Catégorie : Science

Kilauea (Hawaii): Radar et éruptions volcaniques // Radar and volcanic eruptions

Aucune activité de surface n’est observée sur le Kilauea depuis le 23 mai 2021. Si le HVO tient ses promesses, l’éruption ne sera plus en « pause » le 23 août ; elle sera bel et bien terminée ! Dans un nouvel article, les scientifiques de HVO expliquent comment ils utilisent le radar météorologique pour analyser les panaches émis par le Kilauea.

RADAR est l’acronyme de Radio Detection And Ranging, un outil largement utilisé depuis le début des années 1900. Aujourd’hui, le radar a de nombreuses applications : dans l’atmosphère pour suivre les systèmes météorologiques et l’activité aéronautique, dans l’espace pour imager la Terre et les corps extraterrestres à partir de satellites, et même dans le sol pour détecter des objets enfouis.
Pour fonctionner, le radar utilise une antenne qui concentre les impulsions d’énergie tout en balayant des directions et des angles spécifiques. Les impulsions se déplacent à la vitesse de la lumière et croisent des objets sur leur chemin, tels que des montagnes, des bâtiments, des avions, des oiseaux, des gouttes de pluie ou des cendres volcaniques. Lorsqu’une impulsion frappe un objet, une fraction de son énergie est réfléchie vers l’antenne. L’énergie réfléchie est ensuite mesurée et traitée pour fournir des valeurs de réflectivité. La réflectivité est plus sensible à la taille et à la forme d’un objet spécifique ; toutefois, dans la mesure où une impulsion peut interagir avec de nombreux objets simultanément, la concentration des objets est également importante.
Les antennes radar peuvent balayer à 360 degrés autour d’une station sur différents angles d’élévation et produire une couverture atmosphérique presque complète sur 150 kilomètres ou plus en quelques minutes seulement. C’est ainsi que les météorologues présentent une couverture presque continue des systèmes météorologiques dans le monde.
Le radar météorologique est également un outil extrêmement important pour étudier les éruptions volcaniques. Les systèmes radar utilisés pour mesurer la vitesse du vent peuvent également mesurer les structures de turbulence dans les panaches, ce qui permet aux scientifiques d’analyser comment ils absorbent l’air, grossissent et s’élèvent dans l’atmosphère. En utilisant des dizaines de scans par heure, ils peuvent mesurer l’évolution du panache et des éruptions dans le temps.
Le HVO explique comment les scientifiques ont utilisé les systèmes radar le 20 décembre 2020 lorsque le panache de vapeur émis par le lac d’eau dans le cratère Halema’uma’u s’est transformé en un panache volcanique. L’île d’Hawaï possède deux stations radar WSR-88D, à South Point (PHWA) et Kohala (PHKM). Le panache de l’éruption du 20 décembre 2020 était visible depuis les deux stations, de sorte que leurs données permettent de comprendre cette éruption.
Le lac d’eau au fond de l’ Halema’uma’u avait environ 50 mètres de profondeur et continuait de grandir lorsque le Kilauea est entré en éruption le 20 décembre. Une nouvelle fissure s’est ouverte au-dessus du lac sur la paroi du cratère à 21h30. (heure locale). Un grand volume de lave s’est déversé dans le lac. La lave a vaporisé l’eau et généré un volumineux panache.
Contrairement aux panaches de cendres émis par une bouche éruptive lors d’une éruption explosive, le panache du 20 décembre 2020 contenait peu de cendres. Il a commencé à s’élever immédiatement mais lentement pour atteindre jusqu’à 13 000 mètres d’altitude. À 23 heures, l’eau avait disparu, remplacée par un lac de lave.
Les mesures radar du panache ont été accessibles quelques minutes après son apparition et elles montrent clairement son développement, son élévation et son volume suite à l’ouverture de la nouvelle fissure. Le panache a ensuite décliné quand le lac s’est asséché. La visualisation 3D du panache montre comment sa hauteur et sa structure changent au fil du temps.
Les modèles radar peuvent être utilisés pour l’échantillonnage des dépôts du panache au sol et pour comparer les zones à haute réflectivité avec des phénomènes tels que la foudre afin de corréler les observations visuelles à la dynamique interne du panache. Les scientifiques peuvent aussi calculer la concentration dans le panache, son trajet, ainsi que le volume total de cendres transportées et déposées pendant l’éruption.
Un autre avantage du radar météorologique est son accessibilité. De nombreuses stations fournissent gratuitement des données en temps quasi réel. Elles sont accessibles via le logiciel Weather and Climate Toolkit de la NOAA. Toute personne intéressée par ces phénomènes peut analyser les données à partir de son ordinateur personnel. Le radar est de plus en plus utilisé en volcanologie et il sera de plus en plus utile au HVO dans les futurs scénarios d’éruption.
Source : USGS/HVO.

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No surface activity has been observed at Kīlauea since May 23rd, 2021. If the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) keeps its promise, the eruption will no longer living a pause on August 23rd, it will be over !

In a new article, HVO scientists explain how they use weather radar to investigate the plumes emitted by Kilauea volcano. RADAR is an acronym for Radio Detection And Ranging, a tool that has been broadly used since the early 1900s. Today, radar has many uses: in the atmosphere to track weather systems and aviation activity, in space to image the Earth and extraterrestrial bodies from satellites, and even in the ground to detect buried objects.

Radar operation uses an antenna that focuses pulses of energy as it scans specific directions and angles. The pulses travel at the speed of light and intersect objects in their path, such as mountains, buildings, airplanes, birds, raindrops, or volcanic ash. As a pulse hits an object, a fraction of its energy is reflected toward the antenna. The reflected energy is then measured and processed to give values of “reflectivity.” Reflectivity is most sensitive to an object’s size and shape, though since a pulse can interact with many objects simultaneously, the concentration of objects is also important.

