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)

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