'incremento dell'ampiezza del segnale sismico ed infrasonico è associato ad attività esplosiva stromboliana, che diventa più frequente ed intensa prima degli episodi di fontanamento. Tali ampiezze poi diminuiscono al termine della FL.

Figura 2. (a, c) infrasuono e (b, d) registrazioni sismiche della fontana di lava dell’Etna del 2/12/2013


L'Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) ha sviluppato dal 2000 un sistema di allerta semiautomatico basato sulla relazione tra il tremore sismico e l'attività vulcanica. Tuttavia in questo sistema sono presenti alcune criticità:

  • il tremore sembra variare prevalentemente in ampiezza e il segnale di inizio della FL non risulta chiaramente evidente; inoltre la FL non è preceduta da alcuna chiara variazione del campo d'onda sismico;
  • il tremore incrementa in ampiezza anche durante le intrusioni magmatiche e/o durante gli sciami sismici.

Queste criticità non permettono di fissare una soglia di allerta realistica e quindi la notifica alle autorità viene effettuata solamente dal personale di turno, dopo una conferma visiva attraverso le telecamere di monitoraggio.

Gli attuali sistemi di monitoraggio hanno pertanto bisogno di un intervento umano e quindi questo comporta spesso un ritardo tra l'evento esplosivo e la notifica alle autorità.


3- Monitoraggio vulcanico infrasonico LGS

Il gruppo di lavoro del Laboratorio di Geofisica Sperimentale (LGS) del Dipartimento di Scienze della Terra (DST) dell'Università di Firenze (UNIFI), coordinato dal Prof. Maurizio Ripepe, ha sviluppato un metodo di monitoraggio e analisi in tempo reale tramite array infrasonici, che viene usato per determinare e comunicare automaticamente alle autorità la localizzazione e l'inizio di un evento eruttivo esplosivo senza la necessità di alcun intervento umano.

Il sistema sviluppato da LGS sfrutta la forte correlazione tra emissioni infrasoniche e attività esplosiva ovvero sfrutta la caratteristica dell'infrasuono per localizzare e rilevare le fasi iniziali di una fase esplosiva vulcanica e tramite due array infrasonici a piccola apertura:

  • Il primo array (ETN in Figura 1) è stato installato a settembre 2007 sul margine sud della Valle del Bove, ad una quota di 2100m s.l.m. e una distanza di 5,5km dai crateri sommitali, ed ha una apertura di 250m;
  • Il secondo array (MVT in Figura 1) è stato installato nel 2015 nell'area forestale di Monte Vetore, ad una quota di 1800m s.l.m. e una distanza di 6,5km dai crateri sommitali, ed ha una apertura di 150m. 

Entrambi gli array sono composti da 4 elementi disposti con geometria triangolare (Figura 1) e sono equipaggiati con trasduttori differenziali di pressione con una sensitività di 25 mV/Pa (in grado di individuare fluttuazioni della pressione atmosferica nel range di +/- 100 Pa) e con una risposta in frequenza tra 0.01 e 20 Hz. Gli array sono in grado di rilevare segnali di pressione fino a 10-2Pa.

Gli elementi, per migliorare il rapporto segnale/rumore e per evitare i fulmini, sono interrati ad 1m di profondità in un contenitore stagno, collegati con fibra ottica, e i dati vengono trasmessi in tempo reale tramite un modem 3G/LTE. In questi 10 anni, il sistema ha avuto un'efficienza del 95%.

Il primo passo dell'elaborazione è quello di discriminare la sorgente dei segnali infrasonici e calcolarne la direzione ed il valore di pressione. A tal fine viene svolta una analisi della semblancemulticanale (che risulta particolarmente efficiente per identificare e descrivere le caratteristiche esplosive dei vulcani), ed in particolare viene utilizzata una procedura di ricerca su griglia in tempo reale tramite analisi di una finestra temporale di 5s traslata di 1s per la determinazione della sorgente all'interno dell'area craterica. Fissando poi la velocità di propagazione del suono tra 330-360 m/s, valore che tiene conto degli effetti della temperatura, e considerando la differenza di quota tra sorgente-ricevitore, è possibile eliminare automaticamente le sorgenti di segnali non vulcaniche.

