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Un gravimètre quantique absolu (AQG) sur le Kilauea (Hawaii) // An Absolute Quantum Gravimeter on Kilauea Volcano (Hawaii)

La dernière rubrique Volcano Watch publiée par le l’Observatoire des Volcans d’Hawaii, le HVO est consacrée à l’Absolute Quantum Gravimeter AQG) – gravimètre quantique absolu – un nouvel instrument de haute technologie que vient d’acquérir l’observatoire. Il est en cours d’installation, de test et d’étalonnage avant d’être installé au sommet du Kilauea. L’AQG a la capacité de mesurer d’infimes variations de masse sous la surface du sol et peut donc aider à détecter les processus volcaniques en profondeur.
Tous les objets ont une masse et donc un champ de gravité. L’attraction gravitationnelle de la Terre est légèrement plus forte dans les zones qui ont plus de masse et légèrement plus faible dans les zones avec moins de masse. Le rôle des gravimètres est donc de mesurer l’attraction gravitationnelle. S’agissant des volcans, les gravimètres permettent aux scientifiques de détecter les changements subtils de gravité causés par les mouvements du magma. Une gravité plus forte peut indiquer la présence d’un plus importante quantité de magma sous la surface du sol.
Il existe deux principaux types de gravimètres : relatif et absolu.
Les gravimètres relatifs sont les plus courants. Ils contiennent un poids attaché à un ressort vertical sensible. La gravité étire le ressort et la quantité d’étirement est proportionnelle aux variations de g, la gravité locale. Le gravimètre relatif mesure la différence de gravité entre différents emplacements. Malheureusement, ces instruments souffrent d’un effet de « dérive », qui ajoute du bruit aux mesures effectuées sur plus de quelques semaines à quelques mois, et leur précision diminue progressivement.
Les gravimètres absolus mesurent directement l’accélération de la pesanteur. Les gravimètres absolus à chute libre, le type le plus courant, utilisent des lasers pour mesurer l’accélération en chute libre d’un réflecteur en coin de cube relâché à maintes reprises dans une chambre sous vide. Contrairement aux gravimètres relatifs, les gravimètres absolus n’ont pas d’effet de dérive et ne se dégradent pas en précision avec le temps. Cependant, ils sont de grande taille, ont des éléments mécaniques fragiles, nécessitent une alimentation électrique suffisante et ne sont pas conçus pour être utilisés dans des conditions difficiles sur le terrain, les volcans par exemple. Les gravimètres absolus portables ne peuvent pas effectuer des mesures continues sur le long terme et ne sont pas suffisamment sensibles pour détecter les petits changements nécessaires à la surveillance des volcans.
Semblable aux gravimètres absolus à chute libre, le nouvel AQG du HVO mesure l’accélération d’une petite masse d’épreuve dans le vide. Cependant, l’AQG surmonte les limites des gravimètres absolus à chute libre classiques et se caractérise par la chute d’un nuage d’atomes à très basse température. Des atomes de rubidium, piégés par des lasers, sont refroidis à une température proche du zéro absolu. Cela permet des mesures continues précises et à long terme. L’AQG est également compact et peut être déployé sur des volcans actifs et fonctionner en continu sans effet de «dérive».
Un tel modèle d’AQG a été installé sur le flanc nord du volcan de l’Etna, un volcan qui entre fréquemment en éruption. L’instrument a enregistré avec succès, et sur plusieurs mois, des données de haute qualité, malgré des vibrations parasites.
À la suite de la spectaculaire éruption du Kilauea en 2018, le HVO a commencé à reconstruire le réseau gravitaire continu. Un gravimètre a été réinstallé sur le plancher du cratère de l’Halema’uma’u en juin 2021. En avril 2022, il est prévu d’installer deux gravimètres relatifs sur d’autres sites du Kilauea.
La combinaison du nouveau gravimètre quantique absolu (AQG), de nouveaux gravimètres continus et des mesures habituelles sur le terrain devrait faire progresser l’utilisation des mesures de gravité pour surveiller le comportement des volcans hawaïens.
Source : USGS / HVO.

