Catégorie : Science

Mesure de la gravité sur le Kilauea (Hawaii) // Gravimetry on Kilauea (Hawaii)

L’un des derniers articles ‘Volcano Watch’ du Hawaiian Volcano Observatory (HVO) était dédié à la mesure de la gravité, un paramètre intéressant sur le Kilauea et sur d’autres volcans actifs sur Terre. En effet, les mesures de gravité peuvent être utilisées pour déterminer comment est répartie la masse sous un volcan.

La gravimétrie, autrement dit la mesure de l’accélération de la pesanteur g en un point donné, est une méthode géophysique qui permet d’imager à différentes échelles la structure interne de la Terre. Elle consiste à étudier, de façon indirecte, les variations spatio-temporelles du champ de pesanteur terrestre liées à la distribution des masses au sein de la Terre, à proximité de la surface, voire en surface.

Sur le Kilauea, le HVO effectue des relevés de microgravité de routine pour surveiller l’activité volcanique et déterminer les variations de gravité. Ces fluctuations peuvent indiquer que le magma est en train de s’accumuler dans le réservoir. Les relevés révèlent de petits changements de gravité au fil du temps au niveau des « points de repère » (benchmarks en anglais) judicieusement répartis dans la zone sommitale du volcan.
Le réseau de surveillance gravimétrique du Kilauea comprend une cinquantaine de ces repères. Les relevés annuels de microgravité sont cruciaux pour savoir si l’inflation ou la déflation du volcan est causée par l’intrusion ou le retrait de magma.
Le HVO effectue ces relevés à l’aide de petits instruments de la taille d’une boîte à chaussures, les gravimètres relatifs. Une prise de mesure de la gravité consiste à mettre de niveau une petite plaque de base (moins de 30 cm de diamètre et 7,5 cm de hauteur) sur le sol, à placer le gravimètre sur ce support et à effectuer une mesure de cinq minutes. En plus de la gravité, des mesures de haute précision sont également effectuées à l’aide du GPS.
Les gravimètres sont extrêmement sensibles aux vibrations, de sorte que des surfaces dures et stables, comme des affleurements rocheux, sont nécessaires pour prendre une mesure.
En plus de suivre les variations de la gravité au fil du temps, les levés gravimétriques peuvent être utilisés pour cartographier la densité du sol sous la surface. Les levés Bouguer, nommés d’après un géophysicien français du 18ème siècle, mesurent la gravité à des centaines, voire des milliers d’emplacements à un moment donné et il n’est pas nécessaire d’effectuer un étalonnage reproductible de l’emplacement ou de la précision des levés de microgravité. Les levés Bouguer utilisent les mêmes gravimètres relatifs que ceux utilisés pour les levés en microgravité, mais les mesures sont liées à une « station de base » de référence, où la valeur réelle de la gravité a été déterminée de manière absolue.*
Alors que les levés en microgravité et ceux de Bouguer sont utilisés tous les deux pour déterminer la répartition de la masse sous un volcan, les levés en microgravité seuls sont utilisés pour modéliser les changements de ces paramètres, tandis que les levés Bouguer peuvent révéler les caractéristiques globales des matériaux en profondeur. Les modèles Bouguer bidimensionnels et tridimensionnels peuvent fournir des informations sur la structure géologique des volcans, y compris identifier des réservoirs magmatiques, des intrusions, des glissements de terrain et des effondrements, ainsi que des failles non exposées. Sur le Kilauea, ils ont également été utilisés pour définir les zones probables de circulation de fluides hydrothermaux. Ensemble, les données de microgravité et de Bouguer peuvent donner un aperçu de la structure du sous-sol et des changements au sein de cette structure.
Les levés Bouguer sont effectués sur le Kilauea depuis plus de 70 ans ; les deux dernières campagnes de mesures au sommet ont été réalisées en 2009 et 2020. Au cours du mois de janvier 2023, une équipe de trois personnes a mesuré la gravité au niveau de plus de 400 sites sur le sommet du Kilauea. Cette étude gravimétrique de Bouguer sera la première à étudier les changements importants liés à l’effondrement de la caldeira en 2018. Les résultats de ce levé gravimétrique seront utilisés pour affiner le modèle développé à partir de l’étude sismique prévue pour l’été 2023 au sommet du volcan.
Source : USGS, HVO.