L'algoritmo quindi, per tutte le detezioni, rilevate con una coerenza del segnale >0.5, calcola il back-azimuth (la direzione) e la pressione acustica media sulla base dei tempi di ritardo registrati dai quattro elementi dell'array.

Questa procedura viene svolta da entrambi gli array e permette di discriminare la sorgente nei differenti crateri (Figura 3) con una risoluzione orizzontale di 190-230m.

Figura 3. Analisi dei dati real-time ai due array ETN e MVT. (a) Parametro Infrasonico (IP) calcolato per 24 ore (dalle 03:00 UTC del 27 febbraio 2017 alle 03:00 UTC del 28 febbraio 2017) a ETN (linea rossa) e MVT (linea blu) che evidenzia una forte correlazione tra i due array e che quindi permette di usare l’array MVT in caso di problemi tecnici all’array ETN. (b) Localizzazione della sorgente acustica, ottenuta dall’intersezione del back-azimuth calcolato tramite i due array. Dalla percentuale della distribuzione delle localizzazioni delle sorgenti acustiche nelle precedenti 24 ore, viene riportata sulla mappa dei crateri sommitali l’area craterica dove si ha la maggiore concentrazione dell’attività esplosiva.

Il secondo step è quello di calcolare il Parametro infrasonico IP ed è necessario fare una premessa a riguardo.Sulla base della variazione di ampiezza del segnale, del numero di impulsi infrasonici registrati al minuto e della variazione del contenuto in frequenza del segnale (Figura 5), ogni episodio di fontanamento FL può essere suddiviso in due fasi, che evidenziano un cambiamento nello stile eruttivo del vulcano:
  • la prima fase è dominata da transienti infrasonici intermittenti con ampiezza medio-alta (1-5 Pa), caratterizzati da una durata di circa 0,8s e da un contenuto in frequenza >0,8Hz. In questa fase i segnali si ripetono con una cadenza di 2-5s e sono associati ad una attività stromboliana violenta (ii in Figura 5a e t0– t1di Figura 5b e 4c);
  • la seconda fase (Tein Figura 5a) è dominata da transienti infrasonici intermittenti con ampiezza alta (3-10 Pa) e un contenuto in frequenza quasi monocromatico (0,2-0,3Hz). In questa fase i segnali evidenziano la sovrapposizione di transienti con grande ampiezza che generalmente identificano l'inizio della FL.


Questi cambiamenti nelle forme d'onda infrasoniche e nel loro contenuto in frequenza (t1in Figura 5b e 4c) sono registrati nella maggior parte delle FL e sono stati interpretati come una variazione della dinamica di rilascio del gas da parte del magma. In particolare la prima fase, caratterizzata da una violenta attività stromboliana, è guidata da un regime intermittente tipo slug-flow, mentre nella seconda fase, con la presenza delle FL, il rilascio di gas aumenta e si ha il passaggio ad una dinamica tipo churn-flow (Figura 4). Alla fine del fontanamento, l'attività diminuisce rapidamente fino a raggiungere i valori di fondo.

Questo schema è comune alla maggior parte delle FL registrate all'Etna e rappresenta la base dello sviluppo del sistema automatico di early warning di LGS.
Figura 4. Schema della modalità di risalita del gas in un condotto
Figura 5. (a) Immagini termiche dell’Etna in assenza di attività (i), durante l’attività stromboliana violenta (ii), e durante le fontane di lava (Te). (b) Valori normalizzati dell’ampiezza dell’infrasuono (rosso) e del sismico (nero) della fontana di lava del 2 dicembre 2013. La colonna eruttiva inizia ad essere visibile nella telecamera termica approssimativamente alle 20:40 UTC, ma il numero di impulsi infrasonici al minuto (punti blu) inizia ad aumentare alle 14:00 e raggiunge il massimo valore di 60 alle 16:45 UTC (t0), circa 4 ore prima dell’inizio della fontana di lava. (c) Frequenza fondamentale dell’infrasuono calcolata usando lo zero-crossing della funzione di autocorrelazione su una finestra temporale di 600s, ed evidenzia un chiaro incremento della frequenza fino a 0,8Hz alle ~16:45 UTC, associata con l’incremento del numero di detezioni per minuto. La frequenza diminuisce poi fino a ~0.5 Hz durante la fontana di lava (t1). (d) Il Parametro Infrasonico IP dell’evento raggiunge valori >800 durante la fase parossistica (Te) e mostra un chiaro incremento che inizia circa alle 16:30 UTC. Lo stato di EW viene riportato mediante i corrispondenti colori (EW0, giallo; EW1, arancio; e EW2, rosso) ed indica che l’inizio della fase precursoria di attività stromboliana violenta, EW1 (IP > 60), inizia alle 19:24 UTC mentre la fase di fontanamento, EW2 (IP > 120), inizia alle 20:07 UTC.

