Catégorie : Science

L’impact du dioxyde de soufre du Bárðarbunga (Islande) // The impact of Bárðarbunga’s sulphur dioxide

drapeau francaisL’éruption de 6 mois du Bárðarbunga (31 août 2014 – 27 février 2015) fut la plus importante en Islande depuis l’éruption dévastatrice du Laki de 1783 à 1784. Elle a produit environ 1,6 km3 de lave en couvrant une superficie équivalente à l’île de Manhattan.
L’éruption a généré des émissions de dioxyde de soufre (SO2) de près de 12 millions de tonnes, ce qui est plus que l’ensemble des émissions de SO2 en Europe en 2011. En Islande, la concentration de SO2 a dépassé dans une grande partie du pays 350 ug/ m3 et par heure, ce qui est considéré comme la limite pour la santé. Cette concentration a été observée pendant plusieurs jours ou plusieurs semaines (voir mes notes précédentes sur l’éruption). Toutefois, les effets de l’éruption ne se limitent pas à l’Islande car de nombreuses parties de l’Europe ont également enregistré des niveaux élevés de SO2.
Les chercheurs ont d’abord craint que les émissions de SO2 soient beaucoup plus élevées, ce qui aurait causé des problèmes de santé graves à travers l’Islande et peut-être l’Europe. Leurs craintes s’appuyaient sur l’histoire passée du volcan. Il y a huit mille ans, le Bárðarbunga a connu une éruption encore plus puissante que celle du Laki. Il est bon de rappeler que cette dernière a tué quelque 10 000 personnes en Islande tandis que la pollution par le SO2 affectait des dizaines de milliers d’autres en Europe, en particulier en Grande-Bretagne, en France et aux Pays-Bas.
Dans un article de la revue Geochemical Perspectives Letters (la revue de l’Association Européenne de Géochimie), un groupe de chercheurs islandais a détaillé les effets de l’éruption du Bárðarbunga sur l’environnement. Ils ont montré que le niveau de SO2 avait augmenté de manière significative à la suite de l’éruption. Les stations de surveillance installées en Irlande ont révélé des pics élevés, en particulier le 6 septembre, jour où le niveau de SO2 a dépassé les limites européennes pour la protection de la santé humaine. Même à une altitude de 1210 mètres dans les Alpes autrichiennes, le niveau de SO2 a culminé à 235 ug/m3, ce qui représente environ 60% des niveaux autorisés et près de 50 fois le niveau de référence normal d’environ 5 ug/m3.
Les chercheurs soulignent que pour la plus grande partie de l’Europe les effets sur la santé ont été minimes car l’exposition au SO2 n’a pas été prolongée. En 2014-15, c’est surtout la partie septentrionale de l’Islande qui a connu la plus forte pollution qui, heureusement, n’affectait guère des zones habitées. De plus, l’éruption est survenue au bon moment d’un point de vue météorologique, ce qui a minimisé les effets globaux en Islande, mais aussi ailleurs sur le continent européen. En effet, la vitesse moyenne du vent est plus élevée en hiver qu’en été, donc l’éruption du Bárðarbunga a produit des panaches qui se sont rapidement dispersés. Par ailleurs, en raison de la réduction du nombre d’heures d’ensoleillement en automne et en hiver, un pourcentage plus faible du SO2 émis était susceptible d’être oxydé dans des conditions sèches et transformé en acide sulfurique (H2SO4).
Source: Association Européenne de Géochimie.

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drapeau anglaisThe six month long eruption of the Bardarbunga volcano (31 August 2014-27 February 2015 ) was the largest in Iceland since the devastating Laki eruption of 1783-84, producing around 1.6 km3 of lava, covering an area equivalent to Manhattan Island.

The eruption caused total sulphur dioxide (SO2) emissions of nearly 12 million  tonnes, which exceeded the total SO2 emitted in Europe in 2011. In Iceland, concentration of SO2 exceeded the 350 µg m-3 hourly average health limit over much of the country for days to weeks (see my previous notes about the eruption). However, the effects of the volcano were not confined to Iceland – many parts of Europe also saw high SO2 levels.

