Catégorie : Science

L’intelligence artificielle arrive en volcanologie // Artificial intelligence arrives in volcanology

Des scientifiques de l’Université de Grenade ont développé un algorithme d’apprentissage automatique très précis censé prévoir les éruptions volcaniques. [L’apprentissage automatique (machine learning en anglais) est un champ d’étude de l’intelligence artificielle qui vise à donner aux machines la capacité d’« apprendre » à partir de données, via des modèles mathématiques].

Les travaux de ces scientifiques, publiés récemment dans Frontiers in Earth Science, montrent que cette technologie peut permettre de mieux comprendre et prévoir l’activité volcanique. Au final, elle permettra une meilleure préparation aux catastrophes et réduira les risques volcaniques.
Les chercheurs ont analysé un vaste ensemble de données sismiques de l’Etna (Sicile) couvrant plusieurs décennies. En appliquant le modèle d’apprentissage automatique à des données historiques, ils ont pu identifier les signaux sismiques qui précédaient systématiquement les éruptions. La capacité prédictive de l’algorithme a ensuite été testée en utilisant des données sismiques plus récentes. On aboutit à un taux de précision impressionnant, de plus de 90 %.​  Les chercheurs insistent sur le fait que cette approche peut être appliquée à différents systèmes volcaniques à travers le monde.
En appliquant des techniques de traitement du signal aux enregistrements sismiques, les scientifiques ont fait apparaître quatre caractéristiques sismiques différentes, qui évoluent lorsque le système volcanique s’approche d’un épisode éruptif. Ils ont ensuite élaboré une matrice temporelle avec ces paramètres et attribué une étiquette à chaque instant temporel en fonction de l’état réel de l’activité volcanique (simple activité, situation pré-éruptive, situation éruptive). Restait à résoudre le problème du développement de systèmes d’alerte précoce transférables entre volcans. Pour cela, les auteurs de l’étude ont appliqué leur méthodologie à des bases de données associées à différents systèmes volcaniques, y compris des données concernant des épisodes explosifs et effusifs, enregistrées dans plusieurs scénarios volcaniques à conduits ouverts et fermés. Les volcans pris en compte sont l’Etna (Sicile), le Bezymianny (Kamchatka), Volcán de Colima (Mexique), le Mont St. Helens et l’Augustine. (États Unis).
On peut être optimiste quant à la capacité de l’algorithme d’apprentissage automatique à prévoir correctement les éruptions d’autres volcans actifs à travers le monde. Cette technologie peut faciliter l’approche des catastrophes en fournissant des alertes précoces et en permettant aux autorités de mettre en œuvre des plans d’évacuation et de prévoir d’autres mesures de sécurité.
L’étude montre le potentiel de l’apprentissage automatique et d’autres avancées technologiques dans la recherche géophysique. La capacité des algorithmes d’apprentissage automatique à analyser des informations complexes et à identifier des modèles cachés peut être utilisée dans un large éventail d’applications des sciences de la Terre, notamment la prévision des séismes et la modélisation climatique. Les chercheurs vont maintenant s’efforcer d’améliorer leur modèle et de tester sa pertinence dans divers environnements volcaniques.

Référence:

Universal machine learning approach to volcanic eruption forecasting using seismic features – Pablo Rey Devesa et al. — Frontier in Earth Science, June 26, 2024 – https://doi.org/10.3389/feart.2024.1342468

Source : The Watchers.

Episode éruptif sur l’Etna (Photo: C. Grandpey)

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L’utilisation de l’intelligence artificielle dans la prévision volcanique et celle d’autres phénomènes naturels semble prometteuse. Cependant, il faut garder à l’esprit que l’intelligence artificielle fait partie de la science exacte alors que les éruptions dépendent des caprices de la Nature qui sont souvent imprévisibles !

Des progrès ont été réalisées au cours des dernières décennies en matière de prévision éruptive, mais il reste encore beaucoup à faire pour déjouer les traquenards mis sur le chemin des scientifiques par Dame Nature. L’intelligence artificielle permettra peut-être aussi un jour d’empêcher que des populations se fassent tuer par de puissants séismes.

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Scientists at the University of Granada developed a very accurate machine-learning algorithm for predicting volcanic eruptions. Their work, published recently in Frontiers in Earth Science, demonstrates how this technique can assist us in better understanding and forecasting volcanic activity, which is a crucial step toward increasing disaster preparedness and decreasing volcanic dangers.

The researchers analyzed a large dataset of seismic recordings from Mount Etna gathered over several decades. By training the machine learning model on historical data, they were able to identify seismic signals that consistently preceded eruptions. The algorithm’s prediction capacity was then tested against more recent seismic data, and it achieved an impressive accuracy rate of more than 90%.​  The researchers insist that it is transferable to different volcanic systems around the world.

