Catégorie : Science

La cendre volcanique du Kilauea (Hawaii) // Kilauea’s volcanic ash (Hawaii)

Dans son dernier article de la série «Volcano Watch», le HVO examine les effets et les dangers de la cendre volcanique émise lors de la dernière éruption du Kilauea. Au cours d’une éruption, les concentrations de dioxyde de soufre (SO2) dans l’air revêtent une grande importance car elles sont étroitement liées aux émissions de lave. Cependant, l’émission considérable de cendre volcanique lors de l’éruption du Kilauea en 2018 a suscité des inquiétudes quant aux impacts potentiels sur les zones sous le vent.
Lors d’une éruption, les réactions chimiques qui se produisent entre la cendre volcanique et le panache riche en SO2 provoquent des dépôts de couches de sels à la surface des particules de cendre. Elles contiennent toute une gamme de composants solubles. Au contact de l’eau, que ce soit lors des retombées de cendre dans les bassins de captage d’eau potable ou lorsque la pluie s’abat sur la cendre, les composants solubles sont lessivés. Cela peut avoir un impact positif sur les activités humaines et agricoles (si les cendres apportent des éléments nutritifs) ou bien un effet négatif (si la cendre libère des éléments potentiellement toxiques, telles que le fluor).
La composition de la couche d’éléments à la surface de la cendre peut être mesurée en laboratoire par des expériences de lixiviation, une technique d’extraction de produits solubles par un solvant, et notamment par l’eau. Dans le cas de la cendre volcanique, la lixiviation consiste à mélanger des échantillons récents avec de l’eau extrêmement pure et à mesurer l’évolution de la chimie de l’eau. Les résultats des mesures en laboratoire peuvent ensuite être mis en parallèle avec la quantité de cendre retombée au sol afin d’évaluer son impact potentiel sur les ressources en eau, l’agriculture et la santé humaine. Si la couche de cendre présente un danger, des actions de protection appropriées peuvent être envisagées.
L’USGS a collecté et analysé près de 30 échantillons de cendre émise lors d’effondrements au sommet du Kilauea en 2018. Toutes ces données sont consultables en ligne auprès de l’USGS.
La contamination de l’eau potable par le fluor est une préoccupation majeure pour la santé humaine. La bonne nouvelle, c’est que les dernières retombées de cendre du Kilauea n’ont pas déposé suffisamment de fluor sur les systèmes de captage d’eau potable pour causer des effets néfastes sur la santé. En fait, les analyses ont révélé des concentrations au moins dix fois inférieures au niveau maximal fixé par l’Environmental Protection Agency (EPA). La concentration de fluor dans la cendre émise pendant la dernière éruption du Kilauea est inférieure à 100 milligrammes par kilogramme. Ce chiffre est inférieur à la moyenne pour les autres éruptions dans le monde (129 mg par kg de cendre).
Les échantillons de cendre recueillis lors de la dernière éruption du Kilauea contiennent beaucoup de soufre, avec des concentrations dépassant tout ce qui a été mesuré lors d’éruptions volcaniques dans le monde. Cela n’est guère surprenant, au vu des émissions considérables de SO2 pendant l’éruption du Kilauea. Certains échantillons de cendre contenaient près de 25 000 milligrammes de soufre par kilogramme de cendre, ce qui correspond à plus de 2 cuillerées à café de soufre natif pour 450 grammes de cendre. L’impact de ce soufre sur l’eau potable à Hawaii ne concerne que son aspect visuel et n’affecte que le goût. Les concentrations étaient toujours inférieures au niveau maximum déterminé par l’EPA, malgré la quantité remarquable de soufre à la surface de la cendre.
Seuls le manganèse, l’aluminium et le fer ont été mesurés sur la cendre à des concentrations pouvant atteindre les seuils définis par l’EPA et provoquer un goût et une couleur indésirables de l’eau. Cependant, les concentrations ne constituent pas une menace pour la santé.
Bien que le danger pour l’homme soit faible, l’ingestion de grandes quantités de soufre peut entraîner des carences nutritionnelles chez les animaux en pâturage, et l’exposition au fluor peut entraîner l’érosion des dents, affecter les os et générer d’autres anomalies de croissance. En conséquence, le département d’agriculture tropicale et de ressources humaines de l’Université d’Hawaï a formulé des recommandations sur la protection du bétail.
Source: HVO.

