Modeling strategies for volcanic ash dispersal and management of impacts on civil aviation
Authors:   , Scaini Chiara 
Published: October 2023

During April-May 2010, the eruption of Eyjafjallajokull volcano in Iceland caused the larger breakdown of civil aviation after World War II. Although the eruption was weak in intensity, the dispersal of volcanic ash clouds over northern and central Europe resulted in more than 100.000 flights canceled and caused over USD 1.7 billion economical losses. This event and its unexpected effects raised many questions amongst the affected communities and stakeholders. How could volcanic eruptions cause severe disruptions at continental scales? Were these impacts totally unexpected? What could have been done to improve preparedness of aviation sector and reduce societal impacts of disruptions?
The harmful effects of volcanic ash on aircraft's components have long been recognized, and volcanic ash dispersal patterns can be forecasted thanks to sophisticated numerical models. However, the procedures to be implemented in case of ash-contaminated airspace where applied only in few occasions, due to the relatively low frequency of explosive eruptions events. The 2010 Eyjafjallajokull crisis revealed a low preparedness of society to direct and indirect impacts of volcanic eruptions, and pointed out some flaws to be improved for mitigating impacts of explosive eruptions on aviation operations.
The issues pointed out by the 2010 crisis are the starting point of this PhD research, which aims at offering new methods for improving aviation management during explosive volcanic eruptions. This manuscript describes the novel contributions developed during a 4-year period of research. The adoption of new techniques is proposed in order to improve current tephra dispersal modeling strategies and produce results focused on aviation needs. This research develops the first methodology to assess vulnerability of air traffic system and its elements to volcanic tephra dispersal. In addition, an impact assessment methodology has been designed to estimate expected impacts of explosive volcanic eruptions on the air traffic network and its elements. The impact assessment methodology has been implemented into a map-based tool to automatically assess expected impacts of volcanic eruptions based on real ash dispersal and air traffic data. Results of the vulnerability and impact assessment can support the stakeholders involved in the definition of risk-management strategies.
Contributions of this research have been applied to case-studies and specific results have been published in a collection of journal papers. Main outcomes of the research are discussed identifying further work to be done in this rapidly evolving field. This research provides useful insights to reduce impacts of volcanic eruptions on civil aviation and, eventually, on the whole society.
En Abril 2010, la erupción del volcán Islandés Eyjafjallajokull causó la interrupción mas grande del tráfico aéreo en Europa desde la segunda guerra mundial. A pesar de su baja intensidad, esta erupción produjo una nube de ceniza que cubrió Europa central causando la cancelación de mas de 100.000 vuelos y perdidas económicas de más de 1.700 millones de USD. Este evento generó muchas preguntas en la opinión publica y las comunidades impactadas. ¿Pero cómo pudo una erupción volcánica provocar impactos tan fuertes a escala continental? ¿Fueron estos impactos realmente inesperados? ¿Qué se habría podido hacer para mejorar la preparación de la aviación civil? Los daños que la ceniza volcánica puede provocar en los componentes de los aviones se han documentado desde los años ochenta. También, gracias a sofisticados modelos numéricos desarrollados en las ultimas décadas, los patrones de dispersión de ceniza volcánica se pueden pronosticar. Aun así, la erupción de Eyjafjallajokull en 2010 evidenció que la sociedad no estaba preparad a lidiar con este tipo de eventos y sus impactos directos e indirectos. En Europa los procedimientos a seguir en caso de ceniza volcánica en el espacio aéreo se habían aplicado en pocas ocasiones, debido a la frecuencia relativamente baja de erupciones volcánicas explosivas. Las dificultades sufridas por los gestores del trafico aéreo en 2010 subrayan algunos aspectos a mejorar para mitigar impactos similares en el futuro. Estos aspectos son el punto de partida de esta investigación, que tiene como objetivo ofrecer nuevos métodos para mejorar la gestión del tráfico aéreo durante erupciones volcánicas explosivas. Este documento describe las contribuciones desarrolladas durante los 4 años de investigación pre-doctoral. Esta investigación propone algunas mejoras en las estrategias de modelado utilizadas actualmente para dispersión de ceniza en la atmósfera, y generar resultados que satisfagan las necesidades de la aviación civil. Se presenta la primera metodología que permite estimar la vulnerabilidad del trafico aéreo en caso de erupciones volcánicas y los impactos de la ceniza volcánica sobre sus elementos. También se ha creado una herramienta informática que permite automatizar el análisis de impactos y producir resultados utilizando datos reales de dispersión de ceniza y de trafico aéreo. Este documento discute los resultados principales de la investigación y propone directrices para su desarrollo futuro. Las contribuciones de esta investigación se han aplicado a varios casos de estudio para producir resultados específicos, y se pueden potencialmente aplicar a otras zonas. Los resultados se han presentado y discutido en un compendio de artículos científicos, publicados en revistas internacionales. Los análisis de vulnerabilidad e impacto pueden dar soporte a los actores involucrados en la gestión de trafico aéreo y la definición de estrategias para la gestión de riesgo. Sus resultados son significativos para dar soporte y definir estrategias para la gestión de riesgo. Los desarrollos futuros de esta investigación podrían utilizarse para reducir el impacto de erupciones volcánicas sobre la aviación civil, que afectan indirectamente a toda la sociedad