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The latest Volcano Watch released by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) is dedicated to the

Absolute Quantum Gravimeter AQG), a new high tech instrument acquired by the observatory. It is undergoing set up, testing and calibration before installation at the summit of Kilauea. The AQG has the ability to measure very small mass changes beneath the ground surface, which can help detect underground volcanic processes.

All objects have a mass and therefore a gravity field. Earth’s gravitational pull is slightly stronger in areas with more mass and slightly weaker in areas with less mass. Gravimeters measure gravitational attraction. As far as volcanoes are concerned, gravimeters help scientists detect subtle changes in gravity caused by magma movements. The measurement of stronger gravity can indicate more magma below the ground surface.

There are two main types of gravimeters: relative and absolute.

Relative gravimeters are the most common. They contain a weight attached to a sensitive vertical spring. Gravity stretches the spring, and the amount of stretch is proportional to the measurement of local gravity. The relative gravimeter measures the difference of gravity between various locations. Unfortunately, these instruments suffer from “drift,” which adds noise to measurements conducted over more than a few weeks-to-months, and their accuracy gradually decreases.

Absolute gravimeters directly measure the acceleration of gravity. Free-fall absolute gravimeters, the most common type, use lasers to measure the free-fall acceleration of a small reflecting prism in a vacuum. Unlike relative gravimeters, absolute gravimeters do not drift nor degrade in accuracy over time. However, they are large in size, have delicate mechanical parts, require an ample power supply, and are not designed for use in harsh field conditions such as volcanoes. Those that are field portable are not capable of long-term continuous measurements or sensitive enough to detect the small changes needed for volcano monitoring.

Similar to the free-fall absolute gravimeters, HVO’s new AQG measures the acceleration of a small test mass in a vacuum. However, the AQG overcomes the limitations of classical free-fall absolute gravimeters by dropping clouds of laser-cooled rubidium atoms instead of small prisms. This allows for accurate and long-term continuous measurements. The AQG is also compact in size and can be deployed in the field at active volcanoes and run continuously without “drift.”

The same model of AQG has been installed on the north flank of Mount Etna volcano in Italy, which frequently erupts. The instrument has successfully recorded many months of high-quality data despite high vibration noise levels.

Following the 2018 Kīlauea events, HVO started rebuilding the continuous gravity network. One gravimeter was reinstalled on Halemaʻumaʻu crater floor in June 2021. In April 2022, there are plans to install two additional continuous relative gravimeters at other locations on Kilauea.

The combination of the new Absolute Quantum Gravimeter, new continuous gravimeters, and ongoing campaign measurements makes the future of using gravity measurements to monitor hazards of Hawaiian volcanoes quite promising.

Source : USGS / HVO.

Vue du gravimètre quantique absolu (Source : HVO)

Pour une meilleure gestion de la cendre de l’Etna // For a better management of Mt Etna’s ash

Les scientifiques italiens ont testé au cours de la crise éruptive de l’Etna le 21 février 2022 un nouveau système baptisé Aeromat qui devrait permettre une meilleure gestion de l’aéroport de Catane quand le volcan envoie des panaches de cendre.

Des céliomètres, instruments de haute technologie, permettent de mesurer les paramètres environnementaux et de valider les modèles de prévisions mettant en jeu météo et environnement. Ils sont le fer de lance d’un système visant à fournir, notamment aux gestionnaires d’aéroports, des informations qui leur permettront d’optimiser les opérations sur les pistes au moment où certains phénomènes se produisent. Ces instruments permettent l’intégration des rapports d’observatoires volcanologiques dans les données météorologiques à partir de modèles haute résolution.

