Catégorie : Science

Le GPS, de la navigation à la volcanologie // GPS, from navigation to volcanoes

Dans un article récent, des scientifiques du Yellowstone Volcano Observatory ont écrit une chronique expliquant comment un système peut être utilisé à des fins différentes de celles pour lesquelles il a été conçu à l’origine.
C’est le cas du Global Positioning System (GPS), qui est aujourd’hui l’une des techniques les plus efficaces pour suivre les déformations du sol à Yellowstone et sur les volcans en général.
Le système a été lancé en 1978 lorsque le Département américain de la Défense a mis sur orbite une constellation de satellites NAVSTAR pour fournir des informations de navigation à son personnel qui circulait dans des véhicules terrestres, des avions et des navires. Avec le GPS, ces personnes pouvaient savoir où elles se trouvaient et atteindre leur destination. Le service est rapidement devenu accessible aux civils, et la plupart des gens l’utilisent maintenant pour circuler avec leurs véhicules ou se repérer pendant une randonnée.
Aujourd’hui, à côté du NAVSTAR américain, le GLONASS russe et le Galilée de l’Union européenne sont d’autres systèmes de navigation par satellite (GNSS). La précision de ces systèmes varie en fonction des conditions de visibilité du ciel et d’autres facteurs, mais la marge d’erreur est généralement de 5 à 10 mètres pour la position horizontale et de 10 à 30 mètres pour l’altitude.
Cette marge d’erreur ne suffirait pas en volcanologie pour étudier la déformation d’un volcan sous la pression du magma. Les scientifiques effectuant de telles mesures doivent disposer d’une précision très fine, car la déformation d’un édifice volcanique est généralement une affaire de millimètres.
Le récepteur GPS d’une voiture ou d’un téléphone portable utilise les signaux radio des satellites de navigation comme horloge et règle virtuelles. Il mesure le temps nécessaire aux signaux pour parcourir la distance entre plusieurs satellites et le récepteur. Les signaux circulent à la vitesse de la lumière et les orbites des satellites sont connues. Ces informations, associées au temps de parcours des signaux, permettent au récepteur de calculer sa distance par rapport à chaque satellite à un instant donné. En utilisant les principes de la trigonométrie sphérique, le récepteur est capable de « fixer » sa position avec suffisamment de précision pour que les personnes puissent trouver leur chemin.
Pour atteindre une meilleure précision, les géodésistes ont conçu un récepteur qui traite les signaux des satellites de navigation de manière beaucoup plus précise. Au lieu d’utiliser le temps de parcours du signal pour calculer la distance entre les satellites et le récepteur, un récepteur géodésique compte le nombre de longueurs d’onde complètes et fractionnelles entre lui-même et plusieurs satellites à la fois. Les longueurs d’onde sont connues avec précision et les récepteurs géodésiques peuvent compter exactement le nombre de longueurs d’onde complètes. Au final, le récepteur est capable de déterminer instantanément la distance entre plusieurs satellites au millimètre près. Donc, avec un peu de trigonométrie sphérique, les scientifiques ont à leur disposition un moyen de surveiller la déformation du sol en utilisant un système conçu à l’origine pour la navigation avec des véhicules terrestres!
A Yellowstone, un réseau de stations GPS étudie en permanence l’évolution de la déformation du sol. Avec les informations fournies par un réseau de sismomètres et d’autres instruments de surveillance, les données GPS permettent aux scientifiques de mieux comprendre la structure complexe et les processus actifs des phénomènes qui se déroulent sous leurs pieds.
Source: Yellowstone Volcano Observatory.

—————————————————-

In a recent article, Yellowstone Volcano Observatory scientists have written a chronicle explaining how a system can be used for purposes different from those for which it was originally designed.

This was the case for the Global Positioning System (GPS) which is today one of the most effective techniques used to track ground deformation at Yellowstone and on world volcanoes.

