Clima, vulcani e tettonica: perché studiarli insieme

La dinamica del sistema Terra è governata da processi che operano su scale temporali e spaziali molto diverse che possono interagire tra loro attraverso meccanismi fisici comuni. Variazioni climatiche – oscillazioni delle temperature, precipitazioni estreme, periodi di siccità – modificano la quantità e distribuzione delle acque che si trovano in superficie, la pressione dell’acqua presente nei pori delle rocce e la facilità con cui essa circola nei sistemi idrotermali sotterranei. Questi cambiamenti influenzano lo stato di stress della crosta e la risposta meccanica dei sistemi tettonici e vulcanici. Anche l’attività vulcanica può alterare l’equilibrio energetico dell’atmosfera attraverso l’emissione di aerosol ricchi di SO₂ e particolato solido (ceneri vulcaniche, polveri sottili), con effetti climatici a breve, medio ed occasionalmente lungo termine. 

La complessità di queste interazioni richiede strumenti e tecniche di analisi sofisticati, capaci di integrare osservazioni eterogenee e modelli fisici avanzati. Un approccio multidisciplinare può favorire l’identificazione di segnali deboli, altrimenti non rilevati, di schemi complessi che coinvolgono più fattori e di fenomeni pericolosi che possono verificarsi insieme, contribuendo a comprendere meglio i processi osservati e a valutare i rischi naturali.

È in questo contesto che nasce VT-CLAIM, un progetto multidisciplinare che integra osservazioni satellitari, misure sul campo, modelli fisico-matematici e Intelligenza Artificiale per studiare le possibili interazioni tra clima, attività vulcanica e processi tettonici.

Come si studiano le interazioni tra clima, attività vulcanica e attività tettonica

Per comprendere le interazioni tra clima, vulcani e tettonica, i ricercatori combinano diversi metodi di osservazione e analisi, capaci di descrivere fenomeni molto differenti per natura e intensità.

Le osservazioni satellitari rappresentano una componente fondamentale: le immagini SAR, ossia immagini digitali della superficie terrestre acquisite da satelliti mediante radar ad apertura sintetica, consentono ad esempio di misurare le deformazioni della superficie terrestre;  le immagini termiche e multispettrali aiutano a individuare variazioni e anomalie legate alla presenza di fluidi o a cambiamenti termici delle superfici; analisi altimetriche e gravimetriche possono rilevare variazioni di massa, come quelle associate al ritiro dei ghiacciai o alla dinamica dei bacini idrici.

Accanto ai dati satellitari, un ruolo centrale è svolto dalle reti di monitoraggio a terra. Le reti geofisiche registrano la sismicità e il tremore vulcanico, e a piccola scala anche fenomeni di sollevamento e abbassamento del suolo legati ai movimenti sotterranei di magma o fluidi (inflazione e deflazione) e movimenti relativi della crosta terrestre. Le reti geochimiche misurano i flussi di gas emessi dai pennacchi vulcanici e le concentrazioni di alcune specie chimiche impattanti nell’atmosfera come CO₂ e SO₂. Le informazioni provenienti dalle reti meteorologiche e oceanografiche permettono di inserire questi segnali nel più ampio contesto delle condizioni ambientali.

La modellistica numerica consente di interpretare i dati e di simulare alcuni processi (fisici e chimici) che avvengono nel sottosuolo e nell’atmosfera. I modelli termo-meccanici descrivono la risposta della litosfera alle variazioni di carico e di temperatura, mentre le simulazioni dedicate permettono di valutare come le oscillazioni climatiche possano modificare lo stato di stress della crosta. I modelli idrotermali ricostruiscono la circolazione dei fluidi in condizioni variabili, e infine i modelli climatici — regionali o globali — forniscono scenari utili anche per comprendere l’evoluzione delle condizioni atmosferiche e idrologiche.

A supporto di queste osservazioni e dei modelli fisici, stanno assumendo un ruolo sempre più importante le tecniche di Intelligenza Artificiale (AI). Algoritmi di machine learning e deep learning consentono di integrare grandi quantità di dati eterogenei, individuare correlazioni difficilmente riconoscibili con metodi tradizionali, estrarre schemi ricorrenti spazio-temporali complessi e supportare l’identificazione di possibili relazioni tra processi climatici, vulcanici e tettonici. L’AI non sostituisce i modelli fisici, ma ne amplia le capacità di analisi, permettendo di formulare nuove ipotesi da verificare attraverso osservazioni e simulazioni.

Le principali sfide scientifiche

Studiare processi accoppiati tra clima, vulcani e tettonica significa confrontarsi con una serie di criticità che derivano dalla natura complessa dei sistemi geologici e ambientali. Una delle difficoltà principali riguarda la non linearità dei processi naturali: la risposta della crosta o dei sistemi vulcanici a un cambiamento esterno non è quasi mai proporzionale al cambiamento stesso, ma può manifestarsi in modo amplificato, attenuato o con ritardi significativi nel tempo. A questo si aggiunge l’eterogeneità dei dataset utilizzati, che spesso presentano scale temporali e spaziali molto diverse tra loro e richiedono metodi di integrazione accurati per poter essere confrontati.

