Instrumentación, matemática y física del fenómeno volcánico

La física es una ciencia predictiva y, por ello, es la herramienta que nos permite abordar teóricamente el estudio de los fenómenos naturales y establecer sus pautas de comportamiento para pronosticar su evolución. Los fenómenos naturales se caracterizan por una serie de observables que en el caso de un volcán son entre otros, la actividad sísmica, la deformación, los gases, la temperatura, etc. El análisis de la evolución de los observables nos permite conocer si el sistema posee memoria, es decir, lo que hará mañana es consecuencia de lo que ha hecho anteriormente. Sólo los sistemas con memoria son pronosticables y sus observables se aceleran inmediatamente antes de un cambio significativo. Los observables hay que poderlos cuantificar, por ello, es imprescindible el desarrollo de instrumentación específica, metodología matemática y modelos físicos. El desarrollo del conocimiento teórico e instrumental debe de ser continuo, aprovechando al máximo las posibilidades que ofrecen las nuevas tecnologías, considerando sus ventajas y sus vulnerabilidades. Por último, los investigadores debemos ser capaces de comunicar este conocimiento a los responsables de la gestión de la emergencia volcánica, de otra forma, nuestro trabajo podría ser inútil.

	Los fenómenos naturales, como una erupción volcánica, son sistemas complejos que presentan características caóticas y solo pronosticables a corto plazo

El grupo de Volcanismo Activo del CSIC se desarrolla a partir de la erupción del Teneguía (La Palma, 1971) y siempre con el objetivo de poder atender una nueva erupción en Canarias y mitigar su impacto, es decir, de la gestión científica de lo que hoy se conoce como riesgo volcánico. Desde entonces, se ha venido trabajando conjuntamente los tres aspectos: instrumentación, matemática y física, participando en numerosas crisis sismovolcánicas, desde 1983, invitados por otros grupos de investigación volcanológica, observatorios y diversas protecciones civiles. El soporte para el mantenimiento del grupo y el desarrollo de la investigación ha sido posible mediante proyectos de investigación nacionales, europeos y colaboraciones internacionales. Toda esta experiencia ésta recogida en la productividad científica con numerosas publicaciones en revistas científicas internacionales, dirección de tesis doctorales, etc. Como consecuencia de estas actividades los miembros del equipo participan en la organización y dirección de cursos de alta especialización en volcanología y geofísica volcánica, actividades en gestión y organización I+D, y representación nacional en asociaciones internacionales (IUGG, IAGA, IAVCEI, SCAR).

Estos logros son resultado del trabajo continuado en muchas áreas volcánicas activas, Canarias, Italia, Azores, Chile, México, Nicaragua, Ecuador y Antártida donde se ha trabajado desde 1986 en el volcán activo Decepción. Esta zona presenta la ventaja de no estar afectada por la actividad humana y por ello, los datos obtenidos solo dependen de la actividad geodinámica de la zona y han permitido la evaluación de muchos de los prototipos. Es durante la investigación en Decepción cuando se establece la cooperación con el Laboratorio de Astronomía, Geodesia y Cartografía de la Universidad de Cádiz (LAGC-UCA) para la incorporación de la deformación como observable de la actividad volcánica. Por ello, se pudo dar respuesta inmediata a la crisis sismovolcánica del Teide en 2004-05, desplegando en días una red instrumental en la zona de máximo riesgo, que nos permitió pronosticar un cambio significativo del sistema volcánico central de Tenerife con semanas de anticipación. Paralelamente, se evaluó el tiempo necesario para evacuar la zona de mayor riesgo de Tenerife. Esta actuación tuvo reconocimiento internacional como, por ejemplo, la invitación por la Protección Civil de Italia, al ejercicio MESIMEX (2006) para evaluar el Plan de Evacuación del Vesubio y por la Protección Civil del Estado de Chiapas (México, 2009) para la gestión científica de una emergencia en el volcán Chichón cuya última erupción, en 1982 tras cientos de años de reposo, que ocasionó más de 2000 víctimas.

El sistema MVMS, Multiparametric Volcano Monitoring System, es un desarrollo científico para la gestión de emergencias volcánicas en tiempo casi real basado en el acceso remoto a una serie de módulos instalados en las proximidades del volcán. El software se ha desarrollado específicamente para el pronóstico de erupciones basado en la evolución de los observables. El hardware utiliza computadores embebidos similares a los utilizados en teléfonos móviles, tablets, pero en versiones sin interfase humana. Ello permite disponer de mayor capacidad de cálculo y un requerimiento energético mucho menor. El diseño se actualiza continuamente, es fácilmente realizable y permite en muy poco tiempo y a bajo coste, instrumentar una zona activa y/o que muestra signos de reactivación con la tecnología más reciente. El acceso a los datos, en condiciones normales, se realiza por Internet, por economía y rapidez, pero Internet también falla, especialmente en situaciones de crisis, por caída física de la red, falta de energía o por saturación del ancho de banda. Enlaces locales y acceso manual de datos cubre esta contingencia, instrumentos puramente pasivos siguen funcionando.