The Global Positioning System had its start in 1978 when the U.S. Department of Defense began launching a constellation of NAVSTAR satellites to provide navigation information to its personnel in land vehicles, planes, and ships. With GPS, they could know where they were and how to get where they were going. The service soon became accessible to civilian users, and now most people use it to navigate in their car or to find their way around their favourite trail system.

Today, in addition to the United States’ NAVSTAR GPS, Russia’s GLONASS and the European Union’s Galileo are operational Global Navigation Satellite Systems (GNSS). The accuracy of such systems varies with sky view and other factors, but generally the margin of error is 5–10 metres for horizontal position and 10–30 metres for elevation.

This margin of error would not have been sufficient in volcanology to study the deformation of a volcano under the pressure of magma beneath the edifice. Scientists doing such measurements need to have a very sharp accuracy as the deformation is usually a matter of millimetres.

The GPS receiver in a car or on a cellphone uses radio signals from navigation satellites as a virtual clock and ruler. It measures the time required for signals to travel from several satellites at a time to the receiver. The signals travel at the speed of light and the satellites’ orbits are known. That information, plus the signals’ travel time, allows the receiver to calculate its distance from each satellite at a given instant. Using principles of spherical trigonometry, the receiver is able to « fix » its position well enough for people to find their way around.

To reach a better accuracy, geodesists designed a geodetic-grade receiver that processes signals from navigation satellites in a much more precise way. Instead of using signal travel times to calculate satellite-to-receiver distances, a geodetic receiver counts the number of full and fractional wavelengths between itself and several satellites at a time. The wavelengths are known precisely, and geodetic receivers can count the number of full wavelengths exactly. In the end, the receiver is able to determine its distance from several satellites instantaneously to within a millimetre or so. So, with a little spherical trigonometry you have a means to monitor ground deformation using a system that was originally designed to track jeeps !

At Yellowstone, a network of GPS stations tracks the changing pattern and pace of ground deformation continuously. Combined with information from a network of seismometers and other monitoring instruments, the GPS results help scientists unravel the complex structure and active processes that otherwise remain hidden underfoot.

Source: Yellowstone Volcano Observatory.

Station GPS au bord du Lac de Yellowstone (Crédit photo: USGS)

Le réchauffement climatique dans les Pyrénées // Global warming in the Pyrenees

On parle beaucoup des Pyrénées ces jours-ci à propos du changement climatique. Le record de journées sans gel a été largement battu au cours de l’été 2018 au Pic du Midi et le phénomène ne semble pas devoir ralentir. C’est ce que confirme CLIMPY, un projet de recherche transfrontalier réunissant Météo-France et les services météorologiques espagnol et catalan. Les climatologues français et espagnols ont étudié notamment les variations de températures et d’enneigement des deux côtés des Pyrénées.

Entre 1959 et 2010, les températures ont augmenté dans les Pyrénées de 1,2°C. D’après les projections incluses dans le projet, cette hausse n’est pas près de s’arrêter. A l’horizon 2050, les températures pourraient même augmenter de 4°C ! Les climatologues disent qu’ils ne cherchent pas à être alarmistes, mais à « éclairer sur les différents scénarios possibles ».

Ainsi, à la fin du siècle, les températures dans le massif pyrénéen pourraient être en hausse de 7°C. Pour l’instant, cette augmentation était constatée au printemps et en été mais les projections montrent que cela pourrait intervenir à toutes les saisons. La situation va inévitablement poser des problèmes, en particulier dans les stations de ski.

Au cours des trente dernières années, la fonte de la neige a été plus rapide au printemps, des deux côtés des Pyrénées. Le projet CLIMPY confirme que l’avenir ne devrait pas s’améliorer. Dans les Pyrénées centrales, à une altitude de 1.800 mètres, l’épaisseur moyenne de neige pourrait chuter de moitié d’ici 2050, tandis que la période de neige continue au sol diminuerait de plus d’un mois. Les stations de ski devront s’adapter et diversifier leurs activités.

Source : 20 Minutes.

