DOAS per la misurazione da remoto di gas vulcanici

La tecnica DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy) permette di rilevare tracce di diversi gas presenti in atmosfera mediante un semplice apparato spettrofotometrico, sfruttando le differenze tra i loro specifici spettri di assorbimento. Le applicazioni vanno dallo studio degli inquinanti al monitoraggio dell’evoluzione di nuvole di gas altrimenti invisibili all’occhio umano.
Particolarmente interessante è l’impiego in vulcanologia in quanto la misura di alcuni gas come il diossido di zolfo (SO2), che si sanno provenire dall’attività vulcanica, offre importanti informazioni sui movimenti sotterranei delle masse magmatiche, utili anche a prevedere eventi catastrofici. La DOAS permette altresì di ottenere misure rapide e da molto distante, per un’analisi quasi real-time e senza rischi per operatori e strumenti.
Il Dipartimento di Scienze della Terra e del Mare (DiSTeM) dell’Università di Palermo, che da anni si impegna nello studio concreto della vulcanologia ed in particolare dell’attività di Stromboli, Vulcano ed Etna, ci illustra come e perché ha scelto di impiegare lo spettrofotometro compatto Ocean Optics USB2000+ nei suoi strumenti per il monitoraggio remoto di flussi di diossido di zolfo.

  1. Materiali e metodi

    • Spettrofotometro USB2000+

    • USB2000+ è lo spettrofotometro compatto portabandiera di Ocean Optics ed uno dei più venduti al mondo. Le sue dimensioni minime, l’elettronica montata a bordo e le possibilità di adattamento a specifiche applicazioni lo rendono estremamente flessibile e adeguato anche alla DOAS. In particolare, USB2000+ può essere facilmente trasportato e depositato sul luogo designato alla misura, è in grado di effettuare fino ad un migliaio di letture spettrali al secondo e ha un basso consumo di potenza. È anche importante notare che l’implementazione di diverse interfacce di comunicazione e la disponibilità di porte di I/O analogico e digitale rendono possibile il montaggio dello spettrofotometro in strumentazione più complessa, destinata ad esempio alla scansione automatizzata del cielo e alla comunicazione di pacchetti dati già elaborati verso remoto.
      Per il rilevamento del diossido di zolfo lo spettrofotometro USB2000+ viene equipaggiato con un reticolo olografico per UV ed un particolare filtro passa-banda in modo da rispondere nel campo spettrale tra 245 e 400nm con una risoluzione di 0,3nm.

    • Spettrofotometro JAZ

    • Lo spettrofotometro portatile JAZ ha caratteristiche ottiche del tutto simili a quelle dell’USB2000+ ma è offerto come strumento modulare. Al suo banco ottico è infatti possibile aggiungere un’interfaccia utente, una scheda di memoria SD, una batteria per le operazioni in pieno campo, un modulo per comunicazioni ethernet o wireless, il tutto mantenendo le dimensioni di uno strumento palmare. JAZ può anche essere programmato mediante un apposito linguaggio di scripting per elaborare direttamente i dati a bordo e quindi salvarli o visualizzarli direttamente sullo schermo LCD.

    • Telecamera multispettrale SPECTROCAM

    • L’utilizzo di una telecamera multispettrale permette di ottenere dati spettrometrici con una precisa risoluzione spaziale. In questo modo si può valutare, oltre alla presenza dei gas di interesse, anche la loro distribuzione nello spazio e l’andamento della stessa nel tempo.
      SPECTROCAM è una telecamera per uso scientifico munita di una ruota di 8 filtri ad interferenza passa-banda customizzabili. Il suo detector è una matrice 2D sensibile all’UV ed è progettata per permettere il montaggio di diversi obiettivi, a seconda dell’esigenza. Il software operativo incluso permette di effettuare elaborazioni delle immagini raccolte, in modo da dare in uscita un’immagine a falsi colori che già rilevi le zone di maggiore o minore presenza di gas.