Researchers were initially concerned that the SO2 emissions would be much higher, which would have caused serious health problems throughout Iceland and perhaps Europe. They feared much worse effects when they referred to the past history of the volcano. Eight thousand years ago, Bardarbunga experienced an eruption even bigger than that of the 1783-84 Laki eruption which killed around 10,000 people in Iceland and the resultant SO2 pollution that affected tens of thousands in Europe, especially in the Britain, France and the Netherlands.

Writing in the journal Geochemical Perspectives Letters (the journal of the European Association of Geochemistry), a group of Icelandic researchers has detailed the environmental effects of the Bardarbunga eruption. They were able to show that the SO2 levels rose significantly in the wake of the eruption. Monitoring stations in Ireland showed high SO2 spikes, with SO2 levels exceeding the European limits for the protection of human health on September 6th. Even at an altitude of 1210 meters in the Austrian Alps, SO2 levels spiked at 235 µg m-3. This is around 60% of permitted levels, and nearly 50 times the normal background level of around 5 µg m-3

The researchers stress that for most of Europe, the effects on health would have been minimal, given that the SO2 exposure was not prolonged.  In 2014-15, most of Iceland, especially North Iceland, experienced gas pollution. However this was away from most inhabited areas. The eruption occured at the right moment for the weather, which tended to minimize the overall effects in Iceland, but also elsewhere on mainland Europe. Indeed, the average wind speed is higher in winter than summer, thus the Bardarbunga eruption produced fast-dispersing plumes. Because of reduced autumn-winter sunlight hours, a smaller per cent of emitted SO2 had the potential to be oxidised under dry conditions to sulphuric acid (H2SO4).

Source : European Association of Geochemistry.

Bardarbunga

L’éruption du Bárðarbunga le 4 septembre 2014 (Crédit photo : Peter Hartree / Wikipedia)

 

Santorin (Grèce) : Du CO2 comme dans un cocktail // Santorini (Greece) : CO2 like in a cocktail

drapeau francaisLe site de la deuxième plus grande éruption volcanique de l’histoire humaine, au large de Santorin en Grèce, recèle aujourd’hui de superbes poches d’eau opalescente qui ont été récemment découvertes à une profondeur de 250 mètres. Ces poches d’eau, reliées les unes aux autres, contiennent des concentrations élevées de dioxyde de carbone. Elles permettront peut-être un jour d’expliquer les phénomène liés à l’accumulation du carbone dans les profondeurs des océans et de mieux surveiller le volcan de Santorin qui reste potentiellement actif.
Les poches d’eau varient en taille de 1 à 5 mètres de diamètre. Les scientifiques européens qui les ont observées pensent qu’elles sont éphémères, apparaissant et disparaissant comme une mare d’eau de pluie dans le désert. Lors d’une mission dans la région en juillet 2012, ils ont utilisé des véhicules d’exploration sous-marine de dernière génération pour localiser et analyser ces Kallisti Limnes, « les plus beaux lacs » en grec ancien. La crise volcano-sismique de 2011 avait déjà conduit les chercheurs à lancer des investigations sur un site d’activité hydrothermale bien connu au sein de la caldeira de Santorin.