NB : Je rentre d’un séjour dans les Pyrénées et je confirme que la situation climatique est préoccupante. Le 25 septembre, il faisait carrément chaud à 10 heures du matin sur la terrasse de l’observatoire du Pic du Midi de Bigorre (2877 mètres d’altitude) où les jours de gel se produisent au compte-gouttes. L’isotherme 0°C se trouve aux environs de 4500 mètres d’altitude. Les torrents ont un débit très faible, quand ils ne sont pas à sec. J’ai été surpris de voir le nombre de canons à neige déjà installés jusqu’au sommet des montagnes pour prévenir un éventuel déficit de poudreuse. L’hiver 2017-2018 a gâté les stations car la neige est tombée en abondance, mais le réchauffement climatique est une menace permanente. Il ne faudrait pas oublier qu’une abondance de neige traduit aussi un redoux global des températures en haute altitude…

 

——————————————-

There is a lot of talk about the Pyrenees these days concerning climate change. The record of frost-free days has been largely beaten in the summer of 2018 at the Pic du Midi and the phenomenon does not seem to be slowing down. This is confirmed by CLIMPY, a cross-border research project bringing together Météo-France and the Spanish and Catalan meteorological services. French and Spanish climatologists have studied in particular the variations of temperature and snow on both sides of the Pyrenees.
Between 1959 and 2010, temperatures rose in the Pyrenees by 1.2°C. According to projections included in the project, this increase is not about to stop. By 2050, temperatures could even rise by 4°C! Climatologists say that they do not want to be alarmist, but to « shed light on the different possible scenarios ».
Thus, at the end of the century, temperatures in the Pyrenees could rise by 7°C. For the moment, this increase was noted in spring and summer, but projections show that this could occur in all seasons. The situation will inevitably cause problems, especially in ski resorts.
Over the past 30 years, snow has melted faster in the spring, on both sides of the Pyrenees. The CLIMPY project confirms that the future should not be better. In the central Pyrenees, at an altitude of 1,800 metres, the average thickness of the snow could fall by half by 2050, while the period of continuous snow on the ground would decrease by more than a month. Ski resorts will have to adapt and diversify their activities.
Source: 20 Minutes.

NB: I am from a trip to the Pyrenees where the climatic situation is worrying. On September 25th, it was really hot at 10 o’clock in the morning on the terrace of the observatory of the Pic du Midi of Bigorre (2877 metres a.s.l.) where the days of frost occur drop by drop. The 0°C isotherm is around 4500 metres above sea level. The torrents have a very low flow, when they are not dry. I was surprised to see the number of snow guns already installed to the tops of the mountains to prevent a possible snow deficit. The winter of 2017-2018 was a very good one the resorts as snow fell in abundance, but global warming is a permanent threat. It should not be forgotten that an abundance of snow also relects milder temperatures at high altitudes.

Records de chaleur au sommet du Pic du Midi (Photos: C. Grandpey)

La neige et la glace font cruellement défaut sur le massif pyrénéen, y compris au Cirque de Gavarnie avec la Brèche de Roland (Photos: C. Grandpey)

Kilauea (Hawaii) : L’éruption est-elle terminée ? // Is the eruption over ?