By applying signal processing techniques on seismic records, the scientists extracted four different seismic features, which usually change their trend when the system is approaching an eruptive episode. Then, they built a temporal matrix with these parameters and defined a label for each temporal moment according to the real state of the volcanic activity (Unrest, Pre-Eruptive, Eruptive). To solve the remaining problem of developing early warning systems that are transferable between volcanoes, the authors of the study applied their methodology to databases associated with different volcanic systems, including data from both explosive and effusive episodes, recorded at several volcanic scenarios with open and closed conduits: Mt. Etna, Bezymianny, Volcán de Colima, Mount St. Helens and Augustine.

The machine learning algorithm’s performance in properly predicting eruptions bodes well for its application to other active volcanoes across the world. This technology can help with disaster planning by providing early warnings and allowing authorities to enact evacuation plans and other safety measures on time.

The study demonstrates the greater potential of machine learning and other such technological advancements in geophysical research. Machine learning algorithms’ capacity to analyze complicated information and identify hidden patterns can be applied to a wide range of earth science applications, including earthquake prediction and climate modeling. The researchers intend to enhance their model further and test its relevance to various volcanic environments.

Reference:

Universal machine learning approach to volcanic eruption forecasting using seismic features – Pablo Rey Devesa et al. — Frontier in Earth Science, June 26, 2024 – https://doi.org/10.3389/feart.2024.1342468

Source : The Watchers.

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The use of artificial intelligence in volcanic prediction and the prediction of other natural phenomena looks promising. However, onse should keep in mind that artificial intelligence is part of exact science whereas eruptions depend on Nature’s whims which can be unpredictable !

Progress has been made in recent decades in eruptive prediction, but much remains to be done to thwart the traps put in the path of scientists by Mother Nature. Artificial intelligence may one day make it possible to prevent populations from being killed by powerful earthquakes.

Le réchauffement climatique allonge les jours // Global warming is making days longer

Dans une note publiée le 14 mai 2024, j’écrivais que la rotation de la Terre semble ralentir. Cela est dû à l’intensification de la fonte des glaces au Groenland et en Antarctique, qui diminue la vitesse angulaire de la Terre. En effet, l’eau des pôles est redistribuée dans les océans,ce qui modifie le moment d’inertie de notre planète.

Une nouvelle étude publiée le 16 juillet 2024 dans les Actes de la National Academy of Sciences confirme cette situation, ajoutant que « l’impact du réchauffement climatique d’origine humaine est si important qu’il perturbe la notion de temps.» La fonte des glaces polaires causée par la hausse des températures modifie la vitesse de rotation de la Terre et augmente la durée de chaque journée, une tendance qui devrait s’accélérer au cours de ce siècle car le réchauffement de la planète ne ralentit pas. Le changement est minime – quelques millisecondes par jour – mais dans notre monde de haute technologie et hyperconnecté, cela a un impact important sur les systèmes informatiques sur lesquels nous nous appuyons, y compris le GPS.
Le nombre d’heures, de minutes et de secondes que compte chaque journée sur Terre est dicté par la vitesse de rotation de notre planète, qui est influencée par un ensemble complexe de facteurs. Il s’agit notamment des processus dans le noyau fluide de la Terre, de l’impact de la fonte d’immenses glaciers après la dernière période glaciaire, ainsi que de la fonte des glaces polaires due au réchauffement climatique.
Depuis des millénaires, la Lune joue un rôle majeur, augmentant la durée d’une journée de quelques millisecondes par siècle. En effet, la Lune exerce une attraction sur la Terre, ce qui provoque le gonflement des océans et ralentit progressivement la rotation de la Terre.
Les scientifiques ont déjà établi des liens entre la fonte des glaces polaires et des journées plus longues, mais la nouvelle étude montre que le réchauffement climatique a une plus grande influence sur le temps que l’ont montré des études récentes. Tout se passe comme suit : à mesure que nous réchauffons la planète, les glaciers et les calottes glaciaires fondent et l’eau de fonte s’écoule des pôles vers l’équateur. Cela modifie la forme de la planète, l’aplatissant aux pôles et la rendant plus bombée en son milieu, ce qui ralentit sa rotation. Le processus est souvent comparé à un patineur sur glace. Lorsqu’il ramène ses bras vers son corps, il tourne plus vite. Mais s’il les écarte, sa rotation ralentit.
L’équipe qui a réalisé la dernière étude, composée de scientifiques internationaux, a pris en compte une période de 200 ans, entre 1900 et 2100. Les chercheurs ont utilisé des données d’observation et des modèles climatiques pour comprendre comment le réchauffement climatique a affecté la durée des journées dans le passé et comment cela a pu se prolonger par la suite. Ils ont constaté que l’impact du réchauffement climatique sur la durée de la journée a considérablement augmenté.
L’élévation du niveau de la mer a fait varier la durée d’une journée entre 0,3 et 1 milliseconde au 20ème siècle. Au cours des deux dernières décennies, l’augmentation de la durée de la journée est passée à 1,33 millisecondes par siècle, « une hausse nettement plus significative qu’à n’importe quel moment du 20ème siècle ».
Si le réchauffement des océans et l’accélération de la fonte des glaces au Groenland et en Antarctique se poursuivent, cette augmentation de la durée de la journée va s’accélérer. Si le monde ne parvient pas à maîtriser les émissions de gaz à effet de serre, le réchauffement climatique pourrait augmenter la durée d’une journée de 2,62 millisecondes d’ici la fin du siècle, dépassant ainsi l’ impact naturel de la Lune.
Quelques millisecondes supplémentaires par jour sont imperceptibles pour les humains, mais cela a un impact sur la technologie. Des mesures précises du temps sont essentielles pour le GPS, ainsi que pour d’autres systèmes de communication et de navigation. Ils utilisent un temps atomique très précis, basé sur la fréquence de certains atomes.
Source  : CNN via Yahoo Actualités.