A questo punto, per tutte le detezioni con correlazione>0.5 e back-azimuth coerente con la posizione dei crateri, viene definito il Parametro Infrasonico IP =AP*ND, ovvero il prodotto tra l'ampiezza media del segnale infrasonico (AP) ed il numero di detezioni (ND) al minuto (Figura 5d). Il parametro IP è quindi fortemente correlato con la persistenza del segnale infrasonico e aumenta con il numero di detezioni al minuto e con l'aumento di pressione. Considerando che i segnali infrasonici sono analizzati su una finestra temporale di 5s traslata di 1s, quando il valore diNDraggiunge le 60 detezioni al minuto (toin Figura 5b), ovvero quando l'attività esplosiva raggiunge il massimo tasso di una esplosione ogni 5s, in questo caso l'aumento del parametro IP corrisponde al solo aumento della pressione infrasonica (Figura 5d). Pertanto il parametro IP definisce i cambiamenti dello stile eruttivo ed identifica l'inizio della attività stromboliana violenta (Figura 5a, ii) che precede sempre gli episodi di FL (Figura 5a, Te).

4- Sistema di Early Warning infrasonico
Il sistema di Early Warning opera su due soglie del valore di IP, ovvero

  • una prima soglia ad IP>60, che corrisponde alla fase precursoria della FL, l'inizio della fase stromboliana violenta;
  • una seconda soglia ad IP>120 (Figura 5c), che corrisponde all'inizio della fase di fontanamento con colonna sostenuta.

Questi valori sono stati fissati sulla base dei valori ottenuti in un periodo di osservazione di tre anni che include 38 episodi di FL.

Le due soglie sono usate per definire due livelli di allerta nella procedura di Early Warning e quindi per inviare le notifiche alle autorità, in particolare:

  • il primo livello di allerta EW1 viene raggiunto quando il valore di IP rimane maggiore di 60 per più di 5 min (arancio in Figura 6). All'allerta EW1 viene automaticamente inviata la notifica, tramite e-mail e SMS, di inizio fase esplosiva stromboliana violenta che precede sempre le FL e che generalmente rappresenta una notifica di pre-allerta (Figura 5c).
  • il secondo livello di allerta EW2 viene inviato solo quando il valore di IP rimane maggiore di 2 per più di 5 min (rosso in Figura 6) e coincide con l'inizio della fase eruttiva FL. All'allerta EW2 viene automaticamente inviata la notifica di eruzione tramite e-mail e SMS.
Figura 6. Diagramma di flusso che mostra la relazione tra il parametro infrasonico IP ed il corrispondente livello di allerta

Per evitare l'invio multiplo di messaggi, a causa delle oscillazioni del valore dell'IP durante la fase eruttiva, il sistema di Early Warning rimane in stato di EW2 fintanto che IP>8. La fine dell'evento FL viene dichiarato quando l'IP rimane minore di 8 per almeno 24 ore: a questo punto il sistema invia il messaggio di EW0 che dichiara terminata la fase di FL (giallo in Figura 6. Considerando che:

  • la durata del campionamento usato per il processo di calcolo è pari ad 1 min,
  • la durata del processo di calcolo è minore di 20s,
  • il tempo di propagazione sorgente-sensore è di circa 16s,

il tempo di invio automatico del messaggio alle autorità per un evento di FL è inferiore a 2 min.

