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Progetto Volcan Guard

Monitoraggio inerziale e gas siti vulcanici.

 

Le maggiori problematiche ambientali cui la Sicilia deve far fronte riguardano il rischio legato all’instabilità geologica del territorio ed il rischio vulcanico e sismico. Il rischio geologico nel territorio siciliano è molto elevato: diversi casi recenti  hanno evidenziato che intere comunità vivono in aree interessate da importanti dissesti geologici.

I fluidi che circolano nel sottosuolo hanno un ruolo fondamentale nei processi geologici a causa dell’effetto che le variazioni di pressione di fluido hanno sulle proprietà meccaniche delle rocce e dei suoli. In ambiente sedimentario, dove l’assetto geologico favorisce la formazione di sacche di gas, l’aumento di pressione dei fluidi è responsabile di fenomeni deformativi e di manifestazioni parossistiche, come le esplosioni di gas e fango tipiche del vulcanismo sedimentario. Tali fenomenologie possono essere correttamente monitorate con un sistema osservativo integrato che consenta un controllo della pressione e delle variazioni di flusso di gas dai suoli, ed i potenziali effetti sulle dinamiche geologiche.

L’attività dei vulcani attivi può tradursi in un alto livello di pericolosità sia in prossimità delle bocche eruttive sia nelle aree più periferiche. Le dinamiche che coinvolgono la miscela di gas e magma nei sistemi vulcanici producono un ampio spettro di osservabili geofisici e geochimici che, se opportunamente monitorati, possono fornire preziose indicazioni sullo stato di attività. Molti vulcani attivi sono monitorati attraverso reti strumentali multiparametriche, i cui segnali vengono trasmessi agli osservatori di competenza per l’analisi dei dati in tempo reale e quasi-reale e per la loro interpretazione nel contesto dei fenomeni in atto. Tra le tecniche geofisiche di monitoraggio vulcanico, quelle basate su dati sismici e di deformazione del suolo hanno fornito negli anni i criteri più robusti per la previsione dell’attività vulcanica. Di particolare interesse per il monitoraggio dell’attività vulcanica sono anche le misure ad alta frequenza di parametri geochimici, mediante array specificamente sviluppati, dotati di sistemi di misura automatici. Questi riguardano essenzialmente misure di concentrazione e flusso di diverse specie gassose sia in atmosfera sia nei suoli, misure di temperatura nei suoli, nonché l’analisi dei principali componenti dei gas nei plume vulcanici. Le variazioni temporali di flusso di CO2 dai suoli sono state spesso correlate con fenomeni di degassamento magmatico, durante il trasferimento dei magmi all’interno degli edifici vulcanici. Inoltre, le misure di temperatura nel suolo in prossimità delle zone crateriche ed in campi fumarolici rappresentano un parametro indicativo dell’entità del trasporto di fluidi ad alta entalpia. Negli ultimi anni hanno acquisito grande rilievo anche le misure nei plume vulcanici in sistemi a condotto aperto. Esse permettono di ottenere indicazioni precise sul grado di degassamento magmatico e delle profondità di essoluzione dei gas.

In generale, tutte le tecniche di monitoraggio “convenzionali” implicano un costo elevato, sia per il valore della strumentazione utilizzata, normalmente di tipo commerciale, che per l’alto costo di gestione insito nell’utilizzo di sensori delicati in un ambiente ostile. Naturalmente, i costi elevati si traducono in un limite posto al numero di stazioni che possono essere installate, e quindi alla capacità risolutiva dei sistemi di osservazione stessi.

L’aspetto innovativo legato allo sviluppo di sensori a basso costo, progettati specificamente per essere utilizzati in ambienti ostili, potrebbe in futuro dare un forte impulso alla crescita del monitoraggio vulcanico, sismico e ambientale, grazie alla possibilità di realizzare reti smart dust da integrare ai sistemi osservativi già esistenti, dopo un’opportuna fase di validazione. Grazie alla rete sperimentale a basso costo che si intende realizzare nell’ambito del presente progetto sarà possibile acquisire con un’elevata risoluzione spaziale i parametri utili (ad esempio rotazioni, spostamenti, accelerazioni, flussi di gas anomali) per meglio caratterizzare le dinamiche di interesse.

L’impiego di soluzioni a basso costo consentirebbe la diffusione di sistemi di monitoraggio in continuo, ad esempio sistemi di early-warning, in grado di fornire un segnale di allarme in caso di anomalie significative. Per quanto concerne i sensori da utilizzare, si farà riferimento sia a sensori commerciali sia ad architetture sensoriali che verranno sviluppate durante il progetto, utilizzando la tecnologia integrata MEMS.

Le motivazioni alla base delle attività proposte in questo progetto sono legate ad esigenze concrete di monitoraggio dei siti vulcanici. Il progetto è coerente con le finalità di sviluppo previste dalla Strategia Regionale per l’Innovazione poiché sviluppa una tematica di ricerca di notevole interesse strategico e con grosse potenzialità di sviluppo, quale è la sensoristica per il rilevamento di grandezze critiche atte ad evidenziare stati di pericolo o di rischio in siti vulcanici.


 L’obiettivo del progetto è quello di sviluppare una rete di nodi sensoriali a basso costo (con approccio smart dust) in grado di rilevare la variazione di alcune grandezze inerziali o concentrazione di gas.

Lo scopo di tale rete di monitoraggio non è quello di fornire stime accurate delle grandezze osservate ma piuttosto di fornire un’indicazione qualitativa di come tali grandezze si stiano modificando, utile per generare stati di allerta. Dato l’elevato numero di nodi che si intende utilizzare, il sistema è in grado di ricostruire tale stato con un’elevata risoluzione spaziale. I principali ostacoli da superare sono legati alle esigenze di sviluppare sistemi a basso costo ma caratterizzati da elevata affidabilità, robustezza e semplicità di utilizzo. Le soluzioni a tali ostacoli sono basate sullo sviluppo di:

  • metodologie per il monitoraggio di parametri inerziali o presenza di gas, basate su reti di sensori wireless ed algoritmi intelligenti per l’elaborazione dei segnali di misura;
  • soluzioni sensoriali ad elevata reiezione ai disturbi ambientali ;
  • approcci multi-sensoriali per aumentare la ridondanza dell’informazione sulle grandezze osservate;
  • paradigmi computazionali basati su tecniche statistiche e di correlazione al fine di garantire una maggiore robustezza alla rumorosità dei segnali di misura rispetto alle tecniche tradizionali;
  • un nodo sensoriale ed un’architettura di rete ottimizzate in termini di costo, consumo di energia e di gestione dei guasti.
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