Il vulcano Kilauea sull'isola delle Hawaii è uno dei vulcani più attivi della Terra, attirando scienziati e turisti da tutto il mondo per studiare e assistere alle sue spettacolari manifestazioni della natura. Questo mese, un team scientifico guidato dalla NASA sta esplorando Kilauea e l'adiacente vulcano Mauna Loa dall'alto, terra e spazio. Il loro obiettivo:comprendere meglio i processi e i pericoli vulcanici.

A fine gennaio, scienziati della NASA, l'osservatorio del vulcano hawaiano dell'USGS (HVO), Parco Nazionale dei Vulcani delle Hawaii, e diverse università hanno intrapreso una campagna sul campo di sei settimane per studiare i collegamenti tra gas vulcanici/emissioni termiche e salute ed estensione della vegetazione; il flusso di lava dai vulcani; anomalie termiche; pennacchi di gas; altri processi vulcanici attivi; e modi per mitigare i rischi vulcanici. La campagna, che sta anche studiando le barriere coralline delle Hawaii, fornirà dati precursori per il concetto di missione satellitare Hyperspectral Infrared Imager (HyspIRI) della NASA per studiare gli ecosistemi della Terra e i rischi naturali come i vulcani, incendi e siccità.

Volare in alto per conoscere i vulcani delle Hawaii

Un aereo ER-2 ad alta quota dell'Armstrong Flight Research Center della NASA, Palmdale, California, con sede presso la base del corpo dei marine Hawaii sull'isola di Oahu, è la piattaforma principale per la campagna aerea HyspIRI. L'ER-2 trasporta lo spettrometro per immagini a infrarossi e visibili nell'aria (AVIRIS), sviluppato dal Jet Propulsion Laboratory della NASA, Pasadena, California; e il simulatore aereo MODIS-ASTER (MASTER), sviluppato dall'Ames Research Center della NASA, Campo Moffett, California. Questa settimana, un aereo Gulfstream III del Johnson Space Center della NASA, Houston, aderirà alla campagna. Trasporterà lo strumento GLISTIN (Glotter and Land Ice Surface Topography Interferometer) del JPL, che raccoglierà dati ad alta risoluzione per misurare i cambiamenti topografici dai nuovi flussi di lava Kilauea.

"I dati raccolti durante la campagna aerea HyspIRI faranno progredire la nostra comprensione dei processi vulcanici alle Hawaii e in altre parti del mondo, " ha detto Ben Phillips, capo dell'area di messa a fuoco della superficie terrestre e degli interni della NASA, sede della NASA, Washington. "Tali osservazioni possono informare le decisioni future dei soccorritori del rischio vulcanico e delle agenzie di regolamentazione".

Volare a 65 anni, 000 piedi (19, 800 metri), oltre il 95% dell'atmosfera terrestre, l'ER-2 può replicare da vicino i dati che un futuro satellite potrebbe raccogliere. Gli strumenti a bordo sono progettati per misurare con attenzione la luce solare riflessa e la radiazione termica emessa in centinaia di canali distinti. I dati forniscono agli scienziati informazioni quantitative e accurate sulla composizione della superficie terrestre, tipi di gas e temperatura. Combinando questi dati con misurazioni di convalida a terra, gli scienziati possono studiare l'atmosfera, processi geologici ed ecologici per comprendere il nostro ambiente naturale.

Cosa studieranno?

Vog:lo scienziato del JPL Vincent Realmuto sta usando i dati MASTER e AVIRIS per studiare il vog, il famigerato inquinamento atmosferico vulcanico dell'isola delle Hawaii. La sua squadra sta studiando i rilasci di calore e gas di Kilauea, mappare la composizione e l'evoluzione chimica dei suoi pennacchi di gas.

Quando il vertice di Kilauea riprese a scoppiare nel 2008, le emissioni di anidride solforosa sono aumentate drasticamente. L'anidride solforosa si converte in aerosol di solfato per creare vog:un nocivo, sospensione corrosiva di anidride solforosa e aerosol di solfato fine. Le comunità sottovento di Kilauea subiscono effetti negativi. Per aiutare il pubblico ad affrontare il vog, il Vog Measurement and Prediction Project (VMAP) presso l'Università delle Hawaii-Manoa (UH) produce previsioni del movimento e della concentrazione del vog nelle isole Hawaii. VMAP utilizza i tassi di emissione di anidride solforosa misurati da HVO per impostare le condizioni iniziali per la previsione del vog. L'accuratezza delle previsioni viene valutata confrontandole con misurazioni della qualità dell'aria da una rete sparsa di stazioni di terra.

Il team di Realmuto sta utilizzando i dati MASTER per mappare le concentrazioni di anidride solforosa alla vetta del Kilauea e tenere traccia delle variazioni di concentrazione con la distanza dalla vetta. I dati AVIRIS vengono utilizzati per mappare le concentrazioni e le distribuzioni spaziali degli aerosol di solfato sottovento rispetto alla vetta. I dati aiuteranno gli scienziati a capire meglio quanto velocemente il gas di anidride solforosa si converte in aerosol di solfato, e creare mappe di come le tariffe variano da luogo a luogo. Le mappe di gas e aerosol derivate dai dati dispersi nell'aria saranno convalidate con i dati a terra raccolti dagli scienziati dell'HVO e dell'UH. Le mappe convalidate verranno utilizzate per inizializzare le previsioni VMAP per valutare l'impatto dei nuovi prodotti di dati sulla loro accuratezza.

