Πώς να παρακολουθείτε με υπερηχογράφημα το ηφαίστειο Etna

Περίληψη

Μεταξύ τεχνικών παρακολούθησης ηφαιστείου επίγειου εδάφους, Το υπερηχογράφημα είναι το μόνο που μπορεί να ανιχνεύσει εκρηκτικές εκρήξεις από χιλιάδες χιλιόμετρα. Δείχνουμε πώς η ανάλυση συστοιχιών υπερήχων, χρησιμοποιώντας ακουστικό πλάτος και ανθεκτικότητα ανίχνευσης, επιτρέπει την αυτόματη, σχεδόν σε πραγματικό χρόνο αναγνώριση των εκρήξεων του ηφαιστείου Etna (Ιταλία), για σταθμούς σε αποστάσεις μεγαλύτερες από 500 km. Μια ημι-εμπειρική σχέση εξασθένησης εφαρμόζεται για την ανάκτηση του ιστορικού χρόνου πίεσης στην πηγή χρησιμοποιώντας υπερηχογράφημα που καταγράφεται σε παγκόσμια κλίμακα (& gt; 500 km). Μια παράμετρος υπερήχου (IP), που ορίζεται ως το προϊόν μεταξύ του αριθμού των ανιχνεύσεων, φιλτραρισμένων για το αναμενόμενο πίσω αζιμούθιο του ηφαιστείου Etna και διορθωμένο εύρος εύρους, συγκρίνεται με την εκρηκτική δραστηριότητα στο ηφαίστειο Etna που συσχετίστηκε με τον κωδικό χρώματος αεροπορίας RED προειδοποιήσεις Αυτό δείχνει ότι, κατά τη διάρκεια ευνοϊκών συνθηκών διάδοσης, οι παγκόσμιες συστοιχίες είναι σε θέση να αναγνωρίσουν την εκρηκτική δραστηριότητα του Etna 87% της περιόδου ανάλυσης χωρίς αρνητικές ψευδείς ειδοποιήσεις. Τα γεγονότα συνήθως δεν ανιχνεύονται κατά τη διάρκεια δυσμενών συνθηκών διάδοσης, οδηγώντας έτσι σε μεταβλητή χρονική απόδοση του συστήματος. Προτείνουμε ότι η παρακολούθηση υπερήχων σε παγκόσμια κλίμακα μπορεί να παράσχει έγκαιρη συμβολή στα Συμβουλευτικά Κέντρα Ηφαιστειακής Τέφρας (VAAC) ακόμα και όταν λαμβάνεται υπόψη η καθυστέρηση ~ 1 ώρας, λόγω του χρόνου διάδοσης. Τα αποτελέσματα υπογραμμίζουν την ικανότητα του υπερήχου για παρακολούθηση ηφαιστείων σχεδόν σε πραγματικό χρόνο σε περιφερειακή και παγκόσμια κλίμακα.

Εισαγωγή

Από το 1950, η κοινωνία μας γνώρισε κλιμάκωση στις επικοινωνίες και τις μεταφορές, γίνονται πιο ευάλωτα στις επιπτώσεις της μεγάλης διασποράς της ατμοσφαιρικής τέφρας κατά τη διάρκεια ηφαιστειακών εκρήξεων τόσο σε τοπικό όσο και σε παγκόσμιο επίπεδο.

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι συναντήσεις ηφαιστειακής τέφρας από την πολιτική αεροπορία έφτασαν πολύ κοντά σε καταστροφές σε αρκετές περιστάσεις. Η ηφαιστειακή τέφρα που εισέρχεται στον αεριοστροβίλο του αεροσκάφους μπορεί να προκαλέσει φλόγα ανάφλεξης και διακοπή λειτουργίας του κινητήρα, με τη θερμοκρασία τήξης της πυριτικής τέφρας να είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία λειτουργίας του κινητήρα. Έχουν αναφερθεί ζημιές τόσο για πτήσεις μικρής διάρκειας σε πυκνά σύννεφα τέφρας (με συγκεντρώσεις τέφρας & gt; 2 g / m3) όσο και για παρατεταμένες εκθέσεις για αραίωση τέφρας 1,2.

Μεταξύ 1953 και 2009, 94 περιστατικά αεροπλάνου έχουν έχει επιβεβαιωθεί ότι οφείλεται σε στάχτες τέφρας3,4 και σε 9 περιπτώσεις προκάλεσε διακοπή λειτουργίας του κινητήρα κατά την πτήση3. Οι περισσότερες από τις καταστροφικές συναντήσεις έχουν συμβεί εντός 24 ωρών από την έναρξη της έκρηξης ή σε σχετικά κοντινή απόσταση (& lt; 1000 km) από το ηφαίστειο3. Οι περισσότερες συναντήσεις έχουν συμβεί κατά τη διάρκεια εκρήξεων μεσαίου μεγέθους, με δείκτη ηφαιστειακής έκρηξης (VEI) 5, που κυμαίνεται μεταξύ δύο και τριών. Αυτοί οι τύποι εκρήξεων (VEI & gt; = 2) αναμένεται να εμφανιστούν, σε παγκόσμιο επίπεδο, αρκετά συχνά (περίπου 20 φορές / έτος) 6 και είναι σε θέση να παράγουν λοφία τέφρας που φτάνουν στο υψόμετρο των εμπορικών αεροσκαφών. Αυτά λειτουργούν κυρίως σε επίπεδα πτήσης μεταξύ FL 200 (20.000 πόδια) και 350 FL (35.000 πόδια), που κυμαίνονται μεταξύ ~ 6.100 και ~ 10.600 m υψόμετρο.

Λαμβάνοντας υπόψη τον αριθμό των ενεργών ηφαιστείων σε περιοχές πυκνού εμπορικού διαδρομές πτήσεων, είναι σαφές ότι η αεροπορία υπόκειται συνεχώς στη μεγάλη απειλή ηφαιστειακής έκρηξης. Κατά συνέπεια, το 1990, ο Διεθνής Οργανισμός Πολιτικής Αεροπορίας (ICAO) ίδρυσε τα Συμβουλευτικά Κέντρα Ηφαιστειακής Τέφρας (VAAC), για να μετριάσει τον κίνδυνο ηφαιστειακών εκρήξεων σε εμπορικές πτήσεις7. Οι VAAC έρχονται σε επαφή μεταξύ μετεωρολόγων, βουλκανολόγων και της αεροπορικής κοινότητας. Κάθε φορά που προκύπτει ηφαιστειακή έκρηξη, συλλέγουν όλες τις διαθέσιμες πληροφορίες από παρατηρητήρια ηφαιστείου, δορυφορικές εικόνες και πιλοτικές εκθέσεις και εκτελούν μοντέλα διασποράς ηφαιστειακών λοφίων8. Τελικά εκδίδουν ένα συμβουλευτικό ηφαιστειακό τέφρα (VAA), το οποίο παρέχει πληροφορίες σχετικά με την ποσότητα της τέφρας και τις προβλέψεις διασποράς.

Ένα απλό παράδειγμα είναι η έκρηξη του ηφαιστείου Eyjafjallajökull το 2010. Το ηφαίστειο δημιούργησε ένα λοφίο τέφρας με ύψος μικρότερο από 9 χλμ., Αλλά για περίπου μία εβδομάδα δημιούργησε το υψηλότερο επίπεδο διακοπής των αεροπορικών ταξιδιών, που παρατηρήθηκε στην Ευρώπη, μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο. Τα αποτελέσματα μιας τόσο μικρής έκρηξης (VEI 3/4) οδηγούν την αρχή πολιτικής αεροπορίας να ζητήσει άμεση ειδοποίηση για τις ηφαιστειακές εκρήξεις και μια ποσοτική εκτίμηση της εξέλιξης των λοφίων και της συγκέντρωσης της ατμοσφαιρικής τέφρας8.

Η ποιότητα και Η ακρίβεια της μοντελοποίησης της επέκτασης λοφίο και οι προβλέψεις διασποράς τέφρας εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις παραμέτρους της έκρηξης πηγής, όπως ο χρόνος έναρξης της έκρηξης, η θέση και η μάζα του υλικού που εκρήχθηκε8. Δυστυχώς, αυτές οι παράμετροι δεν είναι γενικά διαθέσιμες και τα περισσότερα ενεργά ηφαίστεια παγκοσμίως δεν παρακολουθούνται με τοπικά δίκτυα.

