Esplosioni vulcaniche in 3D con telecamere sincronizzate
Sviluppate dall’INGV nuove
metodologie di osservazione dell'attività vulcanica a carattere
esplosivo, grazie all'impiego di telecamere ad alta velocità e ad
alta risoluzione. La ricerca è stata pubblicata su Geophisycs,
Geochemistry, Geosystems e su Journal of Geophycal
Research
Sperimentata per la prima volta una tecnica di ricostruzione delle
esplosioni vulcaniche in 3D. A svilupparla, un gruppo di
ricercatori del Laboratorio Alte Pressioni Alte Temperature di
Geofisica e Vulcanologia sperimentali (HPHT) dell’Istituto
Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), grazie all’impiego di
due telecamere ad alta velocità e ad alta risoluzione in modo
sincronizzato. I risultati, pubblicati su Geophisycs, Geochemistry,
Geosystems e su Journal of Geophysical Research, rappresentano un
nuovo stimolo per migliorare le tecniche di monitoraggio applicate
ai fenomeni esplosivi in aree attive ai fini della valutazione
della pericolosità vulcanica.
“Il laboratorio HPHT”, afferma Piergiorgio Scarlato,
responsabile della struttura, “è leader nello sviluppo di nuove
metodologie applicate all'osservazione dell'attività vulcanica a
carattere esplosivo, attraverso l'impiego di telecamere ad alta
velocità e ad alta risoluzione. La collaborazione pluriennale con
il Servizio Geologico degli Stati Uniti (USGS), l'Università di
Hawaii e l'Università di Monaco di Baviera ha permesso di
sviluppare e applicare queste nuove tecniche sull'Etna, Stromboli e
su altri vulcani del mondo (Hawaii, Vanuatu, Indonesia), con il
risultato di proporre un nuovo schema generale per classificare
l'attività esplosiva a carattere stromboliano”.
Con l’occasione è stata anche sperimentata, per la prima volta, una
tecnica di ricostruzione delle esplosioni vulcaniche in 3D,
utilizzando, nella ripresa delle eruzioni stesse, due telecamere ad
alta velocità in modo sincronizzato.
“La recente attività esplosiva al vulcano Etna”, spiega Scarlato,
“ha messo nuovamente in evidenza l'importanza di approfondire gli
studi su questi fenomeni e di sviluppare tecniche osservative che
consentano di raccogliere ogni informazione utile per la ricerca e
il monitoraggio in questo ambito”. I sistemi di processamento al
computer adottati, hanno permesso di analizzare ogni singolo pixel
contenuto nelle migliaia di immagini raccolte, associando le
riprese effettuate da due telecamere poste in due punti diversi di
osservazione, fino a ottenere una ricostruzione tridimensionale
degli eventi esplosivi filmati.
“Ciò ha permesso per la prima volta di determinare con precisione
le traiettorie seguite dai prodotti emessi, la loro velocità e
altri parametri aerodinamici fondamentali per modellare i processi
eruttivi e l'area di dispersione dei prodotti attorno al cratere di
emissione”, prosegue Scarlato.
La sperimentazione sui vulcani di queste nuove tecnologie ha
richiesto diversi anni di sviluppo e di test portando a
significativi risultati scientifici nel campo della
Vulcanologia.
“Le informazioni raccolte aiutano a comprendere fenomeni
eruttivi come quelli osservati all’Etna e Stromboli. In
particolare, installando questi strumenti con particolari
accorgimenti tecnici, è ora possibile misurare con precisione
parametri eruttivi come la velocità di emissione dei prodotti
piroclastici, il flusso di massa e le caratteristiche di
dispersione dei prodotti nell'area circostante il cratere”,
conclude Scarlato.
Abstracts
3-D high-speed imaging of
volcanic bomb trajectory in basaltic explosive
eruptions
Imaging, in general, and high speed imaging in particular are
important emerging tools for the study of explosive volcanic
eruptions. However, traditional 2-D video observations cannot
measure volcanic ejecta motion toward and away from the camera,
strongly hindering our capability to fully determine crucial
hazard-related parameters such as explosion directionality and
pyroclasts’ absolute velocity. In this paper, we use up to three
synchronized high-speed cameras to reconstruct pyroclasts
trajectories in three dimensions. Classical stereographic
techniques are adapted to overcome the difficult observation
conditions of active volcanic vents, including the large number of
overlapping pyroclasts which may change shape in flight, variable
lighting and clouding conditions, and lack of direct access to the
target. In particular, we use a laser rangefinder to measure the
geometry of the filming setup and manually track pyroclasts on the
videos. This method reduces uncertainties to 108 in azimuth and dip
angle of the pyroclasts, and down to 20% in the absolute velocity
estimation. We demonstrate the potential of this approach by three
examples: the development of an explosion at Stromboli, a bubble
burst at Halema uma’u lava lake, and an in-flight collision between
two bombs at Stromboli.
Integrating puffing and explosions in a general scheme for
Strombolian-style activity
Strombolian eruptions are among the most common subaerial styles of
explosive volcanism worldwide. Distinctive features of each volcano
lead to a correspondingly wide range of variations of magnitude and
erupted products, but most papers focus on a single type of event
at a single volcano. Here, in order to emphasize the common
features underlying this diversity of styles, we scrutinize a
database from 35 different erupting vents, including 21 thermal
infrared videos from Stromboli (Italy), Etna (Italy), Yasur
(Vanuatu), and Batu Tara (Indonesia), from puffing, through rapid
explosions to normal explosions, with variable ejection parameters
and relative abundance of gas, ash, and bombs. Using field
observations and high-speed thermal infrared videos processed by a
new algorithm, we identify the distinguishing characteristics of
each type of activity and how they may relate and interact. In
particular, we record that ash-poor normal explosions may be
preceded and followed by the onset or the increase of the puffing
activity, while ash-rich explosions are emergent, i.e., with
inflation of the free surface followed directly by emission of
increasingly large gas pockets. Overall, we see that all
Strombolian activities form a continuum arising from a common
mechanism and are modulated by the combination of two
well-established controls: (1) the length of the bursting gas
pocket with respect to the vent diameter and (2) the presence and
thickness of a high-viscosity layer in the uppermost part of the
volcanic conduit.
