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• infrasound
• monitoring system
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La tempestiva individuazione e segnalazione delle eruzioni vulcaniche è cruciale per i Volcanic Ash Advisory Centers (VAACs), i quali hanno il compito di informare rapidamente l'aviazione sulla presenza di nubi di cenere vulcanica in atmosfera. Tuttavia, molti vulcani attivi, specialmente quelli posizionati in aree remote, mancano di sistemi di monitoraggio locali necessari per fornire notifiche sulla loro attività. Da qui nasce il bisogno di un nuovo sistema di monitoraggio remoto in grado di fornire informazioni sull'attività imminente o in corso.
In questo contesto, questa tesi di dottorato si concentra sullo studio dell'infrasuono registrato a lunga distanza prodotto dall'attività vulcanica esplosiva e rilevati dagli array infrasonici del Sistema di Monitoraggio Internazionale (IMS) gestita dal Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization (CTBTO), con l'obiettivo di definire un sistema di allerta (early-warning) basato sull'infrasuono registrato a lunga distanza sorgente-ricevitore.
I vulcani sono, infatti, una fonte efficiente di onde acustiche di bassa frequenza (<20 Hz), chiamate appunto infrasuono, e sono prodotte dalla rapida perturbazione atmosferica indotta dall'iniezione esplosiva di materiale piroclastico e gas durante un'eruzione. A causa della bassa frequenza del segnale e delle caratteristiche dell'atmosfera, l'infrasuono subisce una minima attenuazione durante la sua propagazione in aria, in grado così di raggiungere distanze fino a centinaia o migliaia di chilometri. Ciò rende l'infrasuono una risorsa preziosa per osservare l'attività dei vulcani scarsamente monitorati e situati in regioni remote.Numerosi studi hanno già evidenziato l'utilità dei dati infrasonici registrati a lunga distanza, mostrando diversi approcci di monitoraggio basati su casi specifici, concentrati su determinate aree geografiche e limitati a periodi di tempo definiti. Tuttavia, manca ancora un approccio rigoroso, applicato su larga scala e a lungo termine e con una stima dell'efficacia e della affidabilità.
In questa tesi, viene sviluppato e testato un algoritmo, basato sul Parametro Infrasonico (IP), per segnalare eventi eruttivi in corso sfruttando i dati provenienti da un singoli array infrasonici dell’IMS. L'IP, inizialmente concepito per il monitoraggio locale, è qui adattato per le osservazioni a lunga distanza tra sorgente e ricevitore, considerando le caratteristiche atmosferiche fornite dall'European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) al fine di comprendere gli effetti di propagazione. Vengono inoltre introdotte soglie aggiuntive sulla persistenza del segnale e sulla pressione in eccesso, mirando specificamente a individuare le eruzioni vulcaniche di maggiore rilievo riducendo al minimo le false allerte. L'IP corretto per la distanza (range-corrected IP) viene quindi calcolato per ogni vulcano, considerando il suo back-azimuth e gli effetti di propagazione, e successivamente impiegato per segnalare eventuali attività in corso al vulcano, una volta superati i limiti fisici basati sulla persistenza e sull'ampiezza del segnale.
In questa tesi, il range-corrected IP è calcolato su 10 anni di dati infrasonici forniti da 16 array dell’IMS, i quali sono posizionati nelle regioni vulcaniche più attive del mondo. Considerando una distanza massima sorgente-ricevitore di 2000 km dall’array più vicino, il range corrected IP è calcolato per 101 vulcani selezionati in base alla loro attività registrata durante tutto il periodo di analisi. Questi vulcani presentano stili e intensità variabili, che spaziano da esplosioni stromboliane ricorrenti di lieve entità fino a eruzioni classificate con un Indice di Esplosività Vulcanica (VEI) >=4. Per valutare l'affidabilità del sistema e stimare il tasso di false allerte, le notifiche fornite per l'intero periodo di analisi sono confrontate con i rapporti del Global Volcanism Program (GVP).
I risultati mostrano che l'approccio proposto è ben calibrato per eruzioni di lunga durata (> pochi minuti), di grandi dimensioni (VEI >=3), come eventi sub-pliniani/pliniani o esplosioni vulcaniane/stromboliane ripetitive nel tempo, mentre tende a non individuare singoli eventi di breve durata.