Πρόσφατα, η εκρηκτική έκρηξη του ηφαιστείου Bogoslof, στην Αλάσκα, παρακολουθήθηκε με τη χρήση πολλαπλών γεωφυσικών παραμέτρων (σεισμική / Σύστημα ανίχνευσης υπερύθρων / κεραυνών και δορυφόροι) που συλλέγονται από απομακρυσμένους σταθμούς9. Ειδοποίηση και προειδοποιήσεις για εκρήξεις, που παρήγαγαν σύννεφα τέφρας άνω των 7,5 χλμ., Παραδόθηκαν από το κέντρο παρακολούθησης 24/7. Ωστόσο, η διανομή και οι δυνατότητες των Volcano Observatories είναι πολύ ανομοιογενής παγκοσμίως. Αυτό κάνει τις προσπάθειες αυτόματων ανιχνεύσεων των συνεχιζόμενων ηφαιστειακών εκρήξεων, σε διάφορες περιοχές, εξαιρετικά πολύτιμες.

Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε αυτόματες ανιχνεύσεις και ειδοποίηση ηφαιστειακών εκρήξεων με συστοιχίες υπερήχων στη Νότια Αμερική10 και στην Ιταλία11 12. Το έργο Acoustic Surveillance for Hazardous Erupions (ASHE) 10,13 έδωσε αυτόματες ειδοποιήσεις στα VAACs κατά την έναρξη και τους τελικούς χρόνους, για μεγάλες εκρηκτικές εκρήξεις του ηφαιστείου Tungurahua (Εκουαδόρ) 14.

Πιο πρόσφατα, ένα Πλήρως αυτοματοποιημένο και λειτουργικό σύστημα προειδοποίησης που βασίστηκε σε τοπικά (& 6 χιλιόμετρα) δεδομένα συστοιχίας υπερήχων αναπτύχθηκε για το ηφαίστειο Etna στην Ιταλία. Κατά τη διάρκεια μιας περιόδου 10 ετών, το σύστημα εξέδωσε ειδοποιήσεις προειδοποίησης, πριν από κατά μέσο όρο 74 λεπτά, σχετικά με την εμφάνιση της έκρηξης με ποσοστό αξιοπιστίας 96,5% και χωρίς αρνητικές ψευδείς ειδοποιήσεις12.

Πολλοί Μελέτες έχουν δείξει την αποτελεσματικότητα του υπερηχογράφου για τον εντοπισμό σημάτων που παράγονται κατά τη διάρκεια ηφαιστειακών εκρήξεων σε μεγάλες (& gt; αρκετές εκατοντάδες χιλιόμετρα) αποστάσεις15,16,17,18,19,20,21. Χάρη στην περιορισμένη εξασθένηση των υπερηχητικών κυμάτων που ταξιδεύουν εντός των ατμοσφαιρικών κυματοδηγών22, ο υπερηχογράφος μπορεί να διαδίδεται σε μεγάλες αποστάσεις όταν υπάρχουν ευνοϊκές συνθήκες διάδοσης. Το εκρηκτικό ιστορικό χρόνου μπορεί να παρακολουθείται με μεγαλύτερη χρονική ανάλυση σε σύγκριση με τις πληροφορίες που λαμβάνονται από δορυφορικά δεδομένα18.

Ωστόσο, η διάδοση στην ατμόσφαιρα μπορεί επίσης να επηρεάσει αρνητικά την ανίχνευση σήματος σε αντίστροφη κατάσταση. Οι ανιχνεύσεις υπερήχων μεγάλης εμβέλειας δεν αντικατοπτρίζουν απαραίτητα το ιστορικό χρόνου πίεσης στην πηγή23. Η μέγιστη απόσταση του ανιχνευόμενου υπερήχου φαίνεται να αυξάνεται με το ύψος του λοφίου17, το οποίο φαίνεται να υποδηλώνει ότι γενικά, υψηλότερες εκρήξεις ενέργειας μπορούν να καταγραφούν σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Παρ ‘όλα αυτά, υπάρχουν πολλά παραδείγματα σημάτων που δεν ανιχνεύονται, ακόμη και για συμβάντα υψηλής ενέργειας, καθώς και παραδείγματα που δείχνουν μια πολύπλοκη χρονική εξάρτηση μεταξύ ύψους λοφίου και πλάτους υπερήχων24.

Σε αυτήν την εργασία, διερευνούμε τις πιθανότητες υπερήχου για ανίχνευση και παρακολούθηση εκρηκτικών εκρήξεων από το ηφαίστειο της Αίτνας (Ιταλία), σε μεγάλη απόσταση, χρησιμοποιώντας τρεις συστοιχίες μεγάλου διαφράγματος που αναπτύσσονται σε απόσταση πηγής προς δέκτη 600-1000 χλμ. από το Mt. Ηφαίστειο Αίτνας. Τα δεδομένα από έναν τοπικό πίνακα χρησιμοποιούνται για σύγκριση και επικύρωση.

Δείχνουμε πώς, όταν εξεταστεί η διάδοση στην ατμόσφαιρα, η ακουστική πίεση στο δέκτη μπορεί να μετατραπεί σε πίεση στην πηγή με μεγάλο βαθμό αξιοπιστίας . Επιπλέον, αξιολογούμε την αποτελεσματικότητα της ειδοποίησης που παρέχεται από απομακρυσμένες συστοιχίες σε σχέση με τις VAA από την Toulouse VAAC, χρησιμοποιώντας πληροφορίες που παρέχονται από την τοπική υπηρεσία παρακολούθησης.

Αποτελέσματα

Χρησιμοποιούνται δεδομένα υπερήχων σε αυτό το έργο συλλέχθηκαν από ένα μικρό διάφραγμα (~ 200 μ.) συστοιχία (ETN, Εικ. 1) που λειτουργεί από το Πανεπιστήμιο του Firenze, στο ηφαίστειο της Αίτνας σε μικρή απόσταση (& lt; 6 χλμ.) από τους κρατήρες της κορυφής, και τρεις συστοιχίες μεγάλου διαφράγματος (& gt; 1,5 km), που αναπτύσσονται σε αποστάσεις πηγής-δέκτη & 500 χιλιόμετρα (Εικ. 1).

(α) Χάρτης της Ανατολικής Μεσογείου που δείχνει τη θέση του ηφαιστείου της Αίτνας ( κόκκινο τρίγωνο) στη Σικελία, Ιταλία και απομακρυσμένες συστοιχίες υπερύθρου (μαύρες κουκκίδες). Το ηφαίστειο Etna (b) είναι εξοπλισμένο με μια σειρά υπερύθρων μικρού διαφράγματος (ETN, μαύρη κουκκίδα) που βρίσκεται σε απόσταση 5 χλμ. Από τον κρατήρα της κορυφής. Άποψη του ηφαιστείου της Αίτνας από το αεροδρόμιο της Κατάνια (γ). Η εικόνα που τραβήχτηκε από τους Χάρτες EM στο (a, b) δημιουργείται με το Matlab R2015B (www.mathworks.com).

Ο πίνακας AMT είναι ένας πίνακας 4 στοιχείων με διάφραγμα 1,6 km, που αναπτύσσεται στο κέντρο Ιταλία σε απόσταση 640 χλμ και αζιμούθιο 336 ° Β από την Αίτνα. Ο πίνακας IS48, στην Τυνησία, είναι μια συστοιχία 8 στοιχείων με διάφραγμα περίπου 2 km, που βρίσκεται σε απόσταση 560 km και με αζιμούθιο 246 ° Β από την Etna. Ο πίνακας, OHP, στη Νότια Γαλλία, είναι ένας πίνακας 4 στοιχείων με διάφραγμα 2 χλμ. Στα 1040 χλμ. Και με αζιμούθιο 310 ° Β από την Αίτνα. Όλες οι συστοιχίες είναι εξοπλισμένες με μικροβαρόμετρα MB200525. Ενώ το IS48 είναι μέρος του δικτύου IMS, τα AMT και OHP αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού Έργου ARISE (www.arise.eu).