* Le champ de pesanteur théorique en un point est calculé en première approximation à partir de la distance au centre de la Terre, puis on lui applique des corrections prenant en compte la rotation de la Terre sur elle-même, sa non-sphéricité (ellipsoïde), les écarts de densité du
sous-sol et les effets des marées terrestres.

On appelle anomalie gravimétrique de Bouguer, au point considéré sur l’ellipsoïde de référence, l’écart entre le champ de pesanteur terrestre mesuré et le champ de pesanteur théorique.

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One of the latest ‘Volcano Watch’ articles by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) was dedicated to the measurement of gravity, an interesting parameter on Kilauea and on other active volcanoes on Earth. Indeed, measurements of gravity can be used to determine how mass is distributed beneath a volcano.

Gravimetry, or the measurement of the acceleration of gravity g at a given point, is a geophysical method which makes it possible to image the internal structure of the Earth at different scales. It consists in studying, indirectly, the spatio-temporal variations of the Earth’s gravity field linked to the distribution of masses within the Earth, near the surface, or even on the surface.

At Kilauea, HVO performs routine microgravity surveys to monitor volcanic activity and to determine changes in gravity. Those changes can indicate whether magma is accumulating in a volcano’s magma reservoir.The surveys measure small gravity changes over time at “benchmarks” which are precisely controlled locations spread across the volcano’s summit area.

The Kilauea microgravity monitoring network includes about 50 benchmarks. Annual microgravity surveys are crucial in confirming whether ongoing uplift or subsidence is caused by magma intrusion or withdrawal.

HVO conducts these surveys using small, shoebox-sized instruments called relative gravimeters. A single gravity measurement consists of leveling a small baseplate (less than 30 cm in diameter and 7.5 cm tall) on the ground, placing the gravimeter on the baseplate, and making a five-minute measurement. Along with gravity, high-precision positions are also collected using GPS.

Gravimeters are extremely susceptible to vibration, so hard and stable surfaces, like solid rock outcroppings, are required to take a measurement.

In addition to tracking changes over time, gravity surveys can be used to map the density characteristics of the ground beneath the surface. These Bouguer surveys, named after an 18th-century French geophysicist, measure the gravity at hundreds to thousands of locations at a single point in time and do not need the repeatable location benchmarking or precision of microgravity surveys. Bouguer surveys use the same relative gravimeters that are used for microgravity surveys, but measurements are tied to a reference “base station,” where the actual value of gravity has been determined absolutely.*

While both microgravity and Bouguer surveys are used to determine how mass is distributed beneath a volcano , microgravity surveys are used to model changes in these parameters, whereas Bouguer surveys can reveal the overall characteristics of the materials at depth. Two-and three-dimensional Bouguer models can provide insights into the geologic structure of volcanoes including identifying magma reservoirs, intrusions, landslide and collapse piles, and unexposed faults. At Kilauea, they’ve also been used to define likely areas of hydrothermal fluid circulation. Together, microgravity and Bouguer data can see subsurface structure and changes within that structure.

Bouguer surveys have been a routine tool at Kilauea for more than seven decades, with the two most recent summit surveys performed in 2009 and 2000. Over the month of January 2023, a three-person team measured gravity at more than 400 locations around Kilauea’s summit. Their Bouguer gravity survey will be the first to address significant large-scale changes associated with the 2018 caldera collapse. Results from this gravity survey will be used to help refine the model developed from the anticipated summer 2023 Kīlauea summit seismic study.

Source : USGS, HVO.

* The theoretical gravity field at a point is calculated as a first approximation from the distance to the center of the Earth, then corrective terms are applied to it taking into account the rotation of the Earth on itself, its non-sphericity (ellipsoid), the differences in density of the
subsoil and the effects of the earth’s tides.
The Bouguer gravimetric anomaly, at the point considered on the reference ellipsoid, is the difference between the measured terrestrial gravity field and the theoretical gravity field.

