Catégorie : Science

Les mesures GPS à Hawaii // GPS measurements in Hawaii

Le Global Positioning System (GPS) est un système américain de navigation par satellite conçu à l’origine pour des applications militaires, mais qui est devenu extrêmement populaire et largement utilisé. En plus de la constellation américaine, il existe trois autres systèmes de navigation par satellite (GNSS) dans le monde : GLONASS (Russie), Galilée (Europe) et BeiDou (Chine). Les nouveaux récepteurs GNSS peuvent suivre simultanément plusieurs constellations de satellites, ce qui améliore la précision.
À Hawaii, le HVO exploite un réseau GNSS de 67 stations réparties sur toute l’île, mais avec priorité aux zones de déformation telles que les zones de rift. Ces stations GNSS de haute précision fournissent des données aux scientifiques 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.
Le principe de fonctionnement est le suivant : les satellites GNSS émettent des ondes radio qui se déplacent à la vitesse de la lumière et transmettent des informations sur la position exacte du satellite et l’heure actuelle. L’antenne au sol prend en compte les signaux radio de plusieurs satellites et les transmet au récepteur qui calcule l’emplacement exact selon un processus appelé trilatération. Un système GNSS de haute précision peut déterminer un emplacement avec une marge d’erreur de seulement quelques millimètres.

Actuellement, la constellation GPS américaine compte 33 satellites opérationnels en orbite à une altitude de 20 000 km. Pour localiser avec précision l’emplacement d’une station GNSS, le récepteur doit recevoir en continu des données pendant six heures au moment où les satellites traversent l’horizon en vue de la station. Quatre satellites sont nécessaires pour calculer un emplacement 3D, mais généralement un récepteur GNSS en suit huit ou plus pour calculer une position plus précise.
Plusieurs facteurs peuvent affecter le signal GNSS et la précision des emplacements qui en dépendent. L’ionosphère et la troposphère, couches de l’atmosphère à travers lesquelles se déplacent les ondes radio, peuvent retarder les signaux radio, mais cela peut être corrigé avec des modèles atmosphériques. Il est important que les antennes GNSS fonctionnent dans un environnement bien dégagé,  sans interférence d’objets comme des arbres ou des bâtiments.
Pour obtenir une vue globale des déformations d’un volcan, le HVO effectue également chaque année des mesures sur le terrain sur le Mauna Loa et le Kilauea. Au cours de ces missions, le personnel du HVO place des récepteurs GPS temporaires et des antennes sur des supports – des disques de laiton qui ont été arrimés au sol – et les scientifiques laissent l’équipement en place pendant quelques jours sur chaque site. Le support du récepteur montre généralement une croix à l’intérieur d’un triangle qui sert de point de référence pour le centrage de l’antenne.
Au cours de chaque mission de mesures, le personnel du HVO revient sur les sites de mesures afin de collecter les données et déterminer si la station a bougé. Les données ainsi collectées permettent de calculer à la fois la position horizontale et verticale – comme on le fait pour la latitude, la longitude et l’altitude – et ainsi d’évaluer les variations par rapport aux relevés précédents.
Des campagnes de levés GPS sont conduites sur le Mauna Loa et le Kilauea depuis le milieu des années 1990. Elles fournissent des données extraordinairement précises sur la déformation de ces volcans. En plus du Mauna Loa et du Kilauea, le Hualalai et l’Haleakala sont inspectés périodiquement (tous les trois à cinq ans) dans le cadre du programme de surveillance des volcans par le HVO.
Source: USGS / HVO.

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The Global Positioning System (GPS) is a US satellite-navigation system originally designed for military use but now an extremely popular and widely used technology. In addition to the US constellation, there are three other Global Navigation Satellite Systems (GNSS): GLONASS (Russia), Galileo (European) and BeiDou (China). New GNSS receivers can simultaneously track multiple constellations of satellites , which provides improved accuracy.

In Hawaii, HVO operates a 67-station GNSS network spread out across the island but concentrated near persistent deforming features like rift zones. These high-precision GNSS stations give scientists a 24/7 record.

GNSS satellites send out radio waves that travel at the speed of light and transmit information about the exact position of the satellite and the current time. The antenna on the ground listens to the radio signals from multiple satellites and passes them to the receiver which calculates the exact location using a process called trilateration. High-precision GNSS equipment and analysis can determine a location down to less than a centimetre.

Currently, the American GPS constellation has 33 operational satellites orbiting at an altitude of 20 000 km. To accurately pinpoint the location of a high-precision GNSS station, the receiver must continuously receive data for six hours as satellites arc across the horizon in view of the station. Only four satellites are needed to calculate a 3-D location, but typically a GNSS receiver will track eight or more to calculate a more precise position.

