Catégorie : Science

L’InSAR et le Kilauea (Hawaii)

drapeau-francaisL’interférométrie radar à synthèse d’ouverture (InSAR) est en train de devenir un élément clé en volcanologie. J’ai déjà écrit plusieurs notes à propos de cette nouvelle technologie sur ce blog entre 2013 et 2015.
L’InSAR a récemment prouvé son efficacité dans la compréhension des différents épisodes d’intrusion magmatique dans la caldeira sud du Kilauea au cours du printemps 2015. En avril, le réservoir superficiel sous la caldeira du Kilauea a commencé à gonfler rapidement, provoquant une hausse du niveau du lac de lave et son débordement sur le plancher du cratère de l’Halema’uma’u.
Le 11 mai, les inclinomètres ont commencé à enregistrer une rapide phase de dégonflement, accompagnée de la baisse de niveau du lac de lave et d’une augmentation de la sismicité dans la caldeira sud, que ce soit en fréquence ou en magnitude des événements. En une seule journée, on a pu parfaitement observer l’inflation dans la caldeira sud sur le réseau de capteurs GPS ainsi que sur les inclinomètres.
Les images InSAR illustrant le début de cet événement montrent dans le moindre détail le soulèvement associé à l’inflation initiale et révèlent en même temps la complexité de la forme du réservoir magmatique. Les images traduisent également la transition vers la déflation de l’Halema’uma’u et l’inflation de la caldeira sud.

INSAR

(Source: HVO)

L’interférogramme en arc-en-ciel ci-dessus montre parfaitement la forme et l’importance du soulèvement au cours de cet événement (entre le 11 avril et le 22 mai). L’image révèle que le soulèvement coïncide avec l’emplacement d’un réservoir magmatique – déjà identifié par les scientifiques – sous la caldeira sud. C’est aussi pour les chercheurs du HVO la première preuve indiquant un transfert de magma rapide entre les réservoirs magmatiques.
Les couleurs de l’arc-en-ciel représentent le changement de distance entre le sol et le satellite InSAR entre deux orbites effectuées par ce dernier. Chaque cycle de couleurs, du magenta au bleu, indique un déplacement égal à la moitié de la longueur d’onde du radar satellitaire. Le motif se répète, et en comptant tous les arcs-en-ciel, on obtient la totalité du déplacement
Au cours des deux dernières décennies, l’augmentation du nombre de satellites disponibles a amélioré les possibilités offertes par l’InSAR aux chercheurs du HVO. Ils disposent désormais d’une plus grande variété de longueurs d’ondes. Les ondes courtes permettent d’améliorer la résolution, tandis que les ondes plus longues autorisent une meilleure pénétration à travers la végétation. Le HVO utilise les données fournies par de nombreux satellites InSAR pour étudier les mouvements de sol sur les volcans d’Hawaï, y compris les satellites lancés par l’Agence Spatiale Européenne, le Canada, l’Allemagne et le Japon.
Les États-Unis s’apprêtent à lancer leur premier satellite InSAR. En 2014, la NASA a annoncé un projet conjoint avec l’Indian Space Research Organization visant à construire et lancer un satellite InSAR multi-longueurs d’ondes spécifiquement conçu pour l’étude des risques naturels. Le lancement du satellite est prévu pour 2020.
Source: HVO.