Caldeira sommitale du Kilauea après l’effondrement de 2018 (Crédit photo: HVO)

El Niño, La Niña et le climat sur Terre // El Niño, La Niña and Earth’s climate

Au cours de ma conférence « Glaciers en péril, les effets du réchauffement climatique », j’explique l’influence qu’El Niño et La Niña peuvent avoir sur le climat de notre planète. Le phénomène El Niño se produit lorsque les eaux de surface du Pacifique équatorial deviennent plus chaudes que la moyenne et que les vents d’est (alizés) sont plus faibles que la normale. Le phénomène contraire a été baptisé La Niña. Pendant cette phase, l’eau est plus froide que la normale et les vents d’est sont plus forts. Les épisodes El Niño se produisent généralement tous les 3 à 5 ans.

 

El Niño, La Niña et la condition neutre entre ces deux phénomènes ont des conséquences importantes pour les populations et les écosystèmes dans le monde entier. Les interactions entre l’océan et l’atmosphère modifient les conditions météorologiques et peuvent entraîner de violentes tempêtes ou un temps doux, des sécheresses ou des inondations. Ces changements peuvent également avoir des effets secondaires qui influencent l’approvisionnement et les prix des denrées alimentaires, les incendies de forêt et peuvent avoir des conséquences économiques et politiques.
Même si El Niño se produit dans l’océan Pacifique, il réduit souvent le nombre d’ouragans qui se forment dans l’océan Atlantique. À l’inverse, les événements La Niña sont généralement liés à une augmentation du nombre d’ouragans dans l’Atlantique.
Depuis que les avancées technologiques ont commencé à suivre l’évolution des températures dans le monde dans les années 1950, l’année la plus chaude de chaque décennie a été dominée par un événement El Niño, tandis que les années plus froides étaient en relation avec La Niña.
Le dernier épisode El Niño dans le monde s’est terminé il y a près de quatre ans. La période 2015-2016 détient des records, non seulement parce qu’elle a correspondu à l’un des phénomènes El Niño les plus forts jamais enregistrés, mais aussi parce qu’on a enregistré les températures les plus chaudes au monde. L’année 2016 s’est terminée avec des températures d’environ 1 degré Celsius au-dessus de la normale. Ce fut la période la plus chaude jamais enregistrée.
Notre planète est actuellement dans une phase La Niña en cours d’affaiblissement. On est en phase neutre et l’épisode La Niña devrait se terminer dans les prochains mois. Bien que La Niña soit censée refroidir l’atmosphère avec des eaux plus froides dans l’est de l’océan Pacifique, le monde a connu certaines températures parmi les plus chaudes jamais enregistrées. Certains climatologues craignent qu’une fois qu’El Niño se sera débarrassé des effets de La Niña, les températures atteindront des niveaux encore jamais enregistrés.
L’épisode La Niña en cours empêchera peut-être la température moyenne de la planète de battre des records en 2023, mais le réchauffement climatique induit par les gaz à effet de serre ne cesse de progresser, comme le montre la courbe de Keeling. Il ne faudrait pas oublier que 2020, une année sous l’influence de La Niña, a égalé le record absolu de 2016, une année sous influence El Niño !
Les modèles informatiques montrent une tendance vers El Niño, en particulier dans la seconde moitié de l’année 2023 et peut-être jusqu’en 2024. Si l’histoire se répète, un épisode prolongé d’El Niño verra probablement apparaître des températures chaudes, voire record.
Source : Fox Weather, Yahoo Actualités.

Anomalies mensuelles de la température globale depuis janvier 1950 (Source : NOAA)

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During my conference « Glaciers at risk, the consequences of climate change », I explain the influence El Niño and La Niña might have on the world’s climate. An El Niño condition occurs when surface water in the equatorial Pacific becomes warmer than average and east winds blow weaker than normal. The opposite condition is called La Niña. During this phase, the water is cooler than normal and the east winds are stronger. El Niños typically occur every 3 to 5 years.

