Più della metà dei vulcani attivi del mondo non sono monitorati strumentalmente. Quindi, eruzioni anche molto gravi si verificano senza preavviso per le popolazioni vicine del disastro imminente. Come primo e primo passo verso un sistema di allerta precoce dei vulcani, un progetto di ricerca guidato da Sébastien Valade dell'Università tecnica di Berlino (TU Berlin) e dal Centro di ricerca tedesco per le geoscienze GFZ a Potsdam ha portato a una nuova piattaforma di monitoraggio del vulcano che analizza le immagini satellitari utilizzando l'intelligenza artificiale (AI). Attraverso test con dati di eventi recenti, Valade e i suoi colleghi hanno dimostrato che la loro piattaforma, Monitoring Unrest from Space (MOUNTS) può integrare più set di diversi tipi di dati per un monitoraggio completo dei vulcani. I risultati del team sono stati pubblicati sulla rivista Telerilevamento .

Dei 1500 vulcani attivi nel mondo, fino a 85 eruttano ogni anno. A causa del costo e della difficoltà di mantenere la strumentazione in ambienti vulcanici, meno della metà dei vulcani attivi sono monitorati con sensori a terra, e ancora meno sono considerati ben monitorati. I vulcani considerati dormienti o estinti comunemente non sono affatto monitorati strumentalmente, ma possono verificarsi grandi e inaspettate eruzioni, come è avvenuto per il vulcano Chaitén in Cile nel 2008, che eruttò dopo 8000 anni di inattività.

Eruzioni spesso precedute da segnali precursori

I satelliti possono fornire dati cruciali quando il monitoraggio a terra è limitato o manca completamente. Le osservazioni continue a lungo termine dallo spazio sono fondamentali per riconoscere meglio i segni di disordini vulcanici. Le eruzioni sono spesso, ma non sempre, preceduto da segnali precursori che possono durare da poche ore a qualche anno. Questi segnali possono includere cambiamenti nel comportamento sismico, deformazione del suolo, emissioni di gas, aumento della temperatura o più di quanto sopra.

"A parte la sismicità, tutti questi possono essere monitorati dallo spazio sfruttando varie lunghezze d'onda attraverso lo spettro elettromagnetico, "dice Sébastien Valade, capofila del progetto MOUNT. È finanziato da GEO.X, una rete di ricerca per le geoscienze a Berlino e Potsdam fondata nel 2010, e condotto presso TU Berlin e GFZ. "Con il sistema di monitoraggio MOUNTS, sfruttiamo più sensori satellitari per rilevare e quantificare i cambiamenti intorno ai vulcani, " aggiunge. "E abbiamo anche integrato i dati sismici dalla rete mondiale GEOFON di GFZ e dal Geological Survey USGS degli Stati Uniti".

Parte del progetto consisteva nel testare se gli algoritmi di intelligenza artificiale potessero essere integrati con successo nella procedura di analisi dei dati. Questi algoritmi sono stati sviluppati principalmente da Andreas Ley della TU Berlin. Ha applicato le cosiddette reti neurali artificiali per rilevare automaticamente grandi eventi di deformazione. I ricercatori li hanno addestrati con immagini generate al computer che imitano le immagini satellitari reali. Da questo vasto numero di esempi sintetici, il software ha imparato a rilevare eventi di deformazione di grandi dimensioni in dati satellitari reali precedentemente sconosciuti. Questo campo della scienza dei dati è chiamato apprendimento automatico.

"Per noi, questo è stato un importante pallone di prova per vedere come possiamo integrare l'apprendimento automatico nel sistema, " dice Andreas Ley. "In questo momento, il nostro rilevatore di deformazione risolve solo un singolo compito. Ma la nostra visione è integrare diversi strumenti di intelligenza artificiale per compiti diversi. Poiché questi strumenti di solito traggono vantaggio dall'essere addestrati su grandi quantità di dati, vogliamo che imparino continuamente da tutti i dati che il sistema raccoglie su scala globale."

MOUNTS monitora 17 vulcani in tutto il mondo

Le principali sfide che lui e i suoi coautori hanno dovuto affrontare sono state la gestione delle grandi quantità di dati e problemi di ingegneria del software. "Ma questi problemi possono essere risolti, " dice Sébastien Valade. "Sono profondamente convinto che in un futuro non così lontano, i sistemi di monitoraggio automatizzato che utilizzano l'intelligenza artificiale e i dati provenienti da diverse fonti come il telerilevamento satellitare e i sensori a terra aiuteranno ad avvertire le persone in modo più tempestivo e robusto".

Già, l'analisi fornita dalla piattaforma di monitoraggio MOUNTS consente una comprensione completa dei vari processi in diversi ambienti climatici e vulcanici in tutto il mondo, compresa la propagazione del magma sotto la superficie, la collocazione di materiale vulcanico durante l'eruzione, così come i cambiamenti morfologici delle aree colpite, e l'emissione di gas nell'atmosfera. I ricercatori hanno testato con successo MOUNTS su una serie di eventi recenti come l'eruzione del Krakatau in Indonesia nel 2018 o le eruzioni alle Hawaii e in Guatemala, per dirne alcuni.

Il sistema attualmente monitora 17 vulcani in tutto il mondo, tra cui il Popocatépetl in Messico e l'Etna in Italia. Il sito web della piattaforma è liberamente accessibile, e, grazie alla copertura globale e al libero accesso ai dati sottostanti, può facilmente incorporare nuovi dati.