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In its latest “Volcano Watch” article, HVO examines the effects and dangers of volcanic ash during Kilauea’s last eruption. During an eruption, a great importance is given to the sulphur dioxide (SO2) concentrations in the air because they are closely linked with lava emissions. However, vigorous volcanic ash production during the 2018 eruption of Kilauea raised new concerns about potential impacts for downwind communities.

During an eruption, chemical reactions that occur between volcanic ash and the SO2-rich plume form salt coatings on the surfaces of ash particles. These coatings contain a wide range of soluble components. Upon contact with water, either through ash falling into water catchments or by rain falling on ash, the soluble components are washed from the ash. This can impact human and agricultural activities, both positively (if ash supplies nutrient elements) and negatively (if ash releases potentially toxic species, such as fluoride).

The composition of the ash coating can be measured in the laboratory through ash leaching experiments. This is performed by mixing samples of freshly erupted volcanic ash with ultrapure water and measuring the change in the water chemistry. The results from the laboratory measurements can then be scaled with the amount of ashfall to evaluate the potential impact on water resources, agriculture, and human health. If the ash coating poses a hazard, then appropriate protective actions can be communicated.

USGS collected and analyzed almost 30 ash samples produced by collapse events at the summit of Kilauea in 2018. All data are available online from the USGS.

Contamination of drinking water by fluoride is of primary concern for human health. Some good news is that recent ashfall at Kilauea did not contribute sufficient fluoride to water catchment systems to cause adverse health effects. In fact, it was determined to be at least ten times lower than the maximum contaminant level (MCL) goal set by the U.S. Environmental Protection Agency (EPA). The concentration of fluoride on ash from the recent activity of Kilauea is below 100 milligrams of fluoride per kilogram of ash. This is lower than the average for other eruptions worldwide (129 mg per kg of ash).

Ash samples collected during the last Kilauea eruption contain a tremendous amount of sulphur, exceeding anything measured at previous eruptions from volcanoes around the world. This may not be surprising given the massive output of SO2 throughout Klauea’s eruption. Some of the Kilauea ash samples had nearly 25,000 milligrams of sulphur per kilogram of ash, which is over 2 teaspoons of native sulphur for every pound of ash. The impact of this sulphur on drinking water in Hawai‘i is largely aesthetic, affecting taste only. Concentrations were still below the EPA maximum contaminant level, despite the remarkable amount of sulphur on the ash surfaces.

Only manganese, aluminum, and iron were measured on the ash at concentrations that may reach defined EPA thresholds for causing undesirable taste and colour of water. However, the concentrations are not a threat to health.

Although the hazard to humans is low, grazing animals can experience nutritional deficiencies from ingesting high amounts of sulphur, and fluoride exposures can result in the erosion of teeth, loss of bone, and other growth abnormalities. Accordingly, recommendations for protecting livestock were issued by the University of Hawaii’s College of Tropical Agriculture and Human Resources.

Source: HVO.

Retombées de cendre sur l’Etna (Photo: C. Grandpey)

Emissions de SO2 sur le Kilauea (Photo: C. Grandpey)