Il va bien falloir que les scientifiques du HVO admettent un jour ou l’autre que l’éruption qui a débuté le 3 mai 2018 est maintenant terminée. Toutes les observations révèlent qu’il n’y a plus d’activité au sommet du Kilauea, sur le Pu’uO’o ou dans la Lower east Rift Zone. Le petit lac de lave au fond de la Fracture n° 8 a été aperçu pour la dernière fois le 25 août 2018 et le dernier ruisselet de lave entrant dans l’océan a été observé le 29 août 2018. L’incandescence est de moins en moins visible au fond du cône qui s’est édifié sur la Fracture n° 8. Comme je l’ai écrit auparavant, cette incandescence est probablement provoquée par de la lave résiduelle dans le réseau de tunnels et non par un nouveau magma.
De petits effondrements continuent de se produire dans le cratère du Pu’uO’O en générant des panaches de poussière. Les déformations dans l’ensemble de l’East Rift Zone sont beaucoup plus faibles que pendant la période d’activité éruptive majeure. Il n’y a pas de changement dans la sismicité.
La sismicité et la déformation du sol restent faibles au sommet du Kilauea. Il n’y a aucune indication d’effondrement. Des répliques du séisme de magnitude 6,9 ​​survenu au début du mois de mai sont encore enregistrées au niveau des failles sur le flanc sud du Kilauea.
Les émissions de SO2 dans la zone sommitale, sur le Pu’uO’o et sur la Lower East Rift Zone sont très faibles et souvent inférieures au seuil de détection des appareils de mesure.
Le HVO indique qu’il continue de surveiller étroitement la sismicité, la déformation et les émissions de gaz du Kilauea et guette tout signe de réactivation de l’éruption. Les scientifiques font remarquer que, dans le passé, d’autres éruptions ont repris du service après quelques jours ou quelques semaines de pause, mais tous les paramètres susmentionnés ne favorisent pas une telle hypothèse. Comme disent les Anglo-saxons, il faut attendre pour voir, mais il y a de fortes chances pour que l’éruption du Kilauea soit terminée.
Source: HVO.
Je comprends l’espoir des scientifiques du HVO de voir l’éruption reprendre du poil de la bête. Ils avaient prédit une éruption qui pourrait durer des mois et même un an. Le problème est que Madame Pele en a décidé autrement et l’a fait cesser rapidement. Malgré le grand nombre d’instruments répartis sur tout le Kilauea, les volcanologues se sont trompés et ils ont du mal à l’admettre!

——————————————-

HVO scientists will have to admit some day or other that the eruption that started on May 3rd, 2018 has come to an end. All observations reveal there is no more activity either at the summit or on Pu’uO’o or on the Lower East Rift Zone. The small lava pond at the bottom of Fissure 8  was last seen on August 25th, 2018 and lava was oozing for the last time into the ocean on August 29th, 2018. Incandescence is less and less visible at the bottom of the cone built on Fissure 8. As I put it before, this glow is probably caused by some residual lava in the tube network, and not by new magma.

Small collapses continue to occur within the Pu’uO’o crater, generating dust plumes. Rates of tilting throughout the East Rift Zone are much lower than those observed during the period of major eruptive activity. There is no change in seismicity.
Seismicity and ground deformation remain low at the summit of Kilauea. There is no indication of actual collapse. Aftershocks from the M 6.9 earthquake in early May are still being generated on faults located on Kilauea’s South Flank.
SO2 emission rates at the summit, Pu’uO’o, and Lower East Rift Zone are drastically reduced and are often below the detection threshold of the measurement technique.
HVO indicates it continues to closely monitor Kilauea’s seismicity, deformation, and gas emissions for any sign of reactivation of the eruption. They said that in the past other eruptions reactivated after a few days or a few weeks, but all the above-mentioned parameters do not favour such a hypothesis. Wait and see, but the odds are that Kilauea’s eruption is over.

Source: HVO.

I can understand HVO scientists would be glad to see the eruption start over again. They had predicted an eruption that could last months and even a year. The problem is that Madame Pele decided otherwise and made it stop rapidly. Despite the great number of instruments disseminated all over Kilauea, they made a wrong prediction and find it difficult to admit it!

Crédit photo: USGS / HVO

Contrôle de la déformation du Kilauea pendant la dernière éruption // Monitoring the deformation of Kilauea during the last eruption