El Niño, La Niña, and the neutral condition all produce important consequences for people and ecosystems across the globe. The interactions between the ocean and atmosphere alters weather around the world and can result in severe storms or mild weather, drought or flooding. These changes can also produce secondary results that influence food supplies and prices, forest fires, and create additional economic and political consequences.

Even though El Niño occurs in the Pacific Ocean, it often reduces the number of hurricanes that form in the Atlantic Ocean. Conversely, La Niña events tend to be related to an increase in the number of Atlantic hurricanes.

Since reliable technology started keeping track of world temperatures in the 1950s, the warmest year of any decade were periods dominated by an El Niño event, and the coldest were from La Niñas.

The world’s last El Niño ended nearly four years ago. The event of 2015-16 holds records for not only being one of the strongest El Niños on record but also causing the world’s warmest temperatures. The year 2016 ended with temperatures around 1 degree Celsius above normal, making it the warmest period on record.

The globe is currently still in a La Niña, which is weakening, becoming neutral and is expected to end in the coming months. Although La Niña is supposed to cool the atmosphere with colder waters in the eastern Pacific Ocean, the world experienced some of its warmest temperatures ever. Some climatologists are worried that once El Niño shakes off the effects of La Niña, temperatures might reach levels never seen before.

The ongoing La Niña may prevent global average temperature from breaking records in 2023, but greenhouse gas-induced global warming grows steadily in magnitude. One should keep in mind that 2020, a year of La Niña, tied the all-time high of 2016, a year following a major El Niño.

Computer models show a trend towards the El Niño state, especially in the second half of 2023 and possibly continuing into 2024. If history repeats itself, a protracted El Niño episode could result in warm, if not record-breaking, temperatures.

Source : Fox Weather, Yahoo News

Sismicité et prévision éruptive // Seismicity and volcanic prediction

Dans les années 1980, le regretté Maurice Krafft, un volcanologue français, comparait un volcan actif sur le point d’entrer en éruption à une personne malade ou blessée. Elle a de la fièvre ; elle a souvent des frissons et une mauvaise haleine. La plaie gonfle à cause de l’infection. Un volcan qui va entrer en éruption se comporte de la même manière. La température des gaz augmente et leur composition change ; le sol vibre et gonfle sous la poussée du magma.
Dans son dernier article Volcano Watch, le Hawaiian Volcano Observatory (HVO) insiste sur l’importance de la sismicité dans la prévision éruptive. En effet, les premiers signes d’activité volcanique, avant l’apparition de la lave, sont fournis par l’activité sismique dans les profondeurs de la Terre.
Les sismologues examinent les données de diverses manières pour interpréter les processus volcaniques qui se déroulent sous terre. Dans un premier temps, ils notent le nombre d’événements, leur localisation et leur magnitude. Ils étudient également le profil des séismes enregistrés pour en déduire comment la Terre s’est déplacée et a vibré. Les bruits parasites générés par l’activité humaine (grondements des hélicoptères et explosions dans les carrières) et les signaux atmosphériques (comme le tonnerre et le vent) peuvent compliquer l’identification des signaux volcaniques. La sismicité permet de décrire l’histoire d’un volcan apparemment silencieux, en particulier lorsque l’histoire de ce volcan et de sa sismicité a été décrite dans le passé.
Le Kilauea a fourni au HVO de nombreuses occasions d’observer les relations entre la sismicité et l’activité volcanique. Les scientifiques ont identifié des régions connues pour être sources de sismicité et qui montrent une augmentation de l’activité sismique au fur et à mesure qu’une éruption se précise. Ils reconnaissent également les types de séismes qui révèlent des mouvements du magma. Parfois, il a même été possible de prévoir où et quand une éruption commencerait en observant les modèles d’activité sismique.
Le Mauna Loa est un autre volcan actif sur la Grande Ile. Au cours des deux derniers siècles, les scientifiques du HVO ont constaté des changements dans les intervalles entre les éruptions. Entre 1832 et 1950, le Mauna Loa est entré en éruption, en moyenne, tous les 3 à 7 ans. Depuis 1950, les intervalles sont beaucoup plus longs. Après 1950, il a fallu attendre 25 ans avant que se produise l’éruption de 1975, puis encore 9 ans jusqu’à l’éruption de 1984. Ensuite, 38 ans se sont écoulés jusqu’à la dernière éruption de 2022 sur la zone de rift nord-est du Mauna Loa.
De nos jours, les observations sismiques effectuées par le HVO sur le Mauna Loa sont relativement rares comparées à celles du Kilauea. Pourtant, les observations de 1975 et 1984 ont fourni des indications utiles pour comprendre le fonctionnement du volcan.
Au printemps 1974, les sismologues du HVO ont noté une augmentation de l’activité sismique sous les hautes pentes du Mauna Loa. Ils ont installé des sismomètres supplémentaires et, sans l’aide d’ordinateurs, ils ont compté et localisé les séismes manuellement. Les observations ainsi compilées ont permis une bonne prévision éruptive.
Les capacités actuelles du HVO permettent la détection et la localisation des séismes de manière beaucoup plus fiable qu’en 1975 et 1984. Pour mieux comparer les modèles sismiques actuels à ceux des éruptions précédentes, les sismologues ont compté manuellement de minuscules événements en septembre 2022 ; ils étaient trop faibles pour être enregistrés par informatique. Cette comparaison a montré une augmentation similaire de l’activité sismique et a conduit à l’organisation de réunions publiques au cours des mois suivants pour sensibiliser la population.
De nouvelles hausses de la sismicité en octobre 2022 ont reflété des changements rapides de contraintes au sein du volcan. Cependant, le seul précurseur signalant l’arrivée de la lave dans la caldeira sommitale a été un essaim sismique superficiel d’une heure juste avant le début de l’éruption. Heureusement, la zone de rift NE du Mauna Loa n’est pas habitée et il n’était donc pas nécessaire d’évacuer des personnes. Sinon, une heure aurait été un laps de temps trop court pour mettre en sécurité la population menacée.
Source : USGS/HVO.