Εκδηλώσεις στο ηφαίστειο της Αίτνας και στη βρύση της λάβας

Το ηφαίστειο της Αίτνας είναι το πιο ενεργό και καλύτερα ελεγχόμενο ηφαίστειο στην Ευρώπη (Εικ. 1). Η εκρηκτική του δραστηριότητα αποτελείται τόσο από εκρηκτικές όσο και εκρηκτικές εκρήξεις. Η εκρηκτική δραστηριότητα είναι γενικά ήπιας έντασης και χαρακτηρίζεται από μικρές εκρήξεις Στροβολίων από τους κρατήρες της κορυφής (Εικ. 1β). Αυτή η επίμονη δραστηριότητα, μερικές φορές, σημειώνεται από σιντριβάνια λάβας υψηλότερης ενέργειας (LF), οδηγώντας μια παρατεταμένη στήλη λάβας έως 2000 m ύψος πάνω από τους αεραγωγούς και τροφοδοτώντας τέφρα έως 15 km υψόμετρο26. Η δραστηριότητα ανανεώθηκε τον Ιανουάριο του 201111,27 και συνεχίζεται με περισσότερα από 60 επεισόδια LF και εκρήξεις πλούσιες σε τέφρα από διαφορετικούς κρατήρες κορυφής που έχουν καταγραφεί από τότε12. Το τελευταίο επεισόδιο συνέβη στις 19 Ιουλίου 2019.

Η ατμοσφαιρική ένεση τέφρας και η πτώση της tephra κατά τη διάρκεια επεισοδίων LF μπορούν να επηρεάσουν τις κοντινές πόλεις και τα αεροδρόμια καθώς και την εναέρια κυκλοφορία. Μια συνάντηση ηφαιστειακής τέφρας κατά τη διάρκεια ενός γεγονότος LF πραγματοποιήθηκε το 20083, αμέσως μετά την αναχώρηση μιας πτήσης από το αεροδρόμιο της Κατάνια. Η κοντινή απόσταση (~ 30 χλμ.) Του αεροδρομίου της Κατάνια από την κορυφή του ηφαιστείου της Αίτνας (Εικ. 1γ) απαιτεί πολύ μικρό χρονικό διάστημα μεταξύ της εμφάνισης της έκρηξης και της κοινοποίησής της στις αεροπορικές πτήσεις. Επομένως, η αυτόματη αναγνώριση και ειδοποίηση μιας έκρηξης είναι μια κρίσιμη προσπάθεια για τη βελτίωση της παρακολούθησης του ηφαιστείου και για την υποστήριξη της Ιταλικής Υπηρεσίας Πολιτικής Προστασίας και της πολιτικής αεροπορίας12.

Οι εκρηκτικές εκρήξεις στην Αίτνα προηγούνται συνήθως από μια σαφή αύξηση της σεισμικής και σήματα υπερύθρου11, τα οποία κορυφώνονται σε πλάτος κατά την παροξυσμική φάση του συμβάντος, όταν η εκρηκτική στήλη αναπτύσσεται πλήρως και πραγματοποιείται έγχυση τέφρας στην ατμόσφαιρα. Οι οπτικές παρατηρήσεις δείχνουν ότι αυτή η πρόδρομη φάση κυριαρχείται συνήθως από διακριτές εκρήξεις του Στρόμπολιου28.

Οι προσπάθειες ανάπτυξης αυτόματων συστημάτων έγκαιρης προειδοποίησης για LF στο ηφαίστειο της Αίτνας βάσει σεισμικού τρόμου, έχουν πραγματοποιηθεί από τις αρχές του 200029. Ωστόσο, απαιτείται πιο περίπλοκη ταξινόμηση χωρίς επίβλεψη για τη βελτίωση της αξιοπιστίας της30. Ένα λειτουργικό σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης πραγματοποιήθηκε πρόσφατα χρησιμοποιώντας μια σειρά υπερύθρων σε μικρή απόσταση 5 χλμ. Από πηγή προς δέκτη12, η ​​οποία είναι ικανή να αναγνωρίζει αποτελεσματικά τη μετάβαση μεταξύ της φάσης του Στρόμπολι και του κατάλληλου συμβάντος LF.

Παρατηρήσεις υπερήχων μεγάλης εμβέλειας του ηφαιστείου etna

Οι υπέρυθρες ακτίνες από εκρηκτικά ηφαίστεια μπορούν να καταγραφούν σε μεγάλες αποστάσεις από πηγή προς δέκτη15,16,17,18,19,20,21, αλλά η ανιχνευσιμότητα σήματος επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από παραλλαγές εποχιακών και καθημερινών στρωματοσφαιρικών ανέμων22. Η ικανότητα ανίχνευσης συμβάντων μικρού μεγέθους (VEI 2 ή 3) και συμπεράσματος πληροφοριών σχετικά με την ηφαιστειακή πηγή, είναι επομένως υπό συζήτηση και εξακολουθεί να είναι περιορισμένη.

Πραγματοποιήσαμε μια ανάλυση της παρατήρησης υπερήχων από εκρήξεις στο Ηφαίστειο Etna, λαμβάνοντας υπόψη τρεις μεγάλες συστοιχίες διαφράγματος (AMT, OHP, IS48) που αναπτύχθηκαν μεταξύ 560 και 1040 km από την Etna (Εικ. 1α). Συγκρίνουμε τις παρατηρήσεις υπερύθρου μεγάλης εμβέλειας με τις εγγραφές κοντινών πηγών (Εικ. 2) από τον τοπικό πίνακα υπερήχων (ETN) που αναπτύχθηκε στα ~ 5 χλμ. Από τους κρατήρες κορυφής (Εικ. 1β).

Σήματα υπερήχων από το ηφαίστειο Etna που σχετίζονται με τη βρύση λάβας που καταγράφηκε στις 21 Μαΐου 2016 σε ETN (μαύρο, στα 5 km), IS48 (πράσινο, στα 560 km), AMT (μπλε, στα 640 km) και OHP (κόκκινο , σε 1040 km) υπέρυθρες συστοιχίες. Οι τοπικές παρατηρήσεις φιλτράρονται μέσω ζώνης μεταξύ 1 και 10 Hz, ενώ οι παρατηρήσεις μεγάλης εμβέλειας φιλτράρονται μεταξύ 1 και 3 Hz. Τα πλάτη του σήματος κλιμακώνονται για να παρέχουν επαρκείς λεπτομέρειες για τις κυματομορφές. Οι θέσεις των συστοιχιών (κουκκίδες) σε σχέση με το ηφαίστειο της Αίτνας (κόκκινο τρίγωνο) φαίνονται στο σχήμα εισόδου.

Η αποτελεσματικότητα της παρακολούθησης υπερήχων μεγάλης εμβέλειας αναλύεται τον Ιούλιο του 2014 και τον Δεκέμβριο του 2016, όταν η Etna ξέσπασε δέκα φορές12.

Απομακρυσμένες παρατηρήσεις διόρθωσης εύρους

Η διάδοση υπερύθρων μεγάλης εμβέλειας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα κατακόρυφα προφίλ ανέμου και θερμοκρασίας22. Η διακύμανση της ταχύτητας του ήχου με το ύψος παράγει μια επιστροφή ενέργειας υπερήχου από διάφορα στρώματα, με αποτέλεσμα μια πολύπλοκη κυματομορφή υπερήχων σε απομακρυσμένους σταθμούς. Για τη συγκεκριμένη περίπτωση εκρήξεων στο ηφαίστειο της Αίτνας, αναφέρθηκαν στρωματοσφαιρικές, μεσοσφαιρικές και θερμοσφαιρικές αφίξεις στη σειρά AMT31. Οι διαφορετικές διαδρομές διάδοσης καταλήγουν σε διαφορετικά συστατικά συχνοτήτων, με θερμοσφαιρικές αφίξεις συνήθως στερούνται συνιστώσας υψηλής συχνότητας λόγω αυξημένης εξασθένησης εντός της ατμόσφαιρας χαμηλής πυκνότητας και μεγάλου υψομέτρου22. Ο αγωγός υπερήχων είναι πιο αποτελεσματικός εντός του στρατοσφαιρικού κυματοδηγού, μεταξύ του εδάφους και της στρατόπαυσης. Οι στρατοσφαιρικές αφίξεις χαρακτηρίζονται συνήθως από το μεγαλύτερο εύρος στη ζώνη υψηλής συχνότητας (1-3 Hz), όπου το μεγάλο εύρος των επίμονων συνεκτικών σημάτων, όπως το μικρόβαρο, απουσιάζει 32, και καταγράφονται πάντα ως πρώτες αφίξεις σε περιοχές που ξεπερνούν τα 200 χλμ. Από πηγή.

