Catégorie : Science

La technologie InSAR au service des volcans // InSAR technology to monitor volcanoes

En mars et décembre 2015, j’ai rédigéé plusieurs notes à propos de l’utilisation de la technologie InSAR en volcanologie, en particulier pour contrôler les déformations des Champs Phlégréens (Italie) et du Kilauea (Hawaii). Aujourd’hui, un article publié par l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (le HVO) aborde à nouveau ce sujet.

Les satellites sont devenus essentiels pour surveiller les volcans actifs. En particulier, ils permettent de garder un oeil sur des volcans difficiles d’accès, et ils offrent des perspectives impossibles à obtenir depuis le sol. Les satellites en orbite autour de la Terre peuvent fournir des images classiques d’un lieu, mais également des images thermiques. Ils peuvent aussi mesurer des quantités et des types de gaz, des changements de gravité et de topographie.
Une avancée majeure a été l’arrivée de l’InSAR (Radar interférométrique à synthèse d’ouverture) pour mesurer de petites variations de surface du sol sur un édifice volcanique. Les satellites radar à synthèse d’ouverture (RSO) envoient à intervalles réguliers des ondes radar qui rebondissent sur la Terre et reviennent vers le satellite. Il faut deux ensembles d’ondes concernant la même zone pour mesurer les changements dans le temps. S’il n’y a pas eu de changement de forme du volcan pendant le laps de temps entre les images, les signaux parcourent la distance dans le même laps de temps. Cependant, si le volcan a changé au cours de processus d’inflation ou de déflation, il sera plus proche ou plus éloigné dans la deuxième image. Il faudra donc plus de temps à l’onde radar pour parcourir la distance entre le satellite et le sol, puis revenir au satellite.
En attribuant à deux ondes décalées une couleur basée sur la taille du décalage, on obtient un ensemble unique de couleurs en bandes qui représentent le nombre de longueurs d’onde séparant les deux images. C’est ainsi que se conçoivent les interférogrammes. Les anneaux concentriques de couleur montrent le niveau d’inflation ou de déflation de la surface d’un volcan.
Si l’InSAR est utile pour surveiller les mouvements à la surface d’un volcan, les scientifiques sont parfois confrontés à des difficultés. Les images InSAR recueillies à partir d’un satellite sont souvent perturbées par des signaux liés aux changements de l’atmosphère terrestre entre les passages du satellite. Ce « bruit atmosphérique » est particulièrement apparent avec les changements de topographie. Sur les volcans actifs très hauts, comme le Mauna Loa, les flancs pentus peuvent amplifier les signaux atmosphériques, laissant supposer à tort qu’un changement significatif s’est produit.

À première vue, l’image de gauche (A) pourrait sembler montrer une inflation simultanée du Mauna Kea et du Mauna Loa. Cependant, on sait, grâce aux instruments GPS du HVO, que le Mauna Kea ne montre pas de déformation significative. Les scientifiques peuvent donc conclure que les signaux InSAR sur le Mauna Loa ne sont probablement pas fiables dans ce cas précis. L’image B est un autre exemple d’interférogramme InSAR avec un bruit atmosphérique important. Une légère déformation du Mauna Loa et la zone de rift sud-est du Kilauea est visible sur ces images, mais reste difficile à discerner du bruit atmosphérique.

Une autre méthode consiste à comparer plusieurs images InSAR. Les satellites RSO capturent des images dans les directions ascendante (vers le nord) et descendante (vers le sud) lorsqu’ils orbitent autour de la Terre. En créant une deuxième image InSAR, avec le même laps de temps, mais à partir de différentes « directions de visée » RSO, il est possible de comparer deux interférogrammes du même événement. Si la déformation est réelle sur la zone étudiée, les deux images InSAR provenant de directions opposées montrent des niveaux de mouvement similaires.
Les scientifiques du HVO utilisent constamment les satellites et d’autres outils pour analyser le mouvement du magma dans les volcans d’Hawaii afin d’essayer d’identifier les signes d’éruptions imminentes.
Source : USGS/HVO.

