Des chercheurs du département des Sciences de la Terre et de l’Environnement à l’Université de Munich ont développé des techniques pour observer et analyser les éclairs pendant les éruptions du Sakurajima. Ils ont récemment publié une étude dans Geophysical Research Letters intitulée «Observation multiparamétrique de la foudre volcanique sur le volcan Sakurajima au Japon ». Les chercheurs ont utilisé des caméras haute vitesse et des données magnétotelluriques afin de percevoir des processus éruptifs qui sont invisibles et trop rapides pour l’oeil humain. Alors qu’une caméra vidéo banale peut capturer des séquences d’images 30 fois par seconde, les caméras haute résolution et haute vitesse utilisées par les chercheurs capturent les images 100 fois plus rapidement.
Grâce à l’utilisation de ces caméras haute vitesse, les chercheurs ont appris que les éclairs se propagent en séries saccadées, un processus qui est également observé pendant les orages classiques. Cela correspond à la mise en court-circuit de régions chargées qui étaient séparées, soit à l’intérieur d’un nuage, soit entre le nuage et le sol.

Les éclairs détectés sur le Sakurajima sont généralement de petite taille et mesurent entre 9 et 180 mètres, c’est-à-dire deux ou fois moins que ceux qui apparaissent pendant les orages classiques.
La caméra haute vitesse permet de cartographier la répartition des éclairs au fil du temps, mais ces informations deviennent beaucoup plus intéressantes quand elles sont complétées par la surveillance magnétotelluriques (MT) qui détecte également les éclairs qui apparaissent dans la partie centrale plus opaque de la colonne éruptive.
Les observations MT échantillonnent simultanément les variations des champs électrique et magnétique depuis plusieurs kilomètres de distance et à l’incroyable fréquence de 65 000 fois par seconde. Les plus infimes fluctuations du champ magnétique sont enregistrées et ont révélé que les éclairs du Sakurajima véhiculent un courant pouvant atteindre 1000 ampères. En utilisant la technologie MT, les chercheurs peuvent aussi compter le nombre d’éclairs, déterminer le sens du courant pour chaque éclair et observer si la foudre reste concentrée dans le nuage de cendre ou si elle atteint le sol.
Si la compréhension scientifique de la foudre a atteint un bon niveau pendant les orages classiques, elle n’est encore qu’à l’état embryonnaire sur les volcans. Sur la base d’études cartographiques conduites en Alaska, on peut dire que la foudre volcanique se répartit en plusieurs catégories en fonction de son emplacement : foudre au niveau de la bouche éruptive, foudre à proximité de la bouche éruptive et foudre à l’intérieur du panache éruptif. La foudre au niveau du cratère du Sakurajima comprend des éclairs de plusieurs dizaines ou centaines de mètres de longueur à proximité de la bouche éruptive. A cet endroit, de petites particules de cendre sont projetées et sont préférentiellement chargées, c’est-à-dire que les plus grosses deviennent légèrement plus positives. Ensuite, comme le tri de la taille des particules s’effectue selon la résistance de l’air dans le nuage de cendre, elles deviennent physiquement séparées. Lorsque la cendre est projetée dans les airs, les particules de plus petite taille ont tendance à ralentir plus rapidement. C’est alors que se produit la séparation des charges, que ce soit par fracturation lorsque le matériau pyroclastique est violemment projeté pendant l’éruption; ou quand s’effectue un transfert de charge par frottement. Ce second mécanisme est semblable à l’électricité statique qui s’accumule lorsque l’on frotte une règle sur la manche d’un vêtement.
De nombreuses études ont montré que les colonnes éruptives se chargent statiquement à cause de la séparation des particules de cendre dans un panache. C’est un point important, parce que la présence de la foudre à proximité d’une bouche éruptive est directement liée à la quantité de matière fine produite par l’éruption. Ces découvertes laissent penser que nous pourrons bientôt utiliser la détection de la foudre pour mesurer la quantité de cendre émise lors des éruptions. La détection de la foudre offre la possibilité de quantifier les émissions de cendre pendant les intempéries et durant la nuit. Les détecteurs peuvent être installés à des dizaines de kilomètres d’une bouche éruptive et le nuage de cendre n’empêche pas les capteurs MT de « discerner » la foudre. Cette détection est essentielle car les nuages de cendre volcanique représentent l’un des principaux problèmes posés par les éruptions. Même diluées, les cendres ingérées par un moteur d’avion peuvent entraîner son arrêt et provoquer une catastrophe.
Compte tenu de l’impact économique des éruptions accompagnées de panaches de cendre, la prochaine génération de suivi des éruptions se concentrera sur la quantification des cendres et les détecteurs d’éclairs feront probablement partie des équipements prioritaires. Le Sakurajima aura largement contribué au développement de ces outils.
Source: Science en direct: http://www.livescience.com/

