Une nouvelle approche des nuages de cendre volcanique // New approach of volcanic ash clouds

Tout le monde se souvient de l’éruption de l’Eyjafjallajökull, le volcan islandais au nom imprononçable qui a paralysé le trafic aérien en 2010 suite à une éruption riche en cendre. Les compagnies aériennes européennes n’ont pas voulu prendre le moindre risque et les avions sont restés cloués au sol. Il n’était pas question de mettre en péril les milliers de passagers qui sillonnent quotidiennement l’espace aérien. Les autorités avaient en tête des incidents survenus pendant l’éruption du Galunggung (Indonésie) en 1982 et celle du Redoubt (Alaska) en 1989 pendant lesquels des réacteurs étaient tombés en panne a cause de la cendre volcanique. Sans le sang-froid des pilotes, des catastrophes se seraient produites.

Depuis 2010, aucun progrès n’a été fait en aéronautique pour éviter une nouvelle paralysie du trafic aérien lors d’une prochaine éruption. J’ai toujours affirmé haut et fort (voir ma note du 23 mars 2018) que l’on se retrouverait dans la situation de l’Eyfjallajökull à la première occasion.

Une équipe internationale menée par le Laboratoire Magmas et Volcans (LMV) de Clermont-Ferrand, et incluant le Laboratoire de Mathématiques Blaise Pascal de l’Université Clermont Auvergne et Météo France (VAAC-Toulouse), a démontré que les éruptions les plus intenses sont les moins efficaces à transporter les cendres dans l’atmosphère. Cela implique que leur concentration dans les nuages volcaniques peut être jusqu’à 50 fois inférieure aux prévisions actuelles.

Les nuages de cendres volcaniques sont composés principalement de fines particules (<100µm) qui peuvent être transportées dans l’atmosphère sur plusieurs milliers de kilomètres. Comme on vient de le voir avec l’aéronautique, ces nuages peuvent avoir des conséquences socio-économiques importantes mais représentent aussi une menace pour les populations vivant à proximité du volcan (effondrement des toitures, pollution des réseaux d’eau et d’assainissement, inhalation des particules fines). Compte tenu de l’accroissement conjoint de la population mondiale et du trafic aérien, mieux comprendre le comportement de ces nuages de cendres est désormais un enjeu majeur de la volcanologie moderne.

Pourtant, les processus de sédimentation (autrement dit la retombée des cendres) et de transport qui contrôlent la proportion de cendres fines dans ces nuages sont encore très mal compris. Jusqu’à présent, on estimait au sein de la communauté scientifique que la proportion de cendres fines dans ces nuages représentait environ 5% de la quantité totale de téphras et ne variait pas d’une éruption à l’autre. En conséquence, au cours des deux dernières décennies, les Volcanic Ash Advisory Centers (VAAC) qui contrôlent la dispersion des cendres volcaniques dans l’atmosphère ont utilisé cette valeur par défaut pour prévoir la concentration des nuages de cendre lors des crises volcaniques.

Les scientifiques clermontois ont montré, à partir d’une étude inédite combinant données de terrain et satellitaires, que la proportion de cendres fines injectée dans l’atmosphère est en fait extrêmement variable et comprise entre 0.1% et 6.9%. Cette variation n’est pas aléatoire ; elle est inversement proportionnelle au flux de masse de téphras éjectée au niveau de la bouche éruptive. En effet, il s’avère que les éruptions les plus intenses (comme les éruptions pliniennes) sont en fait les moins efficaces – avec une proportion de cendres fines de 0,1% – à transporter des dernières dans l’atmosphère. Ce résultat s’explique par l’existence d’une sédimentation dite « collective » des particules dans les nuages riches en cendres, ce qui a pour effet d’accélérer la chute des cendres fines, diminuant ainsi la charge en cendre résiduelle au sein du nuage.

Cela signifie que la quantité de cendres fines transportées dans l’atmosphère peut être jusqu’à 50 fois inférieure aux prévisions actuelles. Cela a, bien sûr, des conséquences majeures pour les décideurs en charge de la sécurité du trafic aérien. Au sol en revanche, les retombées et dépôts de cendres fines peuvent être beaucoup plus importantes que ce que prédisent actuellement les modèles. Cela peut avoir des conséquences considérables dans l’évaluation des risques associés aux populations vivant à proximités des zones volcaniques.