La fonte des glaces polaires a un impact significatif sur la vitesse de rotation de la Terre (Photo : C. Grandpey)

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In a post published on May 14th, 2024, I indicated that Earth’s rotation appears to be slowing down. This is due to the increased melting of ice in Greenland and Antarctica which is decreasing the Earth’s angular velocity. This is because water from the poles is being redistributed throughout the oceans, thereby changing our planet’s moment of inertia.

A new research published on July 16th, 2024 in the Proceedings of the National Academy of Sciences confirms this situation, adding that « the impacts of human-caused global warming are so overwhelming they are actually messing with time. » Polar ice melt caused by global warming is changing the speed of Earth’s rotation and increasing the length of each day, in a trend set to accelerate over this century as humans continue to warm our planet. The changes are small — a matter of milliseconds a day — but in our high-tech, hyperconnected world have an important impact on computing systems we have come to rely on, including GPS.

The number of hours, minutes and seconds making up each day on Earth are dictated by the speed of the Earth’s rotation, which is influenced by a complex knot of factors. These include processes in the planet’s fluid core, the ongoing impact of the melting of huge glaciers after the last ice age, as well as melting polar ice due to global warming.

For millennia, the impact of the moon has dominated, increasing the length of a day by a few milliseconds per century. The moon exerts a pull on Earth causing the oceans to bulge towards it, gradually slowing Earth’s rotation.

Scientists have previously made connections between polar ice melt and longer days, but the new research suggests global warming is a bigger influence on time than recent studies have shown. It works like this: As humans warm the world, glaciers and ice sheets are melting, and that meltwater is flowing from the poles toward the equator. This changes the planet’s shape, flattening it at the poles and making it bulge more in the middle, slowing its rotation. The process is often compared to a spinning ice skater. When the skater pulls their arms in towards their body, they spin faster. But if they move their arms outwards, away from their body, their spin slows.

The team of international scientists who made the study looked at a 200-year period, between 1900 and 2100, using observational data and climate models to understand how global warming has affected day length in the past and to project its role in future. They found the impact of global warming on day length has increased significantly.

Sea level rise caused the length of a day to vary between 0.3 and 1 milliseconds in the 20th century. Over the past two decades, however, the scientists calculated an increase in day length of 1.33 milliseconds per century, “significantly higher than at any time in the 20th century.”

If the warming of the oceans and the acceleration of ice loss in Greenland and Antarctica continue, the rate of change is set to soar. If the world is unable to rein in emissions, global warming could increase the length of a day by 2.62 milliseconds by the end of the century, overtaking the natural impacts of the moon.

A few milliseconds of additional time a day may be imperceptible to humans but it has an impact on technology. Precise timekeeping is vital for GPS, as well as other communication and navigation systems. These use highly precise atomic time, based on the frequency of certain atoms.

Source : CNN via Yahoo News.

Les cendres volcaniques préservent les fossiles // Volcanic ash preserves fossils

Les volcans tels que le Vésuve, situés à la frontière des plaques tectoniques, sont connus pour leurs éruptions explosives et de grande ampleur, capables de générer plusieurs dizaines de kilomètres cubes de matériaux. Ces éruptions peuvent piéger quasi instantanément la vie présente et conserver sous leurs cendres les témoignages de civilisations entières, comme à Pompéi ou sur l’île grecque de Santorin.