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drapeau-anglaisInterferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) is becoming a key tool in volcanology. I have already written several notes about this new technology on this weblog between 2013 and 2015.
InSAR recently proved important in understanding the various episodes of Kilauea’s south caldera intrusion during spring 2015. In April, the shallow reservoir beneath the Kilauea caldera began to rapidly inflate, causing the lava lake to rise to the point where it overflowed onto the floor of Halema’uma’u Crater.
On May 11th, tiltmeters began recording rapid deflation, the lava lake level dropped and earthquakes in the south caldera increased in rate and magnitude. Within a day, inflation in the south caldera could clearly be seen on the network of continuous GPS instruments and tiltmeters.
InSAR images spanning the beginning of this event show the uplift associated with the initial inflation in great detail, revealing a complexity to the shape of the reservoir. The images also capture the transition to deflation at Halema’uma’u and south caldera inflation.
As shown in the accompanying image (see above), the rainbow pattern seen in the interferogram beautifully captured the shape and extent of ground uplift during this event (from April 11th to May 22nd). This image shows that the uplift coincides with the location of a known south caldera storage reservoir. This is the first evidence that HVO scientists have ever had suggesting rapid magma transfer between storage reservoirs.
The rainbow colours represent the change in distance between the ground and the satellite in the time between two orbits of the InSAR satellite. Each cycle of colours, from magenta to blue indicates motion equal to half the satellite’s radar’s wavelength. The pattern repeats and by counting up all the rainbows, you get the total amount of motion.
Over the past two decades, the increasing number of available satellites has improved HVO’s InSAR capabilities by providing a variety of wavelengths that allow for improved resolution at short wavelengths and better penetration through vegetation at longer wavelengths. HVO has used data from many different InSAR satellites to investigate motion on Hawaii’s volcanoes, including satellites launched by the European Space Agency, Canada, Germany and Japan.
The United States is working toward launching its first InSAR satellite. In 2014, NASA announced a joint project with the Indian Space Research Organization to build and launch a multi-wavelength InSAR satellite specifically designed for studying natural hazards. The project is scheduled for a 2020 launch.
Source : HVO.

Des roches volcaniques pour expliquer la présence de l’eau sur Terre // Volcanic rocks to explain the presence of water on Earth

drapeau-francaisLes scientifiques ont longtemps débattu des origines de l’eau sur Terre, cette eau qui rend possible la vie humaine, contrairement aux astres stériles qui nous entourent. Ils se sont longtemps demandés comment l’eau a pu arriver sur notre planète. Bien qu’il semble probable que l’eau de notre système solaire soit très vieille, on ne sait pas si la Terre s’est formée à partir de molécules d’eau présentes dès les origines, ou si ces molécules sont arrivées plus tard, par exemple lors d’une collision avec un astéroïde
Dans une étude publiée dans la revue Science, une équipe de chercheurs américains tente de démontrer que la Terre possède de l’eau depuis le tout début de son existence et qu’aucun astéroïde n’a été nécessaire. Ils pensent que les grains de poussière riches en H2O qui ont contribué à former la planète étaient déjà en mesure de conserver l’eau liquide au moment où la Terre est née.
Pour trouver des preuves de cette eau ancienne, il fallait des échantillons quasiment vierges de la Terre à ses premières heures. La meilleure solution était d’examiner les roches volcaniques prélevées sur la Terre de Baffin en 1985. En remontant vers la surface, ces roches n’ont jamais été contaminées par des arrivées sédimentaires de la croûte, et les recherches précédentes montrent que leur source est restée intacte depuis la formation de la Terre. Ce sont parmi les roches les plus primitives jamais trouvées à la surface de notre planète. L’eau qu’elles contiennent donne aux scientifiques un aperçu précieux de l’histoire précoce de la Terre et de la provenance de son eau.
En analysant les échantillons, les scientifiques ont cherché la présence de deutérium, une forme modifiée de l’hydrogène qui crée «l’eau lourde». Ils savaient que le rapport du deutérium à l’hydrogène crée une signature unique dans l’eau de chaque planète, comète, ou astéroïde. Donc, si l’eau de l’origine de la Terre présentait des points communs avec un morceau d’astéroïde, cela signifierait que notre première eau était le résultat d’une violente collision.
Cependant, l’examen des échantillons de l’île de Baffin a montré que l’eau était très pauvre en deutérium. La conclusion est donc que l’eau de la Terre provient de la poussière qui a formé les planètes de notre système solaire. Une grande partie de ce liquide se serait évaporée au moment où ces particules de poussière ont fusionné pour donner naissance à la Terre, mais il en restait suffisamment pour ensemencer notre planète avec de l’eau.
Il reste encore de nombreuses questions sans réponses à propos de l’humidité fortuite de notre planète. Puisque l’eau est nécessaire à la vie, savoir comment nous avons pu nous retrouver sur une planète recouverte d’océans pourrait aider les scientifiques à déterminer la probabilité de la vie dans le reste de l’univers.
Source: The Washington Post.