Nel futuro, i dati raccolti durante una missione spaziale HyspIRI possono contribuire in modo sostanziale agli sforzi di monitoraggio della qualità dell'aria delle Hawaii. Queste osservazioni verranno utilizzate per stimare le concentrazioni di anidride solforosa e solfato con una risoluzione spaziale di circa 200 piedi (60 metri) su scale temporali da ore a giorni. "Tali osservazioni tempestive possono essere utilizzate per tenere traccia dei cambiamenti nel comportamento dei vulcani e possono portare gli osservatori dei vulcani e i funzionari della qualità dell'aria ad aumentare il loro controllo su tali cambiamenti, "Ha detto Realmuto. "L'esperienza che acquisiamo dalla campagna aerea HyspIRI ci consentirà di utilizzare immediatamente i dati di una missione spaziale HyspIRI".

Collegamenti tra vulcani e piante:Scienziato Chad Deering della Michigan Technological University, Houghton, sta conducendo un'indagine per rilevare i cambiamenti nello stato vulcanico utilizzando i dati AVIRIS e MASTER per misurare a distanza i possibili collegamenti tra i gas vulcanici e le loro emissioni termiche, e la salute e l'estensione della vegetazione vicino ai vulcani. Quando un serbatoio di magma poco profondo viene riempito, può segnalare sia l'inizio di un'eruzione di un attivo, ma non attualmente in eruzione, vulcano come Mauna Loa, o cambiamenti significativi nel comportamento in un vulcano in eruzione come Kilauea. Il magma in aumento rilascia gas attraverso la superficie. Rilevare e caratterizzare queste emissioni di gas e i loro effetti indiretti sulla vegetazione può aiutare i gestori del rischio a rilevare meglio i cambiamenti significativi nel comportamento vulcanico e monitorare i cambiamenti nella posizione dell'attività.

Come vengono trasportati i gas e gli aerosol vulcanici:il ricercatore del JPL David Pieri sta utilizzando strumenti su piccole piattaforme aeree senza equipaggio (aeromobili senza pilota a volo libero e aquiloni aerostatici collegati) per condurre la convalida a terra dei dati MASTER e AVIRIS. Gli aerei senza pilota e gli aquiloni sono gestiti in collaborazione con la NASA Ames e la Wallops Flight Facility della NASA, Isola di Wallops, Virginia. Gli strumenti stanno campionando anidride solforosa, anidride carbonica e aerosol a Kilauea. I dati miglioreranno la comprensione di come i gas e gli aerosol vengono trasportati nell'atmosfera e contribuiranno a migliorare le stime delle emissioni di gas vulcanico. Il team di Pieri acquisirà anche dati simultanei con lo strumento Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) sulla navicella spaziale Terra della NASA per aiutare a sviluppare una strategia per estendere nel futuro il set di dati di 15 anni di ASTER sulle osservazioni globali del vulcano.

Modi per migliorare le stime dei dati termici del vulcano:un team guidato dal ricercatore Michael Ramsey dell'Università di Pittsburgh sta utilizzando un nuovo strumento a terra per raccogliere dati multispettrali all'infrarosso termico nel lago di lava di Kilauea mentre l'ER-2 vola in alto. L'obiettivo è sviluppare un approccio per correggere i dati a infrarossi termici del satellite HyspIRI su superfici ad alta temperatura per tenere conto della miscelazione della temperatura e dei cambiamenti apparenti nella radiazione emessa. Le correzioni miglioreranno l'accuratezza delle stime della produzione termica vulcanica (e degli incendi) e dei cambiamenti nella composizione. Entrambe le stime sono generalmente utilizzate per monitorare l'attività vulcanica in corso.

Rilevamento delle anomalie termiche:il ricercatore dell'USGS Greg Vaughan sta sviluppando un nuovo algoritmo per rilevare e prevedere disordini vulcanici o pericoli correlati sulla base di segnali di calore che li precedono. L'algoritmo di avviso previsto sarà automatizzato, in grado di individuare comportamenti termici anomali nella maggior parte dei vulcani in tutto il mondo, e abbastanza sensibile da rilevare tracce di calore relativamente sottili. Il nuovo approccio, che sfrutta le capacità previste dalla missione satellitare HyspIRI, dovrebbe consentire agli scienziati di rilevare piccoli, anomalie calde che gli attuali sistemi di allarme termico potrebbero non rilevare. Vaughan confronterà i dati della campagna aerea HyspIRI con i dati ad alta risoluzione di HVO. Le osservazioni saranno unite ai dati satellitari per generare serie temporali estese per testare e perfezionare il nuovo approccio.

Misurazione dei cambiamenti nel volume del flusso di lava:il ricercatore del JPL Paul Lundgren guida i prossimi voli GLISTIN, che raccoglierà dati topografici ad alta risoluzione sui flussi di lava di Kilauea attivi per misurare i cambiamenti. Un monitoraggio più accurato dei cambiamenti nel volume del flusso di lava migliorerà i modelli utilizzati per comprendere le caratteristiche delle eruzioni attive, come cambiamenti nel tasso di eruzione.

"Se schierato in una crisi vulcanica in evoluzione, GLISTIN potrebbe fornire importanti misurazioni dei volumi del flusso di lava o della crescita della cupola di lava che non sono possibili con gli attuali satelliti, ", afferma Lundgren. "Può aiutare gli scienziati a comprendere e prevedere meglio il volume delle eruzioni vulcaniche e il comportamento dei vulcani".