Au cours de la reconnaissance préliminaire d’une grande faille du plancher océanique, un véhicule sous-marin autonome (AUV) a identifié des couches d’eau avec des propriétés chimiques inhabituelles. Suite à cette reconnaissance, les chercheurs ont utilisé Thétis, un véhicule avec des hommes à son bord. L’équipage du submersible a utilisé des capteurs chimiques pour observer les poches d’eau opalescente situées dans les dépressions au pied de la paroi de la caldeira (voir la carte ci-dessous). Les chercheurs ont ensuite envoyé un petit véhicule télécommandé (ROV) afin d’échantillonner les fluides hydrothermaux à l’intérieur des poches d’eau.
Le plus souvent, de telles poches d’eau au sein de l’océan sont des concentrations de saumure où le sel dissous en provenance des formations géologiques sous le plancher océanique crée une densité supplémentaire qui sépare la poche d’eau salée de l’eau de mer environnante. Dans le cas de Santorin, la forte densité des poches d’eau n’est probablement pas provoquée par le sel, mais par le CO2.
Il y a de  fortes chances pour que ce CO2 soit généré par l’activité sismique dans la région, avec la subduction de la plaque africaine sous la plaque eurasienne. Au cours de la subduction, le CO2 peut être libéré lors du dégazage du magma, ou à partir de matières sédimentaires qui subissent des modifications en étant soumises à des pressions et des températures très élevées.
Les chercheurs ont observé que les poches d’eau de Santorin ont un pH très faible, ce qui les rend très acides, et donc dépourvues d’organismes de calcification. En revanche, ils pensent que des organismes riches en silice pourraient être la source de l’opale dans les fluides.
Jusqu’à la découverte de ces poches d’eau riches en CO2, on pensait que lorsque le CO2 est émis à l’intérieur de l’océan, il se disperse dans l’eau environnante. A l’inverse, dans cette partie de Santorin, les deux fluides restent séparés et celui qui a la plus forte densité en CO2 reste au fond, un peu comme dans un cocktail, et forme ces poches d’eau opalescente.
Les capteurs de température ont révélé que celle des Limnes Kallisti était de 5 ° C supérieure à celle des eaux environnantes. Cette chaleur est probablement le résultat de la circulation de fluides hydrothermaux dans la croûte et au-dessus d’une source de chaleur plus profonde, comme une chambre magmatique. Les fluides à l’intérieur des poches d’eau répondent également aux variations de pression, comme les marées, ce qui peut donner des informations sur la structure de perméabilité du sous-plancher océanique.

Les variations de température et les modifications chimiques de ces poches d’eau peuvent venir en complément d’autres techniques de surveillance de l’évolution de l’activité volcanique dans la région.
Adapté d’un article de la Woods Hole Oceanographic Institution.
http://www.whoi.edu/news-release/co2-pools

Voici une petite vidéo montrant ces poches d’eau de mer riches en CO2:

http://mex1.whoi.edu:8080/http2/WHOI_CMS/Media_Relations/114953_CO2Pools.webm

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drapeau anglaisThe location of the second largest volcanic eruption in human history, off Greece’s Santorini, are the site of newly discovered opalescent pools forming at a depth of 250 metres. The interconnected series of pools contain high concentrations of carbon dioxide (CO2) and may hold answers to questions related to deep sea carbon storage as well as provide a means of monitoring the Santorini volcano for future eruptions.

The pools range in size from 1 to 5 metres in diameter, and the European scientists who observed them believe they are ephemeral, appearing and disappearing like a rain pool in the desert. Working in the region in July 2012, they used a series of sophisticated underwater exploration vehicles to locate and characterize the pools, which they call the Kallisti Limnes, from ancient Greek for “most beautiful lakes.” A prior volcanic crisis in 2011 had led the researchers to initiate their investigation at a site of known hydrothermal activity within the Santorini caldera.

During a preliminary reconnaissance of a large seafloor fault, an autonomous underwater vehicle (AUV) identified subsea layers of water with unusual chemical properties.

Following the AUV survey, the researchers then deployed Thetis, a human occupied vehicle. The submersible’s crew used robotic onboard chemical sensors to observe the pools which are located within depressions of the caldera wall (see map below). Finally, the researchers sent a smaller remotely operated vehicle (ROV), to sample the pools’ hydrothermal fluids.

Usually, such pools within the ocean are brine pools where dissolved salt released from geologic formations below the seafloor creates the extra density and separates the brine pool from the surrounding seawater. In the case of Santorini, the pools’ increased density isn’t driven by salt, but probably by CO2 itself.

This CO2 is probably generated by the seismic activity in the region, caused by the subduction of the African tectonic plate underneath the Eurasian plate. During subduction, CO2 can be released by magma degassing, or from sedimentary materials which undergo alteration while being subjected to enormous pressure and temperature.

The researchers determined that the pools have a very low pH, making them quite acidic, and therefore, devoid of calcifying organisms. But they believe silica-based organisms could be the source of the opal in the pool fluids.

Until the discovery of these CO2-dense pools, the assumption has been that when CO2 is released into the ocean, it disperses into the surrounding water. But in that part of Santorini, the two fluids actually remain separate with the denser CO2 water sinking to form the pool.

