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Tecnologías de observación de gas volcánico para mejorar los modelos de predicción de erupciones

Las técnicas de monitorización de volcanes se basan fundamentalmente en observaciones geofísicas. El proyecto bridge asume el consenso de que los gases volcánicos son otro factor determinante e irrenunciable en las erupciones y se propone crear tecnologías de vigilancia de gases que en combinación con datos geofísicos mejorarán las predicciones al respecto.
Tecnologías de observación de gas volcánico para mejorar los modelos de predicción de erupciones
Financiado mediante una subvención del CEI, el proyecto BRIDGE (Bridging the gap between Gas Emissions and geophysical observations at active volcanoes) se propone nada menos que «impulsar un avance cientificotécnico fundamental para la vulcanología». Parte de la observación de que, a pesar de los últimos progresos tecnológicos, la contribución de las observaciones de gas volcánico a la vigilancia de volcanes es aún muy limitada.

Esto impide realizar observaciones en tiempo real y alta frecuencia de flujos y composiciones de gas volcánico. De hecho, expertos en geoquímica se encuentran con dificultades técnicas a la hora de describir la química y los flujos de estos gases a alta frecuencia (1 Hz) mediante conjuntos de instrumentos permanentes. Es más, la baja resolución temporal de las observaciones disponibles imposibilita analizar procesos volcánicos rápidos como los que se producen poco antes de una erupción.

La tecnología de BRIDGE supera estos obstáculos con instrumentos innovadores para realizar observaciones a 1 Hz de flujos volcánicos de SO2 y CO2. La información obtenida por estos instrumentos puede combinarse con datos geofísicos para subsanar las lagunas del conocimiento existentes y mejorar la modelización de distintas facetas volcánicas como los mecanismos que provocan erupciones explosivas.

¿A qué se debe que las observaciones de gas volcánico se encuentren tan rezagadas?

Profesor Alessandro Aiuppa: Los gases volcánicos son una materia de estudio relativamente reciente. Las técnicas geofísicas más tradicionales se han utilizado en los volcanes desde hace más de un siglo, por ejemplo la sismicidad se vigila desde mediados o finales del siglo XIX, pero los gases volcánicos despertaron la curiosidad de los científicos en las décadas de los años treinta a cincuenta. Las observaciones instrumentales de estos gases comenzaron en la década de los setenta y se consolidaron a principios del siglo XXI.

Este interés científico «tardío» en los gases volcánicos explica la laguna existente en la geofísica.

¿Qué consecuencias tiene para la precisión y la eficacia de las observaciones volcánicas?

Predecir de una forma determinante el inicio de una erupción volcánica es todavía difícil, pero los vulcanólogos conocen ya mejor los procesos que impulsan una erupción, y no cabe duda de que los volátiles magmáticos desempeñan una función elemental. Estos se transportan desde los silicatos fundidos a una fase de gas magmático durante la descompresión del magma en su camino hacia la superficie. La formación y expansión de esta fase gaseosa desmezclada contribuye a la acumulación de presión magmática que da lugar a una erupción. Resulta por tanto vital estudiar su composición y sus flujos.

Por desgracia, el muestreo directo y el análisis en el laboratorio de las exhalaciones volcánicas no permiten analizar los procesos volcánicos rápidos, y presentan limitaciones en la precisión y validación experimental de los modelos de flujo magmático (y desgasado) poco antes de la erupción.

¿Cómo se proponen resolver este problema?

Nuestro objetivo es perfeccionar las técnicas existentes y crear tecnologías nuevas para el estudio de gases volcánicos. Diseñamos, produjimos, ensayamos e instalamos una generación nueva de instrumentos de detección de gases volcánicos y creamos los primeros prototipos de redes de cámaras ultravioleta completamente automatizadas. De esta forma es posible realizar observaciones continuas de flujos de SO2 con una resolución temporal elevada (superior a 1 Hz, y hasta 25 Hz) mediante una configuración compacta, sólida y fácil de utilizar.

También hemos perfeccionado una tecnología nueva denominada Multi-GAS (Multi-component Gas Analyser System), una unidad de detección de gas que se ha convertido en una referencia para la vigilancia continua sobre el terreno de la composición de plumas volcánicas. Por último, también logramos un éxito rotundo en la difícil tarea de generar el primer DIAL-Lidar dedicado a la teledetección de los flujos de CO2 volcánico.

