Simulare in laboratorio il comportamento della cenere vulcanica durante le eruzioni esplosive per migliorare l’accuratezza delle previsioni della dispersione delle particelle, è quanto si prefigge lo studio firmato INGV e Università di Monaco di Baviera, recentemente pubblicato su Scientific Reports
È possibile prevedere come e dove cadranno le ceneri emesse durante una eruzione vulcanica esplosiva dell’Etna o del Vesuvio? Un recente studio, condotto da un team di ricercatori dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) di Roma, Pisa e Catania, in collaborazione con l’Università di Monaco di Baviera, ha simulato in laboratorio il comportamento delle ceneri vulcaniche, per migliorare l’accuratezza delle previsioni della dispersione delle particelle durante le eruzioni esplosive. Lo studio, Effect of particle volume fraction on the settling velocity of volcanic ash particles: insights from joint experimental and numerical simulations (), è stato pubblicato su Scientific Reports.
“La cenere vulcanica è costituita da piccoli frammenti di vetro e cristalli” spiega Jacopo Taddeucci, ricercatore dell’INGV. “Queste particelle vengono generate in grande quantità durante le eruzioni vulcaniche esplosive. Immesse nell’atmosfera, le particelle formano una nube vulcanica che viene trasportata e dispersa dai venti, per poi depositarsi al suolo anche a migliaia di chilometri di distanza e mesi dopo l’eruzione”.
La cenere vulcanica ha effetti deleteri sulla salute dell’uomo, l'ambiente, e le infrastrutture (basti ricordare i disagi al traffico aereo nel 2010 dovuti all’eruzione del vulcano islandese Eyjafjallajökull).
“Per sapere in anticipo dove ricadrà la cenere e in quali quantità e, quindi, fronteggiarne efficacemente gli effetti”, aggiunge Elisabetta Del Bello, ricercatrice dell’INGV, “è essenziale conoscere al meglio il comportamento della cenere nelle nubi vulcaniche e nell’atmosfera. In questo studio, il comportamento delle particelle di cenere durante la ricaduta è stato simulato in laboratorio, filmando le particelle in caduta con speciali telecamere ad alta velocità e ad alta definizione, e poi riproducendo gli stessi esperimenti attraverso modelli matematici”.
Grazie a questo approccio combinato il lavoro ha messo in luce come la quantità di cenere che cade dalla nube vulcanica sia in grado di modificare la velocità di caduta delle particelle.
“La principale implicazione di questa scoperta è che nelle regioni più vicine a un vulcano in eruzione (a meno di 20-50 km, a seconda dell'eruzione), dove la nube vulcanica è maggiormente carica di cenere, la velocità di ricaduta delle particelle può aumentare notevolmente, con la conseguenza di avere un maggiore accumulo di cenere al suolo, aggiunge Del Bello.
Lo studio propone anche un metodo per prevedere la velocità di caduta della cenere in tali condizioni. “Questo metodo”, conclude Taddeucci, “contribuirà a migliorare l’accuratezza delle previsioni della dispersione delle ceneri durante le eruzioni esplosive”.
Abstract
Most of the current ash transport and dispersion models neglect particle-fluid (two-way) and particle-fluid plus particle-particle (four-way) reciprocal interactions during particle fallout from volcanic plumes. These interactions, a function of particle concentration in the plume, could play an important role, explaining, for example, discrepancies between observed and modelled ash deposits. Aiming at a more accurate prediction of volcanic ash dispersal and sedimentation, the settling of ash particles at particle volume fractions (ϕp) ranging 10−7-10−3 was performed in laboratory experiments and reproduced by numerical simulations that take into account first the two-way and then the four-way coupling. Results show that the velocity of particles settling together can exceed the velocity of particles settling individually by up to 4 times for ϕp ~ 10−3. Comparisons between experimental and simulation results reveal that, during the sedimentation process, the settling velocity is largely enhanced by particle-fluid interactions but partly hindered by particle-particle interactions with increasing ϕp. Combining the experimental and numerical results, we provide an empirical model allowing correction of the settling velocity of particles of any size, density, and shape, as a function of ϕp. These corrections will impact volcanic plume modelling results as well as remote sensing retrieval techniques for plume parameters.
Del Bello, E. et al. Effect of particle volume fraction on the settling velocity of volcanic ash particles: insights from joint experimental and numerical simulations. Sci. Rep. 7, 39620; doi: 10.1038/srep39620 (2017).
Il Laboratorio Alte Pressioni - Alte Temperature di Geofisica e Vulcanologia Sperimentali è collocato nella sede di Roma dell'INGV. Il responsabile è Piergiorgio Scarlato. Nel laboratorio si portano avanti alcune ricerche di spicco dell’INGV in ambito vulcanologico, sismico e ambientale, alcune delle quali finanziate nell'ambito di progetti europei. Qui sono concentrate molte attività analitiche e sperimentali dell’INGV a supporto delle ricerche e del monitoraggio, ma anche sviluppo di tecnologie e di nuove metodologie d’indagine. Le più recenti attività sperimentali, svolte anche in collaborazione con laboratori di altri paesi, riguardano simulazioni e misure legate alla fisica delle rocce e dei terremoti, alle proprietà chimico-fisiche dei magmi, e la modellizzazione analogica dei processi vulcanici. Il laboratorio è anche un polo di attrazione per i ricercatori italiani e stranieri.
Foto 1 - Islanda, eruzione dell’Eyjafjallajökull, maggio 2010: riprese ad alta velocità dell'attività esplosiva sulla cima del ghiacciaio
Foto 2 - Eruzione dell’Etna del novembre 2002: dopo forti esplosioni come questa, spesso il pennacchio di cenere raggiunge la città di Catania
Foto 3 - Islanda, eruzione dell’Eyjafjallajökull, maggio 2010: campionamento della cenere ai piedi del vulcano. I ricercatori sono avvolti dalla cenere fine in sospensione nell'aria