There are several factors that affect the GNSS signal and accuracy of derived locations. The ionosphere and troposphere, layers of the atmosphere through which the radio waves travel, introduce delays in the radio signals that can be corrected with atmospheric models. It is important for GNSS antennas to have enough clear “sky view” without object interference suchas trees or buildings.

To get a more complete view of the deforming volcano, HVO also conducts yearly campaign surveys on Mauna Loa and Kilauea. During these surveys, HVO staff place temporary GPS receivers and antennas on benchmarks – permanent brass disks that have been drilled into the ground – and leave the equipment in place for a couple of days at each site. The benchmark typically has a cross inside a triangle that serves as a reference point for centering of the antenna.

During each survey, HVO staff returns to these benchmarks to collect data and determine how the point has moved. Data collected allow to calculate both a horizontal and vertical location, similar to latitude, longitude, and altitude and thus to evaluate the change from prior surveys.

Campaign of GPS surveys have been conducted on both Mauna Loa and Kilauea since the mid-1990s, providing extraordinary records of volcano deformation. Along with Mauna Loa and Kilauea, Hualalai and Haleakala are surveyed periodically (every three to five years) as part of HVO’s volcano monitoring program.

Source : USGS / HVO.

Station GPS sur le flanc sud du Kilauea (Crédit photo : USGS)

Pour une meilleure prévision des séismes et des tsunamis // For a better earthquake and tsunami prediction

Des chercheurs ont conçu un nouvel algorithme capable de décrire avec grande précision un signal gravitationnel provoqué par des séismes. Cela pourrait permettre d’améliorer les systèmes d’alerte précoce concernant les séismes ou les tsunamis.

Les séismes envoient des signaux qui se déplacent à la vitesse de la lumière et peuvent être enregistrés avant les ondes sismiques qui sont relativement lentes. Ces signaux représentent des changements soudains de gravité causés par un déplacement de la masse interne de la Terre. Récemment, ces signaux rapides d’élastogravité (PEGS) ont été suivis dans leurs déplacements par des mesures sismiques. Grâce aux PEGS, il est possible de détecter un séisme très tôt, avant même l’arrivée des ondes sismiques ou des vagues de tsunami destructrices. Cependant, l’effet gravitationnel de ce phénomène est si faible qu’il ne représente que moins d’un milliardième de la gravité de la planète, ce qui signifie que les PEGS peuvent être enregistrés uniquement pour les séismes les plus puissants. De plus, le processus de leur formation est complexe car ils sont non seulement produits directement à la source du séisme, mais également en permanence au moment où les ondes sismiques se déplacent à l’intérieur de la Terre.
Il n’existe pas de méthode exacte capable de simuler la formation des signaux PEGS sur les ordinateurs. Pour la première fois, l’algorithme proposé par les chercheurs du Centre de Recherche allemand GFZ pour les Géosciences est en mesure de calculer les signaux PEGS avec grande précision et plus de facilité. Les chercheurs ont démontré que ces signaux permettent de tirer des conclusions sur la puissance, la durée et le mécanisme des séismes les plus destructeurs.

Un séisme agit brusquement sur les plaques à l’intérieur de la Terre, ce qui entraîne en même temps une modification de la répartition des masses. Ce déplacement des plaques peut atteindre plusieurs mètres lors de puissants séismes. Cependant, chaque séisme produit également des ondes qui modifient la densité des roches et la gravité pendant une courte période. Cette variation de la gravité est la cause du déclenchement des ondes sismiques secondaires.
Les scientifiques du GFZ ont expliqué comment ils ont testé leur nouvel algorithme. Ils l’ont appliqué pour la première fois au séisme de Tohoku au Japon en 2011, qui a également provoqué le tsunami de Fukushima. Dans ce cas, des mesures de la force du signal PEGS étaient déjà disponibles. La cohérence était parfaite. Cela a donné aux chercheurs une base certaine pour la prévision d’autres séismes et la confirmation du potentiel des signaux pour de nouvelles applications.
Les chercheurs ont ajouté qu’en évaluant les changements de gravité à plus grande distance de l’épicentre du séisme, au large des côtes, cette méthode pourrait être utilisée pour déterminer s’il s’agit d’un puissant séisme, avec risque de tsunami. Il reste toutefois un long chemin à parcourir. Les instruments de mesure actuels ne sont pas encore suffisamment sensibles et les signaux d’interférence induits par l’environnement sont trop importants pour que les signaux PEGS soient directement intégrés dans un système opérationnel d’alerte précoce aux tsunamis.