Nuestra red multiinstrumental de detección de gas sencilla de instalar ofrece una respuesta rápida ante futuras crisis volcánicas tanto dentro como fuera de la UE. Los dispositivos de vigilancia de gases generados en BRIDGE se han exportado a varios observatorios de volcanes en todo el mundo donde se instalarán como parte de las redes de vigilancia.

¿Puede explicar cómo funcionan estos instrumentos?

Nuestras cámaras ultravioleta son dispositivos CCD que pueden utilizarse para obtener secuencias de imágenes de una pluma volcánica (la dispersión atmosférica de gases volcánicos). Las imágenes se capturan a través de filtros ópticos, lo que permite mostrar partes limitadas de la radiación solar. Al exponer dos cámaras al mismo tiempo, se puede medir la absorción selectiva de la luz solar por parte del SO2 volcánico y convertir estos datos en un flujo de SO2 (masa de SO2 emitida por unidad de tiempo por el volcán a estudio).

Nuestros instrumentos Multi-GAS son unidades multisensoras de pequeño tamaño que combinan espectrómetros en el infrarrojo con sensores electroquímicos. Los gases y las plumas volcánicos se introducen por bombeo en el Multi-GAS y se miden las concentraciones de los distintos gases (H2O, CO2, SO2, H2S, H2, HCl) en tiempo real (a 1 Hz). El Multi-GAS se instala de forma permanente en la cima del volcán y los datos se envían por telemetría al observatorio correspondiente. De este modo se obtiene un registro temporal de las composiciones de los gases volcánicos.

Por último, DIAL-Lidar está compuesto de un transmisor (láser) y un receptor (telescopio). Un Lidar es básicamente un radar óptico. Funciona transmitiendo un pulso de láser a la atmósfera y las moléculas de aire y aerosoles retrodispersan al telescopio algunos de los fotones emitidos por el láser. La potencia óptica de este flujo de fotones (transformada en una señal eléctrica mediante un fotodetector) es proporcional a las propiedades fisicoquímicas de la atmósfera atravesada por el haz del láser. El aire atenúa el pulso debido a la dispersión que producen las moléculas y los aerosoles y a la absorción concreta de cada gas. Si la longitud de onda coincide con las líneas de absorción de un gas objetivo, la atenuación será mayor.

DIAL aprovecha este efecto. A diferencia de un Lidar normal, se transmiten dos longitudes de onda (encendido y apagado), si bien solo la primera queda absorbida por el gas objetivo. Si la línea de absorción es estrecha y las longitudes de onda encendida y apagada están los suficientemente cerca, se puede deducir la concentración de gas objetivo en la línea óptica del Lidar a partir de la relación existente entre las señales de encendido y apagado. En nuestro caso concreto, desarrollamos un DIAL-Lidar nuevo basado en láser de colorante utilizando un transmisor complejo que integra un láser Nd:YAG por inyección con un láser de colorante de doble rejilla. El transmisor se emplea para generar radiación láser a aproximadamente 2010 nm, una región del espectro electromagnético absorbida por el CO2 atmosférico.

¿Está satisfecho con los resultados de los ensayos sobre el terreno?

Por completo. Todos los instrumentos desarrollados se han instalado en volcanes activos y aportan una enorme cantidad de datos con información fundamental sobre el comportamiento de los volcanes. Nuestro proyecto completó un nuevo método de interpretación de procesos volcánicos en la corteza superficial basado en el análisis combinado de señales coadquiridas de gas volcánico y geofísicas (sísmicas, infrasónicas, geodésicas y térmicas).

En su opinión, ¿cuáles son las lecciones más importantes extraídas del proyecto?

La lección clave de BRIDGE es que para conocer el comportamiento de los volcanes es necesario desplegar un frente multidisciplinario. Los logros de BRIDGE son emblemáticos y demuestran que la integración de datos de gas y geofísicos son fundamentales para ampliar el conocimiento que se posee de los mecanismos de ascensión de gas y magma en los conductos magmáticos durante la quiescencia y antes y durante las erupciones.

Nuestras observaciones de vigilancia multidisciplinaria en los volcanes Estrómboli y Etna, posibilitada gracias a las redes de observación de BRIDGE, revelan que es posible predecir erupciones con mayor precisión cuando las señales de gas y geofísicas se analizan conjuntamente.

BRIDGE
Financiado con arreglo a FP7-IDEAS-ERC.
Página web del proyecto BRIDGE en CORDIS
Sitio web del proyecto

Fuente: Entrevista publicada en la revista de resultados research*eu nº 60 pp. 11y 12

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