Fin dall'alba dei tempi, i vulcani sono stati vettori chiave della creazione sulla Terra, ma anche fonte di notevoli devastazioni, a volte persino di estinzioni complete. Nel suo lavoro di studio di queste meraviglie geologiche, il pilota remoto e ricercatore ambientale Ian Godfrey ha raccolto dati per comprendere l'andamento dell'attività vulcanica e per mitigare le varie capacità distruttive che possono infliggere alle comunità che vivono nelle vicinanze.
Sempre più critici per la sua ricerca - e per la sicurezza nei punti caldi più volatili della Terra - sono i veicoli aerei senza equipaggio (UAV) e la tecnologia di bordo che Ian usa per andare in profondità nei crateri dei vulcani attivi in degassificazione. Questi sofisticati carichi utili, e in particolare i droni DJI, gli permettono di raccogliere una marea di dati più velocemente e con rischi ridotti. Sebbene i metodi che utilizzano gli UAV siano ancora in fase di sviluppo, offrono già una visione della comprensione dei vulcani e della loro importanza per il pianeta e la vita su di esso.
Ian Godfrey al parco nazionale del vulcano Tenorio, Costa Rica 2022
"Nonostante il loro potenziale distruttivo, i vulcani sono alla base della vita qui sulla Terra: le loro eruzioni forniscono ceneri ricche di minerali e nitrati che arricchiscono il suolo circostante e danno origine a un'immensa biodiversità", ha dichiarato Ian. "Questa diventa la base per un'ampia varietà di flora colorata che serve come fonte di cibo per gli impollinatori come insetti, colibrì e altri piccoli animali. Questi, a loro volta, costituiscono l'ambiente per le fiorenti aziende agricole che nutrono e beneficiano un'ampia gamma di comunità che spesso vivono lontano dal vulcano attivo stesso".
L'esplorazione accademica porta alla carriera di pilota di droni nella ricerca sui vulcani
Ian si è laureato alla University of South Florida con una doppia specializzazione in Global Business e Management. I due programmi di studio all'estero in Costa Rica e Spagna, che hanno integrato la sua formazione in classe negli Stati Uniti, hanno aiutato Ian a capire come la tecnologia UAV possa essere utilizzata in vari settori in un lavoro impegnativo. Questa prospettiva e questa esposizione lo hanno portato a scoprire, abbracciare e combinare queste due discipline in una carriera fiorente.
"Nel 2014 ho visitato la Costa Rica durante un programma di studio all'estero e alla fine del 2019 ho scritto il libro Investigating the Volcanoes of Costa Rica", ricorda Ian. "In seguito ho iniziato a pilotare i droni e a fare ricerche su come potevano essere utilizzati per aiutare a documentare gli ambienti più estremi. Con il tempo ho scoperto come i droni e i vari carichi utili a bordo aiutassero ad alleviare alcune delle sfide più significative e presentassero grandi opportunità per espandere la nostra conoscenza dei vulcani e dei loro effetti ambientali più ampi".
Una maggiore comprensione e capacità di coesistere con i vulcani è un elemento critico per il futuro dell'umanità e per l'esplorazione interplanetaria; i veicoli aeronautici di tipo UAV potrebbero esplorare atmosfere extraterrestri come Venere nel prossimo futuro. Gli UAV stanno già contribuendo a queste indagini.
Ian Godfrey al parco nazionale del vulcano Turrialba Costa Rica 2022
La ricerca sui vulcani per proteggere il pianeta e le persone dai pericoli in evoluzione
Per cominciare, la piena consapevolezza di come i vulcani abbiano plasmato la storia della Terra fornisce una comprensione essenziale di come le eruzioni possano influenzare il futuro, informando così il modo in cui le persone si preparano ad affrontarle. Ciò include non solo l'anticipazione dell'impatto a lungo termine sull'ambiente, sulla qualità dell'aria e sul clima, ma anche la pianificazione immediata per tenere le popolazioni vicine e i visitatori lontani dai crateri quando la ricerca e le misure preventive indicano un'eruzione imminente.
Questo vale soprattutto per i milioni di abitanti e turisti che visitano frequentemente i Parchi Nazionali della Costa Rica, che hanno rilasciato a Godfrey un permesso d'uso speciale eccezionale per condurre ricerche con i droni sui suoi numerosi vulcani. Il sistema dei parchi nazionali limita altrimenti l'attività aerea. Il permesso ufficiale è il risultato della sua collaborazione con il Laboratorio di Chimica Atmosferica dell'Universidad Nacional in Costa Rica, iniziata nel 2019.