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Researchers from the Department of Earth and Environmental Sciences at the University of Munich have been developing techniques to observe Sakurajima’s eruption lightning events. They recently published a study in Geophysical Research Letters entitled “Multiparametric observation of volcanic lightning: Sakurajima volcano, Japan”. In this study, the researchers use high-speed cameras and magnetotelluric data to perceive the eruptive processes that are invisible and too fast for a human observer to track. While a commonplace video camera might capture image sequences 30 times each second, the high-resolution, high-speed cameras that the researchers use capture images 100 times more rapidly.

With the use of high-speed cameras, researchers have learned that lightning sparks propagate in a series of jerky advances that correspond to the short circuiting of charged regions that have been separated either within a cloud, or between the cloud and ground.

The sparks that are detected during volcanic lightning episodes at Sakurajima are generally small and measure between 9 and 180 metres, namely one or two orders of magnitude shorter than the lightning that appears during electrical storms.

The high-speed camera maps the distribution of sparks over time, but this information becomes much more valuable when it is complemented by magnetotelluric (MT) monitoring, which also detects sparks occurring within the opaque, center portion of the eruption column.

MT observations sample both electric- and magnetic-field variations from many kilometres away and at an incredible 65,000 times per second. Tiny magnetic-field fluctuations are well-recorded, and have revealed that Sakurajima volcano lightning carries up to 1,000 amperes of current. Using the MT technique, the researchers can also count flashes, determine the direction of current flow for each flash and assess whether the lightning remains within the ash cloud or reaches the ground.

Although scientists’ understanding of thunderstorm lightning is mature, they are only starting to build an understanding of volcano lightning. Based upon volcano lightning « mapping » studies conducted in Alaska, volcano lightning may be broadly grouped into categories that are described as « vent discharges, » « near-vent lightning » or « plume lightning » depending upon where they are located within an eruption column.

The vent discharges at Sakurajima include sparks tens- to hundreds-of-meters long that occur near the mouth of the volcano. Here, small particles of ash erupt and are preferentially charged — that is, the larger particles becoming slightly more positive. And then, as particle sizes are sorted by air resistance within the ash cloud, they become physically separated. When the ash explodes upward, the smaller-size particles tend to slow down more quickly. This is when charge separation may occur, either due to fractocharging when the pyroclastic material is violently ripped apart during eruption; or due to tribocharging, which is charge transfer through rubbing. This second mechanism is akin to the familiar static electricity that builds up when you rub a ruler on your arm.

A wealth of volcano research has shown that eruption columns become statically charged due to ash separating in a plume. This is important, because near-vent volcanic lightning is directly related to how much fine material is erupted. These discoveries suggest that soon we might be able to use lightning detection as a measure of how much ash is ejected during eruptions. Lightning detection offers a means to potentially quantify ash discharges during inclement weather and at nighttime. Detectors can be located at safe distances, tens of kilometres from the vent, and the cloud does not impede the ability of MT sensors to « see » lightning. Such detections are critical, as volcanic ash clouds are one of the principal hazards posed by eruptions. Even dilute amounts of ash that are ingested by a jet turbine can incapacitate the engine, causing it to fail catastrophically.

Given the economic impact of ashy eruptions, the next generation of eruption monitoring will focus on ash quantification and will likely use lightning ash detectors as a primary instrument. Sakurajima is facilitating the development of this tool.

Source : Live Science : http://www.livescience.com/

Production d’éclairs sur le Rinjani (Indonésie) en 1994

(Crédit photo: Wikipedia)