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Notizie - Scienza
Giovedì 29 Luglio 2021 06:34

Monitorare le eruzioni vulcaniche 'ascoltando’ i loro anelli di fumo

Uno studio innovativo sullo Stromboli  getta le basi per una promettente tecnica di monitoraggio delle eruzioni dai loro suoni


[Roma, 29 luglio 2021]

Nascosto nel caos dei primi istanti di un’eruzione vulcanica c'è un anello effimero di fumo e cenere che può fornire agli scienziati importanti indizi su quanto possa essere pericolosa un’eruzione. Un nuovo studio “cattura” questi vortici toroidali, in inglese ‘vortex rings’, di origine vulcanica e il loro suono su video ad alta velocità, suggerendo un nuovo modo per monitorare le eruzioni usando solamente il suono.

I vortex rings vulcanici sono vortici ad anello che si formano intorno alla cima di una nube eruttiva durante i primi secondi dell’evento, come i mulinelli che si formano dietro un remo spinto nell’acqua. La dimensione, la velocità e le caratteristiche di questi vortici riflettono fattori utili per valutare quanto sia pericolosa l’eruzione, come la sua intensità o la profondità della bocca eruttiva da cui ha avuto inizio.

Tuttavia gli anelli sono apprezzabili solamente per brevi periodi e possono essere difficili da misurare in eruzioni piccole. Eruzioni più grandi possono invece formare dei vortici più visibili, ma gli scienziati non sempre sono in grado di avvicinarsi abbastanza per fare le dovute osservazioni. Inoltre, se l’eruzione avviene di notte o con l’edificio vulcanico avvolto dalla cenere o dalle nubi, gli anelli potrebbero non essere visibili.

Un nuovo studio condotto da un team di vulcanologi e fisici specializzati nella fluidodinamica, dal titolo “Volcanic Vortex Rings: Axial Dynamics, Acoustic Features, and their Link to Vent Diameter and Supersonic Jet Flow”, ha permesso di combinare video ad alta velocità con registrazioni audio incentrati sui primi secondi delle eruzioni dello Stromboli per ‘ascoltare’ i vortex rings vulcanici.

Lo studio, unico nel suo approccio audiovisivo e il primo che ha isolato il suono degli anelli, è stato pubblicato sulla rivista ‘AGU Geophysical Research Letters’, che pubblica studi ad alto impatto e di breve formato con implicazioni immediate che abbracciano tutte le Scienze della Terra e dello Spazio.

“C’è un suono caratteristico prodotto dal vortice vulcanico, che è un suono basso e costante. La bellezza dei vortex rings  è che sono stabili, ciò significa che emettono un suono costante che si propaga nel tempo”, spiega Jacopo Taddeucci, vulcanologo dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) e primo autore dello studio.

Con queste nuove conoscenze su come la “melodia” di un vulcano è collegata alla sua eruzione, i vulcanologi possono espandere le nostre conoscenze su diversi processi e suoni vulcanici per migliorare il monitoraggio nei casi in cui non siano utilizzabili tecniche visive o di altro tipo.

“Anche se non vediamo l’eruzione perché, ad esempio, il cielo è nuvoloso o non disponiamo di una telecamera fissa sul vulcano, con questa nuova tecnica siamo in grado di sapere cosa sta succedendo analizzando solamente il suono”, prosegue Taddeucci. “La mia speranza è che, conoscendo meglio il suono delle eruzioni, saremo presto in grado di monitorare solo attraverso il rumore i cambiamenti di un’eruzione in corso. Questo è uno degli obiettivi futuri della nostra ricerca”.

Suoni caratteristici

Per individuare il suono dei vortici vulcanici, Taddeucci e i suoi collaboratori hanno installato telecamere ad alta velocità e microfoni professionali a diverse centinaia di metri dalle bocche eruttive dello Stromboli. Hanno, inoltre, utilizzato un drone per filmare il vulcano mentre era in corso l’emissione di getti eruttivi, vale a dire colonne di gas caldi, cenere e fumo, che sul vulcano eoliano raggiungono i 100-300 metri di altezza. Ciò ha consentito al team di ricercatori di misurare parametri come la dimensione della bocca eruttiva.