Quando questo lavoro è stato temporaneamente sospeso a causa delle interruzioni di Covid-19, Ian ha utilizzato il tempo in modo produttivo, ottenendo la licenza Part 107 della Federal Aviation Administration che gli consente di svolgere attività commerciali con i droni. Ha anche fondato la sua società Atmospheric Analytical Services, specializzata nella raccolta e nella visualizzazione di dati UAV in ambienti estremi, e fornisce qualità dell'aria, informazioni geografiche e immagini termiche IR in luoghi inospitali.
Tutto ciò si integra perfettamente con il lavoro che Ian ha ripreso una volta che le restrizioni della pandemia sono diminuite, e lo ha reso un partner più prezioso per i vari istituti di ricerca che collaborano con Atmospheric Analytical Services per diversi progetti UAV.
Aiutare la Costa Rica a gestire i vulcani, i turisti e gli ambiziosi obiettivi climatici
L'economia del Paese non solo si basa molto sul turismo, attratto in gran parte dalle sue foreste pluviali, dalle spiagge e dalle aree vulcaniche, ma si è anche impegnata a raggiungere obiettivi rigorosi di decarbonizzazione che possono essere raggiunti solo calcolando attentamente i livelli di CO2 attuali e previsti. Il monitoraggio e la ricerca del comportamento dei crateri e dei volumi di gas emessi sono fondamentali per valutare le traiettorie di carbonio per l'economia, ma i risultati contribuiscono anche agli sforzi di conservazione delle aree protette all'interno della nazione.
Ian Godfrey al parco nazionale del vulcano Poás Costa Rica 2023
Il lavoro di Ian rileva anche i segni di eventi vulcanici in evoluzione, che a loro volta aiutano le autorità a decidere quando le popolazioni locali e i visitatori devono essere allontanati o tenuti lontani dalle zone di impatto per garantire la loro sicurezza. Dato l'elevato numero di turisti e residenti abitualmente presenti in quelle aree, i funzionari dipendono da queste precise e convincenti prove scientifiche dell'avvicinarsi di un'eruzione per decidere quando devono essere eseguiti ordini di evacuazione dirompenti ed economicamente costosi.
Per compensare questi disturbi occasionali, oltre a monitorare l'aumento dell'attività del vulcano per avvertire la popolazione dell'aumento del degassamento o del rischio di eruzione, Ian utilizza anche i suoi droni DJI per assistere i residenti della zona quando la situazione è calma, con altri contributi di ricerca ambientale unici nel loro genere che utilizzano i droni.
"Speriamo di continuare a usare i droni per raccogliere dati ambientali preziosi per aiutare le comunità che vivono nelle vicinanze dei vulcani attivi, utilizzando telecamere multispettrali per monitorare la qualità del suolo e cercare i parassiti che invadono le colture", spiega. "Gli agricoltori utilizzano i pendii vulcanici per coltivare un'ampia varietà di colture agricole essenziali e, monitorando l'attività dei vulcani, possiamo fornire informazioni utili alle persone che hanno deciso di vivere e lavorare in queste aree. Stiamo anche sviluppando un programma per insegnare agli studenti dell'Universidad Nacional come operare in modo sicuro ed efficace con i droni nelle regioni vulcaniche".
Droni usati per entrare nei crateri dei vulcani
Per ottenere dati dettagliati e affidabili sull'attività vulcanica è sempre più necessario portare gli strumenti di misurazione nel cratere del vulcano stesso. In molti casi, il drone deve scendere e ridurre l'altitudine piuttosto che aumentarla. Questo tipo di metodo di sperimentazione non sarebbe stato possibile senza l'aiuto dei droni DJI per le indagini sul campo.
Il Mavic 3 Thermal esegue un'indagine IR di Laguna Caliente e del cratere attivo
Per cominciare, i suoi Mavic 3, Mavic 3 Thermal, Mini 2, tutti molto più leggeri da trasportare su salite ripide e insidiose verso le aree dei crateri rispetto agli strumenti di misurazione tradizionali, spesso azionati manualmente. Altri droni più grandi e pesanti, come l'UAV Matrice 600 Pro, sono particolarmente utili per sollevare carichi utili di attrezzature scientifiche.
La maggiore autonomia di volo e la capacità delle batterie consentono inoltre ai droni DJI di avvicinarsi alle aree di superficie, mentre i team di ricerca rimangono a distanze più sicure rispetto alle epoche precedenti. In passato, l'ingresso in queste cosiddette zone di pericolo esponeva i vulcanologi a rischi sanitari di vario genere dovuti ad aerosol e gas acidi, oltre che alla possibilità di essere esposti a un'eruzione inaspettata.
Nel frattempo, i diversi vantaggi dei vari droni DJI offrono una gamma più ampia di capacità specializzate per la raccolta di dati all'interno dei crateri vulcanici in prossimità dell'attività di degassificazione. Queste includono preziose immagini termiche del terreno del cratere e la misurazione precisa di diversi tipi di specie di gas utilizzando il sensore Sniffer 4D di Soarability a bordo di alcuni UAV compatibili.
