Previsione dell’attività vulcanica

Principi generali della sismologia dei vulcaniModifica

• L’attività sismica (terremoti e tremori) si verifica sempre quando i vulcani si svegliano e si preparano ad eruttare e sono un collegamento molto importante alle eruzioni. Alcuni vulcani hanno normalmente una continua attività sismica di basso livello, ma un aumento può segnalare una maggiore probabilità di un’eruzione. Anche i tipi di terremoti che si verificano e dove iniziano e finiscono sono segnali chiave. La sismicità vulcanica ha tre forme principali: terremoto di breve periodo, terremoto di lungo periodo e tremore armonico.
• I terremoti di breve periodo sono come i normali terremoti generati dalle faglie. Sono causati dalla frattura della roccia fragile quando il magma si fa strada verso l’alto. Questi terremoti di breve periodo indicano la crescita di un corpo di magma vicino alla superficie e sono conosciuti come onde “A”. Questo tipo di eventi sismici sono spesso chiamati anche eventi vulcano-tettonici (o VT) o terremoti.
• Si ritiene che i terremoti di lungo periodo indichino un aumento della pressione del gas nel sistema idraulico di un vulcano. Sono simili al clangore che a volte si sente nell’impianto idraulico di una casa, noto come “colpo d’ariete”. Queste oscillazioni sono l’equivalente delle vibrazioni acustiche in una camera, nel contesto delle camere di magma all’interno della cupola vulcanica e sono note come onde “B”. Queste sono anche conosciute come onde di risonanza ed eventi di risonanza di lungo periodo.
• Le scosse armoniche sono spesso il risultato del magma che spinge contro la roccia sovrastante sotto la superficie. A volte possono essere abbastanza forti da essere sentiti come ronzii da persone e animali, da cui il nome.

I modelli di sismicità sono complessi e spesso difficili da interpretare; tuttavia, l’aumento dell’attività sismica è un buon indicatore dell’aumento del rischio di eruzione, soprattutto se gli eventi di lungo periodo diventano dominanti e appaiono episodi di tremore armonico.

Utilizzando un metodo simile, i ricercatori possono rilevare le eruzioni vulcaniche monitorando l’infrasuono, un suono subaudibile sotto i 20 Hz. L’IMS Global Infrasound Network, originariamente istituito per verificare il rispetto dei trattati sul divieto dei test nucleari, ha 60 stazioni in tutto il mondo che lavorano per rilevare e localizzare i vulcani in eruzione.

Caso di studio sismicoModifica

Una relazione tra eventi di lungo periodo e imminenti eruzioni vulcaniche è stata osservata per la prima volta nelle registrazioni sismiche dell’eruzione del 1985 del Nevado del Ruiz in Colombia. Il verificarsi di eventi di lungo periodo è stato poi utilizzato per prevedere l’eruzione del 1989 del Monte Redoubt in Alaska e l’eruzione del 1993 del Galeras in Colombia. Nel dicembre 2000, gli scienziati del Centro Nazionale per la Prevenzione dei Disastri di Città del Messico hanno previsto un’eruzione entro due giorni a Popocatépetl, alla periferia di Città del Messico. La loro previsione si basava su una ricerca che era stata fatta da Bernard Chouet, un vulcanologo svizzero che lavorava all’United States Geological Survey e che per primo aveva osservato una relazione tra eventi di lungo periodo e un’eruzione imminente. Il governo evacuò decine di migliaia di persone; 48 ore dopo, il vulcano eruttò come previsto. Fu la più grande eruzione del Popocatépetl da mille anni, ma nessuno si fece male.

Tremori degli icebergModifica

Le somiglianze tra i tremori degli iceberg, che si verificano quando si arenano, e quelli dei vulcani possono aiutare gli esperti a sviluppare un metodo migliore per prevedere le eruzioni vulcaniche. Anche se gli iceberg hanno strutture molto più semplici dei vulcani, sono fisicamente più facili da lavorare. Le somiglianze tra i tremori vulcanici e quelli degli iceberg includono lunghe durate e ampiezze, così come spostamenti comuni nelle frequenze.

Emissioni di gasModifica

Pennacchio di gas e cenere eruttato dal Monte Pinatubo, Filippine.

