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La simulazione dei flussi piroclastici ai Campi Flegrei

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By on clima e geofisica, prima pagina

La simulazione dei flussi piroclastici ai Campi Flegrei

I Campi Flegrei sono una caldera attiva, interessata dal fenomeno del bradisismo, cioè dal lento movimento verticale del suolo, con fasi di sollevamento e fasi di abbassamento, di cui abbiamo notevoli testimonianze sia storiche  che geologiche. Le fasi di sollevamento sono solitamente accompagnate da sismicità. L’attuale fase di deformazione del suolo positiva prosegue ininterrotta dal 2005.
di Micol Todesco, Tomaso Esposti Ongaro, Augusto Neri
www.ingvambiente.it

Gli sciami sismici registrati di recente, superficiali e con magnitudo massima fino a 4.2, hanno spaventato molti residenti e giustamente riacceso interesse e preoccupazione rispetto a quanto sta accadendo, o potrebbe accadere, ai Campi Flegrei. I vari contenuti disponibili online sull’argomento vengono visualizzati e condivisi da moltissime persone. Fra questi, hanno comprensibilmente suscitato particolare interesse alcuni video che mostrano la simulazione al computer di un’eruzione esplosiva ai Campi Flegrei.

Eruzioni al supercomputer

Si tratta di una serie di simulazioni numeriche, realizzate tra il 2008 e il 2011 e pubblicate anche sul canale YouTube INGVvulcani. Sono prodotti scientifici mirati allo studio della formazione e propagazione dei flussi piroclastici, correnti caldissime di gas e ceneri che si propagano velocemente sul territorio, con applicazioni a vari vulcani del mondo, fra cui Vesuvio e Campi Flegrei. Nello stesso periodo fu realizzato un video per descrivere il contesto scientifico e le collaborazioni internazionali che hanno reso possibili questi studi.

Vista la grande attenzione che stanno ricevendo nelle ultime settimane, ci sembra opportuno tornare sull’argomento per fornire qualche informazione in più e chiarire il significato di queste simulazioni da un punto di vista scientifico (Figure 1 e 2).

Simulazione numerica tridimensionale della fase di collasso di una colonna Pliniana ai Campi Flegrei, di scala analoga all'eruzione di Agnano Monte Spina (avvenuta circa 4.500 anni fa). La bocca eruttiva è ipotizzata al centro della conca di Agnano. Le condizioni della miscela eruttiva assunte alla bocca sono basate sulla ricostruzione dell’eruzione di Agnano Monte Spina e il flusso di massa ipotizzato è dell’ordine di 108 kg/s. Le diverse tonalità di colore rappresentano la temperatura della miscela piroclastica dopo 1 minuto e 34 secondi di simulazione: 100°C (esterno, rosa) e 350°C (interno, da rosso a giallo). La topografia è rappresentata da un modello digitale del terreno (DEM) con risoluzione di 10 m sul quale sono state in qualche caso sovrapposte delle ortofoto aeree.
Figura 1 – Simulazione numerica tridimensionale della fase di collasso di una colonna Pliniana ai Campi Flegrei, di scala analoga all’eruzione di Agnano Monte Spina (avvenuta circa 4.500 anni fa). La bocca eruttiva è ipotizzata al centro della conca di Agnano. Le condizioni della miscela eruttiva assunte alla bocca sono basate sulla ricostruzione dell’eruzione di Agnano-Monte Spina e il flusso di massa ipotizzato è dell’ordine di 108 kg/s. Le diverse tonalità di colore rappresentano la temperatura della miscela piroclastica dopo 1 minuto e 34 secondi di simulazione: 100°C (esterno, rosa) e 350°C (interno, da rosso a giallo). La topografia è rappresentata da un modello digitale del terreno (DEM) con risoluzione di 10 m sul quale sono state in qualche caso sovrapposte delle ortofoto aeree.

Le simulazioni sono state prodotte utilizzando un modello matematico, che utilizza le equazioni della fluidodinamica per descrivere lo sviluppo di una colonna eruttiva e il suo collasso, con la formazione di flussi piroclastici.

Contrariamente a quello che si può pensare, il modello non descrive quindi l’intera eruzione vulcanica, ma solo quella fase dell’eruzione in cui si formano e si propagano i flussi piroclastici. Trattandosi di un modello, la simulazione non restituisce il fenomeno vulcanico nella sua interezza e completezza. Ci sono diversi aspetti che non sono presi in considerazione, ad esempio la grande variabilità di tipologie e dimensioni delle particelle eruttate (piroclasti), o l’interazione fra i flussi piroclastici e l’acqua del mare. Ciò nonostante, il modello è in grado di descrivere in modo quantitativo le caratteristiche salienti dell’eruzione, che ne determinano l’evoluzione e l’impatto sul territorio.

