Long-term hazard assessment of explosive eruptions at Jan Mayen (Norway) and implications for air traffic in the North Atlantic

Abstract

Las erupciones volcánicas se encuentran entre los fenómenos naturales más peligrosos debido a su impacto potencial sobre la vida, las infraestructuras y el medio ambiente. En particular, la dispersión atmosférica de tefra y aerosoles volcánicos durante erupciones explosivas supone una seria amenaza para la seguridad aérea y puede tener consecuencias significativas para las infraestructuras y el tráfico aéreo global. La isla volcánica de Jan Mayen, situada en el Atlántico Norte bajo rutas de tráfico aéreo transcontinentales, es considerada la región volcánica activa más septentrional del mundo, con al menos cinco periodos eruptivos registrados en los últimos 200 años. Sin embargo, no existen evaluaciones cuantitativas del peligro asociado a las posibles consecuencias para el tráfico aéreo de una futura erupción generadora de ceniza en Jan Mayen. Este estudio presenta la primera evaluación integral del peligro volcánico a largo plazo para la isla de Jan Mayen en términos de dispersión y concentración de ceniza a distintos niveles de vuelo. Para caracterizar y modelizar este impacto potencial, se adopta un enfoque probabilístico basado en la combinación de un gran número de simulaciones numéricas, variando los parámetros de la fuente eruptiva y los escenarios meteorológicos. Los valores de los parámetros eruptivos se muestrean aleatoriamente siguiendo funciones de densidad de probabilidad continuas derivadas del registro geológico de Jan Mayen. Se consideran más de 20 años de datos meteorológicos para explorar la variabilidad natural de las condiciones atmosféricas, ejecutándose miles de simulaciones del modelo de dispersión de ceniza FALL3D sobre una malla de 2 km de resolución. Los escenarios simulados se integran para generar mapas probabilísticos de concentración de ceniza en suspensión, tiempo de llegada y persistencia de condiciones desfavorables en los niveles de vuelo FL050 y FL250. Los mapas resultantes constituyen una herramienta de apoyo para la elaboración de estrategias de protección civil y para la toma de decisiones por parte de gestores y actores del sector aeronáutico, orientadas a la evaluación y mitigación del impacto potencial de una futura erupción rica en ceniza en Jan Mayen.

Volcanic eruptions are among the most jeopardizing natural events due to their potential impacts on life, assets, and the environment. In particular, atmospheric dispersal of volcanic tephra and aerosols during explosive eruptions poses a serious threat to life and has significant consequences for infrastructures and global aviation safety. The volcanic island of Jan Mayen, located in the North Atlantic under trans-continental air traffic routes, is considered the northernmost active volcanic area in the world with at least five eruptive periods recorded during the last 200 years. However, quantitative hazard assessments on the possible consequences for the air traffic of a future ash-forming eruption at Jan Mayen are nonexistent. This study presents the first comprehensive long-term volcanic hazard assessment for the volcanic island of Jan Mayen in terms of ash dispersal and concentration at different flight levels. In order to delve into the characterization and modeling of that potential impact, a probabilistic approach based on merging a large number of numerical simulations is adopted, varying the volcano's eruption source parameters (ESPs) and meteorological scenario. Each ESP value is randomly sampled following a continuous probability density function (PDF) based on the Jan Mayen geological record. Over 20 years of meteorological data is considered in order to explore the natural variability associated with weather conditions and is used to run thousands of simulations of the ash dispersal model FALL3D on a 2 km resolution grid. The simulated scenarios are combined to produce probability maps of airborne ash concentration, arrival time, and persistence of unfavorable conditions at flight levels 50 and 250 (FL050 and FL250). The resulting maps can serve as an aid during the development of civil protection strategies, to decision-makers and aviation stakeholders, in assessing and preventing the potential impact of a future ash-rich eruption at Jan Mayen.