Επομένως, θεωρούμε, αποκλειστικά, τη ζώνη συχνοτήτων (1-3 Hz) που αντιστοιχεί σε στρατοσφαιρικές αφίξεις για τη διερεύνηση της μεγάλης εμβέλειας διάδοσης σημάτων από ηφαιστειακές εκρήξεις.

A Έχει αναπτυχθεί μεθοδολογία που εξηγεί τη μείωση των υπερηχητικών κυμάτων, λαμβάνοντας υπόψη τόσο τη συχνότητα του σήματος όσο και το ατμοσφαιρικό προφίλ κατά μήκος της διαδρομής, έχει αναπτυχθεί33. Αυτό επιτρέπει τη διόρθωση του πλάτους για εξασθένιση κατά μήκος της διαδρομής και ανάκτηση της πίεσης στην πηγή (Εικ.3).

Τα πλάτη υπερήχου που έχουν εγγραφεί σε συστοιχία ETN (μαύρες κουκκίδες) μεταξύ 17 Μαΐου 2016, 00:00 UTC και 18 Μαΐου 2016, 18:00 UTC σε σύγκριση με εγγραφές σε IS48 (πράσινες κουκκίδες, στα 560 χλμ.), AMT (μπλε κουκκίδες, στα 640 km) και OHP (κόκκινες κουκκίδες, @ 1040 km) διορθώθηκαν για εξασθένηση και χρόνο διάδοσης.

Κατά τη διάρκεια των διαδρομών διάδοσης, εκτιμούμε τη σχέση εξασθένησης που εξαρτάται από τη συχνότητα και βασίζεται σε ανεξάρτητη από την παραβολή εξάρτηση ( PE) προσομοιώσεις33, σε συνδυασμό με ρεαλιστικά ατμοσφαιρικά προφίλ:

όπου το R είναι η απόσταση πηγής προς δέκτη, το f είναι η συχνότητα του σήματος και τα α, β, δ και σ είναι παράμετροι που προέρχονται από πολυδιάστατη καμπύλη – τοποθέτηση προσομοιώσεων PE 33. Η παράμετρος χωρίς διάσταση (Veff_ratio) ορίζεται ως η αναλογία μεταξύ της πραγματικής ταχύτητας ήχου (ταχύτητα ήχου που προστίθεται στην ταχύτητα ανέμου κατά μήκος της διαδρομής) σε υψόμετρο 50 km και την ταχύτητα ήχου στο επίπεδο της θάλασσας. Ο μέσος όρος Veff_ratio κατά μήκος της διαδρομής διάδοσης33.

Ο πρώτος όρος περιγράφει την εξασθένιση του άμεσου κύματος με γεωμετρική εξάπλωση και εκθετική διάσπαση (α). Ο δεύτερος όρος περιγράφει την εξασθένιση στον ακουστικό αγωγό, με το β να είναι η απώλεια μετάδοσης που αντιστοιχεί στη γεωμετρική εξάπλωση και την εξάπλωση των στρατοσφαιρικών και θερμοσφαιρικών κυμάτων, δ είναι το πλάτος της ζώνης σκιάς και σ είναι μια απόσταση κλιμάκωσης που ελέγχει την εξασθένηση στο shadow zone33.

Το Veff_ratio λαμβάνεται από προφίλ θερμοκρασίας και ανέμου που παρέχονται από το λειτουργικό μοντέλο του Ευρωπαϊκού Κέντρου Μετεωρολογικών Προγνώσεων Μετεωρολογικής Απόστασης (ECMWF). Το μοντέλο ECMWF βασίζεται σε 137 κατακόρυφα επίπεδα έως 0,01 hPa, με οριζόντια ανάλυση μισού βαθμού και χρονική ανάλυση 6 ωρών (https://www.ecmwf.int/fr).

Σύμφωνα με την Εξ. (1), η διάθλαση της ενέργειας στην περιοχή της στρατόπαυσης προς το έδαφος προβλέπεται προς τα κάτω, όταν Veff_ratio & gt; 1. Αντίθετα, η μεταβλητή εξασθένιση, που ελέγχεται έντονα από τη συχνότητα του σήματος, αναμένεται προς τα πάνω (Veff_ratio & lt; 1) 33. Λαμβάνοντας υπόψη τη συχνότητα του εγγεγραμμένου σήματος (μεταξύ 0,8 και 2 Hz), η απώλεια μετάδοσης για διάδοση ανοδικής κίνησης είναι περίπου διπλάσια από αυτή που αναμενόταν. Η διαφορά μεταξύ της κατάστασης ανέμου και της κατεύθυνσης προς τα κάτω οδηγεί σε συμβάντα που μπορούν να ανιχνευθούν μόνο προς τα κάτω σε μια δεδομένη απόσταση από πηγή προς δέκτη.

Αυτό οδηγεί σε μια έντονη εποχικότητα της ικανότητας ανίχνευσης, με υπερηχογράφημα από πηγές που βρίσκονται ανατολικά του η συστοιχία ανιχνεύθηκε κατά προτίμηση κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού στο βόρειο ημισφαίριο και κατά τη διάρκεια του χειμώνα (αυστριακό καλοκαίρι) στο νότιο ημισφαίριο. Λαμβάνοντας υπόψη τη θέση των συστοιχιών υπερήχων που χρησιμοποιούνται σε αυτήν τη μελέτη, σε σχέση με το ηφαίστειο της Αίτνας, αναμένεται αποτελεσματική διάδοση προς τα κάτω κατά τη διάρκεια των καλοκαιρινών μηνών (μεταξύ Απριλίου και Σεπτεμβρίου), ενώ επικρατεί δυσμενής διάδοση προς τα πάνω κατά τους χειμερινούς μήνες (μεταξύ Οκτωβρίου και Μαρτίου). < / p>

Η σύγκριση της υπερβολικής πίεσης, που καταγράφεται από συστοιχίες υπερήχου που αναπτύσσονται σε μεγάλες αποστάσεις (έως 1040 χλμ.) με τις παρατηρήσεις τοπικής συστοιχίας, δείχνει καθαρά ότι το ιστορικό χρόνου πίεσης στην πηγή μπορεί να συναχθεί από μακρινές εγγραφές με ένα καλό βαθμός ακρίβειας. Η αναλογία μεταξύ της ανακτηθείσας πίεσης πηγής, αφού διορθωθεί για εξασθένηση με χρήση Εξ. (1) και η πίεση πηγής που καταγράφεται τοπικά, κυμαίνεται μεταξύ 0,5 και 2 (Εικ. 3) για & gt; 80% των δεδομένων που καταγράφονται από απομακρυσμένες συστοιχίες (80% για AMT, 93% για OHP και 92% για IS48).

Παράμετρος υπερήχου που παράγεται σε περιφερειακή κλίμακα

Τα δεδομένα υπερήχου που καταγράφονται στις περιφερειακές συστοιχίες (IS48, AMT και OHP) φιλτράρονται μέσω ζώνης μεταξύ 1 και 2,5 Hz και υποβάλλονται σε επεξεργασία εφαρμόζοντας μια πολυκαναλική συσχέτιση ανάλυση στον τομέα του χρόνου, σε χρονικό διάστημα 60 δευτερολέπτων (w) με χρονικό βήμα (δt) 10 δευτερολέπτων. Ο αλγόριθμος της ανίχνευσης σήματος υπερήχων, που εφαρμόζεται εδώ34, αναλαμβάνει ένα επίπεδο κύμα και προσδιορίζει το σήμα από το ηφαίστειο της Αίτνας σε όρους οπίσθιου αζιμουθίου και φαινομενικής ταχύτητας. Κάθε ανίχνευση σχετίζεται με τις αντίστοιχες τιμές χρόνου, πλάτους πίεσης, οπίσθιου αζιμουθίου και φαινομενικής ταχύτητας.