Les céliomères ont été testés lors de la dernière éruption de l’Etna, lorsque le volcan a émis de volumineux panaches de cendre. A l’aide d’une chaîne de modélisation météo-environnementale destinée à étudier le comportement des cendres volcaniques dans l’atmosphère, une équipe scientifique a suivi en continu l’évolution de l’événement.
Les céliomètres consistent en une source laser et un détecteur capable d’enregistrer la lumière émise et de mesurer la hauteur du nuage volcanique. De tels instruments permettront de réaliser des campagnes de mesures au sol, visant à valider et optimiser les performances des modèles de prévision. Les données de ce réseau seront ensuite acheminées vers Alice-net, un réseau de stations géré par des instituts et organismes de recherche italiens, dont les principales activités se concentrent sur les questions environnementales.
Le projet Aeromat est axé sur le binôme aviation – sécurité, conformément aux priorités définies par le Parlement européen et l’Organisation de l’aviation civile internationale (OACI), qui dicte les normes minimales de prévention des risques. L’objectif principal du projet est d’améliorer la qualité de prévision de certains phénomènes afin de pouvoir intervenir rapidement. Le projet associe des recherches expérimentales et des modèles météorologiques environnementaux liés à l’impact des cendres volcaniques. Cela facilitera la tâche des constructeurs aéronautiques, des pilotes d’aéronefs et des gestionnaires du trafic aérien. Le système évitera que la présence de cendres dans l’air ne crée des situations dangereuses dans l’ aéroport Fontanarossa de Catane, mais aussi ceux de Comiso, Reggio Calabria ou Naples.
Au cours de l’événement du 21 février 2022, les scientifiques ont pu observer comment les vents forts venant initialement du secteur nord-ouest, ont provoqué la propagation de grandes quantités de cendres au sud du volcan et, en particulier dans certains secteurs de vol spécifiques, ce qui a provoqué la suspension des activités à Fontanarossa pendant environ deux heures. De plus, avec l’évolution des conditions météorologiques, la cendre volcanique a atteint l’autoroute A18 (Catane – Messine), avec une couche significative sur la portion située entre les sorties Acireale et Giarre. Grâce aux instruments qui seront placés à proximité de l’aéroport de Catane et aux modèles météo-environnementaux, il sera possible de mesurer les paramètres physiques pertinents et de prévoir d’utiliser certaines zones de l’aéroport. Dans d’autres cas, le nouveau système permettra de connaître à l’avance l’évolution des événements. Sur cette base, il sera possible d’empêcher les avions de décoller ou d’atterrir, ou les voitures de traverser certaines zones. De telles mesures favoriseront la mobilité et les déplacements.
Le projet Aeromat comprend un partenariat entre des organismes de recherche tels que l’Université de Messine, l’ INGV et l’Université de Naples et des entreprises privées telles que Etna Hitech. Dans le cadre du même projet, les scientifiques sont en train de mettre au point un drone, équipé de capteurs, avec un moteur à hydrogène, qui sera présenté dans les mois à venir.

Source: La Sicilia.

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During the Mt Etna eruption on February 21st, 2022, Italian scientists tested a new system called Aeromat which should allow a better management of Catania airport when the volcano sends ash plumes.
Celiometers, high-tech instruments, are used to measure environmental parameters and validate prediction models involving weather and environment. They are the spearhead of a system aimed at providing, in particular to airport managers, information that will enable them to optimize operations on the runways when certain phenomena occur. These instruments allow the integration of reports from volcanological observatories into meteorological data from high-resolution models.
Celiomers were tested during Mount Etna’s last eruption, when the volcano emitted voluminous ash plumes. Using a meteorological-environmental modeling chain intended to study the behaviour of volcanic ash in the atmosphere, a scientific team continuously monitored the evolution of the event.
Celiometers consist of a laser source and a detector capable of recording the light emitted and measuring the height of the volcanic cloud. Such instruments will make it possible to carry out ground measurement campaigns, aimed at validating and optimizing the performance of prediction models. Data from this network will then be routed to Alice-net, a network of stations run by Italian research institutes and organizations, whose main activities focus on environmental issues.
The Aeromat project focuses on the aviation – safety binomial, in accordance with the priorities defined by the European Parliament and the International Civil Aviation Organization (ICAO), which dictates the minimum standards for risk prevention. The main objective of the project is to improve the quality of predictions of certain phenomena in order to be able to intervene quickly. The project combines experimental research and environmental weather models related to the impact of volcanic ash. This will make the work easier for aircraft manufacturers, aircraft pilots and air traffic managers. The system will prevent the ash in the air from generating dangerous situations in the Fontanarossa airport of Catania, but also those of Comiso, Reggio Calabria or Naples.
During the event of February 21, 2022, scientists were able to observe how the strong winds initially coming from the northwest sector, caused the spread of large quantities of ash to the south of the volcano and, in particular in certain flight areas, which caused the suspension of activities in Fontanarossa for about two hours. In addition, with the evolution of weather conditions, the volcanic ash reached the A18 motorway (Catania – Messina), with a significant layer on the portion located between the Acireale and Giarre exits. Thanks to the instruments that will be placed near Catania airport and to the weather-environmental models, it will be possible to measure the relevant physical parameters and plan the use of certain areas of the airport. In other cases, the new system will make it possible to know in advance the evolution of events. On this basis, it will be possible to prevent planes from taking off or landing, or cars from passing through certain areas. Such measures will promote mobility and travel.
The Aeromat project includes a partnership between research organizations such as the University of Messina, INGV and the University of Naples and private companies such as Etna Hitech. As part of the same project, scientists are developing a drone, equipped with sensors, with a hydrogen engine, which will be presented in the coming months.
Source: La Sicilia.