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In March and December 2015, I wrote several posts about the use of InSAR technology in volcanology, in particular to monitor deformations of the Phlegraean Fields (Italy) and Kilauea (Hawaii). Today, an article published by the Hawaii Volcano Observatory (HVO) addresses this subject again.

Satellites have become one of the fundamental tools used to monitor active volcanoes. In particular, they allow to monitor volcanoes that are otherwise hard to access and provide perspectives that are not possible to get from the ground. Satellites orbiting the Earth can provide normal “pictures” of a place, but can also provide thermal images, measure amounts and types of gases, changes in gravity and topography.

One of the most revolutionary advances has been the use of InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) to measure small changes in shape over an entire volcano. Synthetic Aperture Radar (SAR) satellites send timed radar waves that bounce off the Earth back to the satellite. It takes two sets of waves of the same area to measure change over time. If there has been no change to the volcano for the time between images, the signals travel the distance in the same amount of time. However, if the volcano has changed by either inflating or deflating, the volcano will be closer or further away in the second image. It will take more time for the radar wave to travel the distance from satellite to the ground, then back to the satellite.

If the difference between two offset waves are assigned a color based on the size of the offset, they produce a unique set of banded colors that represent the number of wavelengths separating the two images. This process produces interferograms. Concentric rings of color relate to the amount of surface inflation or deflation of a volcano.

While InSAR is useful for monitoring volcanic motions, it is not without problems. The nature of how InSAR images are gathered from a radar satellite often unintentionally captures signals associated with the changes in the Earth’s atmosphere between satellite passes in addition to ground surface change. This additional “atmospheric noise” is especially apparent with changes in topography. At active volcanoes that are very tall, like Mauna Loa, the sloping flanks can magnify atmospheric signals, falsely suggesting that significant change has occurred.

At first glance, the left image (A) above could seem to show both Mauna Kea and Mauna Loa inflating at the same rate simultaneously. However, we know from the HVO GPS instruments that Mauna Kea shows no evidence for significant deformation, so scientists can conclude that the InSAR signals on Mauna Loa are mostly likely unreliable in this specific instance. Image B is another example of an InSAR interferogram with heavy atmospheric noise. Some slight deformation on Mauna Loa and the Southeast Rift Zone of Kilauea is visible in these images, yet still hard to discern from the atmospheric noise.

Another method is to compare multiple InSAR images. SAR satellites capture images in both ascending (traveling northward) and descending (traveling southward) directions as they orbit the planet. By creating a second InSAR image, with the same time span, but from different SAR “look directions,” it is possible to compare two interferograms of the same event. If the deformation is real over the survey area, then both InSAR images from opposing directions would show similar rates of motion.

HVO scientists are constantly using these and other tools to track the movement of magma within Hawaii’s volcanoes in order to identify the warning signs of impending eruptions.

Source: USGS / HVO.

Hunga Tonga-Hunga Ha’apai : le panache de tous les records // The highest plume ever