Το υπερηχογράφημα που συλλέχθηκε από την τοπική συστοιχία που αναπτύχθηκε στο ηφαίστειο Etna (ETN) έχει υποβληθεί σε επεξεργασία εφαρμόζοντας ένα πλέγμα- διαδικασία αναζήτησης για μια πηγή που βρίσκεται στην περιοχή του κρατήρα12. Ο αλγόριθμος εφαρμόζεται σε παράθυρα διάρκειας 5 δευτερολέπτων (w) δεδομένων, που καταγράφονται από την τοπική συστοιχία και μετατοπίζονται με καθυστέρηση (δt) 1 δευτερολέπτου. Η δραστηριότητα στην Etna, η ίδια διαδικασία που χρησιμοποιήθηκε για την έκδοση της έγκαιρης προειδοποίησης με τον τοπικό πίνακα υπερήχων, εφαρμόζεται εδώ σε παρατηρήσεις υπερήχων μεγάλης εμβέλειας. Η λειτουργική έγκαιρη προειδοποίηση στην Etna βασίζεται στην υπέρυθρη παράμετρο IP11,12, η ​​οποία εκφράζεται ως:

όπου Pm είναι η μέση υπέρυθρη πίεση και Ndet είναι ο αριθμός των ανιχνεύσεων υπερήχων με οπίσθιο αζιμούθιο σύμφωνα με Το ηφαίστειο Etna καταγράφηκε σε ένα δεδομένο χρονικό παράθυρο. Αυτό υπολογίζεται ως:

όπου w είναι η διάρκεια του παραθύρου χρόνου που χρησιμοποιείται στον υπολογισμό (1 λεπτό για τον τοπικό πίνακα ETN12), ενώ ο δείκτης i αντιστοιχεί σε ανιχνεύσεις με συνεκτικό αζιμούθιο (azi) με το πίσω αζιμούθιο του ηφαιστείου Etna (azV). Ο ελάχιστος χρόνος καθυστέρησης μεταξύ διαδοχικών ανιχνεύσεων που ικανοποιούν την Εξ. (3) ισούται με δt.

Ακολουθώντας Εξ. (3), οι ανιχνεύσεις φιλτράρονται σύμφωνα με το πίσω αζιμούθιο του ηφαιστείου Etna (azV) και επιτρέπουν μέγιστη απόκλιση (δaz) +/− 3 ° (δηλαδή μεταξύ 126 και 132 ° N για OHP, μεταξύ 148 και 154 ° N για AMT, και μεταξύ 60 και 66 ° Β για IS48). Μια τέτοια απόκλιση έχει εισαχθεί για να εξηγήσει τις επιπτώσεις στο ακουστικό μονοπάτι που προκαλείται από εγκάρσιους ανέμους που παρατηρήθηκαν κατά την περίοδο της ανάλυσης. Ισχυρότεροι εγκάρσιοι άνεμοι θα μπορούσαν πράγματι να προκαλέσουν μεγαλύτερες αποκλίσεις του ηχογραφημένου υπέρυθρου αζιμούθιου35.

Για το λειτουργικό σύστημα προειδοποίησης του ηφαιστείου Etna, η παράμετρος IP υπολογίζεται κάθε λεπτό12. Το IP αυξάνεται με τον αριθμό των ανιχνεύσεων ανά λεπτό (Ndet) και με την υπερβολική πίεση (Pm). Επομένως, σχετίζεται στενά με την επιμονή του σήματος υπερήχων. Λαμβάνοντας υπόψη την επεξεργασία με βάση τον τοπικό πίνακα υπερήχων που αναπτύσσεται στο ηφαίστειο Etna12 (w = 60 s και δt = 1 s), το Ndet φτάνει το μέγιστο των 60 όταν ο υπέρυθρος ήχος από την Etna εγγράφεται επίμονα.

Για το τηλεχειριστήριο Πίνακες που εξετάζονται εδώ, η παράμετρος IP υπολογίζεται κάθε λεπτό, εφαρμόζοντας την Εξ. (1) και λαμβάνοντας υπόψη ανιχνεύσεις από το πίσω αζιμούθιο σύμφωνα με το ηφαίστειο της Αίτνας, για χρονικό διάστημα 20 λεπτών (w) 20 λεπτών (Εξ. (1)). Ένα τόσο μεγαλύτερο χρονικό διάστημα συντονίζεται σύμφωνα με το εύρος διάδοσης, καθώς πολλαπλές αφίξεις που παράγονται από μία μόνο παροδική έκρηξη θα οδηγούσαν σε μεγαλύτερο αριθμό ανιχνεύσεων, όταν η απόσταση από την πηγή προς τον δέκτη αυξάνεται. Για τη συγκεκριμένη περίπτωση του ηφαιστείου Etna, ένα παράθυρο διάρκειας 20 λεπτών (w) επιτρέπει την καταγραφή όλων των πιθανών αφίξεων σε απόσταση από πηγή προς δέκτη που υπερβαίνει τα 500 km31.

Λαμβάνοντας υπόψη μια ελάχιστη μετατόπιση χρόνου (δt) των 10 δευτερολέπτων και ένα χρονικό διάστημα 20 λεπτών που υιοθετήθηκαν για τον υπολογισμό του IP, το Ndet στις συστοιχίες IS48, AMT και OHP, θα κορυφωθεί στη μέγιστη τιμή των 120, όταν το υπερηχογράφημα που παράγεται από το ηφαίστειο Etna γίνεται συνεχές. Οι τιμές IP εξαρτώνται πράγματι από τις παραμέτρους επεξεργασίας (χρονικό παράθυρο και μετατόπιση χρόνου), οι οποίες αντιστοιχούν στον χρόνο ταξιδιού, και συνεπώς στη διάρκεια, των κυμάτων.

Το μέσο εύρος των ακουστικών ανιχνεύσεων στον δέκτη ) διορθώνεται μετά την Εξ. (1) για την εξασθένιση (Εικ. 3), ενώ ο αριθμός των ανιχνεύσεων ανά λεπτό (Ndet) είναι κανονικοποιημένος στην τιμή των 60. Αυτό επιτρέπει την αξιολόγηση μιας IP που είναι ανεξάρτητη από την απόσταση πηγής-προς-δέκτη (Εικ. .4).

Χρονικές παραλλαγές της κατάστασης IP (κουκκίδων) και έγκαιρης προειδοποίησης (EW) που υπολογίζονται σε συστοιχίες ETN (a), AMT (b), IS48 (c) και OHP (d) για το χρονικό διάστημα μεταξύ 15 Μαΐου και 27 Μαΐου, 2016. Οι κουκκίδες έχουν χρωματική κωδικοποίηση σύμφωνα με την κατάσταση EW (μαύρο – χωρίς ειδοποίηση, κόκκινο – ειδοποίηση). Στις υποπεριοχές (b), (c) και (d) η μπλε γραμμή δείχνει την εξασθένηση που χρησιμοποιείται για τη διόρθωση του καταγεγραμμένου πλάτους υπερήχων. (ε) Στιγμιότυπα θερμικής κάμερας που αναπτύχθηκαν στη νότια πλευρά του ηφαιστείου της Αίτνας, σε υψόμετρο 2000 μ. και απόσταση 6500 από τους κρατήρες της κορυφής, δείχνοντας τα διάφορα εκρηκτικά επεισόδια που επισημαίνονται από τις ετικέτες (i), (ii), ( iii) και (iv) στην υποπεριοχή (γ) Οι πράσινες γραμμές στα υποπεριοχή (a – d) δείχνουν την ώρα έκδοσης του Volcanic Ash Advisories (VAA) από την Τουλούζη VAAC με «κόκκινο» αεροπορικό κωδικό χρώματος. Τα μαύρα βέλη στην υποπεριοχή (α) σηματοδοτούν την εμφάνιση των 3 πηγών λάβας.

Παρά το γεγονός ότι είναι σχετικά χαμηλής ενέργειας (VEI ~ 2), η εκρηκτική δραστηριότητα στο ηφαίστειο της Αίτνας είναι αρκετά ισχυρή ώστε να εκπέμπει υπερηχογράφημα σε αποστάσεις που ξεπερνούν. 1000 χλμ. Τον Μάιο του 2016, οι ανατολικοί στρατοσφαιρικοί άνεμοι δημιουργούσαν έναν σταθερό ατμοσφαιρικό αγωγό για διάδοση υπερήχων δυτικά του ηφαιστείου της Αίτνας. Αυτό τονίζεται από τη χαμηλή εξασθένιση κατά μήκος της διαδρομής πηγής προς σταθμό (μπλε γραμμές στο Σχ. 4b – d), που έχει πολύ σταθερές τιμές που κυμαίνονται μεταξύ τουλάχιστον d48 dB, για την πλησιέστερη συστοιχία (IS48), έως μέγιστο −53 dB, για την πιο απομακρυσμένη συστοιχία (OHP).

