Il monitoraggio GNSS dei vulcani italiani

di Mario Mattia, Valentina Bruno, Alessandro Bonforte, Prospero Di Martino e Mario Dolce

L’analisi delle deformazioni del suolo di un vulcano attivo rappresenta certamente uno dei sistemi di monitoraggio di maggiore importanza. Tutte le manifestazioni dell’attività vulcanica, infatti, provocano deformazioni del suolo.

Alcune delle espressioni tipiche utilizzate per descriverle sono: la fase di inflazione dovuta alla pressurizzazione del magma che, tipicamente, precede le attività effusive o esplosive e la fase di contrazione che accompagna il manifestarsi delle citate attività. In casi di grande pericolosità, quando si verificano intrusioni (“lame” di magma che a grande velocità risalgono verso la superficie e letteralmente “aprono” il terreno) e frane di versante, le deformazioni osservate sono di grande entità.

Le misure GNSS (Global Navigation Satellite System) permettono di seguire l’andamento delle deformazioni del suolo con grande precisione e con grande affidabilità.

In una rete GNSS, come quelle installate su tutti i vulcani italiani e gestite dall’INGV, riconosciamo tre fasi di lavoro principali:

1) acquisizione dei dati: ricevitori opportunamente distribuiti nell’area vulcanica acquisiscono ogni giorno e 24 ore al giorno i segnali radio inviati dalle principali costellazioni di satelliti che vengono comunemente utilizzati per il posizionamento dei veicoli e delle persone: dal più “storico” GPS (Global Positioning System), al russo Glonass, al cinese Beidou, al giapponese QZSS, all’europeo Galileo. Questa tevnologia è molto nota a tutti: ogni smartphone e ogni autoveicolo di nuova generazione ha un piccolo ricevitore, che permette di calcolare la nostra posizione in tempo reale e di utilizzare servizi ormai indispensabili come il navigatore. I ricevitori GNSS che vengono utilizzati per il monitoraggio vulcanico sono, però, molto più sofisticati.

2) I dati acquisiti per 24 ore dai ricevitori vengono trasmessi alle sedi INGV preposte al monitoraggio di uno specifico vulcano (l’Osservatorio Etneo per l’Etna, lo Stromboli, l’isola di Vulcano e Pantelleria; l’Osservatorio Vesuviano per i Campi Flegrei, il Vesuvio e Ischia; l’Osservatorio Nazionale Terremoti di Roma per i Colli Albani); qui vengono

3) processati per mezzo di appositi software che produrranno, giorno dopo giorno, la posizione di ogni singola antenna con precisione millimetrica. Il processamento dei dati, però, avviene in due momenti: una prima elaborazione viene svolta appena (subito dopo la mezzanotte GMT) si chiude il file del giorno.

Per il calcolo della posizione alla massima precisione è necessario conoscere le esatte traiettorie dei satelliti (le “effemeridi”) che, nell’immediatezza, sono soltanto stimate, in base alla previsione delle orbite. Solo dopo due settimane vengono resi disponibili da apposite agenzie le effemeridi “precise” o “finali”, dopo un attento ricalcolo delle traiettorie effettive.

Il dato giornaliero è dunque potenzialmente affetto da piccoli errori che, dopo due settimane, vengono eliminati e lo rendono definitivo. L’incertezza, comunque, è molto piccola e il dato giornaliero è da considerarsi affidabile entro il margine di un centimetro.

L’andamento delle deformazioni del suolo di un vulcano viene mostrato attraverso due tipi di rappresentazione:

1) le serie temporali

2) i campi di velocità

Le serie temporali rappresentano l’andamento, nel tempo, della posizione tridimensionale (Coordinate Nord-Sud, Est-Ovest e Quota) del centro di fase dell’antenna di una stazione (Figura 1). L’antenna è saldamente ancorata al terreno e, dunque, ogni variazione è legata al movimento del suolo. I grafici delle serie temporali sono di importanza vitale per la stima dello stato di attività di un vulcano e sono il “pane quotidiano“ di ogni osservatorio vulcanologico.

Le serie temporali permettono di stimare periodi durante i quali il tipo di deformazione di un vulcano può (entro certi limiti) considerarsi omogeneo (inflazione/contrazione). Processando opportunamente tutti i dati di questi periodi omogenei, è possibile stimare le velocità con cui ogni singola stazione GNSS si sposta sia sul piano che in quota. Questa ulteriore analisi, più sofisticata, permette di confrontare le velocità di deformazione in periodi diversi e, soprattutto, di modellizzare la sorgente che sta producendo quello specifico “modo” con cui il vulcano si deforma (Figura 2).

Per completezza, aggiungiamo che presso l’Osservatorio Etneo e l’Osservatorio Vesuviano i dati GNSS vengono acquisiti e processati anche ad “alta frequenza” (ogni secondo) ed in tempo reale e resi disponibili sui monitor delle sale operative. La precisione di queste misure è di 1-2 cm per le coordinate Nord-Sud ed Est-Ovest e di circa 4 centimetri per la quota. Sebbene meno precise, queste misure sono fondamentali per valutare l’evoluzione dei processi vulcanici in tempo reale e osservare eventuali processi veloci di intrusione o franamento.

In aggiunta alle reti permanenti, l’INGV ha installato nel tempo centinaia di capisaldi geodetici che vengono routinariamente misurati con opportune campagne di misura, per fornire dei frame periodici sullo stato deformativo con un più alto numero di punti ma meno dettagliato nel tempo (Figura 3). Inoltre, questi capisaldi possono servire per l’installazione di stazioni mobili, in grado anch’esse di misurare in continuo e ad alta frequenza, per incrementare il dettaglio spaziale in determinate aree durante periodi di crisi.

Bibliografia

Bellucci Sessa Eliana, Borriello Giuseppe, & Cirillo Francesca. (2023). NAPLES (moNitoring mAps of camPania voLcanoES) (4.0) [Data set]. Zenodo. https://doi.org/10.5281/zenodo.10037519

Bruno, V., Aloisi, M., Gambino, S., Mattia, M., Ferlito, C., & Rossi, M. (2022). The most intense deflation of the last two decades at Mt. Etna: The 2019–2021 evolution of ground deformation and modeled pressure sources. Geophysical Research Letters, 49, e2021GL095195. https://doi.org/10.1029/2021GL095195

De Martino, P.; Dolce, M.; Brandi, G.; Scarpato, G.; Tammaro, U. The Ground Deformation History of the Neapolitan Volcanic Area (Campi Flegrei Caldera, Somma–Vesuvius Volcano, and Ischia Island) from 20 Years of Continuous GPS Observations (2000–2019). Remote Sens. 2021, 13, 2725. https://doi.org/10.3390/rs13142725

Bonforte A., Cannavò F., Gambino s., Guglielmino F., (2021). Combining High- and Low-Rate Geodetic Data Analysis for Unveiling Rapid Magma Transfer Feeding a Sequence of Violent Summit Paroxysms at Etna in Late 2015. Applied Sciences, 11 (10), 4630, https://doi.org/10.3390/app11104630.