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GEOLOGÍA

Un vigía espacial

Imágenes infrarrojas satelitales pueden resultar útiles para pronosticar erupciones volcánicas

El Kilauea, en Hawái, (foto) se encuentra en erupción casi permanente desde hace años

United States Geological Survey (USGS) El Kilauea, en Hawái, (foto) se encuentra en erupción casi permanente desde hace añosUnited States Geological Survey (USGS)

Entre los cientos de volcanes activos en la Tierra (la cantidad exacta es objeto de debate entre los expertos), pocos son monitoreados con instrumentos fijos e investigadores en campo, ya que éstos se arriesgan a perecer asfixiados, enterrados o incinerados. Pese a que varios satélites escudriñan constantemente la superficie terrestre, no existe un sistema global capaz de alertar a las poblaciones vecinas a los volcanes cuándo una erupción es inminente. Ese objetivo aún se encuentra lejos de alcanzarse, pero se han propuesto alternativas para el estudio de las actividades volcánicas en escala planetaria. En ese contexto, investigadores de la Universidad de Campinas (Unicamp) y de la Universidad de Cambridge, en Inglaterra, han desarrollado un método destinado a analizar las imágenes de volcanes obtenidas mediante diferentes sensores de radiación infrarroja dispuestos a bordo de satélites y, así, tal vez puedan anticiparse en meses las erupciones.

El equipo de científicos aplicó, en distintos estudios, la metodología que apunta al estudio de la actividad en cinco volcanes activos durante el transcurso de la última década en diferentes sitios del planeta. Los resultados indican que podría implementarse un sistema automático para la detección, desde el espacio, de alteraciones sutiles en la actividad termal de los volcanes, que funcionan como un indicador de que esos sistemas se aprontan a entrar en erupción. “La investigación de esas anomalías, a partir de algoritmos desarrollados en nuestra investigación, permite la identificación de señales que preceden al flujo de lava en determinados volcanes”, dice el inglés Samuel Murphy, quien defendió su tesis doctoral sobre este tema al comienzo de este año en la Unicamp, bajo la dirección de Carlos Roberto de Souza Filho, geólogo especialista en monitoreo remoto de la universidad paulista, y del vulcanólogo Clive Oppenheimer, de la Universidad de Cambridge. Cuanto más caliente es un objeto, más radiación infrarroja emite. “Se puede observar desde el espacio la variación de la energía térmica emitida por un volcán a lo largo del tiempo”, explica Souza Filho. Luego de concluir en 2007 su maestría en geología en la Universidad de Bristol, en el Reino Unido, Murphy decidió conocer a una parte de la familia de su madre brasileña, en Campinas, y acabó ingresando en la Unicamp. Ahí se convirtió en alumno de doctorado de Souza Filho, quien fuera colega de Oppenheimer durante su doctorado en Inglaterra.

En un artículo publicado recientemente, en abril de este año, en la Remote Sensing of Environment, la revista con mayor factor de impacto del área, los geólogos y vulcanólogos ingleses y brasileños mostraron el potencial de esta metodología. Compararon la actividad del Láscar, en el norte de Chile, entre 2000 y 2012, con la de otros tres volcanes; el Erta Ale, en Etiopía, con su lago de lava más o menos constante; el Kilauea, en Hawái, que vierte lava casi sin interrupción desde 1983; y el explosivo Kliuchevskói, el mayor volcán de la península de Kamchatka, en Rusia. Las imágenes térmicas que se utilizaron en el trabajo fueron generadas por dos sensores infrarrojos, el Aster y el Modis, ambos montados en el satélite Terra, lanzado por la NASA en 1999. Su órbita de alrededor de 700 kilómetros de altitud atraviesa los polos Norte y Sur, logrando que el satélite cruce el ecuador siempre a la misma hora del día o de la noche.

El Aster capta la radiación infrarroja en varias longitudes de onda y genera imágenes con una resolución espacial considerada relativamente alta, entre 30 y 90 metros. Aunque la resolución espacial de 1 kilómetro del Modis sea bastante menor que la del Aster, éste registra dos imágenes de un mismo sitio de la Tierra cada 24 horas, mientras que el Aster, en promedio, lo hace solamente una vez cada 16 días. La idea de los investigadores consistió en analizar en conjunto las imágenes provistas por ambos sensores. Las informaciones del Aster se utilizaron para demarcar regiones de los volcanes con temperatura anormal y las del Modis para ayudar a controlar la evolución de esas áreas a través del tiempo.