On apprend aujourd’hui que la puissante éruption sous-marine du volcan sous-marin Hunga Tonga-Hunga Ha’apai (Iles Tonga) le 15 janvier 2022 a généré un panache qui est monté plus haut dans l’atmosphère terrestre que tout autre panache observé lors de précédentes éruptions. Il a atteint environ 57 km d’altitude.
Le panache blanc-grisâtre (voir image ci-dessous) produit par l’éruption est devenu le premier à ce jour à avoir pénétré dans la mésosphère. C’est ce qu’expliquent les scientifiques qui ont utilisé une nouvelle technique réunissant plusieurs images satellites pour mesurer sa hauteur. Le panache était composé principalement d’eau avec de la cendre et du dioxyde de soufre.
Le panache a pénétré à l’intérieur des deux couches inférieures de l’atmosphère, la troposphère et la stratosphère, et sur environ 7 km à l’intérieur de la mésosphère qui est l’une des couches supérieures de notre atmosphère. L’air y est très sec et extrêmement ténu. C’est l’une des parties les moins connues de l’atmosphère car elle est très difficile à atteindre. En dessous, on peut utiliser des avions. Plus haut, il y a des engins spatiaux. De nombreux météores viennent finir leur course en se consumant dans la mésosphère qui abrite également des nuages noctulescents que l’on aperçoit parfois dans le ciel d’été vers les pôles.
Le panache du Hunga Tonga était toutefois loin d’atteindre la couche atmosphérique suivante, la thermosphère, qui commence à environ 85 km au-dessus de la surface de la Terre. La ligne Karman, à une centaine de kilomètres au-dessus de la surface de la Terre, est généralement considérée comme la frontière avec l’espace.
Jusqu’à présent, les panaches volcaniques les plus élevés ont été émis par l’éruption de 1991 du Pinatubo aux Philippines avec 40 km, et l’éruption de 1982 d’El Chichón au Mexique avec 31 km. Les éruptions volcaniques du passé ont probablement produit des panaches plus importants, mais elles se sont produites avant que les scientifiques puissent effectuer de telles mesures. Le panache de l’éruption du Krakatau en 1883 en Indonésie a probablement, lui aussi, atteint la mésosphère.
Les scientifiques n’ont pas pu utiliser leur technique habituelle basée sur la température pour mesurer le panache volcanique car l’éruption de janvier a dépassé la hauteur maximale pour laquelle cette méthode peut être utilisée. Ils se sont tournés vers trois satellites météorologiques géostationnaires qui fournissent des images toutes les 10 minutes et ils se sont appuyés sur l’effet de parallaxe.
Source : Yahoo Actualités.

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We learn today that the powerful January 15th, 2022 underwater eruption of Tonga’s Hunga Tonga-Hunga Ha’apai volcano in the South Pacific produced a plume that soared higher into Earth’s atmosphere than any other on record. It reached about 57 km.

The white-grayish plume unleashed by the eruption became the first one documented to have penetrated the mesosphere, according to scientists who employed a novel technique using multiple satellite images to measure its height. The plume was composed primarily of water with some ash and sulfur dioxide mixed in.

The plume extended through the bottom two layers of the atmosphere, the troposphere and stratosphere, and about 7 km into the mesosphere which is one of the upper layers of our atmosphere. The air is very dry and extremely thin, It is one of the least-understood parts of the atmosphere as it is very hard to reach. Lower down, we can use planes. Higher up, we have spacecraft. Many meteors burn up in the mesosphere, and it is also home to noctilucent clouds, which are sometimes visible in the summer sky towards the poles.

The plume was far from reaching the next atmospheric layer, the thermosphere, which starts at about 85 km above Earth’s surface. A delineation called the Karman line, about 100 km above Earth’s surface, is generally considered the boundary with space.

Until now, the highest recorded volcanic plumes were from the 1991 eruption of Mount Pinatubo in the Philippines, at 40 km, and the 1982 eruption of El Chichón in Mexico, at 31 km. Volcanic eruptions in the past likely produced higher plumes but occurred before scientists were able to make such measurements. The 1883 Krakatau eruption in Indonesia probably also reached the mesosphere.

Scientists were unable to use their standard temperature-based technique of measuring a volcanic plume because January’s eruption passed the maximum height for which this method could be used. They instead turned to three geostationary weather satellites that obtained images every 10 minutes and relied upon the parallax effect.

Source: Yahoo News.

Image satellite de l’énorme panache généré par l’éruption du 15 janvier 2022 (Source: NASA)

Simulation de séisme sur le Détroit de Messine

Qui n’a pas pris le ferry pour traverser le Détroit de Messine et rêvé de pouvoir un jour emprunter un pont qui enjamberait ce bras de mer?