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drapeau-anglaisScientists have long debated the origins of Earth’s water that made human life possible, unlike the barren planets that surround us. They have long wondered how it got here. While it seems likely that the water in our solar system is very old, they are not sure whether Earth formed with water molecules on it or whether those molecules arrived later, for instance during a collision with an asteroid
In a study published in the magazine Science, a team of American researchers present new evidence that the Earth has had its water since the very beginning and that no asteroid was required. They suggest that the H2O-rich grains of dust that helped form the planet were able to retain liquid water as the Earth was born.
To find evidence of this ancient water, they had to find the most pristine possible samples of an infant Earth. There was only one solution to find the required samples: examine volcanic rocks taken from the arctic Baffin Island in 1985. On their way to the surface, these rocks were never affected by sedimentary input from crustal rocks, and previous research shows their source region has remained untouched since Earth’s formation. They are among the most primitive rocks ever found on Earth’s surface, and so the water they contain gives scientists an invaluable insight into the Earth’s early history and where its water came from.
While analysing the samples, the researchers looked for deuterium, a modified form of hydrogen that creates « heavy water. » Scientists have found that the ratio of deuterium to hydrogen creates a unique signature in the water of every planet, comet, or asteroid. So if the Earth’s earliest water seemed similar to something expected from a chunk of asteroid, it is likely that our first water had been delivered by a violent collision.
On examining the samples from Baffin Island, the scientists found water that was very poor in deuterium. Their conclusion was that the Earth’s water came from the dust that formed our solar system’s planets. A lot of this liquid would have evaporated as these dust particles fused together to give birth to Earth, but enough of it remained to seed our planet with water.
There are still plenty of questions to answer about the serendipitous wetness of our planet. Since water is necessary for life, figuring out just how we could end up on a planet covered in ocean could help scientists determine how likely life is out in the rest of the universe.
Source: The Washington Post.

Baffin

La Terre de Baffin vue depuis l’espace (Crédit photo: NASA)

L’acidification des océans Arctique et Antarctique // Acidification of Arctic and Antarctic oceans

drapeau-francaisUne étude récente de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) montre que l’Océan Arctique et l’Océan Pacifique Nord, ainsi que les eaux antarctiques, s’acidifient plus vite qu’ailleurs dans le monde. L’étude, qui a analysé des mesures fournies par des milliers de stations à travers le monde, révèle que les eaux de ces océans s’acidifient plus rapidement car le dioxyde de carbone absorbé dans l’atmosphère se combine avec des sources naturelles de carbone transportées par les courants marins et maintenues par les basses températures dans ces régions du globe.
L’eau plus acide dissout plus facilement le carbonate de calcium grâce auquel de nombreuses espèces marines fabriquent leurs coquilles. Cet excès d’acidité de l’eau pourrait bouleverser les écosystèmes entiers et nuire indirectement à d’autres espèces importantes comme le saumon.
La nouvelle étude utilise les données de stations d’échantillonnage permettant d’évaluer les niveaux de saturation en aragonite dans les océans du monde entier. L’aragonite est une forme de carbonate de calcium présente dans l’eau de mer que de nombreuses créatures utilisent pour façonner leurs coquilles. Lorsque l’eau est saturée, elle contient une quantité maximale d’aragonite dissoute. Quand elle est sursaturée, elle contient d’un excès d’aragonite en suspension. Tous les océans du monde, à une profondeur de 50 mètres, sont normalement sursaturés en aragonite. Pourtant, les dernières mesures montrent que les niveaux de saturation en aragonite diminuent à l’échelle mondiale.
L’étude révèle qu’à des profondeurs inférieures à 100 mètres, les niveaux de saturation en aragonite ont diminué en moyenne de 0,4 pour cent par an entre la décennie 1989-1998 et la décennie 1998-2010. De faibles niveaux de saturation en aragonite ont été constatés dans l’Océan Pacifique Nord, à des latitudes supérieures à 50 degrés. À des profondeurs de 200 mètres et au-dessous, toutes les régions de cette partie du Pacifique où ont été effectuées les mesures ont montré une sous-saturation en aragonite.
En revanche, dans l’Océan Atlantique, on a constaté que les eaux étaient sursaturées en aragonite à des niveaux beaucoup plus profonds, grâce à une teneur inférieure en carbone résiduel en provenance d’organismes en décomposition.
L’Arctique, l’Antarctique et le Pacifique Nord sont vulnérables à l’acidification en grande partie à cause de leurs eaux froides qui retiennent le dioxyde de carbone. Ces régions, ainsi que quelques autres dans le monde, comme une zone au large de la côte africaine, sont plus vulnérables parce que les flux générés par les courants océaniques en perpétuel mouvement introduisent des eaux riches en dioxyde de carbone en provenance d’autres régions du monde, ce qui fait remonter des eaux plus anciennes vers la surface.
Source: NOAA.