"Attualmente stiamo usando un Matrice 600 Pro per raccogliere campioni d'acqua dalla Laguna Caliente - il lago iperacido del cratere nel principale cratere attivo del vulcano Poás - e usiamo anche questo drone DJI con lo Sniffer4D per effettuare misurazioni atmosferiche delle fumarole di degassamento", dice Ian. "Utilizziamo il Mavic 3 e il Mavic 3 Thermal per effettuare brevi voli con lo Sniffer4D e per raccogliere dati IR sulle fumarole conosciute. Il Mavic 3 Thermal ci aiuta nella ricerca di fumarole precedentemente sconosciute, nel monitoraggio dell'aumento delle temperature e nella ricerca di nuove aree che mostrano segni di anomalie termiche per la sicurezza generale delle persone che visitano i Parchi Nazionali".
DJI Matrice 600 Pro per l'analisi dell'inquinamento atmosferico del cratere attivo
Risultati dell'analisi dell'inquinamento atmosferico del cratere attivo con Sniffer Mapper
Ian osserva che l'impiego degli UAV ha comportato un processo di apprendimento costante per comprendere i vari modi in cui i droni DJI e la tecnologia di bordo possono restituire i massimi risultati dai vulcani monitorati.
Ian Godfrey e José Pablo Sibaja Brenes in azione con gli UAV nel Parco Nazionale del Vulcano Poás
"Abbiamo usato i droni per raccogliere dati per i sistemi informativi geografici e creare mappe; generare modelli digitali 3D per tracciare la geomorfologia dei crateri vulcanici; e sollevare alcuni dispositivi scientifici come lo Sniffer4D in aree pericolose per tracciare il degassamento vulcanico e identificare le specie di gas che vengono rilasciate nell'atmosfera", spiega. "Le termocamere, le batterie a lunga durata e la leggerezza sono tre delle caratteristiche più importanti che cerchiamo nei droni utilizzati per la raccolta e la visualizzazione di dati vulcanici e ambientali. Ci arrampichiamo sui fianchi ripidi ad alta quota e usiamo questi droni per monitorare i crateri attivi da varie prospettive non visibili al team dalla nostra normale posizione a terra".
Godfrey e Droni DJI: Ricerca innovativa sugli UAV per i progressi dell'industria
Ian dice che anche il clima e la topografia della Costa Rica rappresentano una sfida frequente che richiede una serie specifica di abilità di pilotaggio remoto, con raffiche di vento, umidità e variabili come la turbolenza all'interno dei pennacchi vulcanici che minacciano di mettere fuori uso gli UAV per sempre.
Mavic 3 Thermal in uso presso il Parco Nazionale del Vulcano Irazú 2023
Durante le uscite più pericolose, spiega Ian, il suo team utilizza droni più piccoli per sfruttarne il peso ridotto, la facilità di manovra e i costi che forniscono "un rapporto rischio/ricompensa per decidere se la perdita del drone stesso vale i dati preziosi che potremmo potenzialmente raccogliere".
Per una di queste missioni, lo scorso maggio, Ian ha utilizzato un drone DJI Mini 2 per una caduta di 60 metri nel cratere attivo e in fase di degassamento del vulcano Turrialba, per raccogliere informazioni fotografiche sulle fumarole all'interno del cratere.
Prospettiva UAV del pavimento del cratere del vulcano Turrialba in Costa Rica
"Non era mai stato fatto prima e sebbene pensassi che il calore dei gas e delle ceneri vulcaniche avrebbe creato condizioni insopportabili per il drone, in realtà siamo entrati senza alcuna complicazione, abbiamo documentato l'interno del cratere e siamo riusciti a riportare il Mini 2 alla stazione di lancio senza alcuna complicazione", ricorda. "Abbiamo una flotta di droni di varie aziende, ma quando si lavora in condizioni difficili e talvolta pericolose è importante scegliere il miglior drone in grado di raccogliere la massima quantità di dati nel più breve tempo possibile, senza ritardi, risoluzione di problemi o altre potenziali complicazioni. Per questo motivo, abbiamo scelto DJI".
"Con le immagini raccolte con i droni siamo stati in grado di realizzare un modello 3D interattivo georeferenziato con risoluzione RGB e IR in cui i diversi ricercatori possono entrare ed effettuare misurazioni di distanza, profondità e pendenza intorno al cratere. Siamo persino in grado di entrare e misurare il perimetro delle bocche di degassamento all'interno del cratere".
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Misure di fumarole effettuate all'interno del cratere occidentale del vulcano Turrialba tramite il modello digitale generato da immagini IR riprese dal DJI Mavic 3 Thermal
Figura 52 - Misure di fumarole prese dal modello digitale di Turrialba generato da immagini IR prese dal DJI Mavic 3 Thermal