Tout comme le Piton de la Fournaise sur l’île de la Réunion, le Kilauea et la Mauna Loa à Hawaii sont des volcans de point chaud. Ils ont, la plupart du temps, des éruptions effusives et la lave ne représente pas une menace pour les hommes. Seules les structures se trouvant sur la trajectoire des coulées peuvent être détruites.

Il en va tout autrement pour les volcans explosifs de la Ceinture de Feu du Pacifique. Leur comportement est beaucoup plus brutal et beaucoup plus dangereux pour les zones habitées. Certes, les signaux sismiques donnent des indications précieuses sur le risque éruptif mais on sait, comme ce fut le cas pour le Mauna Loa en 2022, que le laps de temps entre la crise sismique et le phénomène éruptif est en général très bref. C’est pour cela que les autorités mettent en place le principe de précaution et conseillent l’évacuation des populations, même si la suite des événements leur donne tort. De nos jours, les instruments ne permettent pas au scientifiques d’en savoir plus sur les comportement d’un volcan.

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In the 1980s, the late Maurice Krafft, a French volcanologist, compared an active volcano about to erupt with an ill or wounded person. This person has a fever ; she often has the shivers and a bad breath. The wound inflates because of the infection. A volcano that is going to erupt behaves in the same way. Gas temperature increases and their composition changes ; the ground vibrates and inflates under the push of magma from beneath.

In its last Volcano Watch article, the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) insists on the importance of seismicity in eruptive prediction. Indeed, the earliest signs of volcanic unrest, before lava is seen, are provided by earthquake activity occurring deep within the Earth.

Seismologists look at the data in a variety of ways to interpret the story of volcanic processes occurring underground. As a first step, they note earthquake rates, locations and magnitudes. They also study details of the recorded earthquakes to infer how the Earth moved and shook the ground. Human-generated noise (like helicopters and quarry blasts) and atmospheric signals (like thunder and wind) can make volcanic signals difficult to identify. Seismicity helps tell the story of a seemingly quiet volcano, especially when the stories of these volcanoes and their seismicity have been told in the past.

