Studio delle emissioni vulcaniche WP 2.6

Obiettivi del Work Package Sviluppare tecniche iperspettrali per la misura dell’anidride carbonica di origine vulcanica in un plume in fase di quiescenza Studiare le emissioni di Metano dal suolo con tecniche iperspettrali prossimali

TASKS Task 2.6.1 Contenuto in gas del plume vulcanico: Sviluppo di un nuovo tipo di algoritmo ‘LIR’ basato su dati EO nel SWIR per la misura del contenuto in anidride carbonica di un plume vulcanico. Riadattamento di algoritmi esistenti per i dati simulati prisma per la misura del contenuto colonnare di vapore acqueo di origine vulcanica. Task 2.6.2 Emissioni gassose dal suolo: Sviluppo di un nuovo tipo di algoritmo per le emissioni diffuse di gas metano. Collegamento con altri moduli: simulazione di dati iperspettrali prisma (WP 2.7); Cal/VAL (WP 3.1) Output: Mappe di distribuzione spaziale e di classificazione dei vari componenti gassosi e Raccolta dati sulle emissioni di metano

Attività svolte Stato dell’arte delle tecniche di misura di XCO2 Analisi e revisione degli algoritmi pre-esistenti delle tecniche iperspettrali Individuazione dei dataset disponibili Implemtazione dell’algoritmo CIBRW considerando il contributo in emissone in un plume esplosivo Applicazione algoritmo CIBRW a dataset aerei MIVIS 1997 su Stromboli Individuazione delle bande di assorbimento CH4

Dataset disponibili Task 2.6.1 - Dati di archivio aerei: Sorvoli aerei acquisiti nelle campagne MVRSS 97 con il sensore MIVIS su Stromboli - Nuove acquisizioni con sorvoli aerei sull’Etna zona sommitale in fase di quiescenza. Coinvolgimento della sorveglianza geochimica per ottenere la contestualità tra il volo aereo e le misure di terra che vengono effettuate dalla sezione INGV di Palermo - Data set spaziali quali Hyperion acquisiti nelle fasi eruttive - Data set simulati che saranno prodotti durante il progetto Task 2.6.2 Nuove acquisizioni di dati iperpsettrali di degassamneto dal suolo nella zona di Paterno’ le salinelle e la zona di Aragona

CO2 Requirements strumentali Le molecole dei gas che compongono un plume vulcanico di degassamento quali CO2 interagiscono con la radiazione solare. Utilizzando uno strumento iperspettrale che misura la radiazione nell’intervallo spettrale tra 1.9 e 2.1 microns e’ possibile potenzialmente derivarne il contento in CO2. Il segnale misurato dallo strumento e’ pero’ affetto in primo luogo dal background atmosferico ed in secondo luogo e’ basso rispetto al rumore di fondo (noise). SNR e’ stato calcolato con il metodo dell’area omogenea e con il metodo di Gao e messo a confronto tra i diversi dati acquisiti sull’Etna. Pertanto se il rapporto rumore non e’ >10 nel minimo della banda di assorbimento della CO2, il segnale non potra’ essere utilizzato per il retrieval del contenuto colonnare del gas. Dataset SNR delle bande spettrali SWIR dove e’ presente l’assorbimento delle molecole di CO2 MIVIS 94 SNR<10 MIVIS 97 Hyperion 2001 SNR10 Hyperion 2003 SNR10 Nel caso di sorgente in emissione SNR aumenta poiche’ aumenta il segnale, tuttavia nel segnale Hyperion il segnale risulta nella maggior parte dell’immagine saturato nello spettromentro SWIR

Attivita’ in corso Acquisizione nuovi data set aerei sul test site Etna. La campagna aerea e’ in corso di organizzazione. Partecipazione a campagne di misure di terra Implementazione dell’algoritmo APDA-LIR

Sensore iperspettrale aereo CARATTERISTICHE SISTEMA IPERSPETTRALE VNIR SWIR Spectrometer Name ImSpector V10E /Specim ImSpector N25E /Specim Spectral Range 400-1000 nm 1000-2500 nm Spectral Resolution 2.8 nm 10 nm Spectral Sampling 1.2 nm 6.3 nm Spectral bands 504 239 Spatial pixels 1024 320 Digital resolution 12 bit 14 bit FOV 68.64° 36° Focal length 9 mm 15 mm Al momento e’ in corso di organizzazione lo scambio dati di test del sensore iperspettrale ai fini della verifica della calibrazione radiometrica e del SNR con particolare riferimento alle diverse bande di assorbimento di CO2, CH4 e H2O.

L’Algoritmo APDA-LIR La tecnica Atmospheric Pre-Corrected Differential Absorption Technique APDA e’ una evoluzione del CIBR. L’algoritmo si basa sulla pre-correzione seguente equazione di trasferimento radiativo nel caso di un sensore che acquisisca in maniera spettrale Dove: L( l) e’ la radianza spettrale per un canale, r(l) e’ la riflettanza del terreno includendo gli effetti di adiacenza; E0 (l) e’ l’irradianza eso-atmosferica; s e’ l’angolo sotteso dalla normale alla congiungente sole-terra; t1(l) e’ la trasmittanza atmosferica relativo al path sun-ground; t2(l) e’ la trasmittanza atmosferica relativo al path ground-sensor; Latm(l) e’ la total upwelled radiance atmosferica totale. I termini di trasmittanza possono essere separati in termimi che dipendono dal contenuto in aerosol dal contenuto in gas e dal vapore acqueo.

L’innovazione della tecnica e’ il basarsi sui molteplici canali che un dato ipersperspettrale presenta tipici di un assorbimento di un gas. Il CIBR dell’equazione precedente diventa quindi l’equazione di base dell’APDA e’ la seguente Dove con ‘m’ e’ indicato l’indice del canale spettrale dell’assorbimento; Latm e’ il termine di upwelling radiance; LIR([x], [y]) si riferisce ad una rigressione lineare y=ax+b per i punti y=Lr - Latm,r valutati x = lr. La rigressione lineare e’ calcolata tra le ‘features’ degli assorbimenti dello spettro e gli indici i and j in si riferiscono ai canali spettrali. Basandosi su tre canali la precedente equazione ritorna il CIBR ma con il termine di correzione Latm