  2. Realizzazione dell’esperimento

    • Campagna di misura con strumento mobile

    • Al fine di monitorare il flusso di anidride solforosa prodotta dal cratere La Fossa del Vulcano, uno strumento USB2000+ è stato montato su un mezzo motorizzato, accoppiato ad un telescopio diretto verso l’alto. Lo spettrofotometro è stato collegato ad un PC portatile che l’operatore ha trasportato in uno zaino, che al contempo forniva l’alimentazione allo strumento e ne registrava le misurazioni in modo automatico. Il sistema è stato completato con un’unità GPS al fine di tracciare la posizione spaziale di ogni singola misura. In questo caso non è stato necessario far comunicare direttamente l’unità GPS complementare con lo spettrofotometro, in quanto è stato possibile associare i dati spettrali con quelli di posizionamento in base all’ora di registrazione. La campagna si è svolta in un’area sottovento rispetto al pennacchio sotto osservazione ed il flusso di anidride solforosa è stato infine ottenuto integrando le quantità misurate di SO2 sulla sezione del pennacchio e poi moltiplicando per la velocità di trasporto. Come spesso accade, anche in questo caso la sorgente di riferimento per la DOAS è stata il Sole.

    • Campagna di misura con strumento fisso

    • La disponibilità di spettrofotometri UV compatti ha permesso la realizzazione di strumenti facilmente posizionabili in campo e capaci di effettuare misurazioni dei gas vulcanici con un’alta risoluzione temporale. Due sono le principali strutture utilizzate in vulcanologia. La prima, detta a scansione, utilizza un singolo strumento dotato di un’ottica mobile in grado di misurare di volta in volta porzioni diverse del cielo. In questo modo è possibile ottenere misurazioni spazialmente divise e dunque informazioni sulla distribuzione dei gas d’interesse, tuttavia il tempo di scansione riduce la risoluzione temporale delle letture. La seconda invece impiega due strumenti accoppiati a particolari ottiche dotate di un campo visivo rettangolare, largo ma limitato verticalmente: è la “wide-angle field of view DOAS”. I due telescopi vengono diretti verso aree separate da un piccolo angolo verticale, in modo da non sovrapporsi ma rimanere comunque vicine. Gli spettri così ottenuti danno un’indicazione media della concentrazione di anidride solforosa nei due campi visivi, dalla quale, mediante una semplice moltiplicazione per l’area osservata, si può calcolare l’ICA (Integrated Column Amount). Allo stesso tempo, utilizzando il metodo della correlazione incrociata, è possibile desumere la velocità di trasporto, quindi il flusso moltiplicando quest’ultima per l’ICA. Questo approccio, sviluppato solo recentemente, è in grado di offrire un’altissima risoluzione temporale dato che le misure avvengono ogni secondo. Uno strumento DOAS di questo tipo è stato posizionato sullo Stromboli, dove è stato possibile ottenere misurazioni risolte nel tempo fino ad identificare singoli eventi esplosivi ed il flusso di gas ad essi associato. I dati spettrometrici, temporalmente tracciati, sono poi stati messi a confronto con registrazioni geofisiche mostrando chiare correlazioni tra i flussi di gas, l’andamento della temperatura e l’attività sismica. Si tratta di un’importante novità nel campo dell’osservazione vulcanologica, che tradizionalmente non aveva strumenti di misura per eventi così rapidi.

  3. Il monitoraggio delle emissioni di gas vulcanici può essere effettuato in diversi modi, a seconda delle informazioni specifiche che si desidera ottenere, che vanno dalla quantità dei gas alla velocità di movimento dei pennacchi, alla loro interazione con altri gas atmosferici. È inoltre possibile allestire sia postazioni di misura fisse per l’osservazione di un particolare evento nel tempo, sia mobili per ottenerne anche una mappa spaziale. La strumentazione Ocean Optics è sufficientemente flessibile per permettere ciascuna di queste applicazioni, anche utilizzando lo stesso strumento in diverse configurazioni, risparmiando quindi sul costo totale dell’apparato.

  4. Conclusioni

  5. Le caratteristiche di compattezza, velocità di misura e compatibilità elettronica degli spettrofotometri Ocean Optics hanno permesso applicazioni di DOAS con specifiche prima impossibili. Ciò permette ai ricercatori di ottenere dati in tempo quasi reale e quindi monitorare al meglio l’attività dei vulcani, per una maggior comprensione dei fenomeni geologici anche veloci e una maggior capacità di prevederne l’andamento.
    Innumerevoli sono le documentazioni in letteratura di strumenti Ocean Optics già utilizzati a questo scopo, tra gli autori ricordiamo McGonigle, Galle, Horton, Kantzas, Platt, Aiuppa e Tamburello.

  6. Ulteriori applicazioni

    Applicazione DOAS della Michigan Tech University
    Setting di misura assorbanza di gas

    Se si desidera maggiori informazioni su questa e altre possibili applicazioni degli strumenti offerti da GHT Photonics, lo staff del settore analisi ottica sarà lieto di rispondere alle vostre richieste.

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