Quando il magma si avvicina alla superficie e la sua pressione diminuisce, i gas escono. Questo processo è molto simile a quello che accade quando si apre una bottiglia di bevanda gassata e l’anidride carbonica fuoriesce. L’anidride solforosa è uno dei componenti principali dei gas vulcanici, e quantità crescenti di essa annunciano l’arrivo di quantità crescenti di magma vicino alla superficie. Per esempio, il 13 maggio 1991, una quantità crescente di anidride solforosa fu rilasciata dal monte Pinatubo nelle Filippine. Il 28 maggio, solo due settimane dopo, le emissioni di anidride solforosa erano aumentate a 5.000 tonnellate, dieci volte la quantità precedente. Il monte Pinatubo eruttò poi il 12 giugno 1991. In diverse occasioni, come prima dell’eruzione del Monte Pinatubo e l’eruzione di Galeras, Colombia, del 1993, le emissioni di anidride solforosa sono scese a bassi livelli prima delle eruzioni. La maggior parte degli scienziati crede che questo calo dei livelli di gas sia causato dalla sigillatura dei passaggi di gas da parte del magma indurito. Un tale evento porta ad un aumento della pressione nel sistema idraulico del vulcano e una maggiore possibilità di un’eruzione esplosiva. Un sistema analizzatore di gas multicomponente (Multi-GAS) è un pacchetto di strumenti usato per prendere in tempo reale misure ad alta risoluzione dei pennacchi di gas vulcanici. Le misure Multi-GAS dei rapporti CO2/SO2 possono permettere di rilevare il degassamento pre-eruttivo dei magmi in aumento, migliorando la previsione dell’attività vulcanica.

Deformazione del suoloModifica

Il rigonfiamento di un vulcano segnala che il magma si è accumulato vicino alla superficie. Gli scienziati che monitorano un vulcano attivo spesso misurano l’inclinazione del pendio e tracciano i cambiamenti nel tasso di rigonfiamento. Un aumento del tasso di rigonfiamento, specialmente se accompagnato da un aumento delle emissioni di anidride solforosa e da tremori armonici, è un segno ad alta probabilità di un evento imminente. La deformazione del Monte St. Helens prima dell’eruzione del 18 maggio 1980 era un classico esempio di deformazione, poiché il lato nord del vulcano si stava gonfiando verso l’alto mentre il magma si stava accumulando sotto. La maggior parte dei casi di deformazione del terreno sono di solito rilevabili solo da sofisticate attrezzature usate dagli scienziati, ma possono comunque prevedere le future eruzioni in questo modo. I vulcani hawaiani mostrano una significativa deformazione del terreno; c’è un gonfiamento del terreno prima di un’eruzione e poi un ovvio sgonfiamento post-eruzione. Questo è dovuto alla camera magmatica poco profonda dei vulcani hawaiani; il movimento del magma è facilmente notato sul terreno soprastante.

Monitoraggio termicoModifica

Il movimento del magma, i cambiamenti nel rilascio di gas e l’attività idrotermale possono portare a cambiamenti di emissività termica sulla superficie del vulcano. Questi possono essere misurati utilizzando diverse tecniche:

• radiometria a infrarossi in avanti (FLIR) da dispositivi portatili installati in loco, a distanza, o in volo;
• immagini satellitari a banda infrarossa;
• termometria in situ (sorgenti calde, fumarole)
• mappe di flusso di calore
• cambiamenti di entalpia dei pozzi geotermici

IdrologiaModifica

Ci sono 4 metodi principali che possono essere usati per prevedere un’eruzione vulcanica attraverso l’uso dell’idrologia:

• Le misurazioni idrologiche e idrauliche di pozzi e pozzi sono sempre più utilizzate per monitorare i cambiamenti nella pressione del gas nel sottosuolo di un vulcano e nel regime termico. L’aumento della pressione del gas farà salire i livelli dell’acqua e scenderà improvvisamente poco prima di un’eruzione, e la focalizzazione termica (aumento del flusso di calore locale) può ridurre o prosciugare le falde acquifere.
• Rilevamento di lahars e altri flussi di detriti vicino alle loro fonti. Gli scienziati dell’USGS hanno sviluppato un sistema poco costoso, durevole, portatile e facilmente installabile per rilevare e monitorare continuamente l’arrivo e il passaggio di flussi di detriti e inondazioni nelle valli fluviali che drenano i vulcani attivi.
• I sedimenti pre-eruzione possono essere raccolti da un canale fluviale che circonda il vulcano che mostra che l’eruzione effettiva potrebbe essere imminente. La maggior parte dei sedimenti è trasportata dai bacini idrici disturbati dai vulcani durante i periodi di forti piogge. Questo può essere un’indicazione di cambiamenti morfologici e di una maggiore attività idrotermale in assenza di tecniche di monitoraggio strumentale.
• Il deposito vulcanico che può essere posto sulla riva di un fiume può essere facilmente eroso il che allargherà o approfondirà drammaticamente il canale del fiume. Pertanto, il monitoraggio della larghezza e della profondità dei canali fluviali può essere utilizzato per valutare la probabilità di una futura eruzione vulcanica.

Il telerilevamentoModifica

Il telerilevamento è la rilevazione da parte dei sensori di un satellite dell’energia elettromagnetica che viene assorbita, riflessa, irradiata o diffusa dalla superficie di un vulcano o dal suo materiale eruttato in una nube di eruzione.

