VolcanoAR: la plataforma que alerta sobre posibles erupciones volcánicas a partir de relámpagos

Es un sistema de monitoreo remoto y en tiempo real. Emplea información captada por antenas de una red internacional que registra la actividad eléctrica en todo el planeta. La herramienta local emula a una similar existente a nivel mundial, pero con un algoritmo optimizado para las particularidades de la geografía andina, que logra reducir un 75% las falsas alarmas.

La Cordillera de los Andes es una de las regiones con «mayor actividad tectónica del Planeta», por los sismos y las erupciones que ocurren en ella, según el Observatorio Argentino de Vigilancia Volcánica, dependiente del Ministerio de Desarrollo Productivo de la Nación. De las cerca de 500 estructuras volcánicas identificadas en ese cordón montañoso, un centenar fueron clasificadas como activas o potencialmente activas, de acuerdo a diversos estudios científicos.

Existe un sinnúmero de técnicas para monitorear la actividad de los volcanes. Desde la detección de movimientos de las capas internas del suelo, mediante sismógrafos, hasta el análisis químico de los gases que emanan al exterior o de las aguas termales cercanas. Desde hace más de una década, la World Wide Lightning Location Network (WWLLN) –una red que registra en tiempo real las descargas eléctricas en todo el mundo– sumó un nuevo método: la detección de actividad eléctrica atmosférica próxima a los volcanes como indicador de erupciones explosivas.

El proyecto de la WWLLN se denomina Ash Cloud Monitor (ACM) y vigila, minuto a minuto, las descargas que ocurren en un radio de 100 kilómetros en torno a 1.825 volcanes de distintas latitudes. Cuando identifica una actitud sospechosa, lanza una alerta por correo electrónico a las organizaciones e instituciones científicas suscriptas a su servicio. Aunque la información que aporta es valiosa, la iniciativa ACM genera una elevada tasa de falsas alarmas: en muchos casos, los eventos eléctricos son ocasionados por tormentas cercanas.

Con el propósito de disminuir las advertencias erróneas y generar una herramienta adecuada a las necesidades locales, un equipo científico nacional desarrolló la plataforma VolcanoAR. Si bien aprovecha el mismo principio que el ACM, su estructura y algoritmos mejorados permitieron reducir un 75% las falsas alarmas.

En la actualidad, VolcanoAR funciona y monitorea todos los volcanes argentinos, pero todavía se encuentra en fase de desarrollo. El grupo que la creó avanza con optimizaciones que surgieron a partir del primer relevamiento de datos, así como en mejoras para la interfaz de su portal web. Cuando esté totalmente operativa, la idea es que pueda acoplarse a otras plataformas para la detección de erupciones volcánicas.

Un cóctel de partículas, gases y cargas eléctricas

Al entrar en erupción, los volcanes expulsan material particulado y gases, principalmente vapor de agua. Esta mezcla forma una pluma volcánica, que puede alcanzar decenas de kilómetros de altura, según las condiciones atmosféricas.

«Esas partículas emitidas pueden cargarse eléctricamente al momento de ser expulsadas. O pueden hacerlo luego, por la interacción entre ellas y el vapor de agua, cuando se desarrolla la pluma volcánica. Esta es la causa por la cual se generan las descargas eléctricas», explica a Argentina Investiga Daiana Baissac, una de las creadoras de VolcanoAR e integrante de la Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa (UNIDEF), dependiente de Conicet y el Ministerio de Defensa de la Nación.

Las cargas eléctricas liberadas en la parte superior de la pluma volcánica son las de mayor intensidad y las que pueden ser registradas remotamente. Al igual que las ocurridas durante las tormentas, emiten radiación electromagnética de muy baja frecuencia (3-30 Khz), capaz de viajar largas distancias sin atenuarse, por ello es posible detectarlas mediante antenas especiales.

Para el desarrollo de VolcanoAR, el grupo científico delineó como área de estudio una región de los Andes comprendida entre los 22° y los 52° de latitud sur y los 66° y 76° de longitud oeste. En ese sector existen 107 volcanes, según los registros del Programa de Vulcanismo Global, del Instituto Smithsoniano (Estados Unidos). De ese centenar, el equipo nacional se enfocó en 32 volcanes. Para trazar un diagnóstico de la actividad eléctrica en la zona, analizaron una base de datos con registros desde 2011 hasta 2019.