En ce 4 novembre 2022 a lieu en Sicile un exercice national de Protection civile intitulé « Séisme dans le détroit » dans le cadre du projet de construction d’un pont enjambant le Détroit de Messine. L’exercice concerne 37 localités autour de Reggio Calabria et 19 de celle de Messine. Comme base de l’exercice, il y a la simulation d’une secousse sismique d’une intensité supérieure à celle enregistrée dans la zone du détroit en 1975, à 5 kilomètres de la côte de Reggio.
L’exercice permettra de tester le système de Protection civile et les systèmes de coordination sur le territoire. Sera testé en particulier un système d’alerte aux personnes: 500 000 environ recevront un message d’alerte sur leurs téléphones portables, une technologie en vigueur dans d’autres parties du monde, en Islande par exemple.
Le séisme simulé a une magnitude de M 6,0 avec un scénario qui présente les plus grands dégâts dans certaines localités de la province de Reggio Calabria, mais avec des effets importants également dans la province de Messine. L’événement est susceptible de provoquer des effets environnementaux au sol tels que des glissements de terrain et la liquéfaction des sols, la réactivation de failles et, potentiellement, un tsunami. Lorsque se produira la simulation du séisme, la salle de surveillance sismique de l’INGV communiquera les coordonnées, la magnitude et la profondeur de l’événement dont l’épicentre se trouvera dans la province de Reggio Calabria.
Parallèlement, sur la base des paramètres du séisme, le Centre d’Alerte aux Tsunamis de l’INGV, qui opère au sein du Système National d’Alerte aux tsunamis générés par les séismes en Méditerranée, effectuera des simulations d’un potentiel tsunami avec un niveau d’alerte Orange. Le Centre d’Alerte aux Tsunamis estimera les heures d’arrivée prévues et les niveaux d’alerte le long des côtes exposées; il enverra les messages d’alerte à la protection civile qui les transmettra aux autorités locales et à toutes les composantes du système national de Protection civile. L’INGV testera également les processus de communication interne, les activités de sa cellule de crise, la salle de surveillance sismique et d’alerte aux tsunamis et les activités de tous ses groupes opérationnels d’urgence.
L’exercice, qui se déroule parallèlement à la Journée mondiale de sensibilisation aux tsunamis, comprend également des communications au public et aux médias concernant les informations publiées sur le portail et sur les réseaux sociaux institutionnels.
Il existe 33 scénarios opérationnels avec l’hypothèse de milliers de personnes qui n’ont plus de logements à leur disposition. En Calabre deux colonnes mobiles seront opérationnelles, une régionale, sur Gioia Tauro et la seconde qui se déplacera entre la Calabre et la Sicile.

Source: La Sicilia.

Image satellite du Détroit de Messine (Source: NASA)

Expédition MOSAiC : Le trou dans la couche d’ozone arctique // The hole in the Arctic ozone layer