Inoltre, per permettere la ridondanza del sistema, l'IP viene calcolato automaticamente in tempo reale su entrambi gli array. Normalmente, per l'invio automatico delle allerte per l'attività eruttiva, viene utilizzato l'array ETN, mentre l'array MTV viene utilizzato in caso di problemi tecnici a ETN.

Questa procedura è stata testata per 8 anni ed è attualmente in funzione sul vulcano Etna per i comunicati di allerta in tempo reale, automatici e senza necessità di operatore, in real time. Il sistema è in grado di pre-allertare le autorità almeno 1h prima dell'evento esplosivo con un tasso di successo del 96,6%, con solo l'1,7% di falsi positivi e nessun falso negativo.

Questo, allo stato attuale, risulta il primo esempio di un sistema di allerta in tempo reale completamente basato su un algoritmo che non richiede intervento di un operatore e che provvede automaticamente ad inviare una notifica di allerta eruzione alle autorità governative, permettendo quindi di allertare il Dipartimento di Protezione Civile prima che l'evento accada (Figura 7).

Figura 7. Diagramma di comunicazione delle azioni di protezione civile in Italia in relazione al rischio vulcanico ed al sistema basato sul parametro IP di notifica automatico delle FL sul vulcano Etna.



Di seguito il filmato che mostra quello che accade prima e durante una FL sull'Etna




5- Monitoraggio vulcanico a grande scala

L'infrasuono può percorrere lunghe distanze (con condizioni atmosferiche favorevoli) e quindi lo stesso sistema di early warning può essere applicato anche ad array infrasonici a larga apertura ubicati a grande distanza dal vulcano (>500 km); ciò permette di inviare allerte automatiche per eruzioni imminenti a scala regionale e/o globale, permettendo il monitoraggio in aree vulcaniche di difficile accesso o attualmente non monitorate.

Questa possibilità è stata testata usando un array infrasonico ubicato sul Monte Amiata a 630km dall'Etna (AMT in Figura 1). Sono stati analizzati i dati del 2013 e nel periodo di funzionamento di AMT sono state osservate un totale di 17 FL dell'Etna. E' stata quindi applicata la stessa procedura sopra riportata fissando però una sola soglia con IP>0,2 per la durata di 20 min ed il rientro alla normalità con IP<0,02 per 24 ore. Il sistema ha riconosciuto e inviato le allerte per 11 delle 17 FL dell'Etna con una efficienza del 65%. Alcune FL non sono state riconosciute dal sistema in quanto:

  • non vi erano le condizioni favorevoli di propagazione dell'onda infrasonica (periodo invernale),
  • il rapporto segnale/rumore era troppo basso (sorgente esplosiva con valore <80 Pa).

A dispetto del tempo di percorrenza dell'onda dall'Etna al Monte Amiata di circa 35 min, le allerte sono state comunque inviate prima dell'evento di FL, dimostrando anche in questo caso la validità del sistema (Figura 8). 

Figura 8. Parametro Infrasonico IP calcolato per l’eruzione esplosiva del 3 aprile 2013 con i dati infrasonici degli array (a) ETN e (b) AMT. IP (linea nera) viene sovrapposto con il corrispondente stato di EW. La freccia indica la massima fase (Te) della fontana di lava.


5- Conclusioni

Il monitoraggio geofisico dell'attività vulcanica esplosiva su strutture a condotto aperto viene generalmente affidata al tremore sismico che però, anche se abbinato ad altri parametri, non permette di fissare delle soglie di allerta per notificare imminenti eruzioni alle autorità di Protezione Civile, allerta che quindi necessita di un operatore umano ed una conferma visiva tramite le telecamere di controllo, spesso ad evento già iniziato. Inoltre tale parametro ha una elevata variabilità che può portare a false allerte (Figura 9)

Il gruppo di lavoro LGS del DST-UNIFI ha sviluppato un sistema di monitoraggio e analisi in tempo reale, tramite array infrasonici, che sfrutta la forte correlazione tra emissioni infrasoniche e attività esplosiva, e che viene usato per determinare e comunicare automaticamente alle autorità la localizzazione e l'inizio di un evento eruttivo esplosivo sul vulcano Etna, senza la necessità di alcun intervento umano.