Esa información fue provista por la WWLLN, que posee 80 antenas activas en distintos puntos del mundo. Cuatro de ellas se encuentran en la Argentina: una en Río Gallegos (Conicet), una en Trelew (Universidad Nacional de la Patagonia), otra en Villa Martelli (Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa), y la cuarta y más antigua, en Córdoba, en el edificio de la Facultad de Matemática, Astronomía, Física y Computación, de la UNC.

También consideraron la velocidad y la dirección del viento, porque ambos factores pueden incidir en la forma y la orientación de la nube de cenizas en una erupción. En este caso, recurrieron a datos 2013/2019 del Centro Nacional de Investigación Atmosférica de Estados Unidos.

Toda esa información les permitió determinar que por año apenas en un cinco por ciento de los días hubo una tormenta en proximidades de los volcanes. El dato es fundamental, porque sugiere que existe una baja probabilidad de que una erupción coincida con una tormenta.

Una herramienta para la toma de decisiones

El desarrollo de VolcanoAR comenzó a inicios de 2019. El objetivo fue crear una plataforma web interactiva que señalara en el mapa la ocurrencia de actividad eléctrica cercana a los volcanes. Funciona en tiempo real y se actualiza a cada minuto. A cada alerta, el sistema le asigna un color verde, amarillo o rojo. Este último indica la posible ocurrencia de una erupción, con material particulado y gas presente en la atmósfera.

¿Cómo funciona? Un algoritmo analiza la relación que existe entre el número de descargas eléctricas detectadas en un radio de 20 kilómetros del respiradero del volcán (anillo interno), y las ocurridas en una franja que va desde los 20 kilómetros hasta los 100 kilómetros (anillo externo).

La definición de ambos sectores es resultado de evaluar el historial de distintas erupciones. Ese análisis les permitió reconocer que la actividad eléctrica se inicia originalmente cerca del volcán. A medida que la columna de cenizas y materiales es desplazada por el viento, las descargas van ocurriendo cada vez a distancias más alejadas.

En VolcanoAR, una alerta roja se dispara en dos escenarios: cuando sólo se detecta actividad eléctrica atmosférica dentro del radio de 20 kilómetros, o cuando el número de descargas internas es el doble o más que el registrado en el anillo externo.

Para determinar la precisión de la herramienta, compararon las alertas emitidas por el ACM y las arrojadas por VolcanoAR, durante un período de 102 días, entre noviembre de 2019 y febrero de 2020. Determinaron que la iniciativa nacional arrojó un 75% menos de alertas falsas.

Un dato a considerar es que usualmente erupciones con baja energía, cuyas columnas de cenizas no alcanzan más de siete kilómetros de altura, difícilmente generan actividad eléctrica. En estos casos, esos eventos escapan a la detección de VolcanoAR.

La principal ventaja de esta herramienta radica en que la infraestructura para obtener los datos no requiere cercanía a los volcanes, como sí ocurre con monitoreos sísmicos o químicos. «Con un número reducido de antenas ya existentes y en uso para la detección de descargas meteorológicas puede cubrirse toda la cordillera», apunta Baissac y remarca que la WWLLN ya cuenta con antenas en territorio argentino y una decena en América del Sur, dispuestas en centros de investigación o universidades.

El algoritmo de las alertas

En la interfaz de la plataforma nacional, el sistema de alertas sigue una lógica similar a un semáforo. El color que se asigna a cada volcán monitoreado sigue las siguientes reglas:

  • Alerta verde | No se registra actividad eléctrica atmosférica en el anillo interno; o bien el número de eventos es menor que la mitad de los registrados en el anillo externo.
  • Alerta amarilla | Las descargas en el anillo interno son menos del doble que las del anillo externo; o bien son mayores o iguales a la mitad de las del anillo externo.
  • Alerta roja | Se detecta actividad eléctrica en el anillo interno, sin que se registre en el anillo externo. O el número de incidentes en el anillo interno es el doble o más que el sensado en el anillo externo.

La publicación científica

Volcanic alert system by lightning detection using the WWLLN – ash cloud monitor, Journal of South American Earth Sciences, febrero 2021.

Equipo de investigación y desarrollo

Daiana M. Baissac y Gabriela Nicora – Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa / Conicet.

Lucas J. Bali – Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa / Ministerio de Defensa de Argentina.

Gabriela Badi – Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas, Universidad de La Plata.

Eldo Ávila – Facultad de Matemática, Astronomía, Física y Computación, Universidad Nacional de Córdoba.

Fuente: Argentina Investiga

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