Catégorie : Science

Surveillance du Kilauea (Hawaii) avec le bruit de l’océan // Monitoring of Kilauea (Hawaii) with ocean noise

La houle océanique se produit constamment dans les océans sur Terre. Cette houle interagit avec la croûte océanique qui se trouve en dessous et cela crée un bruit océanique continu qui se déplace autour de notre planète, y compris à travers les volcans actifs de la Grande Ile d’Hawaii.
Étant donné que les signaux de bruit océanique sont générés en permanence, les scientifiques peuvent utiliser ces sources sismiques pour identifier les petits changements qui se produisent dans la croûte terrestre au fil du temps.
Dans les climats qui connaissent les quatre saisons, les scientifiques ont observé que le bruit de l’océan traverse ces régions plus rapidement lorsque la neige est présente et plus lentement lorsque la neige a fondu. Cette accélération hivernale est due au manteau neigeux sus-jacent qui comprime le sous-sol et ferme toutes les fractures qui se trouvent en dessous. Lorsque la neige fond, le sous-sol n’est plus comprimé, les fractures s’ouvrent à nouveau et l’eau de fonte de la neige s’infiltre dans ces systèmes de fractures. En conséquence, le bruit de l’océan traverse ces régions plus lentement au printemps et en été. De même, dans les climats qui connaissent des précipitations très abondantes, comme Hawaii, ces précipitations se diffusent dans le sol, ouvrent des fractures et des fissures et provoquent un ralentissement de la vitesse de propagation du bruit océanique.
En se déplaçant sous des volcans actifs, le magma peut provoquer semblable ouverture et fermeture des systèmes de fractures, ce qui entraîne des changements dans la vitesse à laquelle les signaux de bruit océanique traversent un volcan. Les scientifiques du HVO développent de nouvelles techniques utilisant ces changements de vitesse pour comprendre ce qui se passe sous la surface des volcans sur la Grande Ile d’Hawaii.
De septembre à mi-octobre 2020, la vitesse de propagation du bruit océanique dans la région sommitale du Kilauea est restée relativement constante. Cependant, à la mi-octobre 2020, cette vitesse a commencé à diminuer rapidement. Lorsque le magma migre sous la surface, il ouvre des fissures et des fractures dans la région immédiatement au-dessus. L’ouverture de ces systèmes de fractures et l’afflux du magma proprement dit provoquent un ralentissement de la vitesse de propagation des signaux de bruit océanique à travers cette région.
Les scientifiques du HVO ont conclu que le magma avait commencé son ascension sous le sommet du Kilauea à la mi-octobre 2020. Au début du mois de décembre de cette même année, la vitesse de propagation du bruit océanique a commencé à diminuer à un rythme plus rapide, en relation avec un afflux plus rapide de magma vers le sommet du Kīlauea. À ce stade, les schémas de sismicité et de déformation du sol sous le sommet ont indiqué qu’une petite intrusion magmatique s’était produite.
À la mi-décembre 2020, la vitesse du bruit océanique à travers le sommet du Kilauea a continué de diminuer, indiquant la poursuite de l’intrusion magmatique à l’intérieur du volcan.
Finalement, vers 21h30 le 20 décembre, l’éruption sommitale du Kilauea a commencé. Après le début de cette éruption, on a observé une augmentation spectaculaire de la vitesse de propagation des signaux de bruit océanique à travers la région sommitale. Au fur et à mesure que le magma quittait le réservoir peu profond, avec émission de lave en surface, la région située au-dessus se dégonflait. Cette déflation a provoqué la fermeture de fractures dans la partie sommitale peu profonde et une augmentation de la vitesse de propagation du bruit océanique à travers le sommet.
Cet exemple montre que l’observation des changements de vitesse du bruit océanique pourrait être utilisée pour prévoir l’activité volcanique. Les scientifiques du HVO essayent de mieux comprendre ce processus et de l’utiliser dans le cadre de la surveillance en temps réel du Kilauea et du Mauna Loa.
Source : USGS/HVO.

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Ocean swells are constantly occurring across the Earth’s oceans. These swells interact with the ocean crust below, creating continuous ocean noise that travels around the Earth, including through active volcanoes in Hawaii. Because ocean noise signals are always being generated, scientists can use these seismic sources to identify small changes occurring in the Earth’s crust through time.