Dal punto di vista delle distanze, l'affidabilità del sistema dipende principalmente dall'azimut. Per leeruzioni avvenute a distanze considerevoli (fino a 2000 km), i migliori risultati si hanno per i vulcani posizionati ad est o ad ovest rispetto alle reti IMS. Questo è dovuto al fatto che i venti stratosferici favoriscono la formazione di canalizzazioni che agevolano la propagazione delle onde infrasoniche, consentendo la registrazione dell'infrasuono generato anche da eventi a bassa energia a grandi distanze, soprattutto in determinati periodi dell'anno. Al contrario, l'infrasuono emesso dai vulcani posizionati a nord o a sud rispetto agli array dell'IMS di solito viene registrato solo fino a distanze massime di 1000 km, principalmente a causa di un'attenuazione maggiore e stabile. Gli eventi energetici di piccole dimensioni tendono spesso a non essere rilevati in queste condizioni.
In totale, il sistema ha fornito 1220 notifiche per i vulcani selezionati, ma solo 419 (34%) corrispondono a un reale aumento dell'attività vulcanica, con molte false allerte che interessano pochi array, come la stazione IS40 in Papua Nuova Guinea e la stazione IS44 in Kamchatka. Un elevato numero di false allerte è causato dalla deflazione azimutale o dalla vicinanza angolare, in termini di back-azimuth, dei vulcani attivi rispetto agli array, e per risolvere entrambi i problemi, sono proposte azioni correttive.
La deflazione azimutale, che si verifica durante la propagazione a lungo raggio ed essendo particolarmente intesa nella direzione Nord-Sud, può essere ridotta calcolando il percorso in 3D dei raggi infrasonici (ray-tracing) al fine di ottenere la variazione del back-azimuth (direzione) dei vulcani rispetto agli array dell’ IMS considerando la deflazione dei venti stratosferici. Questo approccio è applicato come caso studio all'infrasuono prodotto dal vulcano Yasur e registrato dall’array IS22 (Nuova Caledonia). I risultati mostrano che la variazione del back-azimuth, ottenuta con tecniche di ray-tracing, permette di migliorare l'identificazione del segnale, ma richiede un notevole consumo di risorse computazionali, limitandone l'applicazione in tempo reale.
Il fatto che i vulcani siano poco spaziati in termini di back-azimuth rispetto ai singoli array infrasonici e considerando la deviazione azimuthale applicata per il calcolo dell’IP, i range-corrected IP possono sovrapporsi fortemente.
Questo problema può essere risolto attraverso l’applicazione di settori vulcanici, identificando quindi, in caso di allerta, un'area anziché una singola sorgente. Con tale approccio, i range-corrected IP forniscono 760 notifiche nel periodo di analisi con 437 (57,5%) di esse corrispondenti a un reale aumento dell'attività nel settore vulcanico, aumentando quindi significativamente il livello di affidabilità. È chiaro che l'aumento dell'affidabilità si ottenga a spese di una minore precisione spaziale che, con lo scopo di fornire informazioni sull'attività eruttiva ai VAAC, non sarebbe comunque una criticità. Infatti, una volta automatizzato, il range-corrected IP potrebbe fornire notifiche non supervisionate di eruzioni vulcaniche sostenute a livello globale in tempo reale. Queste notifiche, pur non essendo sufficienti per attivare direttamente delle allerte, potrebbero comunque stimolare ulteriori analisi indipendenti o approfondimenti sull'attività in corso. Questi approfondimenti potrebbero basarsi su dati satellitari o osservazioni vulcaniche locali, che sono attualmente parte integrante delle procedure di notifica dei VAAC.

Detecting and promptly reporting ongoing volcanic eruptions is crucial in supporting Volcanic Ash Advisory Centers (VAACs) in their mission to inform about ash clouds that may endanger aviation. However, many active volcanoes, especially those positioned in remote areas, lack local monitoring systems required to provide alerts. Here the need for new monitoring solution that might provide, remotely, information on imminent or ongoing activity.
In this framework, this doctoral thesis focuses on the study of the long-range infrasound produced by explosive volcanic activity and detected by the arrays of the International Monitoring System (IMS) operated by the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization (CTBTO), with the aim to assess signal detectability and define a warning system based on remote infrasound.