Έγκαιρη προειδοποίηση υπερύθρων μεγάλης εμβέλειας

Ο υπολογισμός της IP που προτείνεται εδώ, διορθώθηκε για εξασθένηση και ομαλοποιήθηκε για ο αριθμός των ανιχνεύσεων, μας επιτρέπει να χρησιμοποιήσουμε τα ίδια κατώτατα όρια της παραμέτρου IP που συντονίστηκε για δέκα χρόνια εγγραφής υπερήχων στον τοπικό πίνακα ETN και χρησιμοποιήθηκε για το σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης12. Στο ETN, όταν το IP υπερβαίνει τις τιμές κατωφλίου για τουλάχιστον πέντε συνεχόμενα λεπτά, το σύστημα παραδίδει αυτόματα μηνύματα έγκαιρης προειδοποίησης προειδοποίησης (EW1 όταν IP & gt; 60) και ειδοποίησης (EW2 όταν IP & gt; 120) για πιθανή συνεχιζόμενη εκρηκτική έκρηξη12. Μια προηγούμενη ανάλυση12 έδειξε με σαφήνεια πώς η έγκαιρη προειδοποίηση EW1 IP & gt; Το όριο 60 (Εικ. 4b – d) είχε ένα καλό ποσοστό επιτυχίας (96,6%) στην πρόβλεψη της εκρηκτικής έκρηξης κατά περίπου ~ 1 ώρα. Για έξι χρόνια, μόνο μια φορά το EW1 δεν συσχετίστηκε με μια καθαρή βρύση λάβας ή έκρηξη τέφρας. Αυτό αντιστοιχεί στο ~ 1,7% των ψευδών θετικών ειδοποιήσεων αλλά χωρίς ψευδείς αρνητικές ειδοποιήσεις12. Αυτό το κατώτατο όριο εφαρμόστηκε για να γίνει διάκριση μεταξύ των φάσεων υποβάθρου και έκρηξης σε περιφερειακές και παγκόσμιες κλίμακες (Εικ. 4α). Επομένως, η ειδοποίηση των ηφαιστειακών εκρήξεων με τη χρήση παρατηρήσεων συστοιχιών υπερύθρου μεγάλης εμβέλειας (LEW), παρέχεται μόνο όταν το IP υπερβαίνει την τιμή κατωφλίου των 60, για τουλάχιστον 20 συνεχόμενα λεπτά. Αυτό το χρονικό διάστημα είναι μεγαλύτερο από τα πέντε λεπτά που λαμβάνονται υπόψη για την τοπική συστοιχία και αντιπροσωπεύει πολλαπλές αφίξεις των διαθλάσεων στην ατμόσφαιρα που καταγράφονται σε μεγάλες αποστάσεις, καθώς και στην περίπτωση ενός μόνο παροδικού συμβάντος. Η δραστηριότητα θεωρείται ότι επιστρέφει στο φυσιολογικό μόνο όταν IP & lt; 8 για περίοδο 24 ωρών (Εικ. 4).

Η παράμετρος IP που υπολογίστηκε για τις συστοιχίες IS48 και OHP, μεταξύ Ιουλίου 2014 και Δεκεμβρίου 2016, συμφωνεί όμορφα με την IP που υπολογίζεται σε τοπική απόσταση ~ 5 km (Εικ. 5). Όπως αναμενόταν, το IP φτάνει σε υψηλές τιμές κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, ενώ παραμένει σε χαμηλές τιμές κατά τη διάρκεια του χειμώνα, λόγω της μεγάλης εξασθένησης (& lt; −60 dB), που εμποδίζει τον υπερηχογράφημα από την Αίτνα να διαδίδεται αποτελεσματικά προς τα δυτικά.

Η IP υπολογίστηκε σε συστοιχίες ETN (a), IS48 (b) και OHP (c). Το IP κωδικοποιείται χρώματος σύμφωνα με το επίπεδο δραστηριότητας που συνάγεται από τις παρατηρήσεις υπερύθρου. Στο (b, c) η μπλε γραμμή δείχνει την εξασθένιση κατά μήκος της διαδρομής διάδοσης από το ηφαίστειο της Αίτνας στις απομακρυσμένες συστοιχίες που υπολογίζονται λαμβάνοντας υπόψη τα ατμοσφαιρικά προφίλ ECMWF.

Για το λόγο αυτό, η εκρηκτική φάση του Δεκεμβρίου 2015, παρά το γεγονός ότι οι περισσότεροι ενεργητικοί της περιόδου, με τη στήλη τέφρας να φτάνει περίπου το 15 km ύψος26, δεν ανιχνεύθηκε από τις συστοιχίες OHP και IS48. Αντίθετα, το εκρηκτικό επεισόδιο της 2ης Ιανουαρίου 2015, ακόμη και αν κατά τη διάρκεια του χειμώνα, καταγράφηκε καλά τόσο στο IS48 όσο και στο OHP και σημειώθηκε από μια απότομη αύξηση της IP (Εικ. 5β). Αυτή η απροσδόκητη ανίχνευση «χειμώνα» σχετίζεται με ευνοϊκές συνθήκες διάδοσης κατά τη στιγμή της έκρηξης, που προκλήθηκε από ένα μικρό συμβάν θέρμανσης στρατοσφαιρικών στην Αρκτική, το οποίο προκάλεσε αντιστροφές στρατοσφαιρικού ανέμου στις αρχές Ιανουαρίου 201536.

Αξιοπιστία της ειδοποίησης υπέρυθρου

Η αξιοπιστία ενός συστήματος έγκαιρης προειδοποίησης ηφαιστείου μεγάλης εμβέλειας (LEW) έχει ελεγχθεί συγκρίνοντας το χρονισμό της ειδοποίησης υπερήχων με το χρονοδιάγραμμα των VAAs (Volcanic Ash Advisory) που εκδόθηκαν από την Τουλούζη VAAC μεταξύ Ιουλίου 2014 και Δεκεμβρίου 2016. Για τη συγκεκριμένη περίπτωση του ηφαιστείου Etna, η Τουλούζη VAAC συλλέγει πληροφορίες από το Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), που πραγματοποιεί παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο του ηφαιστείου Etna με πυκνό γεωφυσικό δίκτυο, κάμερες και άμεσες παρατηρήσεις πεδίου37,38. Κάθε φορά που η δραστηριότητα στο ηφαίστειο της Αίτνας αυξάνεται και μπορεί να οδηγήσει σε φάση έκρηξης, η INGV εκδίδει μια ειδοποίηση για το ηφαίστειο για την αεροπορία (VONA) στην Τουλούζη VAAC, η οποία τελικά εκδίδει VAA.

Ξεκινώντας από το καλοκαίρι του 2014, Οι VONA, που εκδίδονται από την INGV, περιλαμβάνουν έναν κωδικό χρώματος αεροπορίας (κίτρινο, πορτοκαλί και κόκκινο), που αντικατοπτρίζει την πιθανότητα να διασκορπιστεί η τέφρα στην ατμόσφαιρα. Οι ίδιες πληροφορίες αναφέρονται τελικά στα VAAs, μαζί με πληροφορίες σχετικά με το λοφίο τέφρας που παρατηρείται από τον δορυφόρο και την επέκταση λοφίου τέφρας που προβλέπονται από τα μοντέλα (Εικ. 6).

Ώρα έκδοσης VAA από την Τουλούζη VAAC (στήλη 1, TVAA). EW που εκδόθηκε από αρχεία υπερύθρων σε OHP (στήλη 2, LEWOHP) και IS48 (στήλη 3, LEWIS48). Στήλη 4: παρατηρούμενη ένεση τέφρας στην ατμόσφαιρα. Οι γραμμές που επισημαίνονται με γκρι χρώμα υποδηλώνουν περιόδους ανοδικής διάδοσης στις συστοιχίες.

