Detecci

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Detección de ceniza volcánica y polvo

• Bernadette Connell
• CIRA/CSU/RAMMT

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Qué tienen en común las cenizas volcánicas y el
polvo?

• 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.

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Introducción

• Detección de ceniza volcánica para riesgo de
  aviación - fondo
• 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) Ejemplos
• 4) Limitaciones
• 5) Referencias seleccionadas

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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)

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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)

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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.

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• 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
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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?
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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.

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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.

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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
12
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
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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

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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

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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 um
• BT12.0um-BT10.7um posativo para ceniza/polvo
• BT12.0um-BT10.7um negativo para nube de
  hielo/agua

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Lascar, Chile July 20, 2000 GOES-8 visible
imagery
nube de ceniza
17
Lascar, Chile Julio 20, 2000 1639 UTC GOES-8
Infrarrojo (10.7 um)
nube de ceniza
18
Lascar, Chile Julio 20, 2000 1639 UTC Ventana
dividida (12.0 10.7 um)
nube de heilo diferencias negativas
nube de ceniza diferencias positivas
Diferencias positivas
Diferencias negativas
19
(No Transcript)
20
IR4
TD4-5
21
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) gt 0.0

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GOES-10 VISIBLE Imagery
Polvo arrastrado por el viento
23
Polvo arrastrado por el viento
24
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

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GOES-8 T(3.9um) T(10.7um) durante el día
Lascar, Chile ?
? Ceniza volcánica
Julio 20, 2000 1639 UTC
26
Polvo arrastrado por el viento
Reflectivity Product
27
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

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GOES-8 12.7 um channel
18 N
7-hr Ash cloud
At night
Montserrat gt
cirrus
low cloud
15 N
66 W
convective cloud
GOES-8 IR2 (3.9 um)
63 W
29
10.7 - 12.0 um Product
18 N
Ceniza a 7-hr de la erupción
T(3.9um)-T(10.7um)
Montserrat gt
cirrus
low cloud
15 N
convective cloud
66 W
63 W
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Producto con canales 3.9 10.7 12.0

• Producto Experimental de Ceniza Volcánica (Ellrod
  y colab. 2001)
• BC m T(12.0)-T(10.7)T(3.9)-T(10.7)
• B valor de emisión de salida
• Cconstante60 (determinada empíricamente)
• Mfactor de escala10 (determinado empíricamente)
• T temperatura de emisión a (longitud de onda)

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Lascar, Chile July 20, 2000 1639 UTC
Producto con los canales (3.9, 10.7, 12.0 um)
? Ceniza volcánica
32
18 N
Ceniza a 7-hr de la erupción
Producto canales 3.9/10.7/12.0
Montserrat gt
cirrus
low cloud
15 N
convective cloud
66 W
63 W
33
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.

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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 (lt-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.

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Retos para GOES-1212.0 um replaced by 13.3 um
Picture and avi loop from G. Ellrod
NOAA/NESDIS/ORA
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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 -gt H2SO4 (sulfuric acid) The
resulting ash/acid mix is highly corrosive and
can cause damage to jet engines and external
parts of the aircraft.
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Absorption by SO2
Note MODIS channels
38
SO2 detection

• Greater SO2 absorption at 7.3 um
• BT 7.3 um BT 6.7 um lt 0
• Less SO2 absorption at 8.5 um
• Ash absorption at 8.5 um
• BT 8.5 um BT 12.0 um lt 0

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MODIS imagery and products for Reventador Volcano
eruption
Ash and SO2 detection
detecion de SO2
40
(No Transcript)
41
Other uses of satellite imagery for volcano
monitoring

• Hot spot detection
• Determination of cloud height with VISIBLE shadow
  technique .

42
lt Popocatepetl, Mexico
43
(No Transcript)
44
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/w
  ashington.html