Photo: C. Grandpey

Volcans du monde // Volcanoes of the world

  Voici quelques nouvelles de l’activité volcanique dans le monde:

Le HVO indique dans ses dernières mises à jour que l’éruption sommitale du Kilauea (Hawaii), dans le cratère de l’Halema’uma’u, se poursuit avec de légères fluctuations. Toute l’activité reste confinée au lac de lave et aux bouches actives dans la partie ouest de l’Halema’uma’u avec de petits écoulements de lave en bordure du fond du cratère. Rien n’indique que l’activité soit en train de migrer ailleurs sur le Kilauea.
La surface du lac de lave se trouve maintenant à environ 89 mètres de profondeur par rapport au niveau du 29 septembre 2021 lorsque la lave a fait sa réapparition dans le cratère. Les mesures du 25 janvier 2022 ont indiqué un volume total d’environ 45 millions de mètres cubes de lave émis depuis le début de l’éruption. Aucune activité particulière n’a été observée le long de la zone de rift est ou de la zone de rift sud-ouest. Autrement dit, il ne se passe pas grand-chose en ce moment sur le Kilauea.
Source : HVO.

Image de la caméra thermique le 22 février 2022 (Source: HVO)

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Les conditions météorologiques n’ont pas été favorables ces dernières heures, mais leur amélioration a permis à l’INGV de constater qu’une faible activité strombolienne animait le Cratère SE de l’Etna (Sicile) le 22 février 2022, ainsi que la présence d’une coulée de lave dans la partie inférieure du versant Est.

La crise éruptive du 21 février avait suivi le processus habituel, avec une activité strombolienne évoluant en fontaine et débordement de lave, ainsi que la présence d’un volumineux nuage de cendre dont les retombées pourrissent la vie des populations sous le vent. L’aéroport de Catane est resté fermé pendant quelques heures.

La caméra thermique de l’INGV permet de constater que le calme est revenu sur le volcan.

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Au Vanuatu, GeoHazards indique que le cône du lac Voui sur l’île d’Ambae continue de croître et de produire des panaches de vapeur, de gaz et de cendres atteignant 3 km d’altitude. Le niveau d’alerte reste à 2 (sur une échelle de 0 à 5) et le public est invité à rester en dehors de la zone de danger d’un rayon de 2 km autour des bouches actives du lac Voui, et à l’écart des ravines lors de fortes pluies.

Crédit photo: Geo Hazards

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En Alaska, l’émission de lave se poursuit sur le Great Sitkin. Les coulées avancent sur les flancs S, O et N et mesurent respectivement 1 050 m, 930 m et 220 m de long. D’autres coulées sont également actives sur le flanc SSO. La sismicité reste légèrement au-dessus de la normale. La couleur de l’alerte aérienne et le niveau d’alerte volcanique restent respectivement à l’Orange et à Vigilance (Watch).

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Toujours en Alaska, l’éruption du Pavlof se poursuit avec un épanchement de lave à partir d’une bouche sur le flanc supérieur SE; elle alimente des coulées sur le flanc E. La sismicité est élevée avec des épisodes de tremor et des températures de surface élevées. Le niveau d’alerte volcan reste à Vigilance (Watch) et la couleur de l’alerte aérienne est maintenue à Orange.
Source : AVO.