Dans trois notes publiés le 12 mai, le 4 juin et le 22 août 2020, j’expliquais que l’expédition MOSAiC ((Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) était la plus importante jamais mise en place dans l’Arctique. Le nom reflète la complexité et la diversité de cette expédition. Le projet MOSAiC, doté d’un budget total supérieur à 140 millions d’euros, a été conçu par un consortium international d’institutions de recherche polaire de premier plan, avec à sa tête l’Institut Alfred Wegener et le Centre Helmholtz pour la recherche polaire et marine.
Le 20 septembre 2019, le vaisseau amiral Polarstern (Etoile Polaire) de l’Institut Alfred Wegener a levé l’ancre dans le port de Tromsø en Norvège pour rejoindre le cœur de l’Océan Arctique et y faire des mesures scientifiques. La mission impliquait 600 chercheurs de dix-sept pays. Une fois dans l’Océan Arctique, le Polarstern s’est laissé emprisonner par les glaces et s’est laissé dériver vers le sud.
En plus des 50 membres d’équipage, une cinquantaine de scientifiques ont mené des recherches sur 5 principaux domaines d’intérêt (atmosphère, océan, banquise, écosystème, biogéochimie). L’équipe scientifique était renouvelée tous les deux mois.
L’expédition MOSAiC a récemment attiré l’attention sur l’ampleur de l’appauvrissement de la couche d’ozone au niveau de l’Arctique. Même après l’interdiction par toutes les nations (Protocole de Montréal en 1987) des substances nocives pour la couche d’ozone, le plus grand trou jamais observé dans la couche d’ozone a été détecté au-dessus de l’Arctique à une altitude d’une vingtaine de kilomètres.
Selon un chercheur allemand de l’Université de Potsdam, « la couche d’ozone ne s’améliore pas. Au contraire, les choses s’aggravent dans l’Arctique. Nous comprenons maintenant que c’est parce que les décomposeurs du gaz sont toujours présents dans l’atmosphère. Le changement climatique les rend plus agressifs : c’est une mauvaise nouvelle pour l’avenir de la couche d’ozone dans l’Arctique. » [NDLR : il faut noter, comme le rappelait souvent le regretté Haroun Tazieff, que le trou dans la couche d’ozone existait déjà avant l’utilisation des CFC].
Néanmoins, le chercheur allemand voit quelques raisons d’espérer. Il a déclaré : « Nous avons vu que sous la glace, la mer atteint un point de congélation à une profondeur de 14 mètres en hiver. Il existe donc une base saine pour la formation de glace pendant cette saison. Nous pensons qu’il est toujours possible de sauver la glace, à condition d’arrêter le réchauffement climatique. La glace réagit de manière très linéaire au réchauffement, et si nous arrêtons le réchauffement, sa fonte s’arrêtera. Cela met une grande responsabilité sur nos épaules. Nous sommes la dernière génération en mesure de sauver la glace de mer dans l’Arctique. »
Source : Iceland Review.

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In three posts published on My 12th, June 4th and August 22nd, 2020, I explained that the Multidisciplinary Drifting Observatory for the Study of Arctic Climate (MOSAiC) expedition was the largest ever set up in the Arctic. The name mirrors the complexity and diversity of this expedition. The MOSAiC project with a total budget exceeding € 140 Million has been designed by an international consortium of leading polar research institutions, led by the Alfred Wegener Institute, Helmholtz Centre for Polar and Marine Research (AWI).

On September 20th, 2019, the Alfred Wegener Institute’s flagship Polarstern (or Polar Star) weighed anchor in the port of Tromsø in Norway to reach the heart of the Arctic Ocean for scientific measurements. The mission involved 600 researchers from seventeen countries. Once in the Arctic Ocean, the Polarstern got caught in the ice and started drifting south.
In addition to the 50 crew members, around fifty scientists carried out research on 5 main areas of interest (atmosphere, ocean, sea ice, ecosystem, biogeochemistry). The scientific team was renewed every two months.
The research expedition has recently shed new light on the extent to which the Arctic ozone layer has been depleted. Even after the international banning of ozone-harming substances (Montreal Protocol in 1987), the largest hole ever found in the ozone was detected over the Arctic at an altitude of some 20 km.

According to a German researcher at the University of Potsdam, « the ozone layer is not improving. Things are getting worse in the Arctic. Now we understand that it is because the decomposers from the gas are still present in the atmosphere. Climate change makes them more aggressive: it’s bad news for the future of the ozone layer in the Arctic. » [Editor’s note : it should be noted, as the late Haroun Tazieff often reminded it, that the hole in the ozone layer already existed before the use of CFCs].

Nevertheless, the researcher sees some reason for hope. He said : « We saw that under the ice the sea reaches a freezing point down to a depth of 14 meters in the winter. There is a healthy base for winter ice formation, and we believe we are still in a position to save the ice if we stop global warming.The ice responds very linearly to warming, and if we stop the warming, the melting of the ice will stop. This puts a lot of responsibility on our shoulders. We are the last generation that can save the sea ice in the Arctic. »

Source: Iceland Review.

Le Polarstern (Source: Alfred Wegener Institute)