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La “memoria” dello Stromboli

ingvvulcani

di Andrea Bevilacqua, Antonella Bertagnini, Massimo Pompilio, Patrizia Landi, Paola Del Carlo, Alessio Di Roberto, Willy Aspinall e Augusto Neri

La previsione delle eruzioni vulcaniche rappresenta ancora, per molti vulcani di tutto il mondo, una sfida scientifica da vincere. Molte eruzioni sembrano infatti avvenire in modo assolutamente casuale ovvero senza una apparente “memoria” di quello che è stato il comportamento passato del vulcano. Ma è veramente così o viceversa è possibile individuare dei comportamenti ricorrenti? Uno studio mirato a rispondere a questa domanda è stato realizzato per lo Stromboli.

Stromboli è famoso per la sua attività esplosiva persistente di bassa energia, nota col nome di attività stromboliana, che è caratterizzata da un degassamento continuo intervallato ogni circa 10-20 minuti da piccole esplosioni che lanciano lapilli, bombe e blocchi all’interno della terrazza craterica. Questa caratteristica l’ha reso da sempre una forte attrattiva per visitatori e vulcanologi provenienti da tutto il mondo. Occasionalmente si verificano però esplosioni più intense che possono rappresentare un grave pericolo: sono quelle esplosioni che Giuseppe Mercalli all’inizio del secolo scorso descrisse come gli ‘scatti del vulcano’ e definì ‘parossismi Stromboliani. Durante queste esplosioni, più crateri sono coinvolti simultaneamente, e vengono emessi maggiori volumi di materiali piroclastici. Esempi recenti sono i parossismi del 3 luglio e del 28 agosto 2019.

Queste esplosioni violente non sono tutte uguali, ma variano di intensità, dalle cosiddette esplosioni maggiori, fino ai veri e propri parossismi. Le esplosioni maggiori lanciano bombe e blocchi sulla parte sommitale del vulcano e sulla Sciara del Fuoco, mentre i parossismi  sono in grado di generare colonne eruttive di diversi chilometri di altezza, con  una ricaduta di bombe e blocchi estesa fino a basse quote in ampi settori dell’isola, talvolta fino al mare (Figura 1). 

Figura 1 – Nel centro, foto aerea dell’isola di Stromboli. In (a-i) varie foto di cinque diversi parossismi di Stromboli, ovvero quelli del 1915, 1959, 2003 e 2019 (3 luglio e 28 agosto).

Ma quanto sono probabili i fenomeni esplosivi più violenti? Quanto diventano più probabili dopo che uno di essi è avvenuto, e per quanto tempo? Proprio i due recenti parossismi, del 3 luglio e del 28 agosto 2019, hanno spinto gli autori a cercare una risposta a queste domande.

Negli ultimi decenni si sono verificati allo Stromboli solo quattro parossismi: nel 2003 e nel 2007, oltre ai due avvenuti nel 2019. Essi non sono però fenomeni nuovi per il vulcano, e prima del 1960 erano invece piuttosto frequenti. È quindi importante stimare le frequenze di accadimento di esplosioni maggiori e parossismi e verificare se lo Stromboli ha una sua “memoria” – ovvero se esistono delle evidenze statistiche di una “reminiscenza naturale” del vulcano, relativa al tempo trascorso dall’ultima esplosione maggiore o parossismo.

Per rispondere a tali quesiti è stato costruito un nuovo catalogo che descrive 180 esplosioni maggiori e parossismi accaduti dal 1879 al 2020 a Stromboli. La revisione comprende anche una riclassificazione di numerosi eventi attraverso un’analisi critica delle fonti storiche.

In particolare, 36 degli eventi esplosivi censiti sono parossismi, 99 sono esplosioni maggiori, e 45 sono eventi incerti per i quali la distinzione fra esplosioni maggiori e fenomeni ordinari particolarmente intensi è difficile, a causa della scarsità di informazioni storiche. Quindi negli ultimi 140 anni circa ci sono state, in media, 3-4 esplosioni maggiori per ogni parossismo, sebbene negli ultimi 35 anni ci siano state ben 14 esplosioni maggiori per ogni parossismo.

Figura 2 – Conteggio cumulativo del numero di esplosioni maggiori e parossismi dal 1879 al 2020. I punti in rosso indicano i parossismi, quelli neri le esplosioni maggiori, comprese quelle incerte. I punti in grigio invece non considerano le esplosioni maggiori di incerta caratterizzazione. Si evidenzia l’intervallo temporale dal 1960 al 1985 affetto da una possibile incompletezza del catalogo.

