Detection and analysis of water vapor ejected by volcanic eruptions with multi-sensor satellite-based observations

In the context of Volcanic clouds dEtection and monitoring for Studying the erUption impact on climate and aVIatiOn (VESUVIO) project, we have investigated two eruptions (Okmok 2008 and Kasatochi 2008) using the Global Navigation Satellite System (GNSS) Radio Occultation (RO) technique for detecting possible water vapor (WV) anomalies due to eruptions themselves. Explosive eruptions are known to emit large amounts of aerosols and gases, the most abundant examples of which are ash particles, WV and sulfur dioxide (SO2) having important consequences in the climate change. We have applied a new and original approach, tracking the volcanic clouds for a long time after the eruption by using Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) and Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI) data, and profiling them using the GNSS RO and Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization (CALIOP). We have computed the anomaly of the different atmospheric parameters finding out that about 70% of the WV profiles show a positive anomaly in the lower troposphere. About 75% of the total collocations between the GNSS RO and CALIOP profiles ensure the presence of volcanic aerosols, corresponding to the WV positive anomalies. The Okmok eruption shows a clear and significant increase of WV content after the eruption, while Kasatochi does not show the same behavior. Within this thesis, customized algorithms are developed for computing and analyzing the anomaly of different RO parameters, and to retrieve the percentage of aerosol types at different altitudes from CALIOP. Part of the work performed during this thesis has been published in a high impact factor journal [1].

Nell’ambito del progetto Volcanic clouds dEtection and monitoring for Studying the erUption impact on climate and aVIatiOn (VESUVIO), sono state studiate due eruzioni vulcaniche (Okmok 2008 e Kasatochi 2008) utilizzando la tecnica della radio occultazione (RO) che utilizza il sistema globale di navigazione satellitare (GNSS) per sondare l’atmosfera. Le eruzioni esplosive sono note per l'emissione di grandi quantità di aerosol e gas, come il vapore acqueo e l’anidride solforosa (SO2), che hanno importanti conseguenze sul cambiamento climatico. In questo lavoro è stato applicato un approccio nuovo e originale, tenendo traccia delle nuvole vulcaniche per un tempo lungo dopo l'eruzione tramite i dati dell'Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) e dell'Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI), e profilandole utilizzando il GNSS RO e il Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization (CALIOP). E’ stato dapprima creato un archivio che raccoglie i dati di tutte le maggiori eruzioni dal 2006 ad oggi, poi sono stati selezionati due casi d’interesse e infine lo studio si è focalizzato sull’analisi di eventuali anomalie di vapore acqueo causate dalle eruzioni stesse. Tale analisi ha rivelato che circa il 70% dei profili di vapore acqueo collocati con IASI e AIRS, mostra un'anomalia positiva nella bassa troposfera subito dopo l’eruzione, mentre circa il 75% delle collocazioni totali tra i profili GNSS RO e CALIOP presenta anomalie positive. Tuttavia, l'eruzione del vulcano Okmok, mostra un aumento statisticamente significativo del contenuto del vapore acqueo dopo l'eruzione, mentre la variazione di vapore dopo l’eruzione del vulcano Kasatochi non è altrettanto evidente. In questo lavoro di tesi, sono stati sviluppati gli algoritmi per calcolare e analizzare i parametri atmosferici da RO e gli algoritmi per determinare l’ aerosol a diverse quote da CALIOP. Parte del lavoro svolto durante la tesi è stato pubblicato su una rivista scientifica con alto impact factor [1].