Le chant de la banquise antarctique // The song of Antarctica’s ice shelf

En utilisant des appareils spéciaux, des scientifiques de la Colorado State University ont pu enregistrer des sons étranges sur la Barrière de Ross, une vaste plate-forme glaciaire en Antarctique. Selon une nouvelle étude publiée dans Geophysical Research Letters, une revue de l’American Geophysical Union, le bruit enregistré est en réalité une vibration de la glace provoquée par le vent qui souffle sur les dunes de neige.
En écoutant le son, on a un peu l’impression d’entendre quelqu’un souffler constamment dans une flûte sur la banquise, ou le bourdonnement émis par des milliers de cigales. La fréquence des sons est trop basse pour être perçue par l’oreille humaine. C’est pour cela que les scientifiques l’ont accélérée. Ils ont modifié la fréquence des infrasons et accéléré les enregistrements 1 200 fois.
L’objectif initial de l’étude n’était pas d’enregistrer le chant de la banquise, mais d’observer ce qui se passe sur les plateformes glaciaires du continent antarctique. En 2014, des scientifiques ont installé 34 capteurs sismiques à deux mètres sous la neige sur la Barrière de Ross afin de surveiller sa structure et ses mouvements. .
Au cours des dernières années, les plates-formes glaciaires ont perdu de leur épaisseur et se sont même effondrées en Antarctique à cause du réchauffement de la température de l’océan et de l’air, sous l’effet du changement climatique. Lorsque ces plates-formes se désintègrent, elles permettent à la glace continentale située en amont d’accélérer sa progression et de finir sa course dans l’océan, ce qui contribue à l’élévation du niveau de la mer.
L’étude des vibrations produites par la couche de neige qui isole la banquise pourrait permettre aux scientifiques de mieux comprendre comment elle réagit au changement climatique. Les fluctuations du «ronflement sismique» émis par la plate-forme glaciaire pourraient également indiquer si des fractures se forment dans la glace, ce qui pourrait être le signe que la plate-forme est susceptible de se briser.

Voici le document (Ne pas oublier de mettre le son !):
https://youtu.be/w56RxaX9THY

Source: Colorado State University.

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Using special instruments, scientists from Colorado State University have discovered weird sounds on Antarctica’s Ross Ice Shelf. The noise is actually vibrating ice, caused by the wind blowing across snow dunes, according to a new study which was published in Geophysical Research Letters, a journal of the American Geophysical Union.

Listening to the sound, it is a little like blowing a flute, constantly, on the ice shelf, or the buzz of thousands of cicadas. The sounds are too low in frequency to be heard by human ears unless sped up by the monitoring equipment. For that purpose, the scientists changed the infrasound frequency and accelerated the recordings vearly 1,200 times.

The original reason for the study was not to record sounds down there but to research what’s happening to the continent’s ice shelves: In 2014, scientists buried 34 seismic sensors two metres under the snow on Antarctica’s Ross Ice Shelf in order to monitor its structure and movement.

Ice shelves have been thinning and collapsing in Antarctica because of warmer ocean and air temperatures because of climate change. As the shelves disintegrate, they allow other inland ice to fall into the ocean, contributing to sea level rise.

Studying the vibrations of an ice shelf’s insulating snow jacket could give scientists a sense of how it is responding to changing climate conditions. Changes to the ice shelf’s « seismic hum » could also indicate whether cracks in the ice are forming that might indicate whether the ice shelf is susceptible to breaking up.

Here is the document (Don’t forget to turn on the speakers!):

https://youtu.be/w56RxaX9THY

Source: Colorado State University.

Carte montrant la Barrière et la Mer de Ross. On remarquera la présence du volcan Erebus sur l’Ile de Ross. (Source : Wikipedia)