In climates that experience all four seasons, scientists have shown that ocean noise travels through these regions faster when snowpack is present and slower when the snow has melted. This winter speedup is because of the overlying snowpack compressing the subsurface and closing any fractures below it. When the snow thaws, the subsurface is no longer compressed, the fractures open again and the snow melt percolates into these fracture systems. This causes ocean noise to travel through these regions more slowly in the spring and summer months. Similarly, in climates that experience excessive rainfall, such as Hawaii, such precipitation diffuses into the ground, opening fractures and cracks and causing slowdowns in ocean noise propagation speeds.

Magma moving under active volcanoes can cause similar opening and closing of fracture systems resulting in changes in the velocity at which ocean noise signals travel through a volcano. HVO scientists are developing new techniques that use such velocity changes to understand what is happening beneath the surface of volcanoes on Hawaii Island.

From September to mid-October 2020, the velocity of ocean noise in the Kilauea summit region remained fairly constant. However, by mid-October 2020, velocities in the summit region began to decrease rapidly. When magma migrates beneath the surface, it opens cracks and fractures in the region immediately above it. The opening of these fracture systems and the influx of the magma itself cause a slowdown in the propagation speed of ocean noise signals through that region.

HVO scientists have concluded that magma began to move from deeper depths beneath the Kilauea summit by mid-October 2020. By early December that year, velocities began to decrease at a more dramatic rate, suggesting a more rapid inflow of magma into the Kīiauea summit. At that point, earthquake and ground deformation patterns beneath the summit indicated a small intrusion of magma had occurred.

By mid-December 2020, the velocity of ocean noise traveling through Kilauea’s summit decreased even more, indicating the continued invasion of magma into the volcano

Finally, at about 9:30 p.m. on December 20th, the eruption at Kilauea’s summit began. Following the onset of this eruption, a dramatic increase in the propagation speed of ocean noise signals through the summit region was observed. As magma was removed from the shallow storage reservoir by the outpouring of lava, the region above it deflated. This deflation caused the closure of fractures within the shallow summit, and a resulting increase in the velocity of ocean noise through the summit.

This example demonstrates how monitoring for changes in ocean noise velocity could potentially be used to aid in forecasting volcanic activity. HVO scientists are working to better understand this process and apply it as a real-time monitoring tool at Kilauea and Mauna Loa volcanoes.

Source : USGS / HVO.

Ce schéma montre les changements dans la vitesse de propagation des signaux de bruit océanique (cercles remplis de rouge) à travers le Kilauea de septembre 2020 à février 2021, plusieurs mois avant et dans le mois après le début de l’éruption sommitale en décembre 2020. Des valeurs positives indiquent une accélération dans la vitesse de propagation du bruit océanique tandis que des valeurs négatives indiquent un ralentissement de cette vitesse. La barre noire autour de chaque cercle rouge indique l’incertitude dans le changement de vitesse relative. (Source : HVO)

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The figure shows changes in the propagation speed of ocean noise signals (red filled circles) through Kīlauea volcano from September 2020 to February 2021, several months before and in the month after the start of the summit eruption in December 2020. Positive values indicate a speedup in the propagation speed of ocean noise while negative values indicate a velocity slowdown. The black bar around each red circle indicates the uncertainty in the relative velocity change measurement. (Graph courtesy of the Hawaiian Volcano Observatory)

La plus vieille glace du monde // The oldest ice in the world

Quand on parle de vieille glace, on pense généralement à l’Arctique ou à l’Antarctique. Cependant, une étude récente montre que la glace la plus ancienne sur Terre se trouve probablement en Afrique du Sud. Des preuves du plus ancien glacier du monde se cachent près des champs aurifères de ce pays. Les chercheurs des universités de l’Oregon et de Johannesburg parlent de sédiments glaciaires remontant à 2,9 milliards d’années, dans un article publié le 13 juin 2023 dans la revue Geochemical Perspectives Letters.
Pour leur étude, les scientifiques ont foré des gisements de schiste et analysé des échantillons de carottes provenant de sites dans le nord-est de l’Afrique du Sud. Ils font partie du supergroupe de Pongola, une épaisse succession de roches volcaniques et sédimentaires qui se sont formées à l’ère mésoarchéenne, il y a 3,2 milliards à 2,8 milliards d’années.
Dans le passé, d’autres chercheurs avaient découvert des échantillons laissant supposer une glaciation ancienne dans cette région. Cependant, les preuves avaient été vivement débattues.
Pour effectuer leur étude, les scientifiques américains et sud-africains ont recueilli des échantillons de roches sédimentaires sur le terrain du craton de Kaapvaal, un ancien ensemble rocheux situé dans la région sud-est de l’Afrique du Sud qui contient des dépôts du supergroupe de Pongola. Ils ont également analysé des échantillons de carottes de la même région, aimablement fournis par la société minière AngloGold-Ashanti. Dans ces échantillons, les chercheurs ont découvert les plus anciennes moraines glaciaires connues au monde. Selon l’étude, ce sont « essentiellement les débris laissés par un glacier lorsqu’il fond et se contracte progressivement.  »
Pour déterminer les conditions climatiques présentes au moment de la formation des sédiments, les scientifiques ont utilisé une technique appelée ‘triple analyse isotopique de l’oxygène’, grâce à laquelle ils ont mesuré trois isotopes de l’oxygène présents dans les sédiments. Ils ont constaté que le niveau de certains isotopes dans les échantillons correspondait à ceux présents dans une période glaciaire.
La présence de ce matériau glaciaire pourrait offrir des indices sur le climat et la géographie de la Terre au cours de la période en question. Selon une théorie, cette région de l’Afrique du Sud pourrait avoir été proche de l’un des pôles il y a 2,9 milliards d’années. Une autre possibilité est que la Terre entière se trouvait dans une période de « boule de neige », lorsque de faibles concentrations atmosphériques de gaz à effet de serre – dioxyde de carbone et méthane – ont entraîné un « effet de serre inversé », provoquant le gel d’une grande partie de la planète. Si c’est le cas, ce serait la première période de refroidissement enregistrée sur Terre.
Source : Live Science via Yahoo News.

