Il Dott. Luciano Zuccarello è cresciuto all'ombra dell'Etna, un vulcano attivo sull'isola italiana di Sicilia. Fattorie e frutteti circondano le pendici inferiori del vulcano, dove il terreno fertile è ideale per l'agricoltura. Ma il vulcano incombe nella vita dei locali perché è anche uno dei vulcani più attivi al mondo.

Più di 29 milioni di persone in tutto il mondo vivono entro 10 km da un vulcano, e capire il comportamento dei vulcani, ed essere in grado di prevedere quando erutteranno o erutteranno cenere nell'aria, è vitale per salvaguardare il benessere delle persone.

Però, prevedere il comportamento del vulcano è difficile, soprattutto se sono stati dormienti, e il loro monitoraggio può essere impegnativo poiché il prelievo di campioni o l'utilizzo di apparecchiature comporta pericoli fisici. E mentre i modelli teorici possono approssimare il comportamento di un particolare vulcano data la sua posizione, composizione geologica e il comportamento del magma terrestre sottostante (tra le altre cose), ci sono ancora molte variabili sconosciute e ogni vulcano è unico.

Ora ricercatore presso l'Università di Granada in Spagna, Il dottor Zuccarello mira ad analizzare automaticamente le attività vulcaniche per sviluppare modelli di allerta precoce che potrebbero salvare la vita delle persone che vivono vicino ai vulcani.

Nell'ultima decade, i metodi di raccolta dei dati sono migliorati in modo significativo, con attrezzature nuove e più sensibili, e i ricercatori hanno ora accesso a una marea di dati senza precedenti. Per esempio, possono accedere a informazioni in tempo reale su come la Terra trema in prossimità del vulcano (attività sismica), la propagazione delle onde sonore dal profondo della Terra, e le sostanze chimiche presenti all'interno del vulcano e come stanno cambiando.

Gli osservatori vulcanici devono analizzare grandi quantità di dati in un breve periodo di tempo. "C'è bisogno di tecniche più veloci e prive di errori per raccogliere tali dati, " disse il dottor Zuccarello.

Il suo progetto VOLCANOWAVES, che comprende ricercatori con sede in Spagna, il Regno Unito, Italia, Messico, e Argentina, utilizza l'apprendimento automatico per identificare i modelli nell'attività sismica intorno a un vulcano nel tentativo di prevedere quando, o se esploderà. In particolare, Il dottor Zuccarello sta osservando gli eventi a bassa frequenza, come tremori vulcanici, che di solito sono legati al movimento del magma all'interno dell'impianto idraulico di un vulcano.

Riconoscimento vocale

Nell'ultima decade, l'applicazione dell'apprendimento automatico all'identificazione dei modelli è stata parte integrante del riconoscimento vocale, ma i ricercatori ora lo stanno usando per prevedere il comportamento dei vulcani. "Sebbene questi campi varino significativamente in termini di contesto e fonte, l'oggetto dell'analisi è lo stesso:lo studio delle loro armoniche nel tempo alla ricerca di schemi, " disse il dottor Zuccarello.

Il risultato principale del progetto sarà una serie di algoritmi, che saranno completati quando il progetto terminerà entro la fine dell'anno, e spera che saranno ampiamente utilizzati nella comunità scientifica per monitorare i vulcani su base quotidiana.

"I segnali vocali e sismici condividono importanti proprietà, " ha detto il dottor Guillermo Cortés, uno specialista in elaborazione del segnale e apprendimento automatico presso l'Università di Udine in Italia. Ha diretto un progetto chiamato VULCAN.ears, che ha anche utilizzato la tecnologia di riconoscimento vocale per capire cosa dicono i vulcani.

Il Dr. Cortés e colleghi hanno sviluppato un sistema di monitoraggio del vulcano in tempo reale, che rileva ed etichetta automaticamente gli "eventi" vulcanici nei flussi di dati provenienti dalle stazioni di monitoraggio che rilevano i segnali sismici. Questo sistema crea quindi cataloghi di attività per trovare modelli di comportamento.

Dott. Roberto Carniel, geofisico dell'Università di Udine e responsabile scientifico del progetto, afferma:"L'arrivo dell'apprendimento automatico e delle tecniche di apprendimento profondo applicate sta scoprendo nuove soluzioni per vecchi problemi. (Ora) è più facile mescolare i risultati di diverse aree di monitoraggio che coinvolgono lo studio dei segnali sismici, segnali infrasonici, segnali magnetici, analisi geochimiche di gas e fluidi, deformazione, termocamere e videocamere, per produrre previsioni più solide e affidabili."

Con 29 milioni di persone in tutto il mondo che vivono entro 10 km da un vulcano, prevedere quando esploderanno è fondamentale per salvaguardare il benessere delle persone. Credito immagine:Pexels/pixabay, con licenza CC0

Il team ha sviluppato un sistema di riconoscimento sismico vulcanico basato sull'apprendimento automatico supervisionato, in cui hanno analizzato dati che erano già stati etichettati da altri esperti, insegnando al software a identificare eventi vulcanici come tremori vulcanici, caduta di cenere, o esplosioni all'interno del vulcano. Questo approccio è simile a trovare le parole in una conversazione, etichettando le loro parti del discorso e trovando i modelli di linguaggio unici per ogni vulcano.

Questa è una rottura con i metodi classici per costruire cataloghi del comportamento dei vulcani, dice il dottor Cortés. Questi metodi comportano il rilevamento automatico degli eventi e la classificazione manuale da parte di esperti. "Di solito svolgono questo compito su base giornaliera, che potrebbe essere troppo lenta in una situazione che coinvolga una popolazione a rischio a causa di un'eruzione inaspettata, " Egli ha detto.

Il tempo può essere essenziale quando si tratta di vulcani, soprattutto in caso di caduta di cenere, crolli e frane, lui dice. In quei casi, 'il rilevamento e la classificazione nel funzionamento in tempo reale sono fondamentali' per ridurre i tempi decisionali se le comunità vicine devono essere evacuate.

L'obiettivo finale del Dr. Cortés era sviluppare un sistema universale e indipendente dal vulcano che potesse essere facilmente integrato in qualsiasi osservatorio vulcanico. Per costruire questo, i ricercatori hanno creato un database universale da dozzine di vulcani in tutto il mondo e hanno utilizzato le loro tecniche di apprendimento automatico per costruire modelli universali. Una versione preliminare di questo è disponibile online.

Però, per il dottor Carniel, ciò che è importante ora è che gli osservatori vulcanici di tutto il mondo portino avanti il ​​lavoro. "Sono la vera chiave per portare avanti l'idea indipendente dal vulcano, installando il sistema di riconoscimento sismico vulcanico nei propri osservatori, condivisione di risorse, e dando un feedback prezioso, " Egli ha detto.

Questi osservatori sono, Dopotutto, la prima linea degli sforzi dei paesi per proteggere i loro cittadini dai vulcani all'interno dei loro confini e gli scienziati devono essere in grado di ascoltare i sussurri dei vulcani per prevedere quando inizieranno a gridare.