Il monitoraggio delle emissioni vulcaniche C. Spinetti, L. Guerrieri, T. Caltabiano, D. Randazzo, G. Salerno

Le emissioni vulcaniche Sommario Le emissioni vulcaniche Misurare i plumes vulcanici utilizzando dati da remoto: I moduli del sistema SRV – sito di test Etna I risultati nei periodi di test Conclusioni

Le 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

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. 6

EO Data used to S/S Surveillance and Early Warning of eruptions Misurare i plumes vulcanici utilizzando dati da remoto: I 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 ASTER EO-1 HYPERION TERRA AQUA MODIS 16 gg 2 gg 15 m 30 m 1 km WV H2O Content (g/cm2) SO2 SO2 Flux (Kg/s) FLAME Ground remote sensing network Continuous - SO2 Content (g/m2) ASTER 90 m CO2 CO2 Abundance (ppm) HYPERION Simulation

Dal dato raw al parametro del plume vulcanico Modulo Logic workflow For each sensor a data series of remote sensed data have been processed By means of specific algorithm and using Auxiliary and Ancillary… Calibration Georeferentiation …the parameter is obtained Product Vectorfile Product Maps Before to post on the GIS each raster needs to be converted in a ESRI like vector.. Surface reflectance Vertical profile Plume altitude Optical particle parameters Convolution with sensor response function RTM Simulation

Aerosol vulcanico nel plume di degassamento Lo spessore ottico del plume vulcanico (AOT) e’ un parametro geofisico proporzionale alla quantita’ di particolato presente nel plume Spinetti et al, 2003, AG

Moduli LAOT e VAOT LOW RESOLUTION AEROSOL OPTICAL THICKNESS and Medium-high RESOLUTION AEROSOL OPTICAL THICKNESS Il modulo VAOT analizza dati Aster e Hyperion il 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

Hyperion VAOT 550nm@30m Module input EO-1 - Hyperion 24 Sept 2001 AOT_Hy 24-9-2001 09:34GMT AOT mean 0.30+-0.09 AOTmin0.05+-0.02 AOTmax 1.10+-0.33 Plume area 2.25km2 Plume direction NE EO-1 - Hyperion 24 Sept 2001

ASTER VAOT 550nm@15m Module input Module output Classificated min0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6max TERRA-ASTER 10 May 2010

MODIS LAOT550nm @1 km Terra MODIS 16-6-2008 9:40UTC

AOTCLASS AOT550NM AOTCLASS < 0.2 or > 2 - 9999 0.2 – 0.4 0.4 – 0.6 1 0.6 – 0.8 2 > 0.8 3 3 July 2008 10:20UTC 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.

AOTCLASS Results: 19 July 2008 10:20UTC

Modulo WV Medium-high RESOLUTION water vapor content 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 25-10-2006 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. EILI EVEN EMIL station scans ENIC ECUR Data analysis FLAME-Etna network

SO2 emission during the initial phase of 2008-2009 eruption I Ciclo II Ciclo III Ciclo 20000 t/g SO2 Flux 700 t/g Date

Analisi della serie storica 2000-2010 VAOT e 2005-2008 SO2 28 gen 06 16 sett 07 Impact index AOT max* area The 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 Salerno et al 2009, JVGR Spinetti et al 2011 submitted to IEEE

Parossisma 13 Gennaio 2011 Output: AOT@550nm 1km Input : Dati Modis Terra e Aqua 11 gennaio 2011 9:16 UTC 11 gennaio 2011 12:36 UTC 20

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

Conclusioni - 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.

Grazie dell’attenzione