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drapeau-anglaisA new National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) study shows that the Arctic Ocean and the northern Pacific Ocean, along with Antarctic waters, are acidifying faster than the rest of the world’s marine waters. The study, which analyzed measurements from thousands of monitoring stations across the globe, found these bodies acidified faster as carbon dioxide absorbed from the atmosphere combines with natural sources of carbon swept into them by marine currents and held fast by low temperatures.
The increasingly acidic water more easily dissolves the calcium carbonate from which many marine species make their shells. That could upend entire ecosystems, harming other important species, including salmon.
The new study uses data from sampling stations to evaluate aragonite saturation levels in oceans worldwide. Aragonite is a form of calcium carbonate that sea creatures use to build shells, is held in the water. When water is saturated, it holds the maximum amount of dissolved aragonite. When it is supersaturated, it holds excess suspended aragonite. All the world’s oceans, measured down to a depth of 50 meters, are supersaturated with aragonite. Still, those measurements show that aragonite saturation levels have slipped globally.
The study found that at depths shallower than 100 meters, aragonite saturation levels declined by an average rate of 0.4 percent a year from the decade 1989-1998 to the decade 1998-2010. Low levels of aragonite saturation were pronounced in the North Pacific Ocean at latitudes above 50 degrees north, according to the study. At depths of 200 meters and below, all the sections measured in that part of the Pacific showed undersaturated states for aragonite.
In contrast, the Atlantic Ocean was found to have aragonite-supersaturated waters down to much deeper levels, thanks to a lower level of lingering carbon from decaying organisms.
The Arctic, Antarctic and North Pacific are vulnerable to acidification in part because of their cold waters, which hold in carbon dioxide. Those regions, along with some other marine areas in the world, such as a region off the coast of Africa, are more vulnerable because the pattern of ever-moving ocean currents brings in carbon-dioxide-rich waters from elsewhere in the world and causes that older water to rise up to shallower levels closer to the surface.
Source : NOAA.

Aragonite copie

Source: NOAA.

Muons et volcans // Muons and volcanoes

drapeau francaisEn mai 2007 et décembre 2010, j’ai écrit deux articles expliquant que les scientifiques japonais essayaient d’observer l’intérieur des volcans en utilisant une nouvelle technologie basée sur l’utilisation des muons, particules chargés positivement ou négativement, en provenance des couches supérieures de l’atmosphère. Lorsque le rayonnement cosmique produit par les explosions de supernovae et autres évènements dans l’espace lointain atteint la Terre et entre en collision avec l’atmosphère, cela génère un grand nombre de muons. Ils représentent 70% des rayons cosmiques qui atteignent la surface de la Terre. Comme ils ont une masse très faible, les muons passent à travers tous les objets, mais certaines substances les bloquent plus que d’autres, de la même façon que les os interfèrent avec des particules des rayons X. Pour les volcanologues, la radiographie par les muons, ou muographie, est un outil relativement nouveau qui pourrait permettre de percer les mystères qui entourent l’activité volcanique.
Tout comme une plaque radiographique capte le rayonnement traversant le corps, une plaque spéciale d’émulsion nucléaire est utilisée pour capter les muons qui traversent un volcan. Les scientifiques comptent ensuite le nombre de particules qui ont atteint la plaque pour mesurer les densités relatives de l’intérieur du volcan. Ces données sont converties en éléments visuels indiquant l’emplacement et la forme des conduits et réservoirs magmatiques. Pour capter les muons qui traversent latéralement le volcan, la plaque d’émulsion nucléaire est positionnée sur le flanc de la montagne. Le magma qui contient de la vapeur d’eau et les conduits magmatiques sont moins denses que la roche encaissante et le sol sous pression, donc un plus grand nombre de muons passent à travers ces zones et atteignent la plaque.
La muographie n’est pas le seul moyen d’étudier l’intérieur d’un volcan. On a vu de quelle façon les scientifiques américains ont disposé un réseau de sismographes autour du Mont St Helens pour enregistrer les ondes sismiques générées par la détonation d’explosifs. Cependant, la muographie est d’un ordre de grandeur plus précis que la technique sismique conventionnelle.
En 2013, la muographie a été utilisée pour visualiser la structure interne du volcan Satsuma-Iojima dans la préfecture de Kagoshima. Les scientifiques savaient que le volcan dissimulait un réservoir magmatique, mais la muographie a révélé que la quantité de magma était beaucoup plus grande que prévu.
L’avènement de la muographie présente de nouvelles perspectives en volcanologie, mais il y a encore un bon nombre d’obstacles. Le principal est le coût. Les détecteurs de muons sont des dispositifs haut de gamme qui coûtent des centaines de milliers de dollars chacun, ce qui va à l’encontre des coupes budgétaires qui affectent actuellement les laboratoires scientifiques. Cela signifie que seul un nombre limité de détecteurs de muons peut être acheté et déployé sur le terrain.
Un autre obstacle est la complexité de la science, ce qui nécessite à la fois une bonne connaissance de la physique des particules et de la volcanologie. La collaboration entre les scientifiques dans ces différents domaines pourrait aider à résoudre ce problème.
Depuis le début des années 1950, les scientifiques utilisent la muographie pour étudier l’intérieur de structures massives telles que les pyramides d’Egypte. La technologie a également été utilisée pour tenter de déterminer l’emplacement du combustible nucléaire à la centrale de Fukushima après le séisme qui a frappé le Japon en mars 2011.
Source: Nikkei Asian Review: http://asia.nikkei.com/