Sebbene gli scienziati non potessero vedere a occhio nudo gli anelli che stavano cercando di catturare, questi sono apparsi analizzando i  video ad alta velocità. Dopo aver misurato le dimensioni e la velocità degli anelli e sincronizzato con precisione il video con l’audio, i ricercatori sono riusciti a isolare il rombo basso e costante proveniente dai vortici.

Poiché i suoni dei vortici erano distintivi e costanti, il team ha potuto correlare la loro frequenza con altre loro caratteristiche. In particolare, è stato evidenziato un chiaro legame tra il movimento del vortice, il suo suono e le dimensioni della bocca eruttiva. Altri cambiamenti nella “melodia” di un vulcano, incluso il suo getto eruttivo, possono essere correlati alla struttura interna della bocca. 

“I vortex rings  sono piuttosto sensibili ai parametri con cui vengono generati”, spiega Juan José Pena Fernández, ricercatore di meccanica dei fluidi e co-autore dello studio. “Se registriamo l’acustica generata da un vortex ring  possiamo conoscere abbastanza precisamente le condizioni che l’hanno creato. Se, quindi, ci fosse un cambiamento nel comportamento del vulcano potremmo essere in grado di rilevarlo”.

La combinazione di audio con immagini ad alta velocità “Ha perfettamente senso”, afferma Amanda Clarke, vulcanologa dell’Università dell’Arizona, non coinvolta nello studio. “Ho ritenuto che fosse molto creativo e intelligente. Non è facile effettuare contemporaneamente questo tipo di misurazioni sul campo”, prosegue Clark. “Nel caso delle eruzioni esplosive, i vortici vulcanici possono davvero ‘parlare’ delle condizioni della sorgente, quindi del vulcano stesso. Non è però facile estrapolare queste informazioni da misurazioni che non sono facilmente osservabili”.

 

#ingv  #stromboli #vorticitoroidali #vortexrings #agu #eruzione

  

La scheda

Chi: Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV)

Cosa: Un nuovo innovativo studio sullo Stromboli getta le basi per una promettente tecnica di monitoraggio delle eruzioni vulcaniche dall’ascolto dei loro anelli di fumo.

Dove: Sulla rivista internazionale AGU Geophysical Research Letters (in calce l’Abstract).    


LINK: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL092899  

 

 

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Abstract

By injecting a mixture of gas and pyroclasts into the atmosphere, explosive volcanic eruptions frequently generate vortex rings, which are toroidal vortices formed by the jet’s initial momentum. Here, we report high-speed imaging and acoustic measurements of vortex rings sourcing from gas-rich eruptive jets at Stromboli volcano (Italy). Volcanic vortex rings (VVRs) form at the vent together with an initial compression acoustic wave, VVRs maximum rise velocity being directly proportional to the amplitude and inversely proportional to the duration of the compression wave. The axial rise and acoustic signature of VVRs match well those predicted by recent fluid-dynamic experiments. This good match allows using the high-frequency (80-1000 Hz) component of the jet sound and the time-dependent rise of VVRs to retrieve two key eruption parameters: the Mach number of the eruptive jets (<1.5) and vent diameter (~0.7 m), respectively, the latter being confirmed independently by direct Uncrewed Aerial Vehicle observations.

 

 

 


  

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Valeria De Paola

Capo Ufficio Stampa 


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Scientists can listen to volcanic smoke rings to monitor eruptions in the dark

New research lays groundwork for promising new technique for audio-only eruption tracking

 

[Rome, July 29, 2021]

Hidden in the chaos of the first moments of a volcanic eruption is an ephemeral ring of smoke and ash that can give scientists important clues about how dangerous an eruption might be. A new study captures these volcanic vortex rings and their sound on high-speed video, potentially pointing to a new way to measure a volcano using only sound.  

Volcanic vortex rings are curls of an eruption’s plume that form during the first seconds of an eruption, like the twisting ripples in water as you pull an oar through it. The size, speed, and composition of those curls reflect useful factors in assessing how hazardous the eruption is, like how intense the eruption is or how deep in the vent the eruption started.  

But the rings are short-lived and can be difficult to measure in small eruptions. Larger eruptions can form visible vortices, but scientists cannot always get close enough to make the necessary observations. If it is dark or the mountain is wreathed in smoke, the rings may not be visible. 