Source: Gouhier, M., Eychenne, J., Azzaoui, N., Guillin, A., Deslandes, M., Poret, M., Costa, A., Husson, P., (2019). Low efficiency of large volcanic eruptions in transporting very fine ash into the atmosphere. Scientific Reports, doi: 10.1038/s41598-019-38595-7

La dernière étude du LMV permettra-t-elle d’éviter une nouvelle pagaille dans le ciel lors de la prochaine éruption d’un volcan émettant de volumineux panaches de cendre ? Les compagnies aériennes feront-elles confiance aux scientifiques ? Pas si sûr !

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Everyone remembers the eruption of Eyjafjallajökull, the Icelandic volcano with anunpronounceable name that paralyzed air traffic in 2010, following an ash-rich eruption. European airlines did not want to take the slightest risk and planes remained grounded. There was no question of endangering the thousands of passengers who ply the airspace daily. The authorities had in mind incidents during the eruption of Galunggung (Indonesia) in 1982 and Redoubt (Alaska) in 1989 when reactors stopped due to volcanic ash. Without the competence of the pilots, disasters would have occurred.
Since 2010, no progress has been made in aeronautics to avoid a new paralysis of air traffic during a next eruption. I have always stated loud and clear (see my note of 23 March 2018) that we would end up in the situation of Eyfjallajökull.
An international team led by the Laboratory Magmas and Volcanoes (LMV) of Clermont-Ferrand, and including the Laboratory of Mathematics Blaise Pascal of Clermont Auvergne University and Météo France (VAAC-Toulouse), has demonstrated that the most intense eruptions are the least efficient at transporting ash into the atmosphere. This implies that their concentration in volcanic clouds can be up to 50 times lower than current predictions.
Volcanic ash clouds are mainly composed of fine particles (<100μm) that can be transported into the atmosphere over several thousand kilometres. As we have just seen with aeronautics, these clouds can have important socio-economic consequences but also represent a threat for the populations living near the volcano (collapse of the roofs, pollution of the networks of water and sanitation, inhalation of fine particles). Given the joint growth of the world population and air traffic, a better understanding of the behaviour of these ash clouds is now a major issue of modern volcanology.
However, the processes of sedimentation (in other words the ashfall) and of transport that control the proportion of fine ash in these clouds are still very poorly understood. Until now, it has been estimated in the scientific community that the proportion of fine ash in these clouds is about 5% of the total amount of tephras and does not vary from one eruption to another. As a result, over the past two decades, the Volcanic Ash Advisory Centers (VAACs) that control the dispersion of volcanic ash into the atmosphere have used this default value to predict the concentration of ash clouds during volcanic crises.
The scientists at Clermont have shown from a groundbreaking study combining field and satellite data that the proportion of fine ash injected into the atmosphere is in fact extremely variable, between 0.1% and 6.9%. This variation is not random; it is inversely proportional to the mass flow of tephras ejected at the eruptive vent. Indeed, it turns out that the most intense eruptions (such as Plinian eruptions) are in fact the least effective, with a proportion of fine ash of 0.1%, to carry it in the atmosphere. This result is explained by the existence of so-called « collective » sedimentation of the particles in the ash-rich clouds, which has the effect of accelerating the fall of the fine ash, thus reducing the residual ash load within the cloud.
This means that the amount of fine ash transported into the atmosphere can be up to 50 times lower than current predictions. This, of course, has major consequences for the decision-makers in charge of air traffic safety. On the ground, on the other hand, ashfall and fine ash deposits can be much larger than the models currently predict. This can have considerable consequences in assessing the risks associated with populations living near volcanic areas.

Source: Gouhier, M., Eychenne, J., Azzaoui, N., Guillin, A., Deslandes, M., Poret, M., Costa, A., Husson, P., (2019). Low efficiency of large volcanic eruptions in transporting very fine ash into the atmosphere. Scientific Reports, doi: 10.1038/s41598-019-38595-7

Will the latest LMV study prevent a new mess in the sky during the next eruption of a volcano emitting voluminous ash plumes? Will airlines trust scientists? Not so sure !

Schéma illustrant les mécanismes de sédimentation et de transport des cendres volcaniques pour différents styles éruptifs. (Source : Mathieu Gouhier / LMV)

Panache de cendre émis par le Semeru (Indonésie) [Photo: C. Grandpey]

Photo LMV

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