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When we talk about old ice, we usualy think about Arctic or Antarctica. However, a recent study thends to shw that Earth’s oldest ice lies in South Africa. Evidence of the world’s oldest glacier is hiding near South Africa’s gold fields. The researchers from the Universities of Oregon and Johannesburg explain that glacial sediments date back 2.9 billion years, in a paper published on June 13th, 2023 in the journal Geochemical Perspectives Letters.

For their study, the scientists unearthed shale deposits and analyzed core samples from field sites in northeastern South Africa that are part of the Pongola Supergroup, a thick succession of volcanic and sedimentary rocks that formed in the Mesoarchaean era, 3.2 billion to 2.8 billion years ago.

In the past, other researchers had uncovered some physical samples that suggested ancient glaciation in this region. However, evidence of glaciation during this era billions of years ago was hotly debated.

To investigate, the American and South African scientists gathered sedimentary rock samples in the field from the Kaapvaal Craton, an ancient rock body located in the southeastern region of South Africa that contains deposits from the Pongola Supergroup. They also analyzed core samples from the same region that were contributed by the AngloGold-Ashanti mining company. Within these samples, the researchers discovered the world’s oldest known glacial moraines, which are « basically the debris left by a glacier as it gradually melts and contracts, » according to the study.

To determine the climatic conditions present at the time the sediments formed, the scientists used a technique called triple oxygen isotope analysis, in which they measured three isotopes of oxygen present in the sediment. They found that the level of certain isotopes in their samples matched those common in an icy climate.

The presence of this glacial material could offer clues into Earth’s climate and geography during the time period. One theory is that this area of South Africa may have been close to one of the poles 2.9 billion years ago. Another possibility is that the whole Earth was in a ‘snowball Earth’ period, when low atmospheric concentrations of greenhouse gases carbon dioxide and methane led to a ‘reverse greenhouse effect,’ causing much of the planet to freeze. If so, this would be the earliest such global cooling period recorded.

Source : Live Science through Yahoo News.

Photo: C. Grandpey

Le granit, preuve d’un ancien volcanisme sur la Lune // Granite, evidence of ancient volcanism on the Moon

Une équipe scientifique du Planetary Science Institute a découvert une grande formation de granit sous un ancien complexe volcanique lunaire. Les conclusions de l’équipe ont été publiées dans la revue Nature le 5 juillet 2023. Cette découverte est une nouvelle preuve que la face cachée de la Lune a autrefois été le théâtre d’éruptions volcaniques.
Le granit a été découvert sous le complexe Compton-Belkovichce que les chercheurs pensaient être une formation volcanique. Ce granit s’est probablement formé à la suite du refroidissement du magma qui a alimenté des éruptions il y a environ 3,5 milliards d’années.
Les chercheurs pensaient depuis longtemps que cette zone de la Lune était effectivement une ancienne structure volcanique. Toutefois, ils ne s’attendaient pas à trouver une aussi vaste zone de magma refroidi, d’une largeur estimée à une cinquantaine de kilomètres. Cette découverte pourrait permettre aux scientifiques d’expliquer la formation de la croûte à la surface de la Lune au début de l’histoire de la planète.
Pour faire cette découverte, les scientifiques ont utilisé les données recueillies par le Lunar Reconnaissance Orbiter de la NASA. Les données fournies par l’Orbiter leur ont permis de mesurer la température sous la surface du complexe Compton-Belkovich. Elles ont révélé une chaleur qui ne pouvait provenir que d’éléments radioactifs qui n’existent sur la Lune que sous forme de granite, une roche ignée que l’on trouve dans le système d’alimentation des volcans et qui se forme lorsque le magma se refroidit sans entrer en éruption.
La formation du granite sur Terre est généralement le résultat de l’eau et de la tectonique des plaques qui créent de vastes zones de roche fondue sous la surface de notre planète. Les granites sont fréquents sur Terre, mais beaucoup plus rares sur la Lune en raison de l’absence d’eau et de tectonique des plaques. Cette découverte pourrait donc donner des indications sur les conditions qui régnaient sur la Lune lorsqu’elle était le siège d’une activité volcanique.
Source : space.com.