Le glissement de l’Etna (Sicile) // Mt Etna’s sliding movement in Sicily

Un article récent paru dans Newsweek nous rappelle que le flanc sud-est de l’Etna glisse dans la Mer Méditerranée à raison de quelques centimètres par an. Selon les scientifiques, « il est important de comprendre ce processus susceptible de générer un effondrement catastrophique du volcan dans le futur ». Le glissement de terrain qui accompagnerait un tel événement pourrait, à son tour, provoquer un tsunami qui menacerait les zones habitées de la région.
Une équipe internationale de chercheurs a proposé une nouvelle approche de cette activité de glissement de l’édifice volcanique, tout en laissant entendre que le mouvement du flanc oriental du volcan pose un risque plus grand que prévu.
Dans un article publié dans la revue Science Advances, les scientifiques expliquent que le flanc E de l’Etna glisse principalement en raison de l’instabilité gravitationnelle. Auparavant, on pensait que c’était la poussée du magma à l’intérieur du volcan qui était responsable du mouvement. Jusqu’à présent, il n’avait pas été possible de dire lequel de ces processus – instabilité gravitationnelle ou poussée du magma – était à l’origine du glissement.
Pour effectuer leur étude, la première de ce type sur le glissement en mer du volcan, les scientifiques ont mis en place et analysé un réseau de cinq transpondeurs sous-marins. Ces appareils étaient équipés de capteurs de pression pour surveiller en permanence le déplacement du fond marin en bordure de la côte E de la Sicile.
Les mesures effectuées par les transpondeurs entre avril 2016 et juillet 2017 ont montré que la déformation de l’Etna s’éloignait de son système magmatique, ce qui donne à penser que la majeure partie du glissement est provoquée par gravité.
Les chercheurs disent qu’ils ne peuvent pas exclure la possibilité d’un effondrement catastrophique du flanc sud-est, bien qu’il soit impossible de dire si, comment et quand cela se produira. De nouvelles recherches seront nécessaires pour faire une telle prévision. Sur la terre ferme, on étudie le mouvement de l’Etna depuis les années 1980, mais trois décennies ne sont pas suffisantes pour tirer des conclusions sur le cycle de vie géologique du volcan qui s’étire qui plusieurs centaines de milliers d’années.
Le résultat le plus intéressant de l’étude est que la vitesse de déplacement est plus importante au large que près du sommet. De nombreux chercheurs pensaient que le glissement d’Etna était provoqué par la pression magmatique au sommet du volcan, mais la dernière étude contredit cette idée. Le mouvement est plutôt causé par un simple glissement vers le bas des flancs sous-marins par gravité, et ce mouvement effectue lui-même une traction sur les pentes supérieures du volcan.
Les archives géologiques montrent que les volcans peuvent s’effondrer de manière catastrophique en suivant ce processus. Il existe de nombreux exemples, comme à Hawaii et aux îles Canaries. Au cours de tels événements, tout un pan du volcan se détache en provoquant un énorme glissement de terrain dévastateur. Selon les chercheurs, ils se produisent dans le monde environ quatre fois par siècle. Les auteurs de cette dernière étude attirent l’attention sur ce point, mais à l’heure actuelle, notre connaissance des précurseurs de tels événements catastrophiques est très rudimentaire, ce qui rend impossible toute prévision fiable.
Source: Newsweek.

Sur sa page Facebook, Boris Behncke (INGV Catane) indique que l’activité sismique dans le sud-est de l’Etna et d’autres parties du volcan n’est pas le signe qu’un important séisme est sur le point de se produire ; ce n’est pas non plus le signe d’une éruption imminente. Cela montre seulement la dynamique des flancs de l’Etna, phénomène susceptible d’entraîner une déstabilisation progressive de la montagne. Cela peut également faciliter les mouvements du magma sur les flancs du volcan et provoquer une éruption latérale. Les scientifiques sont actuellement incapables de prédire un tel événement qui sera annoncé par une augmentation de la sismicité avant l’ouverture d’une ou plusieurs fractures éruptives. Les dernières éruptions latérales de l’Etna, avec menace pour des zones habitées, remontent à 1928 (Mascali), 1979 (Fornazzo), 1991 (Zafferana).
Boris demande aux gens de ne pas diffuser d’informations alarmantes, comme celles concernant un séisme majeur, bien que le risque existe réellement dans l’est de la Sicile.

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A recent article in Newsweek reminds us that the southeastern flank of Mount Etna is sliding into the Mediterranean Sea at the rate of a few centimetres every year. According to experts, “understanding this process is important as it could precipitate a catastrophic collapse of the volcano in the future.” The resulting landslide could, in turn, produce a tsunami that threatens human life in the region.

An international team of researchers has proposed a new driver for this sliding activity, while suggesting that the volcano’s flank movement poses a greater hazard than previously thought.

In a paper published in the journal Science Advances, the scientists report that the flank is sliding primarily due to gravitational instability. Previously, it was assumed that the pushing of ascending magma inside the volcano was responsible for the movement. Until now, it has not been possible to determine which of these processes could be causing the sliding.

In what was the first such offshore movement monitoring study, the scientists set up and analyzed a network of five underwater transponders. They were equipped with pressure sensors to continuously monitor the displacement of the seafloor around Etna’s submerged southern boundary on Sicily’s east coast.

The observations made with the transponders between April 2016 and July 2017 showed that Etna’s deformation increased away from its magma system, suggesting that the bulk of the sliding is being driven by gravity.

The researchers say they cannot exclude the possibility that the southeastern flank might collapse catastrophically, although it is impossible to say if, how and when this could happen. More research is required to make such a prediction. On land, this motion has been tracked since the 1980s but three decades is almost nothing compared to the geologic life cycle of the volcano.