Simulazione numerica tridimensionale della fase di collasso di una colonna Pliniana ai Campi Flegrei, di scala analoga all'eruzione di Agnano Monte Spina (avvenuta circa 4.500 anni fa). La bocca eruttiva è ipotizzata al centro della conca di Agnano. Le condizioni della miscela eruttiva assunte alla bocca sono basate sulla ricostruzione dell’eruzione di Agnano Monte Spina e il flusso di massa ipotizzato è dell’ordine di 108 kg/s. Le diverse tonalità di colore rappresentano la temperatura della miscela piroclastica dopo 5 minuti e 32 secondi: 100°C (esterno, rosa) e 350°C (interno, da rosso a giallo). La topografia è rappresentata da un modello digitale del terreno (DEM) con risoluzione di 10 m (in grigio).
Figura 2 – Simulazione numerica tridimensionale della fase di collasso di una colonna Pliniana ai Campi Flegrei, di scala analoga all’eruzione di Agnano Monte Spina (avvenuta circa 4.500 anni fa). La bocca eruttiva è ipotizzata al centro della conca di Agnano. Le condizioni della miscela eruttiva assunte alla bocca sono basate sulla ricostruzione dell’eruzione di Agnano-Monte Spina e il flusso di massa ipotizzato è dell’ordine di 108 kg/s. Le diverse tonalità di colore rappresentano la temperatura della miscela piroclastica dopo 5 minuti e 32 secondi: 100°C (esterno, rosa) e 350°C (interno, da rosso a giallo). La topografia è rappresentata da un modello digitale del terreno (DEM) con risoluzione di 10 m (in grigio).

Per applicare il modello matematico, abbiamo bisogno di definire alcune caratteristiche dell’eruzione che vogliamo simulare: dobbiamo decidere quanto deve essere grande (e quindi quanto materiale sarà in grado di eruttare nell’unità di tempo), ma anche dove sarà posizionata la bocca eruttiva. Abbiamo anche bisogno di definire alcune caratteristiche della miscela eruttiva (come la temperatura, o le dimensioni delle particelle di cenere vulcanica) che influenzeranno il suo comportamento nel corso della simulazione (sono quelli che chiamiamo parametri di input).

Quando vogliamo simulare un’eruzione del passato, possiamo dedurre queste informazioni, sia pur con incertezza, a partire dalla stratigrafia geologica, e dalla ricostruzione delle diverse fasi dell’eruzione.

Simulare l’eruzione di Agnano – Monte Spina

La simulazione riportata nel video, ad esempio, è stata realizzata per descrivere una grande eruzione analoga a quella avvenuta ai Campi Flegrei circa 4500 anni fa: l’eruzione cosiddetta di Agnano-Monte Spina. Per rappresentarla, la bocca eruttiva è stata posizionata al centro della conca di Agnano. Si tratta di un’eruzione di grande scala, tra le più grandi degli ultimi 15000 anni, con un flusso di materiale eruttato dell’ordine di 108 kg/s (ossia 100000 tonnellate al secondo). Eruzioni di questa grandezza vengono definite pliniane, per analogia con l’eruzione del Vesuvio del 79 dC, che fu descritta da Plinio il Giovane. Eruzioni così grandi non sono frequenti: ai Campi Flegrei; negli ultimi 15000 anni ci sono stati solo 3 o 4 eventi di questa scala su un totale di circa 70 eruzioni. È quindi poco probabile che un’eventuale ripresa dell’attività eruttiva ai Campi Flegrei avvenga con un’eruzione di grande scala.

La simulazione di grandi eruzioni è comunque importante proprio perché questi eventi sono rari e, per loro natura, sono estremamente difficili da osservare e “misurare” direttamente in natura (e di questo abbiamo parlato in questo articolo: https://ingvvulcani.com/2023/03/03/come-si-studiano-le-grandi-eruzioni/). Nel caso dell’eruzione di Agnano-Monte Spina, il modello matematico ha permesso di tenere conto della topografia, e di descrivere l’interazione dei flussi con i rilievi che caratterizzano la caldera Flegrea. Le simulazioni hanno consentito di mappare alcune variabili importanti per valutare l’impatto dell’eruzione, come ad esempio la temperatura massima raggiunta, la pressione esercitata dai flussi in movimento sulle strutture o la concentrazione di cenere dispersa in aria. I risultati di questi studi sono stati condivisi e discussi all’interno della comunità scientifica e con le autorità della Protezione Civile nazionale e regionale e, come tanti altri risultati della ricerca in vulcanologia, fanno parte del bagaglio di conoscenze che si usano nello studio dei fenomeni vulcanici.

Studiare per comprendere

Oggi come oggi non abbiamo informazioni che ci permettano di definire in anticipo e con precisione che caratteristiche avrebbe un’eventuale futura eruzione ai Campi Flegrei. Non sappiamo con certezza dove si potrebbe aprire la bocca eruttiva, né quanto grande e lunga sarebbe l’eruzione, o quale tipo di magma la alimenterebbe. Naturalmente si possono fare delle stime, basandosi sulla storia eruttiva della caldera, sui dati del monitoraggio e utilizzando approcci di tipo probabilistico, ma… L’ARTICOLO CONTINUA QUI

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