Kilauea has provided HVO with many opportunities to observe relationships between earthquakes and volcanic activity. Scientists have identified established earthquake source regions that show increases in seismic activity as the volcano gets closer to erupting. They also recognize the earthquake types that suggest magma movement. At times, it has been possible to forecast where and when eruptions would start, based on patterns of earthquake activity.

Mauna Loa is also an active volcano. Through the past two centuries, HVO scientists have seen intervals between successive eruptions change. Between 1832 and 1950, Mauna Loa erupted, on average, every 3 to 7 years. Since 1950, the intervals have been much longer. After 1950, it was 25 years until the 1975 Mauna Loa summit eruption, and then another 9 years until the 1984 eruption. Then, 38 years passed until the most recent eruption in 2022 from Mauna Loa’s Northeast Rift Zone.

HVO’s modern seismic observations of Mauna Loa are relatively sparse compared to those of Kilauea. Still, the observations of 1975 and 1984 provide some helpful clues toward learning how Mauna Loa works.

In the Spring of 1974, HVO seismologists noted an increase in earthquake activity beneath the upper elevations of Mauna Loa. They installed additional seismometers and, without computers, counted and located earthquakes by hand. The compiled observations could be viewed as a successful eruption forecast.

HVO’s current capabilities allow earthquake detection and location to levels far surpassing those of 1975 and 1984. To better compare current earthquakes patterns to these previous eruptions, seismologists hand counted tiny earthquakes in September 2022 that were too small to be recorded by modern computer processing. This comparison showed a similar uptick in seismic activity and led to community meetings in ensuing months to emphasize awareness, preparedness and safety.

Further increases in seismicity in October 2022 reflected rapid stress changes within the volcano. However, the only imminent precursor to lava appearing in the summit caldera was an hour-long tremor-like burst of numerous small, shallow earthquakes just before the eruption started. Fortunately, Mauna Loa’s NE Rift Zone is not populated and there was no need to evacuate people. Otherwise, one hour would have been very short to transfer residents to safe places.

Source : USGS / HVO.

Like Piton de la Fournaise on Reunion Island, Kilauea and Mauna Loa in Hawaii are hotspot volcanoes. They mostly have effusive eruptions and their lava poses no threat to humans. Only structures in the flow path can be destroyed.
The situation is quite different for the explosive volcanoes of the Pacific Ring of Fire. Their behaviour is much more brutal and much more dangerous for populated areas. Admittedly, seismic signals give valuable indications of the eruptive risk, but we know, as was the case for Mauna Loa in 2022, that the time between the seismic crisis and the eruptive phenomenon is generally very short. This is why the authorities use the principle of precaution and advise the evacuation of the populations, even if the sequence of events proves them wrong. Nowadays, the instruments do not allow scientists to know more about the behaviour of a volcano.

Image webcam de l’éruption du Mauna Loa en 2022

Le séisme de M 6,9 sur le Kilauea le 4 mai 2018 et ses répliques plusieurs mois plus tard (Source: USGS)

Hunga Tonga-Hunga Ha’apai : l’éruption de tous les records (3ème partie)  // The eruption of all records (part 3)

Le panache volcanique.

Aujourd’hui, les scientifiques qui étudient l’éruption du 15 janvier 2022 sont surpris par sa puissance et les records s’accumulent. Par exemple, le panache volcanique a atteint des hauteurs encore jamais observées par les satellites.

Source: Tonga Services

Deux satellites météorologiques – le Geostationary Operational Environmental Satellite 17 (GOES-17) de la NOAA et le Himawari-8 de l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale – ont observé cette éruption exceptionnelle depuis l’espace, ce qui a permis aux scientifiques de calculer jusqu’où le panache avait pénétré dans l’atmosphère. Ils ont déterminé que, à son point culminant, le panache s’est élevé à une hauteur de 58 km, ce qui signifie qu’il a percé la mésosphère, la troisième couche de l’atmosphère. 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. Après qu’une première explosion ait généré ce panache très volumineux, une nouvelle explosion a propulsé des cendres, du gaz et de la vapeur à plus de 50 km dans le ciel.
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.