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Ces informations ne sont pas exhaustives. Vous en trouverez d’autres (en anglais) en lisant le bulletin hebdomadaire de la Smithsonian Institution :
https://volcano.si.edu/reports_weekly.cfm

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Here is some news of volcanic activity around the world :

HVO indicates in its last updates that the summit eruption of Kilauea (Hawaii), within Halemaʻumaʻu crater, continues with slight fluctuations. All activity remains confined to the active lava lake and west vent area within the western part of Halemaʻumaʻu with minor ooze outs along the margins of the crater floor. There are no indications of activity migrating elsewhere on Kilauea.
The active lava lake is now approximately 89 meters deep relative to the September 29th, 2021 level wjen lava emerged again. Measurements on January 25th, 2022, indicated that the total lava volume emitted since the beginning of the eruption was approximately 45 million cubic meters. No unusual activity has been noted along the East Rift Zone or Southwest Rift Zone. In other words, there is currently little to be seen on Kilauea Volcano.
Source : HVO.

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Weather conditions have not been favorable in recent hours, but their improvement enabled INGV to observe weak Strombolian activity within Mt Etna‘s SE Crater on February 22nd, 2022, as well as a lava flow in the lower part of the eastern slope.
The eruptive crisis of February 21st followed the usual process, with Strombolian activity evolving into a fountain and an overflow of lava, as well as a voluminous ash cloud, with ashfall that deeply disturbs the lives of the downwind municipalities. Catania airport remained closed for a few hours.

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GeoHazards indicates that the cone in Ambae’s Lake Voui (Vanuatu) continues to grow and produce steam, gas, and ash emissions rising to 3 km asl. The Alert Level remains at 2 (on a scale of 0-5) and the public is asked to stay outside the 2-km radius Danger Zone around the active vents in Lake Voui and away from drainages during heavy rains.

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In Alaska, lava effusion continues at Great Sitkin. Lava flows are advancing on the S, W, and N flanks, and are 1,050 m, 930 m, and 220 m long, respectively. Lava flows are also active on the SSW flank. Seismicity remains slightly above background levels. The aviation color code and the volcano alert level remain at Orange and Watch, respectively.

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Still in Alaska, the eruption of Pavlof continues with lava effusion from a vent on the upper SE flank feeding flows on the E flank. Seismicity is elevated with periods of tremor and elevated surface temperatures. The volcano alert level remains at Watch and the aviation color code is kept at Orange.

Source: AVO.

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This information is not exhaustive. You can find more by reading the Smithsonian Institution’s weekly report:

https://volcano.si.edu/reports_weekly.cfm

La cendre de l’Etna, le cauchemar des Siciliens // Mt Etna’s ash, a Sicilian nightmare

Après la énième crise éruptive de l’Etna le 21 février 2022, les localités autour du volcan ont à nouveau été confrontées au cauchemar de la cendre. Au cours de ce que certains appellent un « paroxysme », le panache de cendre est monté à une altitude estimée à une douzaine de kilomètres et a ensuite « arrosé » les zones sous le vent. C’est ainsi que les habitants de Viagrande, Trecastagni et Zafferana Etnea, ou encore San Giovanni la Punta, Acireale, Santa Venerina, Milo ont vu une nouvelle couche de couleur grise recouvrir les routes, les balcons, les toits et les voitures. Il s’ensuit inévitablement la corvée de balayage et de nettoyage des rues, des places et les gouttières. Comme je l’ai indiqué dans des notes précédentes, la cendre volcanique a un impact désastreux sur les cultures telles que les agrumes, les fruits et légumes et la viticulture, qui occupent une place importante dans l’économie sicilienne. L’aéroport de Catane est régulièrement affecté par la cendre et il été contraint de fermer pendant plusieurs heures au cours de la crise éruptive du 21 février.
Les autorités locales reprochent à la région Sicile de ne rien faire pour leur venir en aide. Des utilisations possibles ont été proposées pour une utilisation de la cendre dans l’agriculture, la construction, comme matière première pour des créations artistiques ou comme substrat pour les plantes dans les stations d’épuration des eaux usées.

En 2020, le projet REUCET – Récupération et utilisation des cendres volcaniques de l’Etna – a été mené par une équipe de chercheurs de l’Université de Catane et financé par le ministère de l’Environnement. Les chercheurs ont abordé pour la première fois le problème de la récupération systématique des cendres volcaniques de l’Etna. Diverses solutions ont été imaginées : de l’utilisation dans le béton, dans les mortiers, dans les enduits, à la réalisation de produits traditionnels en briques, de substrats routiers, d’ouvrages géotechniques.