Un ulteriore elemento di complessità è rappresentato dal “rumore”, cioè un disturbo di fondo dei segnali dovuto a fluttuazioni casuali presente nelle varie serie temporali. Le oscillazioni naturali, le variazioni stagionali e i segnali locali possono mascherare o imitare processi più profondi, rendendo difficile isolare i fenomeni realmente significativi.

Per interpretare correttamente questi processi è spesso necessario ricorrere a modelli fisici accoppiati, capaci di integrare aspetti diversi come l’idrologia, la meccanica della fratturazione, la dinamica dei fluidi e i processi vulcanici. A questi si affiancano oggi strumenti di AI in grado di analizzare dataset multidimensionali e identificare connessioni statistiche che possono suggerire nuovi meccanismi fisici da approfondire. 

Solo attraverso approcci interdisciplinari, che combinano osservazioni, modellistica e AI, è possibile ricostruire i meccanismi che collegano clima, vulcani e tettonica e valutarne il ruolo nel comportamento del sistema Terra.

“Pericolosità composite” e implicazioni per la gestione del rischio

Le pericolosità composite si manifestano quando processi climatici, vulcanici e tettonici interagiscono tra loro, amplificando l’impatto complessivo di un evento naturale. In questi casi, fenomeni che normalmente verrebbero considerati separatamente finiscono per sovrapporsi, generando effetti più complessi e talvolta inattesi. 

Un esempio è la destabilizzazione dei versanti vulcanici in seguito a precipitazioni estreme, che possono favorire frane o collassi in aree già indebolite da attività magmatica o da deformazioni crostali, come è avvenuto sull’Isola di Stromboli ad agosto 2022. In contesti glaciali, la sismicità può aumentare in risposta alle variazioni di carico dovute al ritiro o all’accumulo del ghiaccio, mostrando come i processi climatici possano incidere direttamente sulla dinamica tettonica. Allo stesso tempo, grandi eruzioni esplosive possono modificare temporaneamente il clima, amplificando o modulando gli effetti di altri fenomeni atmosferici.

Il contributo del progetto VT-CLAIM

L’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) ha recentemente avviato il progetto VT-CLAIM (Volcano, Tectonic and Climate-Atmosphere Interactions through AI and Multi-source Data Integration), sviluppato nell’ambito del programma Pianeta Dinamico 2026-2029, con l’obiettivo di studiare con una prospettiva multidisciplinare  le relazioni tra cambiamenti climatici, attività vulcanica e processi tettonici.

VT-CLAIM punta a sviluppare un nuovo quadro scientifico per analizzare le possibili connessioni tra questi fenomeni attraverso l’integrazione di osservazioni satellitari, misure sul campo, modelli numerici avanzati e tecniche di Intelligenza Artificiale. Il progetto supera l’approccio tradizionale, che studia questi fenomeni separatamente, adottando una visione del sistema Terra in cui clima, attività vulcanica e processi tettonici sono considerati componenti di un unico insieme complesso e interconnesso.

Tra gli aspetti più innovativi di VT-CLAIM vi è lo sviluppo di una piattaforma integrata basata su Intelligenza Artificiale in grado di analizzare grandi quantità di dati e di individuare possibili relazioni causali tra fenomeni climatici, vulcanici e tettonici, successivamente validate attraverso modelli fisici ed esperimenti sul campo.

VT-CLAIM coinvolge 120 ricercatori appartenenti a 17 istituzioni partner distribuite su 5 Paesi (Italia, Francia, Regno Unito, Islanda e Australia), riunendo competenze in vulcanologia, sismologia, geodesia, geochimica, climatologia, oceanografia, criosfera e Intelligenza Artificiale.

Le attività si concentreranno sulle tre aree di studio di particolare interesse scientifico: l’Islanda, la regione Mediterranea (Etna e Isole Eolie) e le regioni polari. 

In Islanda, il ritiro glaciale modifica il carico superficiale e la pressione litostatica, influenzando la dinamica magmatica e la sismicità indotta. È uno dei contesti più adatti per studiare l’effetto delle variazioni climatiche sulla litosfera.

All’Etna ed alle Isole Eolie la tettonica attiva, la complessità dei sistemi vulcanici e le dinamiche climatiche e marine generano interazioni che influenzano la circolazione dei fluidi, il degassamento e la risposta meccanica dei sistemi vulcanici.

Ai poli terrestri la criosfera risponde rapidamente alle variazioni climatiche, permettendo di osservare processi accoppiati con un rapporto segnale/rumore più favorevole rispetto ad altre regioni.

Questi scenari consentono di testare sia i modelli che simulano i processi fisici sia quelli basati sull’AI, verificando se i meccanismi individuati siano validi anche in contesti geografici diversi.

I risultati del progetto contribuiranno a migliorare la comprensione delle relazioni tra clima e processi geodinamici e a sviluppare  nuovi strumenti per la ricerca e per lo studio dei rischi naturali.

Comprendere queste interazioni significa descrivere in modo più realistico il funzionamento del sistema Terra. È questa la sfida di VT-CLAIM: integrare dati, modelli e competenze diverse per comprendere processi finora studiati separatamente che sono in realtà parte di una stessa dinamica. 

A cura di Gaetana Ganci, Federica Di Michele, Isabella Munda, Marco Neri, INGV

Per approfondire: website: https://www.ct.ingv.it/VT-CLAIM/

Licenza

Quest’opera è distribuita con Licenza Creative Commons Attribuzione – Non opere derivate 4.0 Internazionale