In the new study, a team of volcanologists and jet-stream physicists paired high-speed video with audio focused on the first seconds of eruptions at Stromboli volcano in Italy to listen to the vortex rings. The study is unique in its audiovisual approach and is the first to isolate the sound of a volcanic vortex ring.  

Their work was published in the AGU journal Geophysical Research Letters, which publishes high-impact, short-format reports with immediate implications spanning all Earth and space sciences. 

“There is a characteristic sound which is made by the vortex itself, which is a low, constant sound. The beauty of the of the vortex rings is that they are stable, and that means that they make a constant sound that is propagating over time”, said Jacopo Taddeucci, a volcanologist at Italy’s Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia and lead author of the new study. 

With new knowledge about how a volcano’s tune is linked to its eruption, volcanologists can continue homing in on different volcanic processes and sounds to improve monitoring when visual or other techniques aren’t available.  

“Even if we don't see the eruption because it is cloudy or we don't have a permanent camera over there, we will be able to know what is going on just by the sound”, Taddeucci said. “My hope is that by studying the sound of the eruption, we will be able to track changes in those parameters just by the noise. This is one of the future promises of this work” 

Distinctive sounds 

To pinpoint the sound of those elusive volcanic vortices, Taddeucci and his collaborators set up high-speed cameras and professional microphones several hundred meters from the vents of Stromboli. They also recorded video from a drone flying over the volcano as it let off steady spurts of eruptive jets, allowing the team to measure parameters like vent size. The jets are supersonic columns of hot gases, ash and smoke, reaching 100 to 300 meters (330 to 1000 feet) high at Stromboli. 

Although the team could not see the rings they were trying to capture, when they filtered the video, dark smudges - the vortices - appeared. They measured the rings’ size and speed, and by precisely lining up the video with the audio, they isolated the low, steady rumble emanating from the vortices from the roar of the eruptive jet. 

Because the vortices’ sounds were so distinctive and steady, the team was then able to correlate the frequency with other aspects of the rings. They found a clear link between vortex motion, its sound and vent size, the latter of which they measured with the drone. Other changes in a volcano’s ‘tune,’ including its eruptive jet, could be related to the vent’s internal structure.  

“Vortex rings are quite sensitive to the parameters with which they are generated”, explained Juan José Pena Fernández, a fluid mechanics researcher and co-author of the new study. “If we record the acoustic generated by a vortex ring, we can know quite precisely the conditions that made it. So if there is a change in the volcano’s behavior, we could be able to detect it”. 

Combining audio with high-speed visuals “makes perfect sense”, said Amanda Clarke, a University of Arizona volcanologist who was not involved in the study.  

“I thought it was very creative and clever. It’s not easy to make these kinds of measurements in the field simultaneously”, Clark said. “For these kinds of [explosive] eruptions, the vortex structures can really tell you about the source conditions. But it’s not easy to tease that information out of the measurements that are not easily observable”. 

 

#ingv  #stromboli #volcano #vortexrings #agu #eruption


Link: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL092899 

 

For scientific information:

Jacopo Taddeucci, Researcher INGV, e-mail: Questo indirizzo e-mail è protetto dallo spam bot. Abilita Javascript per vederlo. , cell. 338.1479346

(contact details for professional use only, not to be published)


 

Abstract

By injecting a mixture of gas and pyroclasts into the atmosphere, explosive volcanic eruptions frequently generate vortex rings, which are toroidal vortices formed by the jet’s initial momentum. Here, we report high-speed imaging and acoustic measurements of vortex rings sourcing from gas-rich eruptive jets at Stromboli volcano (Italy). Volcanic vortex rings (VVRs) form at the vent together with an initial compression acoustic wave, VVRs maximum rise velocity being directly proportional to the amplitude and inversely proportional to the duration of the compression wave. The axial rise and acoustic signature of VVRs match well those predicted by recent fluid-dynamic experiments. This good match allows using the high-frequency (80-1000 Hz) component of the jet sound and the time-dependent rise of VVRs to retrieve two key eruption parameters: the Mach number of the eruptive jets (<1.5) and vent diameter (~0.7 m), respectively, the latter being confirmed independently by direct Uncrewed Aerial Vehicle observations.