Temperature sensors revealed that the Kallisti Limnes were 5°C above that of surrounding waters. This heat is likely the result of hydrothermal fluid circulation within the crust and above a deeper heat source, such as a magma chamber. The pool fluids also respond to variations in pressure, such as tides, and this may inform of the permeability structure of the sub-seafloor.  Changes in the pools’ temperature and chemical signals may thus complement other monitoring techniques as useful indicators of increased or decreased volcanism.

Adapted from an article of the Woods Hole Oceanographic Institution.

http://www.whoi.edu/news-release/co2-pools

Here is a short video showing these CO2-rich pools:

http://mex1.whoi.edu:8080/http2/WHOI_CMS/Media_Relations/114953_CO2Pools.webm

Santorin 03

Source:  WHOI.

Détection de la cendre volcanique // Volcanic ash detection

drapeau francaisBien que les compagnies aériennes soient très conscientes des perturbations et des pertes d’argent que peut entraîner la cendre volcanique, on n’a guère enregistré de progrès dans ce domaine depuis l’éruption islandaise du Vatnajökull en 2010. La dernière éruption du Raung en Indonésie a entraîné de fréquentes fermetures des aéroport de Bali et Surabaya. Comme je l’ai écrit auparavant, il semble que le système AVOID n’ait pas rencontré le succès escompté et les constructeurs comme Boeing n’ont pas installé de systèmes de détection de cendre volcanique dans les avions.
Cependant, les recherches continuent dans ce domaine. Par exemple, le projet VIPR (Vehicle Integrated Propulsion Research), fruit d’un partenariat entre la NASA, l’US Air Force et un certain nombre d’autres organismes et entreprises, inclut une série de tests destinés à contrôler la fiabilité des moteurs à bord des avions commerciaux. Leur but est de prendre en compte les technologies capables d’identifier les défauts des moteurs d’avions le plus tôt possible.
Les tests ont commencé en 2011. Deux turboréacteurs F-117 fournis par l’armée ont été montés sur un avion C-17 sur lequel les tests sont effectués avec l’avion au sol. Ces tests comprennent l’étude du moteur au cours de son fonctionnement normal, l’étude de défauts mécaniques provoqués, l’étude de défauts provoqués sur les circuits des gaz, et enfin, l’étude de la dégradation du moteur par ingestion de cendre volcanique.
La soumission du moteur à de la cendre volcanique représente la prochaine étape des tests VIPR de la NASA. La cendre volcanique a été choisie car c’est une façon intéressante de mettre un moteur en défaut et c’est un domaine qui n’a pas été soigneusement étudié.
Le test fonctionne par pulvérisation « faible à modérée » de cendre volcanique dans le moteur du C-17 tandis qu’il est en train de tourner. Parmi les capteurs utilisés pendant les tests figure un capteur de vibrations ainsi que d’un capteur dynamique de température qui enregistre les fluctuations rapides de température dans le moteur (voir image ci-dessous). Dans la partie turbine du moteur, un capteur (mis au point par la NASA) mesure l’intervalle entre la paroi externe de la turbine et les pointes des pales de turbine. C’est une mesure clé dans les moteurs d’avions parce que si l’on peut mesurer cet intervalle avec grande précision, on peut non seulement dire si oui ou non il y a des problèmes avec les pales de la turbine, mais cela permet aussi d’avoir un moteur plus économe en carburant .
L’accumulation de cendre sur les pales de compression du moteur contribue à son usure, ce qui compromet en fin de compte la santé du moteur, et par conséquent, la sécurité du vol.
Des capteurs d’émission sont installés derrière le moteur afin d’observer la combustion, ce qui donne une meilleure idée de la santé du moteur.
Grâce à ces tests, les chercheurs pourront étudier l’effet de plusieurs heures d’exposition du moteur à la cendre. Ils ont trois objectifs principaux:
1) L’incorporation de capteurs intelligents destinés à améliorer la sécurité des vols et à réduire les coûts pour les compagnies aériennes.
2) La détection des défauts potentiels du moteur.
3) L’évaluation des progrès en matière de diagnostic des moteurs.
Source: CBS Los Angeles.