Photo: C. Grandpey

 Une équipe internationale de chercheurs a publié un article décrivant la découverte de deux nouvelles espèces de trilobites présentant des détails anatomiques inédits. Ces arthropodes fossiles retrouvés pétrifiés dans leur dernière posture sont les représentants d’un écosystème vieux de 515 millions d’années, un «Pompéi» marin, découvert dans des niveaux de cendres volcaniques, à Aït Youb, dans la région du Souss-Massa au Maroc.

 

Vue ventrale d’une reconstitution microtomographique d’un trilobite Gigoutella mauretanica. (Source : A. Mazurier, Abderrazak El Albani)

À Aït Youb, lors d’une éruption volcanique, les organismes vivants ont été ensevelis par des nuées ardentes. Les tissus biologiques ont alors été consumés par la chaleur intense, ne laissant que des cavités dans les cendres solidifiées : les moules des organismes. Ces derniers préservent les moindres détails de la surface extérieure des trilobites, y compris les poils et les épines le long des appendices. Leur tube digestif a également été conservé après s’être rempli de cendres.

Grâce à une technique d’imagerie, la microtomographie de rayons X, les scientifiques ont pu étudier les fossiles en 3D sans les extraire de leur gangue. Cette technique se base sur la propriété des rayons X à traverser la matière et à être absorbés en fonction de la nature et de la densité des constituants qu’ils rencontrent. En remplissant numériquement leur moule, les corps disparus ont été reconstitués avec un niveau de détails saisissant.

 

Vue latérale d’une reconstitution microtomographique d’un trilobite Gigoutella mauretanica. (Source : A. Mazurier, Abderrazak El Albani)

Cette découverte démontre le rôle essentiel des dépôts de cendres volcaniques pour la préservation des fossiles et l’importance cruciale de l’exploration des environnements sous-marins volcaniques.

Elle démontre aussi que la microtomographie de rayons X est un outil puissant permettant d’observer en 3D des objets fossilisés dans des roches très dures, sans risque de les altérer. Ainsi, les dépôts pyroclastiques devraient devenir de nouvelles cibles d’études au vu de leur potentiel exceptionnel à piéger et conserver des restes biologiques sans générer de dégradation.

Source : The Conversation.

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Volcanoes such as Mount Vesuvius, located at the boundaries of tectonic plates, are known for their explosive and large-scale eruptions, capable of generating several tens of cubic kilometers of material. These eruptions can trap life almost instantly and preserve under their ashes the evidence of entire civilizations, as in Pompeii or on the Greek island of Santorini.

An international team of researchers has published a study describing the discovery of two new species of trilobites with previously unseen anatomical details. These fossil arthropods found petrified in their last posture are representatives of a 515 million-year-old ecosystem, a marine “Pompeii”, discovered amidst volcanic ash, in Aït Youb, in the Souss-Massa region in Morocco.
In Aït Youb, during a volcanic eruption, living organisms were buried by fiery clouds. The biological tissues were then consumed by the intense heat, leaving only cavities in the solidified ash: the molds of the organisms. These preserve the smallest details of the trilobites’ outer surface, including the hairs and spines along the appendages. Their digestive tract was also preserved after being filled with ash.
Thanks to an imaging technique, X-ray microtomography, scientists were able to study the fossils in 3D without extracting them from their matrix. This technique is based on the property of X-rays to pass through matter and to be absorbed depending on the nature and density of the constituents they encounter. By digitally filling their mold, the missing bodies were reconstructed with a striking level of detail.
This discovery demonstrates the essential role of volcanic ash deposits for the preservation of fossils and the critical importance of exploring underwater volcanic environments. It also demonstrates that X-ray microtomography is a powerful tool for observing fossilized objects in very hard rocks in 3D, without the risk of altering them. Thus, pyroclastic deposits should become new targets for study given their exceptional potential to trap and preserve biological remains without generating degradation.
Source: The Conversation.