044-047_Vulcoes_214-01De este modo, se pudo registrar la evolución del lago de lava dentro del cráter del Kliuchevskói en dos ocasiones. En febrero de 2007, las imágenes ya indicaban actividad anormal en el volcán, pero recién en junio comenzaron las erupciones. Como consecuencia de esa erupción se debió interrumpir el tráfico aéreo en algunas regiones de Asia y de Estados Unidos. En 2008, también se registraron meses antes señales de una erupción menor. Los científicos sugieren que los derrames de lava de las erupciones del Kliuchevskói podrían preverse con dos semanas de anticipación. Eso sería posible si existiese un sistema de monitoreo automático capaz de emitir un alerta cuando un área en el interior del cráter, equivalente a más de 5 píxeles del total de 500 millones que contienen las imágenes enviadas por el satélite, elevara en 40ºC su temperatura con respecto a su entorno.

Los datos aportados por el Modis también sirvieron para identificar sutiles oscilaciones semanales, mensuales y anuales en el tamaño y la intensidad de las regiones con temperatura anormal de los volcanes. “Oscilaciones más rápidas  se asocian con la actividad superficial, es decir, con los derrames de lava”, explica Murphy. “En tanto, las variaciones más lentas se relacionan con la actividad profunda, como por ejemplo el aumento del magma en la cámara magmática”. También participó en el trabajo el vulcanólogo Robert Wright, de la Universidad de Hawái en Manoa, Estados Unidos, quien propuso un sistema pionero para el monitoreo global de los volcanes en 2000, a partir de las imágenes provistas por el sensor Modis.

En un trabajo previo, publicado en 2011 en el periódico Journal of Volcanology and Geothermal Research, Souza Filho, Oppenheimer y Murphy analizaron las imágenes obtenidas por el Aster, entre 2000 y 2009, de dos volcanes muy distintos. El monte Erebus se alza en la isla de Ross, en la Antártida, en una gélida región polar y posee un lago de lava permanente, con actividad constante, mientras que el chileno Láscar se encuentra en un desierto abrasador y sus erupciones explosivas son intermitentes. El desafío consistió en detectar y delimitar, en las imágenes infrarrojas, sectores de los volcanes con temperaturas tan sólo algunas decenas de grados más calientes o más frías que las de sus alrededores, e interpretarlas con el auxilio de los informes registrados en las expediciones de campo a los volcanes.

Los investigadores lograron identificar un sutil aumento de la temperatura en el interior del cráter del Erebus, asociado con una pluma acuosa fuera de lo común, muy rica en compuestos volátiles, que el volcán emitió en enero de 2001. Tan interesante como esa medición fue la detección del calentamiento alrededor del Láscar nueve meses antes de un período de erupciones ocurrido en octubre de 2002, probablemente debido a un aumento en la emisión de gases. Tres meses antes del comienzo de otra fase de erupciones, en abril de 2006, los investigadores advirtieron una declinación gradual, seguida por un aumento de la temperatura, asociada con la emisión de gases o con la formación de un domo de lava.

Monte Erebus, en la Antártida: el mayor volcán activo de ese continente

NICK POWELL / NATIONAL SCIENCE FOUNDATIONMonte Erebus, en la Antártida: el mayor volcán activo de ese continente NICK POWELL / NATIONAL SCIENCE FOUNDATION

Los volcanes son sitios de la Tierra donde el magma ‒la roca derretida que existe en algunos lugares inmediatamente debajo de la corteza terrestre, con temperaturas que oscilan entre 600ºC y 1.300ºC‒ logra ascender y acumularse cerca de la superficie en cámaras subterráneas. Durante una erupción, el magma puede simplemente desbordar del cráter del volcán o escapar por fisuras y escurrir derramando lava. Incluso puede solidificarse antes de alcanzar la superficie, acumulándose en domos (vea la figura de al lado). “Los domos son peligrosos porque en ellos el magma contiene compuestos volátiles, principalmente agua, disueltos e incorporados dentro de sí, y las altas temperaturas y concentraciones de esos compuestos volátiles pueden provocar erupciones extremadamente violentas”, explica Murphy.

Todo depende de la composición química del magma. Cuanto menor sea la proporción de sílice en el mismo, más fluida es su lava y las erupciones tienden a ser más suaves y continuas, tal como ocurre en los volcanes de Hawái. Cuanto mayor sea la concentración de sílice, más viscoso es el magma que, a menudo, se acumula en domos hasta explotar. Las explosiones pueden generar una pluma de cenizas, vapor, gas carbónico y dióxido de azufre, que alcanza decenas de kilómetros de altura; o bien corrientes de rocas y cenizas alrededor del volcán, que se desplazan a velocidades de hasta 300 metros por segundo, el denominado flujo piroclástico.

En el planeta se registran anualmente entre 50 y 70 erupciones, que pueden durar horas o meses. Las corrientes atmosféricas esparcen las cenizas de las grandes erupciones a miles de kilómetros. Esas cenizas pueden acumularse, derretirse y fundirse dentro de las turbinas de los aviones. Hasta ahora, ninguna aeronave cayó por esa razón (aunque los vuelos hayan sido afectados temporalmente), pero los daños en las turbinas y la interrupción del tráfico aéreo en varios países durante algunos días pueden significar cifras de miles de millones de dólares.