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drapeau anglaisAlthough air companies are quite conscious of the disruptions and the losses of money volcanic ash can cause, little has been done since the 2010 eruption of Vatnajökull in Iceland to solve the problem. Mount Raung’s last eruptions led to the closure of Bali airport in Indonesia. As I put it before, it seems the AVOID system did not meet with the expected success and plane builders like BOEING are not installing any volcanic ash detecting equipment in the aircraft.

However, research is going on in that domain. For instance, the VIPR (Vehicle Integrated Propulsion Research) project, the product of a partnership between NASA, the U.S. Air Force and a number of other agencies and companies, includes a series of tests to evaluate health management technologies on commercial engines. Its aim is to look at technologies that will be able to identify aircraft engine faults at the beginning stages.

The tests began in 2011. Two F-117 turbofan engines, provided by the Air Force, were mounted on a C-17 aircraft, on which the tests are performed as the aircraft is grounded. These tests include studying the engine through normal engine operations, seeded mechanical faults, seeded gas path faults, and finally, accelerated engine life degradation through the ingestion of volcanic ash.

The subjection to volcanic ash represents the next stage of NASA’s VIPR testing. Volcanic ash has been chosen because it’s an interesting way to fault an engine, but it’s also something that hasn’t been carefully studied.

The test works by spraying “low to moderate” concentrations of volcanic ash into the C-17’s running engine. Among the sensors under study is a vibration sensor, as well as a dynamic temperature sensor which picks up quick temperatures fluctuations in the engine (see image below). In the turbine section of the engine, a sensor can measure the gap between the outer wall of the turbine and the tips of the turbine blades. This is a key measurement in aircraft engines, because if one can measure this, and measure it precisely, not only one can tell whether or not there are problems with the turbine blades,  but one can also help to having a more fuel-efficient engine.

Ash accumulation on the engine’s compression blades contributes to erosion, ultimately compromising the health of the engine, and therefore, the safety of the flight.

Behind the engine, emissions sensors are installed to read the combustion of the engine, giving more insight to the health of the engine.

Through the volcanic ash test, researchers aim to study the effect of several hours of exposure to the ash.

The tests have three primary objectives:

The incorporation of smarter sensors designed to improve flight safety and reduce aviation costs.

The detection of potential engine faults.

The evaluation of advances in engine diagnostics.

Source: CBS Los Angeles.

Test avion

Source:  NASA.

Prévision volcanique en Nouvelle Zélande // Volcanic prediction in New Zealand

drapeau francaisLa Nouvelle-Zélande possède un grand nombre de volcans actifs et une fréquence éruptive élevée. L’activité volcanique se produit dans six secteurs, dont cinq dans l’île du Nord et un au large des côtes, dans les Iles Kermadec.
Les scientifiques néo-zélandais aimeraient savoir quand se produira la prochaine éruption majeure. Ils vont essayer de répondre à cette question en utilisant les mathématiques pour calculer la date probable et l’importance de la prochaine éruption de chacun des 10 principaux volcans de ce pays.
Les éruptions les plus récentes ont eu lieu à White Island, île volcanique toujours très active, au Mont Tongariro à deux reprises en 2012, et au Mont Ruapehu il y a huit ans, quand un lahar a traversé la partie occidentale du champ de ski de Whakapapa.
A côté de ces volcans régulièrement actifs, les Néo-zélandais redoutent les prochaines éruptions de volcans en sommeil tels que le Taranaki dont on pense que la probabilité éruptive est de 50% dans les 50 prochaines années, ou de la zone volcanique d’Auckland et ses 50 volcans qui ne dorment peut-être que d’un oeil.
L’événement le plus inquiétant serait une éruption de l’une des énormes caldeiras volcaniques dans la partie centrale de l’île du Nord. Par exemple; l’éruption du Taupo, il y a environ 1800 ans, a eu des effets visibles jusqu’en Chine et à Rome. Elle a généré une coulée pyroclastique dévastatrice de 1,5 kilomètres de hauteur qui a recouvert la région de cendre et de pierre ponce sur une distance de 80 km.
Pour créer un nouveau modèle de probabilité, les chercheurs vont établir une base de données incluant l’histoire éruptive de volcans similaires à travers le monde. Une référence possible serait le Merapi en Indonésie, qui est entré en éruption en 2010, après une longue période de calme, tout comme le Taranaki. Si l’équipe scientifique peut prouver que les histoires éruptives de ces deux volcans se superposent, ils pourront étendre cette approche à d’autres dans le monde.
L’un des scientifiques, spécialiste des avalanches pyroclastiques dévastatrices, a entamé une autre étude avec ses collègues. Il va utiliser un simulateur d’éruption basé sur le campus de l’Université de Manawatu pour comprendre comment réagissent les infrastructures quand elles sont frappées par une coulée pyroclastique.
Une étude publiée le mois dernier a révélé qu’une éruption volcanique majeure dans le centre industriel d’Auckland pourrait avoir un impact économique désastreux et affecter profondément le PIB de la ville.
Source: New Zealand Herald.
Maintenant, la question est de savoir si des sciences exactes comme les mathématiques et les simulations peuvent vraiment aider à prévoir les prochaines éruptions en Nouvelle-Zélande! Il en est de même avec les cycles éruptifs qui n’ont jamais été définitivement prouvés. Quand on sait que chaque volcan a un fonctionnement qui lui est proche, il semble hasardeux de vouloir essayer de calquer les histoires éruptives de deux volcans éloignés de plusieurs milliers de kilomètres. À une époque où nous ne sommes pas capables de prévoir les éruptions de point chaud dans le court terme, j’ai des doutes sur le succès d’une telle recherche pour prévoir les éruptions des volcans Nouvelle-Zélande qui sont situés dans les zones de subduction et sont d’autant plus imprévisibles.