Volcanoes are, indeed, an efficient source of low-frequency (<20 Hz) acoustic waves, called infrasound, produced by the rapid atmospheric perturbation induced by the explosive injection of pyroclastic material and gases during an eruption. Due to the low frequency of the signal and to the features of the atmosphere, infrasound undergoes minimal attenuation while propagating in the air and is able to reach distances up to hundreds to thousands of kilometers. This makes infrasound being a valuable resource for observing the activity of poorly monitored volcanoes at large distances.
Numerous studies have already emphasized the utility of long-range infrasound data for this purpose, which led to the proposal of several monitoring approaches based on single case studies, in selected regions and short time periods. However, a rigorous approach, applied on a large scale and long time period and with the estimate of the effectiveness and the reliability is missing.
In this thesis, an infrasound detection algorithm, based on the Infrasound Parameter (IP), is developed and tested for reporting ongoing eruptive events exploiting data from a single infrasound array. The IP, originally developed for local monitoring, is adapted here to long-range volcanic infrasound observations by considering real atmospheric specification provided by European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) to account for propagation effects, and including additional constant on signal persistency and excess pressure to focus specifically on major volcanic eruption and minimize the rate of false alerts. The range-corrected IP is therefore calculated from long-range infrasound for a volcano, considering its back-azimuth, and propagation effects, and used eventually to report possible ongoing activity at the volcano once physical thresholds based on persistency and amplitudes are exceeded.
In this thesis, the range-corrected IP is calculated considering 10 years of data provided by 16 IMS infrasound arrays, that are located in the most active volcanic regions of the world. Considering a maximum source-to-receiver of 2000 km from the closer array, the range-corrected IP was computed for 101 volcanoes that were selected as they had activity during the ten-year-long period of analysis, with variable style and energy, spanning from recurrent mild Strombolian explosions to eruption classified with a VEI (Volcanic Explosivity Index) >= 4. To evaluate the system reliability and estimate the rate of false alerts, the notifications provided for the entire period of analysis are compared with reports from the Global Volcanism Program (GVP).
Results show that the proposed approach is well designed for long-lasting (> few minutes), large (VEI >=3) eruptions, such as Sub-Plinian/Plinian events or closely repeating Vulcanian/Strombolian explosions, while it typically misses single transient events.
In terms of ranges, its reliability is strongly azimuth-dependent.
The best results at large distances (up to 2000 km) are obtained for volcanoes located East or West from IMS arrays, as stratospheric jets allow to establish ducts of favourable infrasound propagation that facilitates, seasonally, clear detections of infrasound at large distance even for low energy events.
On the contrary, infrasound produced by volcanoes located North or South from IMS arrays is generally recorded up to maximum distances of 1000 km (for the larger and stable attenuation) and small energy events are typically undetected.
In total, the system provided 1220 notification for the selected volcanoes, but only 419 (34%) correspond to real increased of volcanic activity, with many false alerts affecting few IMS arrays, such as IS40 in Papua New Guinea and IS44 in Kamchatka.
A large number of false alerts result as a consequence of azimuthal deflation or to the close angular spacing of active volcanoes with respect to an IMS arrays and for both, correcting actions are proposed.
The azimuthal deflation, that occurs during long-range propagation and is particularly strong for meridional propagation, can be reduced by computing 3D ray-tracing in order to obtain the variation of the back-azimuth of the volcanoes with respect to the IMS array considering wind deflation. This procedure is applied as a case study to infrasound produced by Yasur volcano recorded by IS22 (New Caledonia), and showed that the computed expected back-azimuth obtained with ray-tracing modelling allow to improve the signal identification, but requires extensive data analysis that might limits real-time application.
The close spacing of volcanoes with respect to the array might lead to small azimuthal differences and, due to the azimuthal tolerance for calculating the IP, results can strongly overlap.
This issue can be addressed considering volcanic sectors, therefore identifying, in case of a alert, an area of increased activity instead of a single source.
With such approach, the calculation of the range-corrected IP provides 760 notifications in the period of analysis with 437 (57.5%) of them corresponding to real increased activity in the volcanic sector, therefore strongly increasing the level of reliability.
It is clear that the increased reliability is obtained at expenses of lower spatial accuracy that, for the purpose of providing information on the eruptive activity to the VAAC would be, however, not so critical.
Indeed, the range-corrected IP, once automated, could provide unsupervised notification of major volcanic eruption at a global scale in real-time, that alone can not be used to send alarms but could trigger further, in depth, independent analysis of ongoing activity, based on satellites or local volcano observations that are currently required in the VAAC notification pipelines.