Images montrant l’étendue du nuage de cendres au moment de l’éruption du Hunga-Tonga Hunga-Ha’apai (Source: USGS)

Perturbation spatiale.

L’éruption du Hunga Tonga Hunga Ha’apai a généré l’une des plus grandes perturbations spatiales jamais observées au cours de l’ère moderne. Elle permet aux scientifiques d’analyser le lien encore mal compris entre la basse atmosphère et l’espace. L’événement permet également d’étudier comment les événements sur Terre peuvent affecter la météo dans l’espace, à côté de l’influence de la météo spatiale sur la météo terrestre.
Lorsque le volcan est entré en éruption, l’explosion a créé d’importantes perturbations de pression dans l’atmosphère, ce qui a provoqué des vents violents. Au fur et à mesure que ces vents se sont dirigés vers les couches atmosphériques plus minces, ils ont commencé à s’accélérer. Lorsqu’ils ont atteint l’ionosphère et les confins de l’espace, on a enregistré des vitesses de vent allant jusqu’à 725 km/h, ce qui en fait les vents les plus violents – en dessous de 195 km d’altitude – jamais mesurés par la mission ICON depuis son lancement en 2019.
Dans l’ionosphère, ces vents très puissants ont également affecté les courants électriques. Les particules ionosphériques génèrent régulièrement un courant électrique qui se dirige vers l’est – l’électrojet équatorial – alimenté par les vents de la basse atmosphère. Après l’éruption, l’électrojet équatorial a atteint cinq fois sa puissance de crête normale et a radicalement changé de direction; il s’est dirigé vers l’ouest pendant une courte période. C’est quelque chose qui n’avait été observé auparavant que pendant de fortes tempêtes géomagnétiques.
On estime maintenant que l’indice d’explosivité volcanique (VEI) de l’éruption du Hunga Tonga a atteint 6 sur une échelle de 8 niveaux, ce qui la place parmi les plus grandes éruptions volcaniques jamais enregistrées avec des instruments géophysiques modernes.

La vapeur d’eau.

Au cours de l’éruption du 15 janvier 2022, le volcan a également émis une quantité colossale de vapeur d’eau dans l’atmosphère. Selon la NASA, il a envoyé dans la stratosphère suffisamment de vapeur d’eau pour remplir 58 000 piscines olympiques. Les scientifiques expliquent que l’événement a battu « tous les records » d’injection de vapeur d’eau depuis que les satellites ont commencé à enregistrer ce type de données.
Le Microwave Limb Sounder à bord du satellite Aura de la NASA, qui mesure les gaz dans l’atmosphère, a découvert que l’explosion avait envoyé quelque 146 téragrammes d’eau dans la stratosphère, entre environ 13 et 53 kilomètres au-dessus de la surface de la planète. Un téragramme (Tg) équivaut à 10 12 grammes ou 10 9 kilogrammes. Cette énorme quantité de vapeur a augmenté la quantité totale d’eau dans la stratosphère d’environ 10 %. C’est près de quatre fois la quantité de vapeur d’eau entrée dans la stratosphère au moment de l’éruption du Pinatubo en 1991 aux Philippines.
Depuis que la NASA a commencé à effectuer des mesures il y a 18 ans, seules deux autres éruptions, celle du Kasatochi en Alaska en 2008 et du Calbuco en 2015 au Chili, ont envoyé des quantités importantes de vapeur d’eau à des altitudes aussi élevées. Dans les deux cas, les nuages de vapeur d’eau se sont rapidement dissipés.
On pense que la caldeira du volcan sous-marin, une dépression d’environ 150 mètres de profondeur, est à l’origine de l’émission exceptionnelle de vapeur d’eau. Si la caldeira avait été moins profonde, l’eau de mer n’aurait pas été assez chaude pour expliquer une telle quantité de vapeur d’eau; si elle avait été plus profonde, la trop grande pression exercée par l’eau de mer aurait atténué le souffle de l’explosion.