Référence: « Prompt elasto-gravity signals (PEGS) and their potential use in modern seismology » – Zhang, S. et al – Earth and Planetary Science Letters.

Source: The Watchers.

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Researchers have proposed a new algorithm that can describe a gravitational signal caused by earthquakes with great accuracy. The procedure could help in improving early warning systems for earthquakes or tsunamis in the future.

Earthquakes send out signals that proliferate at the speed of light and can be recorded before the relatively slow seismic waves. These signals are sudden changes in gravity caused by a shift in the Earth’s inner mass. Recently, these signals called Prompt Elasto-Gravity Signals (PEGS) were tracked by seismic measurements. With the help of PEGS, it is possible to spot an earthquake very early, even prior to the arrival of destructive quakes or tsunami waves. However, the gravitational effect of this phenomenon is so small that it only amounts to less than one-billionth of the planet’s gravity, which means PEGS can only be recorded for powerful earthquakes. Furthermore, the process of their generation is complex as they are not only produced directly at the quake’s source but also persistently as the tremor waves propagate through the Earth’s interior.

There has been no exact method to simulate the generation of PEGS signals on computers. For the first time, the algorithm proposed by researchers from the GFZ German Research Center for Geosciences can calculate PEGS signals with great accuracy and less effort. The researchers were able to present that the signals enable conclusions to be drawn about the strength, duration, and mechanism of very strong earthquakes.

A tremor abruptly changes the rock slabs in the Earth’s interior, thus also shifting the mass distribution in the Earth. This displacement can amount to several meters in powerful earthquakes. However, every tremor also produces waves that change the density of rocks and gravitation for a short time. This oscillating gravity triggers secondary seismic waves.

The scientists at GFZ explained how they tested their new algorithm. They first applied it to the Tohoku quake off Japan in 2011, which was also the cause of the Fukushima tsunami. There, measurements on the strength of the PEGS signal were already available. The consistency was perfect. This gave the researchers certainty for the prediction of other earthquakes and the potential of the signals for new applications.

Researchers added that by evaluating the changes in gravity further from the quake’s epicenter off the coast, this method could be used in the future to identify whether a large earthquake is involved, which could trigger a tsunami. However, there is still a long way to go. Today’s measuring instruments are not yet sensitive enough, and the environmentally induced interference signals are too great for the PEGS signals to be directly integrated into a functioning tsunami early warning system.

Reference: « Prompt elasto-gravity signals (PEGS) and their potential use in modern seismology » – Zhang, S. et al – Earth and Planetary Science Letters.

Source: The Watchers.

 

Répartition dans l’espace de l’intensité du signal PEGS lors du séisme de Tohoku en 2011, peu de temps avant l’arrivée des ondes sismiques primaires. (Source : Zhang

Mesure et analyse des gaz sur le Kilauea (Hawaii) // Measurement and analysis of gases on Kilauea Volcano (Hawaii)