Περιορίσαμε τη σύγκρισή μας με VAA που σχετίζονται με προειδοποιήσεις «κόκκινου» χρώματος αεροπορίας, υποδεικνύοντας ηφαιστειακή δραστηριότητα που πιθανότατα αναμένεται να σχετίζεται με σημαντική εκπομπή τέφρας στην ατμόσφαιρα. Κατά τη διάρκεια της εξεταζόμενης χρονικής περιόδου, η Τουλούζη VAAC εξέδωσε 52 VAA κόκκινου χρώματος, τα περισσότερα από τα οποία, ωστόσο, έδειξαν την επιμονή της ηφαιστειακής έκρηξης. Επομένως, έχει ληφθεί υπόψη μόνο ο χρόνος της πρώτης συμβουλευτικής VAA και οι διαδοχικές VAA, εάν εκδοθούν σε απόσταση μικρότερη των 24 ωρών μεταξύ τους, αγνοήθηκαν. Αυτό περιορίζει την τρέχουσα σύγκριση σε 15 VAA που είναι συμβατά με 15 διακριτά εκρηκτικά επεισόδια (Εικ.6).

Όταν παρατηρείται, η παρουσία τέφρας στην ατμόσφαιρα αναφέρεται στο Σχ.6. Οι ειδοποιήσεις υπερήχων που παρέχονται από τη συστοιχία OHP αντιπροσωπεύουν το 47% της επιτυχίας, με επτά συμβάντα να ανιχνεύονται από τις 15 εκρήξεις, ενώ, ο πίνακας IS48 έχει ελαφρώς μεγαλύτερη επιτυχία 53%, με οκτώ από τα 15 εκρηκτικά επεισόδια να εντοπίζονται σαφώς (Εικ. 5 και 6).

Αυτό το χαμηλό ποσοστό επιτυχίας αντικατοπτρίζει, στην πραγματικότητα, τον έλεγχο των μεταβλητών στρατοσφαιρικών ανέμων στην ακουστική διάδοση. Για αντίστροφη κατάσταση, η εξασθένηση του σήματος είναι σημαντική (Εξ. 1) και η προκύπτουσα ικανότητα ανίχνευσης συστοιχίας γίνεται φτωχότερη (Εικ. 5). Με εξασθένηση μικρότερη από & lt; 60 dB (Εικ.5), οι ανιχνεύσιμες εκρήξεις μειώνονται σε οκτώ επεισόδια (Εικ.6). Σε αυτήν την περίπτωση, ο πίνακας OHP ανιχνεύει επτά από τα οκτώ συμβάντα, με αποτέλεσμα απόδοση 87%. Η απόδοση αυξάνεται στο 100% στη συστοιχία IS48 κατά τη διάρκεια των συνθηκών διάδοσης προς τα κάτω. Δεν έχουν εντοπιστεί εκρηκτικά επεισόδια και από τις δύο συστοιχίες κατά τη διάρκεια των συνθηκών διάδοσης (Εικ.6).

Αξίζει να σημειωθεί ότι η μεθοδολογία που παρουσιάζεται εδώ αφαιρεί συστηματικά άλλες πιθανές πηγές υπερήχων που προέρχονται από το ίδιο back-azimuth του ηφαιστείου Etna κατά τη διάρκεια της περιόδου ανάλυσης των 2,5 ετών και δεν έχουν εκδοθεί αρνητικές ψευδείς ειδοποιήσεις. Ακόμα κι αν η προτεινόμενη μεθοδολογία είχε καλή απόδοση κατά τη διάρκεια της μελετημένης χρονικής περιόδου, θα πρέπει να διεξαχθεί περαιτέρω αξιολόγηση λαμβάνοντας υπόψη άλλα ηφαίστεια, ως επίμονες πηγές υπερήχων που βρίσκονται κατά μήκος της διαδρομής πηγής προς δέκτη (όπως το μικρόβαρο), ή σε κοντινή απόσταση από το πίνακα, ενδέχεται να οδηγήσει σε ψευδείς ειδοποιήσεις και να περιορίσει την αποτελεσματικότητά του. Επιπλέον, επειδή η προτεινόμενη μεθοδολογία βασίζεται κυρίως σε στρατοσφαιρικές αφίξεις, η αποτελεσματικότητά της εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το χρόνο (Εικ. 5) και εξαρτάται από τις σωστές προβλέψεις των στρατοσφαιρικών ανέμων.

Παρά το κύμα πίεσης που απαιτεί περίπου 31 λεπτά έως διάδοση από την Αίτνα στο IS48, και περίπου μία ώρα στο OHP, η εκρηκτική δραστηριότητα θα είχε ανιχνευθεί πάντα πριν από την έκδοση VAA από την Τουλούζη VAAC (Εικ. 4, 6 και 7). Θεωρώντας ότι η Αίτνα είναι ένα από τα καλύτερα ηφαίστεια που παρακολουθούνται στον κόσμο, αυτό το αποτέλεσμα υποστηρίζει έντονα τη χρήση συστοιχιών υπερήχων, σε περιφερειακές αποστάσεις, για την έκδοση αυτόματων ειδοποιήσεων για συνεχιζόμενες εκρήξεις.

Λεπτομέρεια IP που υπολογίστηκε σε IS48 για 6 VAA που εκδόθηκαν κατά την περίοδο ευνοϊκών συνθηκών διάδοσης (Εικ. 6). Το IP κωδικοποιείται χρώματος σύμφωνα με το επίπεδο δραστηριότητας που συνάγεται από τις παρατηρήσεις υπερύθρου. Οι πράσινες κατακόρυφες γραμμές δείχνουν την ώρα έκδοσης της Volcanic Ash Advisories (VAA) από την Toulouse VAAC με «κόκκινο» αεροπορικό κωδικό χρώματος.

Συζήτηση

Στην παγκόσμια κοινωνία μας, μια άμεση απάντηση Για τις ηφαιστειακές εκρήξεις απαιτείται για τον μετριασμό των επιπτώσεων του ηφαιστειακού κινδύνου στην αεροπορία. Πολλά ηφαίστεια παγκοσμίως δεν παρακολουθούνται καλά, ή ακόμα δεν παρακολουθούνται, και τις περισσότερες φορές αναφέρονται ειδοποιήσεις για ηφαιστειακές εκρήξεις, κυρίως μετά από δορυφορικές παρατηρήσεις ή με οπτική παρατήρηση από τους πιλότους του αεροπλάνου, μετά (μερικές φορές ώρες) το συμβάν έχει συμβεί39. Έτσι, η παρακολούθηση της ηφαιστειακής δραστηριότητας σε πραγματικό χρόνο και σε παγκόσμια κλίμακα, είναι επομένως ένα από τα υποχρεωτικά ζητήματα που πρέπει να αμφισβητηθούν τις επόμενες δεκαετίες.

Έχουμε δείξει ότι παρατηρήσεις υπερήχων για εκρηκτική δραστηριότητα στο ηφαίστειο της Αίτνας , καταγεγραμμένη σε παγκόσμιες αποστάσεις (μεταξύ 560 και 1040 km), μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παροχή ενός συστήματος έγκαιρης προειδοποίησης για εκρηκτικές εκρήξεις. Η προτεινόμενη μέθοδος βασίζεται στην ίδια παράμετρο υπερήχου (IP) που χρησιμοποιήθηκε επιτυχώς για την παροχή αυτόματων έγκαιρων προειδοποιήσεων για εκρηκτικές εκρήξεις με τοπικές (~ 5 km) σειρές υπερήχων12. Η υπέρυθρη παράμετρος IP υπολογίζεται ως ο μέσος όρος του ακουστικού πλάτους, επί τον ρυθμό των ανιχνεύσεων σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα11,12.

Η χρήση μιας ημι-εμπειρικής σχέσης εξασθένησης που εξαρτάται από τη συχνότητα33, σε συνδυασμό με ρεαλιστική ατμοσφαιρικά προφίλ, επιτρέπει την ανάκτηση της πίεσης πηγής με πλάτος που κυμαίνεται μεταξύ 0,5 και 2 φορές εκείνης που καταγράφεται τοπικά.

Σε περίπτωση καταιγίδας, το υπερηχογράφημα διαδίδεται αποτελεσματικά στον στρατοσφαιρικό κυματοδηγό και οι απομακρυσμένες παρατηρήσεις είναι συγκρίσιμες με τις παρατηρήσεις σε τοπικό εύρος (& lt; δεκάδες χιλιόμετρα). Η διόρθωση του πλάτους σήματος που μετράται σε παγκόσμιο εύρος επιτρέπει την εφαρμογή του ίδιου ορίου IP που χρησιμοποιείται στο τοπικό εύρος.