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A large formation of granite was discovered beneath an ancient lunar volcano by a team of scientists from the Planetary Science Institute. The team’s findings were published in the journal Nature on July 5th, 2023. The discovery is further evidence that the far side of the Moon once glowed with volcanic eruptions.

The granite was found under a suspected volcanic feature called the Compton-Belkovich complex. It was probably formed as the result of cooling magma that fed eruptions of lunar volcanoes around 3.5 billion years ago.

Researchers have long suspected this area of the Moon to be an ancient complex of volcanoes. However, they di not expect to find such a large patch of cooled magma, with an estimated width of around 50 kilometers. The discovery could help scientists explain how the lunar crust formed in the Moon’s early history.

To make their discovery, the scientists used data collected by NASA’s Lunar Reconnaissance Orbiter. The data produced by the orbiter allowed the team to measure temperatures below the surface of the Compton-Belkovich complex. The data showed heat that could only come from radioactive elements that only exist on the Moon as granite , an igneous rock found in the « plumbing » of volcanoes and created when magma cools without erupting.

The formation of granite on Earth is usually the result of water and plate tectonics creating large areas of melted rock beneath our planet’s surface. Though common on Earth, granites are much scarcer on the Moon as a result of the absence of both water and plate tectonics. That means this discovery could point toward the conditions found on the Moon when it was host to volcanic activity.

Source : space.com.

Les données micro-ondes montrent de la chaleur sous le complexe Compton-Belkovich (Source : NASA).

L’éruption du Hunga Tonga-Hunga Ha’apai : un record d’éclairs // A record of lightning strikes

L’éruption du volcan sous-marin Hunga Tonga-Hunga Ha’apai en 2022 appartient au monde des superlatifs et des records. Elle a généré la plus puissante explosion atmosphérique jamais enregistrée. Elle a également produit un nombre record d’éclairs au cours d’un orage électrique qui a duré 11 heures et s’est étendu sur 240 kilomètres.
Dans une note publiée le 26 janvier 2023, j’écrivais que pour étudier les éclairs qui ont accompagné l’éruption, les scientifiques ont utilisé les données de GLD360, un réseau de détection de la foudre au sol. Ces données ont révélé que, sur les quelque 590 000 éclairs détectés pendant l’éruption, environ 400 000 se sont produits dans les six heures qui ont suivi la puissante explosion du 15 janvier.
Avant l’éruption du Hunga Tonga-Hunga Ha’apai, le plus grand événement de foudre volcanique s’est produit en Indonésie en 2018, lorsque l’Anak Krakatau est entré en éruption et a généré environ 340 000 éclairs en une semaine. Environ 56 % des éclairs produits par l’éruption des Tonga ont frappé la terre ou la surface de l’océan, et plus de 1 300 impacts ont été enregistrés sur Tongatapu, l’île principale des Tonga.
Une nouvelle étude publiée le 19 juin 2023 dans la revue Geophysical Research Letters nous donne plus de détails sur cet aspect de l’éruption. Nous apprenons que l’orage électrique a eu lieu à une altitude sans précédent de 20 à 30 kilomètres.
L’imagerie satellite montre que les éclairs n’étaient pas répartis au hasard dans le panache éruptif, mais qu’ils se produisaient en plusieurs anneaux concentriques qui semblaient liés à chaque phase explosive du volcan. En s’élevant, le panache a pris la forme d’un pin parasol. Ce phénomène a imprimé au nuage un mouvement vertical si important que l’onde a couvert 10 kilomètres en verticalité. Cette onde de pression oscillante, également connue sous le nom d’onde de gravité, est à l’origine de la foudre.
Les éclairs ont pu se former de deux manières différentes au sein de cette onde de gravité en forme d’anneau. L’éruption du Hunga Tonga s’étant déroulée sous l’eau, elle a injecté beaucoup d’eau dans l’atmosphère terrestre et les cristaux de glace qui en ont résulté ont adopté des charges positives et négatives. En outre, une partie des cendres volcaniques, formées de roches fragmentées et de magma projetées dans l’air par l’éruption, ont également été ionisées, ce qui a donné naissance à de nouvelles zones de charge positive et négative.
Si des anneaux de foudre ont déjà été observés dans des panaches volcaniques, l’éruption du Hunga Tonga a été la première à montrer des anneaux multiples (on en a compté quatre) et la foudre a glissé sur les ondulations des anneaux, comme un surfeur sur les vagues de l’océan.