Après les géodésistes, l’Observatoire des Volcans d’Hawaii(HVO) explique le rôle joué par les géochimistes dans l’analyse du comportement du Kilauea.
Les gaz donnent des indications précieuses sur les processus volcaniques, même quand le volcan n’est pas en éruption. Les ratios de gaz émis, comme le dioxyde de carbone (CO2) et le dioxyde de soufre (SO2), peuvent renseigner les scientifiques sur la profondeur à laquelle se trouve le magma. La quantité de SO2 émise par le volcan reflète également la quantité de magma ou de lave en cours de dégazage.
Les géochimistes du HVO utilisent diverses méthodes pour contrôler les émissions de gaz du Mauna Loa et du Kilauea, avec des mesures directes et des techniques à distance. L’une des mesures les plus fréquentes concerne les émissions de SO2, afin de savoir combien de tonnes sont émises par jour. Pour cela, les géochimistes se rendent sous le panache de gaz avec un spectromètre ultraviolet. Le SO2 absorbe la lumière ultraviolette, donc lorsqu’il y a une plus grande quantité de SO2 dans le panache éruptif, une plus faible quantité de lumière ultraviolette atteint le spectromètre. Ces mesures sont actuellement effectuées toutes les 2 à 4 semaines. Par contre, pendant l’éruption de 2018, elles étaient effectuées au minimum tous les deux jours. Lorsque le lac de lave s’agitait au sommet de Kilauea, le HVO avait un réseau de spectromètres qui calculait les émissions de SO2 toutes les quelques secondes.
Les géochimistes s’appuient également sur le rapport entre le CO2 et le SO2. Les rapports de quantités de ces gaz donnent des informations sur la profondeur à laquelle se trouve le magma. Le CO2 n’absorbe pas la lumière ultraviolette comme le SO2 ; les scientifiques mesurent donc directement le CO2. Pour ce faire, ils utilisent des capteurs placés directement dans le panache de gaz volcanique. Par exemple, le capteur «MultiGas» pompe le gaz et détermine les concentrations de CO2, SO2, H2S et de vapeur d’eau. Le travail consiste ensuite à calculer leurs ratios et à contrôler les fluctuations qui pourraient indiquer une augmentation du magma dans le volcan.
Il existe trois types de capteurs MultiGas au HVO: 1) des stations permanentes sur le Kilauea et le Mauna Loa qui envoient des données au HVO en temps réel: 2) un MultiGas portable, de la taille d’une grande mallette qui permet de contrôler la chimie des gaz dans de nombreux endroits; 3) un MultiGas miniaturisé monté sur un drone pour mesurer le gaz dans des sites dangereux ou inaccessibles.
Il y a d’autres gaz présents en faibles quantités dans les panaches volcaniques. Eux aussi peuvent fournir des informations préciueses sur le comportement d’un volcan. Pour mesurer ces gaz mineurs tels que le chlore, le fluor et l’hélium, les géochimistes utilisent des méthodes à distance et sur le terrain.
De nombreux gaz volcaniques absorbent le rayonnement infrarouge ; en conséquence, pendant les éruptions, le HVO peut utiliser la télédétection de l’énergie infrarouge émise par la lave. Un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) détecte différentes longueurs d’onde infrarouge et mesure leur absorption par de nombreux gaz simultanément. Cela fournit de nombreux ratios de gaz qui aident à comprendre les processus de dégazage lors des éruptions.
Une autre façon de mesurer plusieurs gaz volcaniques à la fois est de les collecter dans une bouteille de l’envoyer au laboratoire pour analyse. Pour cela, les scientifiques utilisent une bouteille spéciale [NDLR : avec le vide à l’intérieur] équipée s »un tube que l’on introduit dans une fumerolle. Ce type d’échantillonnage est actuellement effectué une fois tous les trois mois au niveau des Sulphur Banks dans le Parc National des Volcans d’Hawaï pour contrôler sur le long terme l’évolution de la chimie du gaz.
Ce travail suppose l’utilisation d’un grand nombre d’instruments. C’est pour ce la que l’équipe de géochimistes travaille en étroite collaboration avec les techniciens du HVO et les informaticiens pour s’assurer que tout  cetéquipement fonctionne correctement.
Source: USGS / HVO.

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After the geodesists, the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) esplians the part played by geochemists in analysing the behaviour of Kilauea Volcano.

Volcanic gases give clues about volcanic processes, even when no lava is erupting. Ratios of escaped gases like carbon dioxide (CO2) and sulphur dioxide (SO2) can tell scientists about magma depth. The total amount of SO2 released also reflects the amount of magma or lava that is degassing.

HVO geochemists use a variety of methods to track gas emissions from Mauna Loa and Kilauea, including direct measurements and remote techniques. One of the most frequent measurements is the SO2 emission rate, in order to know how many tonnes are emitted per day. For this, geochemists drive or walk under the gas plume with an ultraviolet spectrometer. SO2 absorbs ultraviolet light, so when more SO2 is present overhead, less ultraviolet light reaches the spectrometer. These measurements are currently made once every 2-4 weeks, whereas during the 2018 eruption, they were made at least every other day. When Kīlauea’s summit lava lake was present, HVO had a network of spectrometers that calculated the SO2 emission rate every few seconds.

Another measurement geochemists rely on is the ratio of CO2 to SO2. The relative amounts of those gases give information about the depth of magma. CO2 does not absorb ultraviolet light like SO2, so scientists measure CO2 directly. To do this, they use sensors placed right in the volcanic gas. For instance, an instrument called “MultiGas” pumps in gas and determines concentrations of CO2, SO2, H2S and water vapour. The job is then to calculate their ratios and track changes that might indicate magma rising within the volcano.

There are three types of MultiGas at HVO: 1) permanent stations on Kilauea and Mauna Loa that send data to HVO in real-time: 2) a portable MultiGas, which is the size of a large briefcase and allows to check gas chemistry in many places; 3) a miniaturized MultiGas mounted on a drone to measure gas in hazardous or inaccessible sites.

There are additional gases in volcanic plumes that are not present in large amounts but still provide information about volcanic behaviour. To measure those minor gases, including chlorine, fluorine, and helium, geochemists use remote and direct methods.