El estado de Rio Grande do Sul se ve afectado periódicamente por las plumas de las erupciones de los volcanes andinos. La mañana del 21 de abril de 1993, los gaúchos que salieron temprano de su hogar para la votación del plebiscito nacional sobre el sistema de gobierno del país fueron sorprendidos por una leve garúa de cenizas. En Porto Alegre, las calles, capós de automóviles y los techos quedaron cubiertos por una fina capa de polvo oscuro lanzada a la atmósfera por una erupción del volcán Láscar, en el norte de Chile, a 1.800 kilómetros de distancia. Más recientemente, en 2011, el espacio aéreo del estado fue cerrado a causa de la erupción de otro volcán chileno, el Puyehue.

Aunque son generalmente imprevisibles, los volcanes suelen brindar señales de que van a entrar en erupción, a veces con horas y otras con meses de anticipación. El síntoma más estudiado es el aumento en los temblores de tierra, detectados por las estaciones sismológicas. Otras pistas frecuentes son las modificaciones de algunos centímetros en el relieve, que pueden detectarse, por ejemplo, mediante sistemas de radares interferométricos; y el aumento en la emisión de gases y los cambios en su composición. El grupo de la Unicamp-Cambridge apuesta a otra vertiente: el seguimiento satelital de la variación de la actividad termal en todo el volcán y sus alrededores. Según Souza Filho, la mayoría de los trabajos anteriores se concentraba en cuantificar, en una imagen satelital, la región con temperatura máxima de un volcán o la temperatura promedio de un volcán en su conjunto. Con todo, lo que generalmente permite diferenciar un volcán dormido de uno próximo a explotar son las variaciones de temperatura en sitios específicos.

044-047_Vulcoes_214-02“Todavía restan desafíos para convertir a dichas mediciones satelitales en una operación de rutina”, comenta Oppenheimer por e-mail, en directo desde la isla de Ross, en la Antártida, donde estudia al mayor volcán activo del continente, el monte Erebus. “Pero la investigación de Murphy no sólo identificó tendencias asombrosas en las emisiones de calor de los volcanes, sino que también analizó los detalles de técnicas para automatizar el procesamiento de enormes volúmenes de datos y extraer rápidamente las señales térmicas que nos interesan”. Las oscilaciones de temperatura podrían ayudar para prever la duración e intensidad de futuras erupciones. “Cada volcán presenta una actividad muy particular”, explica la vulcanóloga brasileña Rosaly Lopes, del Laboratorio de Propulsión a Chorro, de la NASA. “Resulta importante comprender esa individualidad porque probablemente su comportamiento será similar en el futuro”.

Murphy prosigue con las investigaciones de monitoreo remoto de los volcanes activos en la Unicamp, mediante una beca de posdoctorado concedida por la FAPESP. Souza Filho y él están analizando imágenes del más reciente satélite de observación de la Tierra con que cuenta la NASA, el Landsat 8. En 2014, la Agencia Espacial Europea pondrá en órbita dos nuevos satélites: Sentinels 2 y 3. En conjunto, los datos aportados por esos satélites permitirán el monitoreo de los volcanes con imágenes con una resolución espacial de hasta 10 metros, tomadas cada cinco días. Sin embargo, Murphy ya dedujo en sus tesis que incluso los nuevos instrumentos no serían capaces de registrar temperaturas confiables de los volcanes. En un artículo aceptado para su publicación el mes pasado en la revista Sensing of Environment, los investigadores propusieron un método todavía más refinado para calcular la energía térmica irradiada en cada punto de un volcán. “Aguardábamos con cierta ansiedad las conclusiones de ese artículo en particular. Se trata de una propuesta polémica, ya que podría modificar la forma en que se están midiendo las anomalías térmicas desde el espacio al menos desde la década de 1970”, dice Souza Filho.

Proyecto
Monitoreo global de volcanes con énfasis en América del Sur, utilizando la próxima generación de sensores orbitales (nº 2013/ 03711-5); Modalidad Beca de Posdoctorado; Coord. Samuel Murphy – Unicamp; Inversión R$ 163.082,88 (FAPESP).

Artículos científicos
MURPHY, S.W. et alModis and Aster synergy for characterizing thermal volcanic activityRemote Sensing of Environment. n. 131. 15 abr. 2013.
MURPHY, S.W.; OPPENHEIMER, C.; SOUZA FILHO, C.R., Calculating radiant flux from thermally mixed pixels using a spectral libraryRemote Sensing of Environment. n.132 (aceito em 21 nov. 2013).

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