The most interesting result of the study is that the rate of movement is greater offshore than near to the summit. Many previous researchers had supposed that Etna’s sliding was initiated by magmatic pressure from the active summit, but this study contradicts that idea. The movement is instead caused by simple downslope sliding of the submarine flanks under gravity, this movement then pulling on the upper slopes of the volcano.

The geological archives show that volcanoes can collapse catastrophically from this process. There are numerous examples of this, the largest ones being in Hawaii and the Canary Islands. Such events involve a large sector of the volcano detaching itself in one massive, devastating landslide, and occur worldwide about four times per century, according to the researchers. The authors of this study draw attention to this, but at present our knowledge of the precursors to such disastrous events is very rudimentary, making meaningful predictions impossible.

Source: Newsweek.

On his Facebook page, Boris Behncke (INGV Catania) indicates that seismic activity in SE Etna and other parts of the volcano is neither the sign of an imminent major earthquake nor of an imminent eruption. It is just a sign of the dynamics of Mt Etna’s flanks which may lead to a progressive destabilisation of the mountain. This may, in turn, facilitate magma movements of the flanks of the volcano and cause a flank eruption. Scientists are currently unable to predict such an event which will be announced by an increase in seismicity before the opening of an eruptive fissure. Mt Etna’s last flank eruptions threatening populated areas date back to 1928 (Mascali), 1979 (Fornazzo), 1991 (Zafferana).

Boris asks people not to spread alarming information, like the ones concerning a major earthquake, although the risk really exists in eastern Sicily.

Photo: C. Grandpey

 

 

 

La fonte des glaciers alpins : Approche scientifique // The melting of Alpine glaciers : A scientific approach

Comme je l’ai indiqué à maintes reprises, les glaciers alpins fondent à une vitesse incroyable depuis quelques décennies et ils ont connu un net recul au cours du 20ème siècle. La perte de masse des glaciers s’est intensifiée ces quarante dernières années et a même battu de nouveaux records en 2003, 2009 et 2011.

En collaboration avec le Centre d’Etudes de la Neige et l’Institut de Géosciences de l’Environnement, des scientifiques du centre IRSTEA de Grenoble ont cherché à identifier les causes de ces fontes extrêmes afin de mieux appréhender l’évolution des glaciers. Pour cela, ils se sont appuyés sur une série de mesures des bilans de masse réalisées depuis 1949 sur le glacier de Sarennes, situé à 2850 mètres d’altitude dans le massif des Grandes Rousses. Géré depuis 1971 par l’IRSTEA, ce suivi fournit aujourd’hui l’une des plus longues analyses de bilans de masse de glacier au monde.

Grâce à cette précieuse base de données, les chercheurs ont déjà étudié l’évolution à long terme du glacier de Sarennes et ont confirmé une fonte de plus en plus importante d’année en année. Dans cette nouvelle étude, ils se sont intéressés aux fontes extrêmes, c’est-à-dire intenses et rares. Le but est d’identifier les fontes exceptionnelles, en les dissociant de la tendance à long terme, autrement dit la hausse des moyennes de fonte liée au réchauffement climatique.

Après avoir identifié ces fontes extrêmes, les scientifiques ont étudié les processus physiques en cause, à savoir les échanges énergétiques qui se produisent entre la surface du glacier et l’atmosphère. Parmi les sources de ces échanges d’énergie et donc de chaleur se trouve le rayonnement solaire (qui dépend principalement de la couverture nuageuse) ;  le rayonnement infrarouge des basses couches de l’atmosphère (auquel contribuent les gaz à effet de serre) ; les flux de chaleur latente qui sont, liés à l’évaporation de la glace ou, inversement, à la condensation de la vapeur d’eau atmosphérique au contact du glacier.

A l’aide d’un modèle d’étude de la fonte glaciaire dans lequel ils ont intégré les 70 ans de mesures de masse du glacier et des données atmosphériques relevées par Météo France sur la même période, les scientifiques ont pu relier les fontes – exceptionnelles ou inhérentes à la tendance à long terme – aux types de flux énergétiques. Il ressort de ces observations que les flux impliqués dans les fontes extrêmes et dans les fontes communes ne sont pas les mêmes ; ils diffèrent en intensité et surtout dans leur nature. Les premières sont essentiellement dues au rayonnement solaire, tandis que les secondes s’expliquent par l’augmentation du rayonnement infrarouge, mais aussi par la réduction du phénomène d’évaporation de la glace, en surface du glacier.