Les anneaux de foudre sont également appelés « trous de foudre », car à l’intérieur de l’anneau, il n’y a généralement pas d’éclairs. L’éruption du Hunga Tonga est toutefois différente : les trous ont commencé à se remplir d’éclairs dans les minutes qui ont suivi le passage de l’onde de gravité. Le mécanisme à l’origine de ce remplissage n’a pas encore été élucidé par les chercheurs.
Outre le fait de battre des records, l’éruption du Hunga Tonga est susceptible de nous renseigner sur le volcanisme sur la Terre primitive, voire sur d’autres corps célestes. L’éruption est de type phréatoplinien, autrement dit elle se produit lorsqu’une énorme quantité de roche en fusion jaillit à travers une épaisse couche d’eau.
L’éruption pourrait aider à comprendre comment la foudre se déclenche sur d’autres planètes, telles que Vénus, ou d’autres corps planétaires qui ne sont pas le cadre de la foudre traditionnelle.
Source : Space.com.

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The 2022 Hunga Tonga-Hunga Ha’apai volcanic eruption belongs to the world of superlatives. It produced the most powerful atmospheric explosion ever recorded. It also generated a record number of lightning strikes in a thunderstorm that lasted 11 hours and spread across 240 kilometers.

In a post released on January 26th, 2023, I wrote that to study the lightning that accompanied the eruption, the scientists used data from GLD360, a ground-based lightning detection network. This data revealed that, of the approximately 590,000 lightning strikes detected during the eruption, around 400,000 occurred within six hours that followed the powerful January 15th explosion.
Prior to the Hunga Tonga-Hunga Ha’apai eruption, the largest volcanic lightning event occurred in Indonesia in 2018, when Anak Krakatau erupted and generated around 340,000 lightning strikes in a week. About 56% of the lightning produced by the Tonga eruption struck the land or ocean surface, and more than 1,300 strikes were recorded on Tongatapu, the main island of Tonga.

A new research published on June 19th, 2023 in the journal Geophysical Research Letters gives us more details about tat aspect of the eruption. We learn that the lightning storm took place at an unprecedented altitude of between 20 and 30 kilometers.

The satellite imagery shows that the lightning was not randomly spread across the plume but rather occurred in several concentric rings that seemed to be linked to each explosive outburst from the volcano. As the plume rose upward, it formed an « umbrella cloud. » This imparted a vertical motion into the cloud so huge that the wave, moving outward from the center of the plume, was 10 vertical kilometers from crest to trough. This oscillating pressure wave, also known as a gravity wave, was the source of the lightning.

There are two ways the lightning may have formed within this ring-shaped gravity wave. Since the Hunga Tonga eruption took place underwater, it injected lots of water into Earth’s atmosphere, the resulting ice crystals adopting positive and negative charges. In addition, some of the volcanic ash that was formed of fragmented rock and magma blown into the air by the eruption also become ionized, leading to more areas of positive and negative charge. It is the gradient in electrical charge that sets off sudden sparks of lightning.

While lightning rings have been seen in volcanic plumes before, the Hunga Tonga eruption was the first time multiple rings (four of them) had been seen and the lightning rode the rippling rings like a surfer on ocean waves.

Lightning rings are also termed « lightning holes, » because inside the ring there usually is no lightning. However, the Hunga Tonga eruption was different: because the holes started filling with lightning within minutes of the gravity wave rippling by. The mechanism that prompted this infilling remains unclear.

Besides breaking records in the present day, the Hunga Tonga eruption could also teach us about volcanism on the early Earth, and even potentially on other celestial bodies. The eruption is a type referred to as phreatoplinian. It occurs when a huge amount of molten rock erupts through a thick layer of water.

The eruption could also have implications for the way that lightning gets going on other planets, such as Venus, or other planetary bodies that do not support traditional lightning.

Source : Space.com.

Source: NASA