Tramite un parametro infrasonico IP, che viene calcolato in tempo reale da due array infrasonici, funzione del numero di esplosioni al minuto e della pressione rilasciata dalla sorgente, sono state fissate due soglie di allerta EW1 (attività stromboliana violente) e EW2 (inizio fase di fontana di lava sostenuta). Tali allerte vengono inviate automaticamente alle autorità con un anticipo di almeno 1 ora.

Figura 9. Confronto tra (a) parametro infrasonico IP e (b) tremore sismico at Etna Volcano nel periodo novembre 2015 e Luglio 2016. E’ evidente l’alta variabilità del segnale del tremore sismico rispetto all’IP. Le frecce indicano gli episodi di fontana di lava

Questo, allo stato attuale, risulta il primo esempio di un sistema di allerta real time completamente basato su un algoritmo che non richiede l'intervento umano e che provvede automaticamente ad inviare una notifica di allerta eruzione alle autorità governative, permettendo quindi di allertare il Dipartimento di Protezione Civile e le autorità locali prima che l'evento accada, anche in assenza di visibilità per cattive condizioni meteo e/o in caso di malfunzionamento delle telecamere di sorveglianza. Il sistema, a seguito di un test di 8 anni, ha un tasso di successo del 96,6%, con solo l'1,7% di falsi positivi e nessun falso negativo (Figura 9).

E' stato inoltre dimostrato che lo stesso sistema di early warning può essere applicato anche ad array infrasonici a larga apertura ubicati a grande distanza dalle aree vulcaniche (>500 km); ciò consente di inviare allerte automatiche per eruzioni imminenti a scala regionale e/o globale, permettendo il monitoraggio anche in aree di difficile accesso o attualmente non monitorate, e permettendo di pre-allertare così le locali autorità di protezione civile e/o le autorità di controllo del traffico aereo.


Data l'innovazione del sistema di Early Warning, la ricerca è stata pubblicata a Novembre 2018 sul Journal of Geophysical Research e rilanciata dalle seguenti testate scientifiche:


Questo risultato è stato possibile grazie al lavoro e all'impegno delle seguenti persone che a vario titolo vi hanno contribuito:

Prof. Maurizio Ripepe, Prof. Emanuele Marchetti, Dott. Giacomo Ulivieri, Dott. Lorenzo Innocenti, Dott. Sebastien Valade, Dott. Dario Delle Donne, Dott. Riccardo Genco, Dott. Giorgio Lacanna, Dott.ssa Cristina Silengo, Dott.ssa Giulia Barfucci, Dott. Marco Laiolo, Dott. Diego Coppola, Dott. Massimo Della Schiava


Si ringrazia inoltre

Gianfranco Lombardi e tutta la caserma della Guardia di Finanza - Soccorso Alpino di Nicolosi per il supporto e l'aiuto, il Corpo Forestale dello Stato per la disponibilità dei siti ed il Parco dell'Etna per le autorizzazioni alle installazioni.



6- Bibliografia

Ripepe, M., Marchetti, E., Delle Donne, D., Genco, R., Innocenti, L., Lacanna, G., & Valade, S. (2018). Infrasonic early warning system for explosive eruptions. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 123. https://doi.org/10.1029/2018JB015561


Il presente lavoro è stato svolto con i seguenti fondi:

  • EUROVOLC. Grant Number: 731070
  • Horizon 2020 ARISE2. Grant Number: 653980
  • Dipartimento di Protezione Civile (DevNet Project)


Si ricorda che questa documentazione è soggetta a Copyright, pertanto potrà essere riportata su testate giornalistiche e/o siti di informazione solamente a condizione che ne venga citata e linkata la fonte:

https://doi.org/10.1029/2018JB015561

http://lgs.geo.unifi.it/index.php/blog/early-warning-etna


Rate this blog entry:
0
TRABOCCO LAVICO A STROMBOLI DEL 6/12/2018
ATTIVITA' VULCANICA ETNA 24 DICEMBRE 2018

Related Posts

Visit Review Site Coral www from this link.