L’Observatoire des Volcans d’Hawaii, le célèbre HVO, géré par l’’USGS, dispose d’un vaste réseau d’instruments permettant de surveiller les déformations du sol provoquées par les  mouvements du magma dans le sous-sol. Cependant, ce réseau s’est avéré insuffisant pour mesurer ces déformations pendant la dernière éruption et l’Observatoire a reçu le soutien d’autres organismes scientifiques.
Le GPS (Global Positioning System) est utilisé pour surveiller les variations de surface du sol sur la Grande Ile d’Hawaï depuis la fin des années 1980. Plusieurs dizaines de stations GPS permanentes sont disséminées sur l’île et communiquent leurs données au HVO via des liaisons radio. Chaque jour, la position tridimensionnelle d’une station GPS est calculée à partir de ces données. La précision est généralement supérieure au centimètre.
En plus des stations GPS permanentes, fixées sur un support ancré au sol, le HVO effectue des mesures à partir d’un ensemble de repères en utilisant des installations portables. Lors d’une éruption, ces stations temporaires offrent une couverture supplémentaire dans des zones importantes.
Le problème avec l’éruption dans la Lower East Rift Zone (LERZ), qui a débuté le 3 mai 2018, c’est qu’elle a affecté une grande partie du Kilauea. Dans les jours qui ont suivi l’ouverture de la première fracture, toutes les stations GPS du HVO ont été sollicitées, mais il restait des zones non couvertes dans des endroits où la surveillance de la déformation du sol était essentielle.
Pour compenser ce manque de surveillance, l’University Navstar Consortium, un organisme basé dans le Colorado et spécialisé dans l’utilisation du GPS pour mesurer la déformation de la surface de la Terre, a pu fournir des équipements supplémentaires au HVO. La zone à contrôler comprenait la partie occidentale du flanc sud du Kilauea et le HVO a pu recueillir davantage d’informations sur les conséquences du séisme de magnitude 6,9 ​​survenu le 4 mai 2018.
D’autres stations GPS ont été déployées le long de la Middle East Rift Zone du Kilauea, entre le Pu’uO’o et l’Heiheiahulu, afin de mesurer la déformation des fractures provoquée par l’évacuation du magma de cette zone et sa migration vers les Leilani Estates. D’autres stations temporaires ont été déployées autour de la caldeira du Kilauea pour mieux mesurer la déflation et l’affaissement du sommet.
Les satellites représentent un autre outil majeur utilisé par le HVO pour mesurer la déformation de la surface du sol. L’interférométrie radar à synthèse d’ouverture (InSAR) est une technologie qui utilise deux images radar satellitaires acquises au même point dans l’espace, mais à des moments différents. À partir de ces images, on peut générer une carte montrant les déformations de la surface de la Terre au cours d’une période donnée.
L’Agence Spatiale Européenne (ESA) exploite deux satellites Sentinel-1. Les données InSAR fournies par ces satellites sont généralement disponibles avec un cycle de 12 jours. Cependant, afin de mieux surveiller l’éruption et l’effondrement du sommet du Kilauea, l’ESA a été en mesure de fournir les données InSAR tous les six jours.
Le système de satellites Cosmo-SkyMed est exploité par l’Agence Spatiale Italienne (ASI) et comprend quatre satellites. L’ASI a veillé à ce que les quatre satellites acquièrent des images haute résolution du sommet de Kilauea tout au long des événements d’effondrement, avec des données InSAR pour chaque journée!
Les nombreux passages des satellites SAR au-dessus du Kilauea furent particulièrement utiles pour les mises à jour régulières et les vues à grande échelle. Cela a permis au HVO de contrôler d’infimes déformations de la surface qui auraient pu autrement passer inaperçues. Les données satellitaires ont également été utilisées pour produire des animations de l’effondrement du sommet.
Source: USGS / HVO.

+++++++++++++++

Dans sa mise à jour du 10 septembre, HVO indique qu’un petit effondrement s’est produit au fond de la Fracture n° 8 ; il a laissé apparaître de l’incandescence. Toutefois, aucune coulée de lave n’a été observée.
De petits effondrements continuent de se produire dans le cratère du Pu’uO’o en générant des panaches de poussière de couleur marron. Les tiltmètres positionnés sur le Pu’uO’o et le long de l’East Rift Zone montrent une légère déflation.