Source: NASA

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The volcanic plume.
Today, scientists studying the January 15th, 2022 eruption are amazed at its power and records are piling up. For example, the volcanic plume reached heights never before seen by satellites.
Two weather satellites – NOAA’s Geostationary Operational Environmental Satellite 17 (GOES-17) and the Japan Aerospace Exploration Agency’s Himawari-8 – observed this exceptional eruption from space, allowing scientists to calculate how high the plume had penetrated the atmosphere. They determined that, at its peak, the plume rose to a height of 58 km, meaning it pierced the mesosphere, the third layer of the atmosphere. The Hunga Tonga plume, however, was far from reaching the next atmospheric layer, the thermosphere, which begins about 85 km above the Earth’s surface. The Karman line, a hundred kilometers above the surface of the Earth, is generally considered the boundary with space. After a first explosion generated this very large plume, a new explosion propelled ash, gas and steam more than 50 km into the sky.
The highest volcanic plumes had been emitted by the 1991 eruption of Pinatubo in the Philippines with 40 km, and the 1982 eruption of El Chichón in Mexico with 31 km. Volcanic eruptions in the past likely produced larger plumes, but they happened before scientists could make such measurements. The plume from the 1883 eruption of Krakatau in Indonesia probably also reached the mesosphere.
Scientists were unable to use their usual temperature-based technique to measure the volcanic plume because the January eruption exceeded the maximum height for which this method can be used. They turned to three geostationary weather satellites that provide images every 10 minutes and they relied on the parallax effect.

Space disturbances.
The eruption of Hunga Tonga Hunga Ha’apai generated one of the largest space disturbances ever observed in the modern era. It allows scientists to analyze the still poorly understood link between the lower atmosphere and space. The event also helps to study how events on Earth can affect weather in space, alongside the influence of space weather on terrestrial weather.
When the volcano erupted, the explosion created significant pressure disturbances in the atmosphere, which caused strong winds. As these winds moved towards the thinner atmospheric layers, they began to pick up speed. When they reached the ionosphere and the outer reaches of space, wind speeds of up to 725 km/h were recorded, making them the strongest winds – below 195 km altitude – ever measured by the ICON mission since its launch in 2019.
In the ionosphere, these very powerful winds also affected electric currents. Ionospheric particles regularly generate an electric current that heads east – the equatorial electrojet – powered by winds from the lower atmosphere. After the eruption, the equatorial electrojet reached five times its normal peak power and drastically changed direction; it headed west for a short time. This is something that had previously only been observed during strong geomagnetic storms.
The Volcanic Explosivity Index (VEI) for the Hunga Tonga eruption is now estimated to have reached 6 on an 8-level scale, placing it among the largest volcanic eruptions ever recorded with modern geophysical instruments.

Water vapor.
During the January 15, 2022 eruption, the volcano also emitted a colossal amount of water vapor into the atmosphere. According to NASA, it sent enough water vapor into the stratosphere to fill 58,000 Olympic swimming pools. The scientists say the event broke « every record » for water vapor injection since satellites began recording such data.
The Microwave Limb Sounder aboard NASA’s Aura satellite, which measures gases in the atmosphere, found the explosion sent some 146 teragrams of water into the stratosphere, between about 13 and 53 kilometers above the surface of the planet. One teragram (Tg) is equal to 1012 grams or 109 kilograms. This huge amount of steam increased the total amount of water in the stratosphere by about 10%. That’s nearly four times the amount of water vapor that entered the stratosphere when Mt Pinatubo erupted in the Philippines in 1991.
Since NASA began making measurements 18 years ago, only two other eruptions, Kasatochi in Alaska in 2008 and Calbuco in 2015 in Chile, have sent significant amounts of water vapor to similar altitudes. In both cases, the water vapor clouds quickly dissipated.
It is believed that the caldera of the submarine volcano, a depression about 150 meters deep, was the source of the exceptional emission of water vapor. If the caldera had been shallower, the seawater would not have been warm enough to account for such an amount of water vapour; if it had been deeper, the excessive pressure exerted by the sea water would have reduced the blast of the explosion.