Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia Sezione di Pisa VULCANI VIRTUALI Simulazioni al Computer di Eruzioni Vulcaniche Paolo Papale & i Colleghi dell’INGV – Gruppo di Simulazioni Numeriche A. Neri, D. Barbato, S. Barsotti, G.D. Chirico, M. de’ Michieli Vitturi, T. Esposti Ongaro, M. Favalli, A. Longo, G. Menconi, M.T. Pareschi, M. Vassalli Via della Faggiola 32, PISA – www.pi.ingv.it Distribuzione dei vulcani attivi e tettonica delle placce Distribuzione dei terremoti sulla superficie terrestre Schema dell’assetto geodinamico terrestre associato all’attività vulcanica A) B) C) D) E) Vulcani Vulcani Vulcani Vulcani Vulcani di di di di di arco insulare (Alaska, Giappone, Indonesia) punto caldo (Hawaii) dorsale oceanica (Islanda) margine continentale (Nord America e Ande) rift continentale (Africa Orientale) Eruzioni effusive Fontane e colate di lava alle Hawaii Kilauea volcano, Hawaii Etna, Italia Eruzioni esplosive Mount St. Helens (WA), 1980 Pinatubo (Philippines), 1991 ..durante.. Prima… …e dopo Mount St. Helens, WA (USA), 18 maggio 1980 Volume di materiale emesso in eruzioni storiche Ignimbrite Campana (36.000 anni fa): 150 km3 cubo con L ~ 3700 m cubo con L ~ 800 m Confronto tra le energie rilasciate da alcune eruzioni vulcaniche, altri eventi naturali e l’energia della bomba atomica di Hiroshima Evento Energia rilasciata (Ton TNT) Minima Massima Frana (Stromboli 2002) 100 1000 Tornado 1000 10000 Bomba atomica di Hiroshima 10000 100000 Eruzione del Mt. St Helens, 1980, o del Vesuvio, 1631 10 milioni 100 milioni Eruzione Ignimbrite Campana, 36 ka BP 10 miliardi 100 miliardi Impatto di asteroide (ricorrenza 100000 anni) 10 miliardi 100 miliardi Ricaduta di ceneri vulcaniche Ricaduta di lapilli e ceneri vulcaniche, Etna 2001 Ceneri vulcaniche di ricaduta da colonne eruttive di tipo Pliniano Vulcano Pinatubo, Filippine, 1991 Depositi di ricaduta da colonne eruttive di tipo Pliniano pomice Cenere vulcanica Sabbia vulcanica Soufriere Hills, Isola di Montserrat, Antille (2001) Flussi piroclastici Soufriere Hills, Isola di Montserrat, Antille (2001) Flussi piroclastici Impatto di flussi piroclastici su aree urbanizzate (Montserrat 1995-in corso) La città di St. Pierre, Martinica, completamente distrutta dai flussi piroclastici dell’eruzione del Mount Pelee, 1902 (28.000 morti) La città romana di Pompei, distrutta da flussi piroclastici durante l’eruzione del Vesuvio del 79 d.C. Napoli e il Vesuvio, oggi Popo & Mexico City L’ultima eruzione del Vesuvio nel marzo 1944, quando Napoli era occupata dalle truppe alleate I Campi Flegrei sono un vulcano attivo (ultima eruzione: 1538 d.C.), esempio di struttura calderica Napoli Pozzuoli I Vulcani in Italia La modellistica fisico-matematica Negli ultimi 20 anni la ricerca vulcanologica si è avvalsa di questa metodologia nello studio dei processi vulcanici Gli studi di modellistica si sono aggiunti agli studi stratigrafici sui depositi delle eruzioni e all’attività di monitoraggio dell’attività vulcanica Che cosa è un modello fisicomatematico? E’ una rappresentazione virtuale, in forma matematica, della dinamica di un sistema tramite la risoluzione delle fondamentali equazioni della fisica. Un esempio familiare di modello fisicomatematico è quello delle previsioni meteorologiche Diagramma di flusso dell’approccio modellistico UTILIZZI: 1. Studiare la fisica dei processi vulcanici 2. Prevedere gli scenari eruttivi per finalità di protezione civile L’area napoletana è caratterizzata da livelli di rischio vulcanico tra I più alti al mondo Periodicamente il vulcano Stromboli manifesta violente esplosioni che interrompono la normale e tranquilla attività “Stromboliana” Le eruzioni dell’Etna immettono in atmosfera grandi quantita di ceneri fini che danneggiano la circolazione stradale e aerea. Le colate di lava periodicamente minacciano I paesi circum-etnei e potenzialmente la città di Catania Equazioni fondamentali 1. Conservazione della massa In un sistema chiuso la massa totale è costante [MT]chiuso = costante 2. Bilancio della quantità di moto (seconda legge di Newton) La variazione del prodotto di massa per velocità (quantità di moto) di un corpo è uguale alla sommatoria delle forze che agiscono