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drapeau-anglaisIn May 2007 and December 2010, I wrote two articles explaining that Japanese scientists were trying to see the inside of the volcanoes by using a new technology based on the use of muons, particles which are charged positively or negatively, coming from the upper layers of the atmosphere.
When cosmic radiation from supernova explosions and other events in deep space reaches Earth and collides with the atmosphere, large numbers of muons are generated. They account for 70% of the cosmic rays that reach the surface of the Earth. Because they have such an extremely small mass, muon particles pass through about everything, but some substances block them more than others, similar to how bones interfere with X-ray particles.
For volcanologists, cosmic-ray muon radiography, or muography, is a relatively new tool that could eventually help unravel the mysteries surrounding volcanic activity.
Just like an X-ray plate captures radiation passing through the body, a special nuclear emulsion plate is used to capture muons passing through a volcano. Scientists then count the number of particles that reached the plate to measure the relative densities of the interior. This data is converted into a visualization showing the locations and shapes of conduits and magma reservoirs. To capture muons that traverse the volcano laterally, the nuclear emulsion plate is positioned on one side of the mountain. Magma containing water vapor and magma conduits are less dense than rock and pressurized soil, so more muons pass through these areas and reach the plate.
Muography is not the only way to study the inside of a volcano. We have seen how American scientists arranged a network of seismographs around Mt St Helens to record the seismic waves generated by the detonation of explosives. However, muography is an order of magnitude more precise than the conventional seismic technique.
In 2013, muography was used to visualize the internal structure of the Satsuma-Iojima volcano in Kagoshima Prefecture. Scientists had imagined that the volcano contained a magma reservoir, but muography revealed that the quantity of magma was far greater than predicted.
The advent of muography presents a whole new opportunity for volcanologists, but there are still quite a good number of obstacles. One big hurdle is the cost. Muon detectors are specialized devices that cost hundreds of thousands of dollars apiece, which goes against the budget cuts that currently affect scientific laboratories. This means that only a limited number of muon detectors can be purchased and deployed.
Another hurdle is the complexity of the science, which requires familiarity with both particle physics and volcanology. Collaboration among scientists in different fields could help solve the second problem.
Since the early 1950s, scientists have used muography to study the interior of such massive structures as the pyramids of Egypt. The technology was also used to try to ascertain the location of nuclear fuel at the Fukushima nuclear power plant after the earthquake that struck Japan in March 2011.
Source : Nikkei Asian Review : http://asia.nikkei.com/

Iodake

Vue du volcan Satsuma-Iojima (Préfecture de Kagoshima) en juin 2015.

(Crédit photo: Wilipedia)