Estudio de las descargas eléctricas asociadas a la actividad volcánica en los Andes

Abstract

Los volcanes forman parte de nuestra historia. Sus relieves dominantes, los productos asociados a los volcanes activos, como fumarolas, movimientos sísmicos y emisiones de partículas y gases, son recuerdos constantes e ineludibles de una tierra dinámica, en constante cambio. A pesar de los avances en tecnología y conocimiento, las erupciones volcánicas siguen representando un riesgo importante para la salud, infraestructuras, aviación y actividades económicas. En particular, las plumas volcánicas pueden tener un impacto significativo en regiones distantes al volcán en actividad. La actividad eléctrica volcánica varía según la región de la pluma implicada y la dinámica de la erupción. Se dividen en tres tipos: descargas de conducto (vent discharges), descargas cercanas al conducto (Near-vent lightning) y descargas de pluma (Plume lightning). Las dos primeras son de baja intensidad y corta longitud, mientras que las descargas de pluma pueden alcanzar intensidades mayores y grandes longitudes, similares a las descargas meteorológicas típicas. La detección remota de actividad eléctrica en la columna eruptiva y nube volcánica puede resultar útil como herramienta complementaria para detectar erupciones explosivas y la presencia de ceniza volcánica en la atmósfera, permitiendo advertir a las comunidades aledañas y poner a resguardo aviones que transiten la región. En el transcurso de esta tesis, se comienza con una introducción sobre la actividad eléctrica volcánica, enunciando los objetivos generales y particulares planteados en la misma. Continúa con con la descripción los procesos de electrificación involucrados en cada fase de una erupción volcánica explosiva y su influencia en la actividad eléctrica resultante, para pasar luego a detallar los sistemas de detección y localización de descargas eléctricas existentes. Hacia el final de la tesis, se realiza un estudio sobre la actividad eléctrica atmosférica y las descargas eléctricas asociada a eventos volcánicos ocurridos en las últimas décadas en la región de los Andes, principalmente argentino-chilenos, utilizando los datos disponibles de la red global World Wide Lightning Location Network (WWLLN). Con estos datos y la información del proyecto “WWLLN Ash Cloud Monitor”, se desarrollan mejoras en el sistema de alerta de actividad volcánica basado en la detección de descargas eléctricas, mediante la creación de la plataforma web Georayos - VolcanoAr. Con esta plataforma, se pretende proporcionar una herramienta de rápida interpretación mediante un código de colores en un mapa georreferenciado y reducir las falsas alertas emitidas mediante la modificación de las condiciones que disparan las mismas.Finalmente, se presentan casos de estudio sobre erupciones recientes (desde el 2018 en adelante), utilizando redes terrestres y satelitales de más reciente desarrollo en la de detección de descargas eléctricas, como la red terrestre Earth Networks Lightning Network (ENTLN) y el sensor Geostationary Lightning Mapper (GLM) a bordo del satélite geoestacionario GOES-16, como también otras herramientas de sensado remoto, para analizar las características de las descargas eléctricas volcánicas de pluma y su relación con el desarrollo de la pluma volcánica.

Volcanoes are part of our history. Their dominant prominence, the products associated with active volcanoes, such as fumaroles, seismic movements and emissions of particles and gases, are constant and inescapable reminders of a dynamic and ever-changing Earth. Even with advances in technology and knowledge, volcanic eruptions continue to pose a significant risk to health, infrastructure, aviation and economic activities. In particular, volcanic plumes can have a significant impact in regions far from the active volcano. Volcanic electrical activity is a function of the region of the plume and the dynamics of the eruption. They are classified into three types: vent discharges, near vent lightning, and plume lightning. The first two are of low intensity and short duration, while plume lightning can reach higher intensities and greater lengths, similar to typical meteorological lightning. Remote detection of electrical activity in the eruptive column and volcanic cloud can be useful as a complementary tool for detecting explosive eruptions and the presence of volcanic ash in the atmosphere, which allows alerting nearby communities and warning aircraft transiting the region. The Thesis begins with an introduction to volcanic electrical activity, presenting its general and specific objectives. It continues with a description of the electrification processes involved in each phase of an explosive volcanic eruption and their influence on the resulting electrical activity, and then details the existing systems for detection and localization of electrical discharges. Towards the end of the Thesis, there is a study of the atmospheric electrical activity and electrical discharges associated with volcanic events occurred in the last decades in the Andean region, mainly in Argentina and Chile, using the data available from the World Wide Lightning Location Network (WWLLN). With this data and the information from the "WWLLN Ash Cloud Monitor"project, improvements are being made to the volcanic activity warning system based on the detection of electrical discharges through the creation of the web platform Georayos - VolcanoAr. This platform is intended to provide a quick interpretation tool through a color code on a georeferenced map and to reduce false alerts issued by adjusting the conditions that trigger them. Finally, we present case studies of recent eruptions ( from 2018), using ground and satellite networks of more recent development in lightning location systems, such as the Earth Networks Lightning Network (ENTLN) and the Geostationary Lightning Mapper (GLM) sensor on board the GOES-16 geostationary satellite, as well as other remote sensing tools to analyze the characteristics of lightning from volcanic plumes and their relationship with the development of the plumes.