sul corpo F e Ma 3. Bilancio dell’energia (primo principio della termodinamica) La variazione di energia di un sistema chiuso è uguale al calore assorbito dal sistema diminuito del lavoro compiuto dal sistema E Q W Schema di un sistema vulcanico Plume vulcanico V ~ 3-400 m/s Condotto vulcanico Flusso piroclastico Transizione a velocità supersonica Frammentazione V ~ 100 m/s V ~ 10 m/s Formazione di bolle di gas Camera magmatica V ~ 1 m/s Esempio di equazioni fondamentali per la descrizione della dinamica di una colonna vulcanica e di flussi piroclastici Conservazione della Massa Fase gassosa: Fase solida: g g ( g g v g ) 0 t k k ( k k v k ) 0 t N k 1,2,...N g k 1 k 1 Conservazione della quantità di moto Fase gassosa: N g g v g ( g g v g v g ) g Pg Tg g g g Dg ,k ( v k v g ) t k 1 Fase solida: N k k v k ( k k v k v k ) k Pg Tk k k g Dg ,k ( v k v g ) Dk , j ( v j v k ) t k 1 Conservazione dell’energia Fase gassosa: Fase solida: k , j 1,2,...N N Pg g g hg ( g g hg v g ) g v g Pg (k ge g Tg ) Qk (Tk Tg ) t k 1 t k k hk ( k k hk v k ) (k ke k Tk ) Qk (Tk Tg ); k 1,2...N t Iniziano i problemi….. • Le equazioni ci dicono come variano le quantità fisiche che descrivono l’eruzione in ogni punto nello spazio. PROBLEMA!! Non si conoscono soluzioni esatte delle equazioni. SOLUZIONE: si cercano soluzioni numeriche (approssimazioni delle soluzioni esatte tramite il computer) PROBLEMA!! I computer hanno una memoria limitata. SOLUZIONE: si risolvono le equazioni su una griglia finita di punti. Effetti della griglia Dobbiamo sempre considerare gli effetti delle approssimazioni che introduciamo sulla soluzione del problema studiato. 8 Ogni quantità in un punto della griglia deve essere considerata come una quantità media. 6 4 2 0 -2 -4 -6 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 ESEMPI DI SIMULAZIONI DI PROCESSI VULCANICI Modello concettuale dell’eruzione di Agnano Monte Spina, 4400 BP (Evento rappresentativo di una eruzione di grande scala attesa ai Campi Flegrei) Simile, “Povero” e “Ricco”–CO2 Profondità 5 km, alta viscosità “Ricco”–CO2 - Profondità 3 km, bassa viscosità Oscillazioni della pressione: Ampiezza = alcuni kPa Periodo = 1-10 s (eventi di tipo LP-VLP) Segnali realmente registrati da stazioni sismiche in aree vulcaniche Pyroclastic density currents at Vesuvius (Todesco et al. 2002, Esposti Ongaro et al. 2002) Vent conditions: Diameter = 115 m Mass flow-rate per unit angle = 5 x 107/(p/2) kg/s Water content = 2.0 wt% Temperature = 1223 K Pressure = 17 bar Velocity = 137 m/s Grain size distribution: Part. size # 1 = 30 micron Part. density # 1 = 2800 kg/m3 Particle size # 2 = 500 micron Particle density # 2 = 1000 kg/m3 Weight fraction #1/#2 = 1 Total volumetric particle fraction (10-8 – 0.1) Condizioni come nella simulazione precedente, ma con la presenza del rilievo del Monte Somma Distribuzione delle particelle fini (30 micron) Osservazione… …e predizione dopo circa 90 s Vulcano La Soufriere, Montserrat (Antille), 2001 Confronto tra osservazioni e predizioni delle eruzioni di tipo Vulcaniano a Montserrat Propagazione di flussi piroclastici in ambiente calderico ( = morfologia complessa) CAMPI FLEGREI Distribuzione della pressione dinamica a diverse distanze dalla bocca eruttiva CAMPI FLEGREI Simulazione 3D della formazione di una colonna vulcanica, collasso, generazione e propagazione di flussi piroclastici al Vesuvio Concentrazione delle particlelle Dispersione delle ceneri vulcaniche Campo dei venti a diverse altezze 400 m agl 2200 m agl Dati dei venti dal modello LAMI (ARPA – Emilia Romagna) Particella d=3micron Immagine AVHRR presa dal Satellite SeaStar il 20 Luglio 2001 alle 1140UTC Particella d=3micron Immagine AVHRR presa dal Satellite SeaStar il 22 Luglio 2001 alle 1100UTC Ground deposit in kg/m^2 L’eruzione del vulcano Nyiragongo (Repubblica Democratica del Congo) ha prodotto il caso più significativo di tutti i tempi di impatto di colate di lava con una grande città Esempi di simulazioni dei cammini probabili delle colate di lava all’Etna Confronto tra le colate reali e i cammini simulati Mappa della suscettibilità da invasione delle colate di lava nella città di Goma (vulcano Nyiragongo) GRAZIE PER L’ATTENZIONE Vesuvio domani?