La sismicité et la déformation du sol restent faibles au sommet du Kilauea.
Les émissions de SO2 sont globalement très faibles sur le volcan.
Même si le HVO continue de dire que l’éruption pourrait recommencer à tout moment, tous les paramètres tendent à confirmer qu’elle est terminée. L’autorisation donnée aux habitants des Leilani Estates de regagner leurs habitations va dans ce sens. L’incandescence observée au fond de la Fracture n° 8 est probablement provoquée par une certaine quantité de lave résiduelle encore présente dans le réseau de tunnels.

———————————————–

The USGS Hawaiian Volcano Observatory (HVO) has an extensive network of instruments that allows to monitor how the ground deforms due to magma moving underground. However, this network was too limited to monitor ground deformation during the last eruption and the Observatory received the support of scientific colleagues.

The Global Positioning System (GPS) has been used to monitor surface motion on the Island of Hawaii since the late 1980s. Several dozen permanent GPS stations are scattered across the island, and all communicate data to HVO via radio links. Each day, an independent solution for the 3-dimensional position of a GPS station is calculated from these data. The accuracy of the GPS station positions is typically better than a centimetre.

In addition to permanent GPS stations, which are affixed to a monument anchored to the ground, HVO also regularly measures the positions of a set of benchmarks using portable installations. During an eruption, these temporary stations provide extra coverage in important areas.

The problem with the Lower East Rift Zone ( LERZ) eruption, which began on May 3rd, 2018, was that it involved a large portion of Kilauea volcano. Within days of the first fissure opening, all HVO GPS equipment was deployed, but gaps remained in places where ground deformation monitoring was critical.

Fortunately, the University Navstar Consortium, a Colorado-based organization that specializes in using GPS to measure deformation of Earth’s surface, was able to provide additional equipment to expand the area that HVO could monitor. This expanded area included the western side of Kilauea’s south flank, which enabled HVO to gather more insights on the after-effects of the M 6.9 earthquake that occurred on May 4th, 2018.

Additional GPS stations were deployed along Kilauea’s Middle East Rift Zone, from Pu’uO’o to Heiheiahulu, to measure rift deformation caused by magma draining from the area and migrating to Leilani Estates. Other temporary stations were deployed around the Kilauea caldera to give better measurements on summit deflation and collapse.

Satellites were another major tool used by HVO to measure surface deformation. Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) is a technique that uses two satellite radar images acquired from about the same point in space at different times. From these images, a map can be produced to show how the Earth’s surface has deformed during the time spanned.

The European Space Agency (ESA) operates a two-satellite constellation called Sentinel-1. InSAR data from Sentinel-1 are typically available with a 12-day repeat cycle. However, in response to Kilauea’s eruption and summit collapse events, ESA provided InSAR results every six days.

The Cosmo-SkyMed satellite system is operated by the Italian Space Agency (ASI) and consists of four satellites. ASI made sure that all four satellites acquired high-resolution views of Kilauea’s summit throughout the collapse events, with individual InSAR results spanning as little as one day!

The increased frequency of SAR satellite passes was especially valuable for regular updates and broad-scale views of Kilauea’s summit, allowing HVO to monitor subtle surface deformation that might otherwise have gone undetected. The data were also used to produce animations of the summit collapse.

Source: USGS / HVO.

++++++++++++++++

In its update of September 10th, HVO indicates that “a small collapse pit formed within the Fissure 8 cone over the past day, exposing hot material underneath and producing an increase in incandescence. No surface flow was associated with this event.”

Small collapses continue to occur at Pu’uO’o, producing visible brown plumes. Tiltmeters on the vent and along the East Rift Zone are showing a slight decrease in inflationary tilt.  Seismicity and ground deformation remain low at the summit of Kilauea.

SO2 emission rates are globally very low on the volcano.

Even though HVO keeps saying that the eruption might start again at any moment, all parameters tend to confirm it is over. This is confirmed by the authorisation given to Leilani Estates residents to go back to their homes. The incandescence in Fissure 8 is probably caused by some residual lava still present in the tunnel network.

 

Profil de déformation du sommet du Kilauea et du Pu’uO’o avant et après le début de la dernière éruption (Source: USGS / HVO)