Many volcanic gases absorb infrared radiation, so during eruptions HVO can use remote sensing of infrared energy emitted by lava. A Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer detects different wavelengths of infrared and measures absorption by numerous gases simultaneously. This provides many gas ratios that help to understand degassing processes during eruptions.

Another way to measure multiple volcanic gases at once is to collect a bottle of gas and send it to the lab for chemical analysis. For this, scientists use a special glass bottle with tubing inserted into a fumarole. This kind of sampling is currently done once every three months at Sulphur Banks in Hawaii Volcanoes National Park to track long-term changes in gas chemistry.

That’s a lot of instrumentation, so the gas geochemistry team works closely with HVO technicians and IT specialists to make sure that all the equipment functions properly.

Source: USGS / HVO.

Panache de gaz au-dessus du lac de lave du Kilauea

Sulphur Banks, dans le Parc des Volcans d’Hawaii

(Photos: C. GRandpey)

 

Péninsule de Reykjanes (Islande) : Au cas où…// Reykjanes Peninsula (Iceland) : Just in case…

Comme je l’ai écrit précédemment, la sismicité est toujours relativement importante sur la Péninsule de Reykjanes. Les scientifiques locaux ont renforcé la surveillance, en particulier celle concernant l’inflation du Mont Þorbjörn qui pourrait être causée par une accumulation de magma. .
De nouveaux instruments ont été installés par l’Icelandic Met Office (IMO) qui a désormais accès aux données fournies par d’autres équipements de surveillance. L’IMO prévoit d’installer deux GPS, un sur le Mt Þorbjörn et un autre à l’ouest de la montagne. L’inflation dans la région a atteint environ 3 cm, après avoir progressé de 3-4 mm par jour depuis le 21 janvier 2020
L’Icelandic Met Office possède un sismomètre à l’ouest de Grindavík, un autre à l’extrémité nord de la Péninsule de Reykjanes ainsi qu’à Vogar et Krýsuvík. De plus, l’IMO aura accès aux données de trois ou quatre sismomètres supplémentaires qui sont utilisés pour un projet de recherche indépendant.
Des images satellites ainsi que la technologie InSAR sont également utilisées pour contrôler et évaluer l’inflation.
L’Icelandic Met Office dispose d’un réseau GPS dans toute la péninsule afin de pouvoir mesurer les mouvements à la surface de la terre. Par ailleurs, il pourra accéder aux données GPS de l’Institut des Sciences de la Terre.
L’accélération de la gravité sera mesurée par l’Islande GeoSurvey (Ísor) pour déterminer si le magma est toujours en train de s’accumuler.
Si une éruption devait se produire, une station radar, située sur le plateau de Miðnesheiði, fournirait des informations sur les panaches de cendre volcanique. Une autre station radar, actuellement implantée ailleurs sur l’île, sera installée à Reykjanes. Enfin, un LiDAR, utilisé pour mesurer les concentrations de cendre volcanique dans l’air, sera installé dans la zone. En cas d’éruption, il sera important de décider si les aéroports peuvent rester ouverts.
Source: Iceland Monitor.

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As I put it before, seismicity is still significant on the Reykjanes Peninsula, and local scientists want to better monitor the situation, including the inflation of Mt Þorbjörn which might be caused by magma accumulation. .

Additional monitoring equipment has been installed by the Icelandic Met Office (IMO)  and access to data from other monitoring equipment will be obtained. IMO expects to install two GPS devices – one on Þorbjörn volcano, and another one west of the mountain. Inflation in the area has reached about 3 cm, after amounting to 3-4 mm a day since January 21st, 2020

The Icelandic Met Office has one seismometer west of Grindavík, another one on the northernmost tip of Reykjanes as well as in Vogar and Krýsuvík. In addition, the Met Office will obtain access to data from three or four additional seismometers that have been used for a special research project.

Satellite pictures as well as InSAR technology are used as well to assess the inflation.

The Icelandic Met Office has a system of GPS devices throughout Reykjanes, measuring movements on the earth’s surface. The Met Office will obtain access to GPS data from the Institute of Earth Sciences.

In addition, gravity acceleration of the earth will be measured by Iceland GeoSurvey (Ísor) to help determine whether magma is accumulating.

In xase of an eruption, a radar station, located on Miðnesheiði plateau, would provide information about volcanic ash plumes. Another radar station, currently located elsewhere, will be installed in Reykjanes. Finally, a LiDAR, used to measure volcanic ash in the air, will be installed in the area. It would be important when determining whether airports can remain open.

Source : Iceland Monitor.

Vue de Grindavík et du volcan Þorbjörn (Crédit photo mbl.is / Kristinn Magnússon)