Ce dernier point est assez inattendu. Avec le réchauffement de l’air, la glace devrait s’évaporer de plus en plus, mais ce processus est en fait contrebalancé. En effet, plus l’air est chaud, plus il contient de vapeur d’eau qui, au contact du glacier, limite l’évaporation. Au final, comme l’évaporation est un processus consommant beaucoup d’énergie, sa limitation rend davantage d’énergie disponible pour la fonte.

Même s’il est inattendu, ce résultat est d’une grande importance. Les scénarios climatiques actuels prévoient en effet une hausse des températures de l’air, qui va s’accompagner d’une hausse des gaz à effet de serre et de la vapeur d’eau. Outre l’augmentation du rayonnement infrarouge, les scientifiques s’attendent donc à ce que la réduction de l’évaporation s’accentue et accélère davantage encore la fonte des glaciers.

Source : IRSTEA.

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As I have put it many times, Alpine glaciers have melted at an incredible rate in the last few decades and have retreated sharply in the 20th century. Glacier mass loss has intensified over the last forty years and has even broken new records in 2003, 2009 and 2011.
In collaboration with the Center for Snow Studies and the Institute of Environmental Geosciences, scientists from IRSTEA in Grenoble (France) have sought to identify the causes of these extreme melting periods in order to better understand the evolution of glaciers. For this, they relied on a series of glacier mass measurements carried out since 1949 on the Sarennes Glacier, located at 2850 metres a.s.l. in the Grandes Rousses. Managed since 1971 by IRSTEA, this monitoring now provides one of the longest analyzes of glacier mass balances in the world.
Thanks to this precious database, the researchers have already studied the long-term evolution of the Sarennes Glacier and have confirmed an increasing melting from year to year. In this new study, they are interested in extreme melting periods which are intense and rare. The goal is to identify exceptional melting, dissociating it from the long-term trend, in other words, the increase in melting related to global warming.
After identifying these extreme melting periods, scientists studied the physical processes involved, namely the energy exchanges that occur between the surface of the glacier and the atmosphere. Among the sources of these exchanges of energy and therefore of heat is solar radiation (which depends mainly on the cloud cover); infrared radiation from the lower layers of the atmosphere (to which greenhouse gases contribute); latent heat fluxes that are related to the evaporation of ice or, conversely, to the condensation of atmospheric water vapour in contact with the glacier.
Using a study model of the glacial melt in which they integrated 70 years of measurements of glacier mass and atmospheric data recorded by Météo France over the same period, scientists were able to link the melting – exceptional or inherent to the long-term trend – to the different types of energy flow. These observations show that the flows involved in extreme and concentional melting are not the same; they differ in intensity and especially in their nature. The former are mainly due to solar radiation, while the latter can be explained by the increase in infrared radiation, but also by the reduction of the phenomenon of evaporation of the ice on the surface of the glacier.
This last point was rather unexpected. With the warming of the air, the ice is expected to evaporate more and more, but this process is in fact counterbalanced. Indeed, the hotter the air, the more it contains water vapour which, in contact with the glacier, limits the evaporation. In the end, since evaporation is a process that consumes a lot of energy, its limitation makes more energy available for melting.
Even if it is unexpected, this result is of great importance. The current climate scenarios predict a rise in air temperatures, which will be accompanied by an increase in greenhouse gases and water vapour. In addition to increasing infrared radiation, scientists expect that the reduction of evaporation will increase and accelerate the melting of glaciers even further.
Source: IRSTEA.

On peut voir sur le site de l’IRSTEA deux photos montrant la fonte du glacier de Sarennes entre 1906 et 2016. Des images qui parlent d’elles-mêmes !

Crédit photo: IRSTEA

Tous les glaciers alpins subissent le même sort. Voici, pour rappel, des images du glacier du Rhône, dans le Valais suisse, entre 1981 et 2018.

Photos: C. Grandpey