Esta metodología, conocimiento teórico más desarrollo instrumental, ha demostrado su potencial en la gestión científica del proceso volcánico de El Hierro que se inicia en junio de 2011, con una erupción submarina (octubre2011-marzo2012). Desde entonces se han identificado varios procesos de inyección magmática, que no han culminado en erupción, con deformación de varios centímetros en pocos días, e incremento notable de actividad sísmica con terremotos de magnitud creciente, siendo el mayor (M 5.4) el ocurrido el 27/12/2013. Esta actividad ha sido sentida por la población y ha causado numerosos deslizamientos y daños a infraestructuras. Todos los momentos críticos fueron pronosticados por este grupo emitiendo los correspondientes informes a los gestores de la emergencia. Estas actuaciones están generando publicaciones científicas de alto impacto. La implementación de esta investigación está siendo solicitada internacionalmente.

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Publicaciones sobre el tema:
Berrocoso, M.; J. Carmona, A. Fernández-Ros, A. Pérez-Peña, R. Ortiz, A. García (2010). Velocity Kinematic model for Tenerife Island (Canary Islands, Spain): Geodynamic interpretation in the Nubian plate context. Journal of African Earth Science. Páginas: 721-733. Elsevier. DOI: 10.1016/j.jafrearsci.2010.04.007.

Garcia, A, Vila J, Ortiz R, Marc ́ R, Sleeman R, Marrero JM, Sanchez N, Tarraga M, Correig AM (2006) Monitoring the reawakening of Canary Islands’ Teide Volcano. Eos Trans AGU 87:61–65. doi:10.1029/2006EO060001.

García, A. Fernández-Ros, M. Berrocoso, J.M. Marrero, G. Prates, S. De la Cruz-Reyna. R. Ortiz (2014a). Magma displacements under insular volcanic fields, applications to eruption forecasting: El Hierro, Canary Islands, 2011-2013. Geophysical Journal International. DOI: 10.1093/gji/ggt505.

Garcia, A.; Berrocoso, M; Marrero, J.M.; Fernandez-Ros, A.; Prates, G.; De la Cruz-Reyna, S.; Ortiz. R. (2014b) Volcanic Alert System (VAS) developed during the (2011-2013) El Hierro (Canary Islands) volcanic process. Bulletin of Volcanology; DOI: 10.1007/s00445-014-0825-7.

Marrero, J.M., García, A., Llinares, A., Rodríguez-Losada, J.A., Ortiz, R., 2010. The Variable Scale Evacuation Model (VSEM): a new tool for simulating massive evacuation processes during volcanic crises. Natural Hazards and Earth System Sciences 10, 747–760.

Marrero J, Garcia, A, Llinares A, Rodriguez-Losada J, Ortiz R (2012). A direct approach to estimating the number of potential fatalities from an eruption: Application to the Central Volcanic Complex of Tenerife Island. J Volcanol Geotherm Res 219:33–40. doi:10.1016/j.jvolgeores.2012.01.008.

Marrero, J.M.; Garcıa, A.; Llinares, A.; De la Cruz-Reyna, S.; Ramos, S.; Ortiz, R. (2013). Virtual tools for volcanic crisis management, and evacuation decision support: applications to El Chichon volcano (Chiapas, Mexico). Nat Hazards DOI 10.1007/s11069-013-0672-4.

Ortiz, R.; Moreno, H.; García, A.; Fuentealba, G.; Astiz, M.; Peña, P.; Sánchez, N.; Tárraga, M. (2003) Villarrica volcano (Chile): Characteristics of the volcanic tremor and forecasting of small explosions by means of a material failure method. Journal Geothermal and Volcanological Research. Vol. 269: 1-13.

Peci, L.M.; Berrocoso, M.; Fernandez-Ros, A.; Garcia, A.; Marrero, J.M.; Ortiz, R. (2014) Embedded ARM System for Volcano Monitoring in remote areas: Application To Deception Island Active Volcano (Antarctica). SENSORS 14, 672-690; doi:10.3390/s140100672.

Prates, G.; A. García, A. Fernández-Ros, J. M. Marrero, R. Ortiz, M. Berrocoso (2013). Enhancement of sub-daily positioning solutions for surface deformation surveillance at El Hierro volcano (Canary Islands). Bulletin of Volcanology. ISSN: 0258-8900. Volumen 75:724. Páginas 1-9. DOI 10.1007/s00445-013-0724-3.