La Figura 2 mostra il conteggio degli eventi esplosivi violenti (ovvero esplosioni maggiori e parossismi) in funzione del tempo. Dall’analisi del catalogo emerge che il tasso annuale medio di esplosioni maggiori e parossismi negli ultimi 140 anni è stato pari a 1.3 eventi/anno, e pari a 1 se non si considerano le esplosioni maggiori di incerta caratterizzazione. Il tasso annuale medio è cambiato significativamente nel tempo: per esempio, è stato relativamente alto dal 1879 al 1908, poi è calato dal 1908 al 1960, ma è salito di nuovo negli ultimi 35 anni di attività. In particolare, il tasso annuale di esplosioni maggiori e parossismi degli ultimi 10 anni, pari a 2.8 eventi/anno, è 2-3 volte più alto di quello medio negli ultimi 140 anni, e simile a quello misurato all’inizio del secolo scorso. Quindi, sebbene i parossismi siano stati meno numerosi che in precedenza rispetto alle esplosioni maggiori, Stromboli negli ultimi anni sta attraversando una delle fasi di attività più intense della sua storia recente, in termini di occorrenza dei fenomeni esplosivi più violenti.

Figura 3 – Conteggio cumulativo del numero di parossismi dal 1879 al 2020. I gruppi con tempi di inter-evento inferiori all’anno sono evidenziati con curva tratteggiata blu. Sono etichettati gli anni di sei sequenze di parossismi separate da periodi di attesa superiori ai 9 anni. Nell’angolo in basso a destra sono anche riportati i periodi più brevi e più lunghi trascorsi tra due parossismi consecutivi.

La Figura 3 mostra il conteggio dei soli parossismi in funzione del tempo. In questo caso tutti gli eventi parossistici sono stati assunti certi, data la loro maggiore scala. Dall’analisi si scopre che la breve attesa di 56 giorni fra i due parossismi dell’estate 2019 non ѐ una situazione rara. Per ben cinque volte negli ultimi 140 anni gli intervalli di tempo tra due parossismi sono stati ancora più brevi. Viceversa, ci sono stati molti periodi senza parossismi, di cui quattro hanno avuto durata dai 9 ai 15 anni, e uno addirittura di 44 anni, dal 1959 al 2003. Negli ultimi 140 anni ci sono stati 7 parossismi avvenuti come eventi singoli, 5 coppie di eventi in 12 mesi, 5 gruppi di tre eventi in 12 mesi, e un gruppo di quattro eventi in due anni. Quindi i parossismi tendono ad avvenire in gruppi.

Se consideriamo solo gli eventi più energetici, cioè i parossismi, il tasso annuale medio degli ultimi 140 anni circa è stato di 0.26 eventi/anno, ovvero un evento ogni 4 anni circa. Questo tasso è vicino a quello calcolato negli ultimi dieci anni, ma molto inferiore a quello raggiunto negli anni ’40, ossia 0.8 eventi/anno. Dall’analisi dei dati si scopre anche che le esplosioni maggiori tendono ad incrementare la probabilità dei parossismi nei giorni successivi al loro accadimento: si è misurato che il tasso annuale dei parossismi nei 15 giorni successivi ad una esplosione maggiore è 5-6 volte più alto del normale.

Tutte queste informazioni sono molto utili anche in un contesto previsionale, ovvero per stimare le probabilità di accadimento futuro di questi fenomeni. Quando un fenomeno, come nel nostro caso un’esplosione vulcanica, si verifica ad intervalli irregolari nel tempo, tipicamente quello che si studia è la distribuzione dei “tempi di inter-evento”, ossia di tutti i tempi che si sono osservati in passato tra un’esplosione e la successiva. 

Nel caso di Stromboli, basandosi sui dati degli ultimi 140 anni, c’è una probabilità di circa il 50% che una esplosione maggiore o un parossismo segua il precedente in meno di 3-5 mesi, e il 20% di probabilità che lo segua in meno di 2-3 settimane. Se facciamo riferimento invece ai soli parossismi, c’è il 50% di probabilità che un parossismo segua il precedente in meno di 12 mesi, e il 20% di probabilità che lo segua in meno di 2 mesi; viceversa, c’è un 10% di probabilità che passino oltre 10 anni senza altri parossismi. 

Assumendo che i tempi di inter-evento siano indipendenti fra loro, ossia che il vulcano “rinnovi” il suo stato dopo ogni esplosione, si può prevedere, statisticamente, quanto manca alla prossima esplosione. In particolare, lo sviluppo dei modelli di inter-evento ci permette di calcolare la probabilità di accadimento di una esplosione in funzione del tempo trascorso dall’ultimo evento di quel tipo. In altre parole, la probabilità che, arrivati ad un determinato giorno dopo un evento senza che ci siano ancora state nuove esplosioni, un’esplosione avvenga proprio in quel giorno. 

