Project

Discipline

Lattice Boltzmann; modelling; volcanic ash ; volcanic plumes; tephra deposits; laboratory experiments; ash sedimentation

Lead
Con questo progetto proponiamo una ricerca multidisciplinare che attraverso studi numerici, di terreno e di laboratorio possa migliorare la comprensione, la descrizione e la modellizzazione delle instabilità gravitazionali che si formano alla base delle nubi vulcaniche e che controllano la sedimentazione della cenere fine. Come dimostrato da recenti crisi vulcaniche (si ricordi ad esempio la crisi del vulcano Eyjafjallajokull, Islanda, 2010), la dispersione nell’atmosfera e l’accumulo a terra di cenere vulcanica possono avere un grande impatto sia a scala locale (come ad esempio l’impatto sulle infrastrutture e sulla salute) che a scala globale (come ad esempio l’impatto sul traffico aereo) paralizzando interi settori economici (come il commercio e l’agricoltura). La mitigazione di questi impatti può avvenire solo tramite un’accurata descrizione di tutti quei processi che controllano la dispersione e sedimentazione della cenere vulcanica, come appunto le instabilità gravitazionali.
Lay summary
Soggetto e obiettivo Il nostro obiettivo principale è la comprensione e la descrizione numerica della sedimentazione della cenere vulcanica fine attraverso lo sviluppo di instabilità gravitazionali alla base di nubi vulcaniche. Queste instabilità, che appaiono simili alle bande di pioggia verticali che si vedono spesso alla base di nubi meteorologiche, si possono formare alla base di nubi vulcaniche per piccole differenze di densità e favoriscono la sedimentazione di cenere fine. Questo comporta un maggiore accumulo di cenere fine a terra in zone vicino al vulcano e una minore concentrazione in atmosfera in zone distali, compromettendo la previsione numerica di dispersione di cenere fine che non tiene conto di questo fenomeno. Le osservazioni in tempo reale di queste instabilità durante eruzioni vulcaniche (il nostro caso studio è l’Etna in Italia) e la loro riproduzione in laboratorio che sono oggetto di questo progetto ci consentiranno di sviluppare una migliore comprensione di questo fenomeno. Le osservazioni di terreno e di laboratorio saranno anche accompagnate da studi numerici 3D che permetteranno un’analisi più approfondita delle condizioni che possono generare questo fenomeno. Contesto socio-scientifico La mancanza di una descrizione accurata della dispersione e sedimentazione della cenere fine rappresenta uno dei problemi principali delle attuali previsioni numeriche utilizzate sia durante le crisi vulcaniche per la mitigazione del rischio al trasporto aereo che per la pianificazione del territorio a lungo termine. Il nostro lavoro permetterà di migliorare la descrizione numerica della dispersione di cenere fine nell’atmosfera e del suo accumulo a terra per poter migliorare l’accuratezza dei modelli numerici utilizzati per mitigare i rischi vulcanici sia a terra che in atmosfera.

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Last update: 25.06.2017

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This new research project will fund two PhD students (subprojects A and B) and builds on the consolidated collaboration between the Group of Physical Volcanology and Geological Risk of Prof. Bonadonna and the Scientific and Parallel Computing Group of Prof. Chopard of the University of Geneva to further improve our understanding of particle sedimentation from volcanic plumes and the forecasting of ash dispersal. Motivation: Dispersal and sedimentation of volcanic ash pose numerous hazards at both local and global scale, including damage to infrastructure, pollution of the ecosystem and paralysis of entire economic and transport sectors. Even though Volcanic Ash Transport and Dispersal Models (VATDMs) have now reached a high level of sophistication, an accurate and comprehensive parameterization of size-selective sedimentation processes (i.e. particle aggregation and gravitational instabilities) does not exist. Nonetheless, various examples of empirical parameterization of particle aggregation have recently improved specific hazard assessments, while gravitational instabilities from volcanic clouds are far from being understood and quantitatively described. In particular, given that both size-selective processes affect the same size population (i.e. fine ash) in a similar manner (i.e. increasing the settling velocity), the associated effects might be often misinterpreted and wrongly described. These misconceptions have important implications for long-term hazard assessment of tephra sedimentation, real-time forecasting of ash-rich plumes and health-hazard assessments.Goal and specific objectives: With this new project we plan to develop a comprehensive parameterization for gravitational instabilities that can be implemented in VATDMs, both for real-time forecasting and long-term planning. Specific objectives include: 1) the characterization of gravitational instabilities based on field observations (subpr. A), scaled laboratory experiments (subpr. A) and 3D numerical modelling (subpr. B) in order to improve our fundamental understanding of this size-selective sedimentation process and quantification of its dynamics; 2) the study of the role of gravitational instabilities on particle aggregation based on field, experimental and numerical investigations (both subprojects); 3) the implementation of the new parameterization of gravitational instabilities within an existing hybrid Eulerian-Lagrangian model for tephra dispersal (subpr. B). Methods: Field observations, scaled laboratory experiments and dedicated 3D numerical modeling will be combined in order to develop a comprehensive and versatile parameterization of gravitational instabilities that can be implemented in VATDMs. In particular, a new recirculating tank for the study of plumes in cross-flow will be built at the University of Geneva and both field and laboratory experiments will benefit from the use of sophisticated and state-of-the-art measuring strategies (e.g. LiDAR, ASHERs, PIV/PLIF). A dedicated 3D Lattice Boltzmann numerical model will also be developed based on both field and experimental constraints and will be used to explore a wide range of initial conditions. Given the high frequency of eruptions and occurrence of gravitational instabilities, field observations will be carried out at Etna volcano (Italy).Scientific relevance and broader impact: The success of this project relies on the synergy amongst international experts in field characterization, experimental investigations and numerical modeling of volcanic processes and will help shed some light on a currently neglected size-selective sedimentation process, i.e. gravitational instabilities. The main goal of this project is in line with the main research priorities identified during the first two IUGG-WMO workshops on Ash Dispersal Forecast and Civil Aviation (2010-2013), i.e. better quantitative description of fine-ash dispersal. Results of the project will also be shared with operational agencies involved in real-time forecasting of volcanic clouds during volcanic crises (e.g., Italian National Institute for Geophysics and Volcanology - INGV, Volcanic Ash Advisory Centers - VAACs).