Detección de ceniza volcánica y polvo

Bernadette Connell

CIRA/CSU/RAMMT

Ellos tienen composición similar.

Ellos dan otra perspectiva en cuanto a las características de las nubes, las cuales pueden ser detectadas por combinaciones de imágenes de diferentes canales.

Qué tienen en común las cenizas volcánicas y el polvo?

Introducción1) Detección de ceniza volcánica para riesgo de

aviación - fondo2) Técnica

Se usan combinaciones de imágenes de varios canales para distinguir propiedades reflectivas, emisivas y transmisivas de la ceniza y el polvo. Para identificar la ceniza y el polvo, es necesario conocer cómo las partículas nubosas de hielo y agua aparecen en las mismas combinaciones de imágenes

3) Ejemplos4) Limitaciones5) Referencias seleccionadas

Ceniza volcánica

“Las nubes de ceniza no ocurren todos los días ni representan una amenaza frecuente. Pero encontrarse con una de ellas puede arruinarle el día totalmente.”

(Engen, 1994)

¿Porqué?• Entre 1975 y 1994, más de 80 aviones de

propulsión a chorro reportaron daños luego de encuentros inesperados con nubes de ceniza volcánica a la deriva.

• Siete de estos encuentros produjeron pérdida de potencia de los motores durante el vuelo, poniendo en peligro severo a más de 1500 pasajeros.

• Los costos de reparación y reemplazo asociados con encuentros de aviones con ceniza volcánica son altos y exceden los $200 millones. (Casadevall, 1994)

Otros datos

• La causa principal de la pérdida de potencia durante el vuelo es la acumulación de ceniza derretida y vuelta a solidificar en el interior del sistema de ventilación del motor, lo cual reduce el flujo efectivo de aire y ahogamiento.

• La ceniza volcánica es abrasiva, medianamente corrosiva y conductora. Pueden dañar severamente estructuras y componentes del motor. Los parabrisas son particularmente vulnerables a la abrasión o a grietas.

¿Qué cantidad de ceniza produce problemas?

En encuentro reciente (Feb. 2000) de un avión de investigación de la NASA DC-8-72 con una nube difusa de ceniza del volcán Mt Hekla

–Se detectó ceniza con instrumentos altamente sensibles

–Revisiones de comportamiento durante el vuelo e inspecciones visuales posteriores a los vuelos no mostraron daños por ceniza en el avión

–Exámenes posteriores revelaron obstrucciones en los conductos de aire del sistema de enfriamiento de las turbinas por lo cual hubo que reemplazar 4 motores.

http://www.dfrc.nasa.gov/DTRS/2003/PDF/H-2511.pdf

Distribución de volcanes en el mundo. Los triángulos abiertos representan volcanes que se cree han hecho erupción erupción en los últimos 10,000 años. Los triángulos rellenos son volcanes que han hecho erupción en el siglo 20.

Figura de Simkin, 1994

¿Dónde están?

Consideraciones importantes para la aviación

• La altura que alcanzan las columnas antes de que el viento disperse su carga de ceniza.

• La velocidad de ascenso de la columna.• El contenido de ceniza fina que puede

quedar en suspensión o precipitando en la atmósfera por períodos de tiempo y a distancias considerables.

• La duración de las nubes de ceniza.

Importancia de los sensores remotos

• Cobertura global• Permiten seguir la nube día y noche.• Proveen información en lugares

remotos• Pueden ser utilizados con sondeos para

determinar la altura de la nube y pronosticar su movimiento.

Three possible modes of behavior of eruption columns - intensity of eruption increases from left to right. Wind is from the left in each case. At side of each diagram are shown normalized velocity (v) profiles versus height (h) for these columns. Left, weak isolated thermals, which are influenced by the wind. Center, a higher intensity buoyant column, influenced by wind only at the top. Right, a high intensity, superbuoyant column with a pronounced umbrella region.

From Self and Walker, 1994

Tres modos de comportamiento de la nube

Diagrama de la distribución de las zonas de peligro para la aviación alrededor de la columna de una erupción según su frecuencia.

Misma escala en la vertical y en la horizontal.Self and Walker, 1994

¿Cómo identificar una nube de ceniza con imágenes de satélite?

Es más fácil buscar donde se reportó una erupción que buscar en las imágenes nada más.

Se requieren imágenes de varios canales:• Diferencia de temp. canales 12.0 - 10.7 um • Diferencia de temp. canales 8.5 - 10.7 um • Diferencia de temp./radiancia canales 3.9 - 10.7 um • Producto combinado canales 3.9 10.7 12.0 um

Diferencias de temperatura entre los canales 12.0 – 10.7 um

• Las nubes de ceniza volcánica con alta concentración de partículas de silicio tienen propiedades ópticas en el infrarrojo (8-13 um) que las distinguen de las nubes de agua líquida o sólida.

• La emisividad de las partículas de silicato es mas baja en 10.7 um que en 12.0

• La emisividad de las partículas de agua/hielo es mas alta en 10.7 um que en 12.0.

entonces…

Ceniza/polvo in the 10.7 – 12.0 um range

Silicates appear warmer at 10.7 um than at 12.0 um

Water/ice particles appear warmer at 12.0 um than at 10.7 umBT12.0um-BT10.7um = posativo para ceniza/polvo

BT12.0um-BT10.7um = negativo para nube de hielo/agua

Lascar, Chile July 20, 2000 GOES-8 visible imagery

nube de ceniza

Lascar, Chile Julio 20, 2000 1639 UTC GOES-8 Infrarrojo (10.7 um)

nube de ceniza

Lascar, Chile Julio 20, 2000 1639 UTC Ventana dividida (12.0 – 10.7 um)

Diferencias positivasDiferencias negativas

nube de ceniza – diferencias positivas

nube de heilo – diferencias negativas

IR4

TD4-5

Polvo

• Similar a la detección de ceniza.