• ‘Cloud sensing: Gli scienziati possono monitorare le nuvole di eruzione insolitamente fredde dei vulcani usando i dati di due diverse lunghezze d’onda termiche per migliorare la visibilità delle nuvole di eruzione e discriminarle dalle nuvole meteorologiche
• ‘Gas sensing: L’anidride solforosa può anche essere misurata con il telerilevamento ad alcune delle stesse lunghezze d’onda dell’ozono. I Total Ozone Mapping Spectrometers (TOMS) possono misurare la quantità di anidride solforosa rilasciata dai vulcani nelle eruzioni. Le emissioni di anidride carbonica dai vulcani sono state rilevate nell’infrarosso a onde corte utilizzando l’Orbiting Carbon Observatory 2 della NASA.
• Rilevamento termico: La presenza di nuove firme termiche significative o “punti caldi” può indicare un nuovo riscaldamento del terreno prima di un’eruzione, rappresentare un’eruzione in corso o la presenza di un deposito vulcanico molto recente, tra cui colate di lava o flussi piroclastici.
• Rilevamento delle deformazioni: I dati radar spaziali satellitari possono essere utilizzati per rilevare i cambiamenti geometrici a lungo termine nell’edificio vulcanico, come il sollevamento e la depressione. In questo metodo, il radar ad apertura sintetica interferometrica (InSAR), i modelli digitali di elevazione generati dalle immagini radar sono sottratti l’uno dall’altro per produrre un’immagine differenziale, visualizzando i tassi di cambiamento topografico.
• Monitoraggio forestale: Recentemente, è stato dimostrato che la posizione delle fratture eruttive potrebbe essere prevista, mesi o anni prima delle eruzioni, dal monitoraggio della crescita della foresta. Questo strumento basato sul monitoraggio della crescita degli alberi è stato convalidato sia al Monte Niyragongo che al Monte Etna durante gli eventi eruttivi del vulcano del 2002-2003.
• Rilevamento degli infrasuoni: Un approccio relativamente nuovo per rilevare le eruzioni vulcaniche comporta l’utilizzo di sensori infrasonori della rete infrasonora International Monitoring System (IMS). Questo metodo di rilevamento prende i segnali da più sensori e utilizza la triangolazione per determinare la posizione dell’eruzione.

Movimenti di massa e cedimenti di massaModifica

Il monitoraggio dei movimenti di massa e dei cedimenti di massa utilizza tecniche prestate dalla sismologia (geofoni), dalla deformazione e dalla meteorologia. Frane, cadute di roccia, flussi piroclastici e colate di fango (lahars) sono esempi di cedimenti di massa di materiale vulcanico prima, durante e dopo le eruzioni.

La frana vulcanica più famosa è stata probabilmente il cedimento di un rigonfiamento che si è formato dal magma intruso prima dell’eruzione del Monte St. Helens nel 1980, questa frana ha “stappato” l’intrusione magmatica poco profonda causando un cedimento catastrofico e un inaspettato scoppio laterale dell’eruzione. Le cadute di roccia si verificano spesso durante i periodi di maggiore deformazione e possono essere un segno di maggiore attività in assenza di monitoraggio strumentale. Le colate di fango (lahars) sono depositi di cenere idratata rimobilizzata da flussi piroclastici e depositi di caduta di cenere, che si muovono verso il basso anche ad angoli molto bassi ad alta velocità. A causa della loro alta densità sono in grado di spostare grandi oggetti come camion carichi di legname, case, ponti e massi. I loro depositi di solito formano un secondo anello di ventagli di detriti intorno agli edifici vulcanici, il ventaglio interno è costituito da depositi di cenere primaria. A valle della deposizione del loro carico migliore, i lahar possono ancora rappresentare un pericolo di inondazione a causa dell’acqua residua. I depositi di lahar possono richiedere molti mesi per asciugarsi, fino a quando possono essere calpestati. I pericoli derivati dall’attività dei lahar possono esistere diversi anni dopo una grande eruzione esplosiva.

Un team di scienziati americani ha sviluppato un metodo per prevedere i lahar. Il loro metodo è stato sviluppato analizzando le rocce del monte Rainier a Washington. Il sistema di avvertimento dipende dalla constatazione delle differenze tra le rocce fresche e quelle più vecchie. Le rocce fresche sono poveri conduttori di elettricità e vengono alterate idrotermicamente dall’acqua e dal calore. Pertanto, se conoscono l’età delle rocce, e quindi la loro forza, possono prevedere i percorsi di un lahar. Un sistema di Acoustic Flow Monitors (AFM) è stato anche impiantato sul Monte Rainier per analizzare le scosse del terreno che potrebbero provocare un lahar, fornendo un avvertimento anticipato.