Il modello più semplice possibile sarebbe quello che si basa sull’assunzione di un tasso di probabilità di occorrenza costante nel tempo, ovvero non influenzato da quanti giorni siano passati dall’ultima esplosione. Un simile processo di rinnovo (chiamato universalmente Processo di Poisson) non ha quindi memoria e le probabilità di occorrenza di un evento rimangono sempre le stesse. Un modello di questo tipo associa una probabilità molto bassa alla sequenza degli eventi passati e rende improbabili i gruppi di parossismi osservati. Viceversa, l’analisi della sequenza delle esplosioni maggiori e dei parossismi di Stromboli realizzata utilizzando modelli statistici che bene rappresentano i dati disponibili, indica chiaramente che il vulcano presenta una forte memoria del tempo trascorso senza nuovi eventi esplosivi.

Figura 4 – Esempio di probabilità di occorrenza (a) oraria di esplosioni maggiori e parossismi e (b) giornaliera dei parossismi, in funzione del numero di mesi trascorsi dall’ultimo evento dello stesso tipo. Le bande colorate mostrano l’incertezza associata alla considerazione o meno delle esplosioni maggiori di difficile caratterizzazione (grafico a) e per due diversi modelli statistici utilizzati (grafici a e b). Le linee orizzontali indicano le probabilità di occorrenza orarie o giornaliere (linee punteggiate) e i tassi medi di occorrenza degli ultimi 10 e 25 anni nell’ipotesi di assenza di memoria del vulcano, secondo un modello Poissoniano (linee continue). Da evidenziare le diverse scale temporali riportate sulle ascisse e ordinate per i due grafici.

La Figura 4 mostra le probabilità orarie di esplosioni maggiori e parossismi e le probabilità giornaliere dei soli parossismi, in funzione del tempo passato dall’ultimo evento. Il grafico riporta in ascissa il tempo dall’ultima esplosione, in mesi, e in ordinata la probabilità di occorrenza in scala logaritmica. In figura si riportano anche i tassi medi degli ultimi 10 e 25 anni, che corrispondono ad un modello privo di memoria (ovvero, come detto sopra, Poissoniano). 

I nuovi modelli di occorrenza mostrati in figura, e costruiti sul catalogo storico sopra descritto, dimostrano chiaramente come lo Stromboli sia un vulcano dotato di forte memoria. I tassi di occorrenza di esplosioni maggiori e parossismi, e anche dei soli parossismi, sono infatti molto elevati (ben al di sopra del tasso medio) nelle settimane e nei mesi dopo un precedente fenomeno dello stesso tipo, per poi calare gradualmente di 5-10 volte in 3-8 mesi, per le esplosioni maggiori e parossismi ed in circa 12-15 mesi, per i parossismi. In altri termini, l’analisi statistica descritta suggerisce l’esistenza di un processo fisico che in qualche misura influenza la frequenza delle esplosioni del vulcano rendendole eventi eruttivi non completamente casuali. 

La conoscenza della “memoria” dello Stromboli potrà dare un contributo significativo alla quantificazione della pericolosità delle esplosioni più violente di questo vulcano e quindi alla riduzione del rischio associato. Capire le ragioni e i meccanismi fisici che determinano questa memoria rappresenta una ulteriore sfida scientifica.

I risultati descritti in questo post sono estesamente presentati in un nuovo studio pubblicato sulla rivista Scientific Reports.

Bibliografia

Bevilacqua, A., Bertagnini, A., Pompilio, M., Landi, P., Del Carlo, P., Di Roberto, A., Piccione, C. & Neri, A. (2020a) Historical catalog of major explosions and paroxysms at Stromboli (Italy). (Version 1.0) [Data set]. Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV). https://doi.org/10.13127/STROMBOLI/STRCATALOG.

Bevilacqua, A., Bertagnini, A., Pompilio, M., Landi, P., Del Carlo, P., Di Roberto, A., Aspinall, W. & Neri, A. (2020b) Major explosions and paroxysms at Stromboli (Italy): a new historical catalog and temporal models of occurrence with uncertainty quantification, Scientific Reports. https://doi.org/10.1038/s41598-020-74301-8.

Bollettini multidisciplinari monitoraggio Stromboli. http://www.ct.ingv.it/index.php/monitoraggio-e-sorveglianza/prodotti-del-monitoraggio/bollettini-settimanali-multidisciplinari

Mercalli, G. (1907), I vulcani attivi della Terra, 412 pp, Hoepli, Milan, Italy. 

Rosi, M., Pistolesi, M., Bertagnini, A., Landi, P., Pompilio, M. & Di Roberto, A. (2013) Stromboli volcano, Aeolian Islands (Italy): present eruptive activity and hazards. In: Geological Society of London Memoir 37, 475-492. https://doi.org/10.1144/M37.14