Les auteurs du projet REUCET ont également évalué la création de matériaux innovants pour le confinement de la pollution. Une autre alternative est la valorisation environnementale des zones affectées qui permettrait de mettre en oeuvre les milliers de tonnes de cendres rejetées par le volcan. Par exemple, l’utilisation de cette cendre dans la construction et la rénovation du réseau routier sicilien permettrait d’évacuer de grands volumes avec des coûts de transport limités.
Des chercheurs de l’Université de Catane ont également souligné la nécessité d’intervenir sur la législation actuelle. En fait, à ce jour, les différentes ordonnances émises par les autorités classent la cendre comme déchet à éliminer dans des décharges (coût d’environ 120 € par tonne) ou dans des usines de récupération d’inertes (coût d’environ 12 € par tonne). Ces coûts s’ajoutent à ceux du ramassage des cendres dans la rue (plusieurs centaines de milliers d’euros). Par conséquent, d’énormes ressources publiques sont nécessaires pour soutenir les administrations locales. Il faudrait aussi sensibiliser la population à collaborer à la collecte des cendres volcaniques afin de faciliter leur récupération et de réduire les coûts de gestion.

On se retrouve un peu dans la même situation que la gestion des déchets domestiques dans la région de l’Etna, avec les décharges sauvages que j’évoquais dans une précédente note. Avec une campagne de sensibilisation agressive et une volonté politique mettant en oeuvre des moyens dignes de ce nom, la situation ne manquerait pas de s’améliorer.

Source: médias d’information siciliens.

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After another eruptive crisis of M Etna on February 21st, 2022, the municipalities around the volcano were again faced with the nightmare of the ash. During what some call a « paroxysm », the ash plume rose to an altitude of about twelve kilometers and then fell on the downwind areas. As a consequence, the residents of Viagrande, Trecastagni and Zafferana Etnea, or San Giovanni la Punta, Acireale, Santa Venerina, Milo saw a new grey layer cover the roads, balconies, roofs and cars, with the inevitable drudgery of sweeping and cleaning the streets, squares and gutters. As I have indicated in previous notes, volcanic ash has a disastrous impact on crops such as citrus fruits, vegetables and viticulture, which occupy an important place in the Sicilian economy Catania airport is regularly affected by the ash and was forced to close for several hours during the February 21st eruption crisis.
Local authorities criticize the Sicily region for doing nothing to help them. Possible uses have been suggested for use of the ash in agriculture, construction, as a raw material for artistic creations or as a substrate for plants in sewage treatment infrastructure.
In 2020, the REUCET project – Recovery and use of volcanic ash from Mt Etna was carried out by a team of researchers from the University of Catania and funded by the Ministry of the Environment, Researchers addressed for the first time the problem of the systematic recovery of volcanic ash from Mt Etna. Various solutions have been devised: from use in concrete, in mortars, in coatings, to the production of traditional brick products, road substrates, geotechnical structures.
The authors of the REUCET project also evaluated the creation of innovative materials for the containment of pollution. Another alternative is the environmental recovery of the affected areas which would make it possible to use the thousands of tons of ash released by the volcano. For example, the use of this ash in the construction and renovation of the Sicilian road network would make it possible to use large volumes with limited transport costs.
Researchers from the University of Catania have also highlighted the need to intervene on current legislation. In fact, to date, the various ordinances issued by the authorities classify the ash as waste to be disposed of in landfills (cost of around €120 per ton) or in inert recovery plants (cost of around €12 per ton). These costs are added to those of collecting the ash in the streets (several hundred thousand euros). Therefore, huge public resources are needed to support local governments. The public should also be made aware of the need to collaborate in the collection of volcanic ash in order to facilitate its recovery and reduce management costs.
The management of volcanic ash has common points with the management of domestic waste in the Mt Etna region, with the fly dumps that I mentioned in a previous post. With an aggressive awareness campaign and a political will implementing means worthy of the name, the situation would inevitably improve.
Source: Sicilian news media.

Photo : C. Grandpey