Planète Mars : nouvelle image d’Olympus Mons // Mars : a new image of Olympus Mons

La mission Mars Odyssey de la NASA est un exploit en soi. Le vaisseau spatial a été lancé en 2001, il y a donc 23 ans, et est toujours opérationnel. Le robot a franchi une nouvelle étape le 30 juin 2024, jour où il a effectué sa 100 000ème rotation autour de la Planète rouge. Au cours de ces voyages, il a cartographié les minéraux et la glace sur la surface martienne, identifié des sites d’atterrissage pour les missions futures et a relayé ces données vers la Terre avec l’aide des rovers envoyés par la NASA.
Les scientifiques ont récemment utilisé l’appareil photo à bord du vaisseau spatial pour obtenir une image assez exceptionnelle d’Olympus Mons, le plus haut volcan du système solaire. L’image fait partie du programme de la mission Mars Odyssey pour fournir des vues à haute altitude de l’horizon de la planète. La première de ces vues a été publiée fin 2023. Semblable à la perspective de la Terre telle que peuvent la voir des astronautes à bord de la Station spatiale internationale (ISS), cette image permettra aux scientifiques d’en apprendre davantage sur les nuages ​​et la poussière en suspension dans l’atmosphère martienne.

Prise le 11 mars 2024, la photo la plus récente de l’horizon martien montre Olympus Mons, volcan bouclier dont la base présente un diamètre de 600 kilomètres, avec une hauteur de 27 kilomètres.
Normalement, les images du volcan vu du dessus pendant les survols présentent des bandes étroites, mais en orientant le vaisseau spatial vers l’horizon, les scientifiques ont réussi à montrer toute l’ampleur du volcan au-dessus du paysage martien. De plus, l’image fournit des données scientifiques exceptionnelles. En plus de donner un aperçu des nuages ​​et la poussière, une telle image, qui couvre plusieurs saisons, fournit des détails supplémentaires sur l’atmosphère martienne. Une bande d’un blanc bleuté dans la partie inférieure de l’atmosphère indique la quantité de poussière présente à cet endroit au début de l’automne, période où on observe généralement les tempêtes de poussière sur Mars. La couche violacée au-dessus de cette bande est probablement due à un mélange de poussière rouge et de nuages ​​​​de glace bleuâtres. Enfin, vers le haut de l’image, une couche bleu-vert est visible là où les nuages ​​​​de glace s’élèvent à une cinquantaine de kilomètres d’altitude.
Le robot de la mission Mars Odyssey a obtenu cette image avec un appareil photo sensible à la chaleur, le Thermal Emission Imaging System, ou THEMIS, mis au point par par l’Arizona State University à Tempe. En utilisant les propulseurs situés autour du vaisseau spatial, ce dernier est capable d’orienter THEMIS vers différentes parties de la surface martienne ou même opérer une lente rotation pour observer les minuscules lunes de Mars, Phobos et Deimos. C’est de cette façon que la NASA a pu obtenir cette belle image d’Olympus Mons.
Source : NASA.

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NASA’s Mars Odyssey mission is a feat in itself. The spacecraft was launched in 2001,23 years ago, and is still operational. The robot marked a new milestone on June 30th, 2024, the day when performed its 100,000th trip around the Red Planet. During that time, the Mars Odyssey orbiter has been mapping minerals and ice across the Martian surface, identifying landing sites for future missions, and relaying data to Earth from NASA’s rovers.

Scientists recently used the orbiter’s camera to take a stunning new image of Olympus Mons, the tallest volcano in the solar system. The image is part of a continuing effort by the Odyssey team to provide high-altitude views of the planet’s horizon. The first of these views was published in late 2023. Similar to the perspective of Earth astronauts get aboard the International Space Station, the view enables scientists to learn more about clouds and airborne dust at Mars.

Taken on March 11th, 2024, the most recent horizon image captures Olympus Mons in all its glory. With a base that sprawls across 600 kilometers, the shield volcano rises to a height of 27 kilometers.

Normally the pictures of Olympus Mons sent by the orbiter Olympus include narrow strips from above, but by turning the spacecraft toward the horizon, the robot was able to show in a single image how large the volcano looms over the landscape. Moreover, the image provides scientists with exceptionzl scientific data. In addition to offering a freeze frame of clouds and dust, such images, when taken across many seasons, can give a more detailed understanding of the Martian atmosphere. A bluish-white band at the bottom of the atmosphere hints at how much dust was present at this location during early autumn, a period when dust storms are typically observed on Mars. The purplish layer above that band was likely due to a mixture of the planet’s red dust with some bluish water-ice clouds. Finally, toward the top of the image, a blue-green layer can be seen where water-ice clouds reach up about 50 kilometers into the sky.

The Odyssey orbiter captured the scene with a heat-sensitive camera called the Thermal Emission Imaging System, or THEMIS, developed by Arizona State University in Tempe. By firing thrusters located around the spacecraft, Odyssey can point THEMIS at different parts of the surface or even slowly roll over to view Mars’ tiny moons, Phobos and Deimos. In this way, it was able to get good views of Olympus Mons.

Source : NASA.