Κατά τη διάρκεια ευνοϊκών συνθηκών διάδοσης προς τα κάτω, η IP που υπολογίστηκε σε συστοιχίες OHP και IS48, είχε ως αποτέλεσμα ποσοστό επιτυχίας μεγαλύτερο από 87% στην ανίχνευση εκρηκτικών εκρήξεων στην Αίτνα (100% για IS48 στα 560 χλμ.), Χωρίς ψευδείς συναγερμούς.

Παρά την καθυστέρηση λόγω του χρόνου διάδοσης (~ 30 λεπτά), ειδοποίηση βάσει υπερήχων στο Οι συστοιχίες IS48 και OHP προηγούνται σχεδόν 10 ωρών (Εικ. 7) του αντίστοιχου μηνύματος VAA που εκδόθηκε από το VAAC (Εικ.6).

Δεδομένης της χαμηλής έντασης της εκρηκτικής δραστηριότητας στην Αίτνα (~ VEI2), και Η απόδοση της προτεινόμενης μεθοδολογίας, τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται υποδηλώνουν ότι αυτή η διαδικασία που βασίζεται σε υπερήχους μπορεί να εφαρμοστεί με επιτυχία σε άλλα ηφαίστεια παγκοσμίως. Καθώς η απόσταση εγγραφής αυξάνεται γενικά με την ενέργεια της έκρηξης, ο υπέρυθρος ήχος από εκρηκτικά ηφαίστεια μπορεί πράγματι να καταγραφεί σε αποστάσεις πηγής προς δέκτη που ξεπερνούν τα 10.000 km17. Αυτό ανοίγει νέες προοπτικές στην παρακολούθηση του ηφαιστείου σε παγκόσμια κλίμακα και θα μπορούσε να αντιπροσωπεύει, στο μέλλον, ένα αποτελεσματικό εργαλείο για την υποστήριξη της δραστηριότητας VAACs.

Ωστόσο, η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας ενδέχεται να περιορίζεται από την παρουσία Άλλες επίμονες πηγές υπερήχου κατά μήκος της διαδρομής του ηφαιστείου προς λήψη, όπως το μικρόβαρο ή η βιομηχανική δραστηριότητα σε κοντινή απόσταση από τη συστοιχία21. Επομένως, η χρήση της προτεινόμενης μεθοδολογίας πρέπει να αξιολογηθεί προσεκτικά για κάθε ηφαίστειο ενδιαφέροντος πριν από την εφαρμογή, εντοπίζοντας πιθανές πηγές εσφαλμένων ειδοποιήσεων.

Διαθεσιμότητα δεδομένων

Οι ληφθείσες ανιχνεύσεις υπερύθρου από συστοιχίες υπερύθρων AMT, OHP και IS48 μεταξύ 1ης Ιουλίου 2014 και 1 Ιανουαρίου 2017 διατίθενται ελεύθερα στο αποθετήριο Open Science Framework (https://osf.io/vn7py/).

Αναφορές

Casadevall, TJ Έκρηξη 1989-1990 του ηφαιστείου Redoubt, Αλάσκα: επιπτώσεις στη λειτουργία αεροσκαφών. J. Volcanol. Geoth. Res. 62 (1), 301–316 (1994).

Ευχαριστίες

Η έρευνα που οδήγησε σε αυτά τα αποτελέσματα πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο του έργου ARISE2 και EUROVOLC (www.ARISE-project.eu, https://eurovolc.eu) και έλαβε χρηματοδότηση από το πρόγραμμα «Ορίζοντας 2020» της Ευρωπαϊκής Κοινότητας ( συμφωνία επιχορήγησης 653980 και 731070). Η λειτουργία της συστοιχίας ETN και η διαδικασία έγκαιρης προειδοποίησης βάσει υπερήχου για εκρηκτική δραστηριότητα στο ηφαίστειο Etna, εκτελείται από την UNIFI για την ιταλική πολιτική προστασία και έλαβε χρηματοδότηση στο πλαίσιο του έργου DPC-DEVNET.

Πληροφορίες συγγραφέα

Συνεργασίες

Πανεπιστήμιο Firenze, Τμήμα Επιστημών της Γης, μέσω G. La Pira, 4, 50121, Firenze, Ιταλία

E. Marchetti, Μ. Ripepe, σελ. Πανεπιστημιούπολη & G. Lacanna

CEA, DAM, DIF, F-91297, Arpajon, 91680, Γαλλία

A. Le Pichon & J. Vergoz

CTBTO, IDC, Διεθνές Κέντρο της Βιέννης, 1400, Βιέννη, Αυστρία

P. Mialle

Meteo France, VAAC Τουλούζη, 42 Av. Coriolis, 31057, Τουλούζη, Cedex 1, Γαλλία

P. Ερέιλ & Ρ. Husson

Συνεισφορές

Όλοι οι συγγραφείς συνέβαλαν στο χειρόγραφο. Αναλυτικά: E.M., M.R., P.C. και A.L.P. έγραψε το χειρόγραφο και συνειδητοποίησε τις φιγούρες. Οι M.R., E.M. και G.L. ανέλυσαν τα δεδομένα από τον τοπικό πίνακα (ETN) και ανέπτυξαν το τοπικό σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης που χρησιμοποιείται για επικύρωση. Ε.Μ., P.C., A.L.P., J.V. και P.M. ανέλυσε τα δεδομένα από τις περιφερειακές συστοιχίες υπερήχων (AMT, OHP, IS48). Α.Λ.Ρ. και ο J.V. αξιολόγησαν την εξασθένιση της διαδρομής για παρατηρήσεις υπερήχων μεγάλης εμβέλειας. Ρ.Η.Ε. και P.H.U. ανέλυσε το VAA σε σύγκριση με τις ανιχνεύσεις υπερήχου.

Αντίστοιχος συγγραφέας

Ανταπόκριση σε
E. Marchetti.

Δηλώσεις δεοντολογίας

Ανταγωνιστικά ενδιαφέροντα

Οι συγγραφείς δεν δηλώνουν ανταγωνιστικά ενδιαφέροντα.

Πρόσθετες πληροφορίες

Σημείωση εκδότη Η Springer Nature παραμένει ουδέτερη όσον αφορά τις αξιώσεις δικαιοδοσίας σε δημοσιευμένους χάρτες και θεσμικά όργανα Συνεργασίες.

Δικαιώματα και άδειες

Ανοιχτή πρόσβαση Αυτό το άρθρο έχει άδεια βάσει της διεθνούς άδειας Creative Commons Attribution 4.0, η οποία επιτρέπει τη χρήση, κοινή χρήση, προσαρμογή, διανομή και αναπαραγωγή σε οποιοδήποτε μέσο ή μορφή , αρκεί να δώσετε την κατάλληλη πίστωση στους αρχικούς συντάκτες και στην πηγή, δώστε έναν σύνδεσμο για την άδεια Creative Commons και υποδείξτε εάν πραγματοποιήθηκαν αλλαγές. Οι εικόνες ή άλλο υλικό τρίτου μέρους σε αυτό το άρθρο περιλαμβάνονται στην άδεια Creative Commons του άρθρου, εκτός εάν αναφέρεται διαφορετικά σε πιστωτικό όριο του υλικού. Εάν το υλικό δεν περιλαμβάνεται στην άδεια Creative Commons του άρθρου και η προβλεπόμενη χρήση σας δεν επιτρέπεται από τον νόμο ή υπερβαίνει την επιτρεπόμενη χρήση, θα πρέπει να λάβετε άδεια απευθείας από τον κάτοχο των πνευματικών δικαιωμάτων. Για να δείτε ένα αντίγραφο αυτής της άδειας, επισκεφθείτε τη διεύθυνση http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Εκτυπώσεις και δικαιώματα

Σχετικά με αυτό το άρθρο

Αναφέρετε αυτό το άρθρο

Marchetti, E., Ripepe, M., Campus, P. et al. Παρακολούθηση υπερύθρων μεγάλης εμβέλειας του ηφαιστείου Etna.
Sci Rep 9, 18015 (2019). https://doi.org/10.1038/s41598-019-54468-5

Λήψη παραπομπής

• Ελήφθη : 09 Απριλίου 2019
• Αποδεκτό : 09 Νοεμβρίου 2019
• Δημοσιεύθηκε : <ώρα datetime = “2019-11-29”> 29 Νοεμβρίου 2019
• DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-019-54468-5

Received: 09 April 2019

Accepted: 09 November 2019

Published: 29 November 2019

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-54468-5