• Emissivity of many soil particles at 10.7 um is less than that at 12.0 um:

T(12.0um) – T(10.7um) > 0.0

GOES-10 VISIBLE Imagery

Polvo arrastrado por el viento

Polvo arrastrado por el viento

3.9 – 10.7 um reflective/temperature differences

• The 3.9 um channel has both a strong reflected component during the day, as well as an emitted terrestrial component.

• DAY: higher reflectance for ash/dust clouds and water droplets; lower reflectance for ice particles

GOES-8 T(3.9um) – T(10.7um) durante el día

Lascar, Chile Ceniza

volcánica

Julio 20, 2000 16:39 UTC

Reflectivity Product

Polvo arrastrado por el viento

3.9 – 10.7 um reflective/temperature differences

• At night, there is no reflected component – only the emitted (and transmitted) components.

• NIGHT: BT3.0-BT10.7 = positive for thin ash/dust clouds

= positive for ice cloud = negative for water cloud

GOES-8 12.7 um channel

GOES-8 IR2 (3.9 um)

15 N

18 N

63 W

66 W

7-hr Ash cloud

low cloud

convective cloud

cirrus

Montserrat >

At night

10.7 - 12.0 um Product

T(3.9um)-T(10.7um)Ceniza a 7-hr de la erupción

18 N

low cloud

convective cloud

cirrus

15 N

63 W66 W

Montserrat >

Producto con canales 3.9 10.7 12.0

Producto Experimental de Ceniza Volcánica (Ellrod y colab. 2001)

B=C + m [T(12.0)-T(10.7)]+[T(3.9)-T(10.7)]

B= valor de emisión de salida

C=constante=60 (determinada empíricamente)

M=factor de escala=10 (determinado empíricamente)

T= temperatura de emisión a (longitud de onda)

Lascar, Chile July 20, 2000 1639 UTC Producto con los canales (3.9, 10.7, 12.0 um)

Ceniza

volcánica

Producto canales 3.9/10.7/12.0Ceniza a 7-hr de la erupción

18 N

low cloud

convective cloud

cirrus

15 N

63 W66 W

Montserrat >

Retos con el producto 10.7-12.0 um

• En nubes muy espesas, cuando se mezclan cristales de hielo y gotas de agua con la ceniza volcánica, no es fácil detectar la ceniza

• Difícil detectar concentraciones bajas de ceniza.

Retos para usar el producto diferencia 3.9 - 10.7 um

• Limitaciones de las medidas para escenarios fríos a 3.9 um:– La pendiente pronunciada de la función de

Plank a temperaturas bajas (<-40 C), el ruido del instrumento a 3.9 um se hace muy grande.

• Incertidumbres en cuanto a las propiedades de reflectividad/emisividad/transmisividad de la nube de ceniza.

Retos para GOES-12:12.0 um replaced by 13.3 um

Picture and avi loop from G. Ellrod NOAA/NESDIS/ORA

Volcanic gases/aerosols

Gases: water vapor, sulfur dioxide (SO2), chlorine, hydrogen sulfide, nitrogen oxides and more.

One of many processes: oxidation and hydration of SO2 -> H2SO4 (sulfuric acid)

The resulting ash/acid mix is highly corrosive and can cause damage to jet engines and external parts of the aircraft.

Absorption by SO2

Note MODIS channels

SO2 detection

Greater SO2 absorption at 7.3 um

BT 7.3 um – BT 6.7 um < 0

Less SO2 absorption at 8.5 um

Ash absorption at 8.5 um

BT 8.5 um – BT 12.0 um < 0

detecion de SO2

MODIS imagery and products for Reventador Volcano eruption

Ash and SO2 detection

3.54.0

4.55.0

5.56.0

6.57.0

7.58.0

8.59.0

9.510.0

10.511.0

11.512.0

12.513.0

13.514.0

14.515.0

15.5

Wavelength (micrometers)

200

220

240

260

280

300

Brigh

tness

Tem

pe

ratu

re (

K)

AIRS Aqua data

Volcano Reventador: 4 November 2002Volcano Etna: 22 October 2002Volcano Etna: 22 October 2002

Other uses of satellite imagery for volcano monitoring

• Hot spot detection

• Determination of cloud height with VISIBLE shadow technique .

< Popocatepetl, Mexico

Selected References

Prata, A. J. 1989: Observations of volcanic ash clouds in the 10-12 um window using AVHRR/2 data. Int. J. Remote Sensing, 10 (4 and 5), 751-761.

Engen; Cassadevall; Simkin; Self and Walker; Prata and Barton, Schneider and Rose, and other articles can be found in: Casadevall, T. J., 1994: Volcanic Ash and Aviation Safety: Proceedings of the First International Symposium on Volcanic Ash and Aviation Safety. U.S. Geological Survey Bulletin 2047.

Ellrod, G. P., B. H. Connell, and D. W. Hillger, 2001: Improved detection of airborne volcanic ash using multispectral infrared satellite data. J. Geophys. Res., 108 (D12), 6-1 to 6-13

Satellite Services Division – Washington Volcano Ash Advisory Center http://www.ssd.noaa.gov/VAAC/washington.html