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drapeau anglaisNew Zealand has a lot of active volcanoes and a high frequency of eruptions. Volcanic activity occurs in six areas, five in the North Island and one offshore in the Kermadec Islands.

Kiwi scientists would like to know when the next major eruption will occur. They will try to answer the question by using maths to calculate the estimated time and size of the next eruption of each of New Zealand’s 10 main volcano centres.

The most recent eruptions have taken place at White Island which is still quite active, at Mt Tongariro twice in 2012, and at Mt Ruapehu eight years ago, when a large lahar travelled through the western boundary of Whakapapa skifield.

Beside these regularly active volcanoes, a greater fears concern the next eruptions at quiet mountains such as Mt Taranaki, which is said to have a 50 per cent probability of erupting in the next 50 years, or at one of Auckland’s long-silent field of 50 volcanoes.

More worrying still is the thought of an eruption at one of the huge caldera volcanoes in the Central North Island. For instance; the Taupo eruption around 1800 years ago created effects visible in China and Rome and generated a devastating 1.5 km-high pyroclastic flow that covered the landscape with ash and pumice for a distance of 80km.

To create a new probability model, the researchers will build a database of historical records from similar volcanoes worldwide. A possible reference would be Mt Merapi in Indonesia which erupted in 2010 after a long quiet past, just like Mt Taranaki. If the scientific team can work out how the records of the two volcanoes can map on to one another, then they will extend it to other ones worldwide.

One of the scientists, who specialises in devastating pyroclastic surges, is starting another study with his colleagues. It will use a large-scale eruption simulator based at the Manawatu University campus to understand what happens to infrastructures when they are hit by a pyroclastic flow.

A research published last month indicated that a catastrophic volcanic eruption in Auckland’s industrial heart could have a disastrous economic impact and knock out a large area of the city’s Gross Domestic Product (GDP).

Source : New Zealand Herald.

Now, the question is to know whether exact sciences like mathematics and simulations can really help predict the next eruptions in New Zealand! It’s the same with eruptive cycles which have never been definitively proved. Knowing that each volcano has its own eruptive process, superimposing the eruptive histories of two volcanoes which are thousands of kilometres apart seems a bit far-fetched. At a time when we are not able to predict hotspot eruptions in the short term, I have doubts about the success of such research to predict the eruptions of New Zealand volcanoes which are located in subduction zones and are all the more unpredictable.

Ruapehu-blog

White-Island-lac

Le Ruapehu et White Island sont deux volcans actifs de Nouvelle Zélande.

(Photos:  C. Grandpey)