Radar antennas can scan 360 degrees around a station at various elevation angles and produce nearly complete atmospheric coverage within 150 or more kilometres in just a few minutes. This is how meteorologists present nearly continuous coverage of weather systems worldwide.

Weather radar is also an extremely important tool for studying explosive eruptions. Radar systems used to measure wind speed can also measure turbulence structures in plumes, which allows scientists to track how they capture air, grow in size, and rise through the atmosphere. Using tens of scans per hour, they can measure plume and eruption evolution in time.

HVO explains how they used radar systems on December 20th, 2020 when the steam plume emitted by the water lake within Halema’uma’u crater turned into a volcanic plume.

The Island of Hawaii hosts two WSR-88D radar stations, at South Point (PHWA) and Kohala (PHKM). The December 20th, 2020, eruption plume was visible to both stations, so their data help understand this interesting eruption.

The water lake in Halema‘uma‘u was about 50 metres deep and growing when Kīlauea summit erupted on December 20t. A new fissure opened above the lake on the crater wall at 9:30 p.m. (local time). A large volume of lava spilled down into the lake, boiling the water, and producing a volcanic steam plume.

Unlike explosive ash plumes that erupt at high velocities directly from a vent, this plume originated from the boiling water, carried little ash, and began rising immediately but slowly, reaching 13,000 metres above sea level at its peak. By 11 p.m., the water had vanished, replaced by a growing lava lake.

Radar measurements of the plume were accessible minutes after the plume appeared and clearly show its development, increasing height and intensity with the opening of the new fissure, and detachment and decline after the water lake dried. The 3D visualization of the plume displays how plume height and structure through time.

The radar models can be used to locate areas of interest for sampling deposits from the plume on the ground, and to compare high reflectivity zones with phenomena like lightning to correlate visual observations to internal plume dynamics. Lastly, scientists can calculate concentration throughout the plume, the path of the plume, and the total ash volume transported and deposited during the eruption.

Another advantage of weather radar is accessibility. Many stations provide free publicly available near-real-time data, accessible through NOAA’s Weather and Climate Toolkit software. Anyone interested in radar and volcanoes can analyze data from their own computer. Radar is a vital and growing asset in volcanology that will be increasingly useful to HVO in future eruption scenarios.

Source : USGS / HVO.

 

Image du haut: Image radar 2D de la station PHWA (NOAA Weather and Climate Toolkit). Image du bas: Visualisation radar 3D (Google Earth). [Source: USGS]

Le poids des volcans hawaiiens // The weight of Hawaiian volcanoes

L’État d’Hawaii est l’un des endroits les plus exposés aux séismes aux États-Unis. Contrairement à d’autres Etats comme la Californie où les secousses sont liées au mouvement des plaques tectoniques, la sismicité à Hawaii est à mettre directement en relation avec les volcans.

La sismicité à Hawaii est due à trois causes principales : 1) le mouvement du magma sous les volcans actifs ; 2) le glissement des flancs des volcans le long de la zone entre l’ancienne croûte océanique et les volcans sus-jacents ; 3) la flexion de la croûte terrestre et du manteau supérieur sous le poids des volcans.

Un séisme de M 5.2 lié à la troisième cause s’est produit le 5 juillet 2021 à 5 km au large de la côte nord de Big Island, à 27 kilomètres sous le niveau de la mer. Deux jours plus tard, un événement de M 4.2 a été enregistré sur le côté ouest de la Grande Ile. Les deux séismes étaient probablement liés aux contraintes exercées par le poids énorme des volcans– en particulier le Mauna Loa et le Mauna Kea – sur la croûte et le manteau.

Les contraintes générées par le poids des volcans sont faciles à comprendre. Au fur et à mesure que les volcans hawaiiens entrent en éruption et prennent du volume, ils ajoutent de plus en plus de poids à la surface de la Terre. Cela provoque un fléchissement de la plaque Pacifique, un peu comme le poids des livres fait fléchir une étagère. Un certain poids peut simplement faire fléchir l’étagère, mais un excès de poids peut provoquer sa rupture. Une telle rupture peut se produire si les plaques tectoniques plient et n’arrivent plus à supporter le poids qui les surmonte.

Les séismes causés par ce phénomène peuvent être assez importants ; certains peuvent avoir une magnitude supérieure à M 6.0. Parmi les séismes de flexion de plaque tectonique à Hawaï, on notera le séisme de M 6,8 à Lanai le 19 février 1871, un événement de M 6,8 à Maui le 22 janvier 1938 ou un séisme de M 5,2 à Oahu le 28 juin 1948. Ces séismes sont profonds, généralement entre 25 et 40 km, dans le manteau supérieur sous les volcans et la croûte océanique.

Pour analyser ces séismes, les scientifiques du HVO utilisent généralement les données GPS qui permettent de calculer comment un point spécifique à la surface de la Terre se déplace dans le temps. Le HVO exploite un réseau de plus de 65 stations GPS sur l’île d’Hawaii. Elles permettent de surveiller et suivre des mouvements extrêmement faibles à la surface de la Terre, y compris certains déplacements liés à la contrainte de flexion des plaques.

Pour améliorer la compréhension scientifique de la flexion des plaques dans l’archipel hawaiien, 7 nouveaux sites GPS sont en cours d’équipement sur les îles d’Hawaï, Molokai et Lanai. Ces nouveaux sites ont été choisis dans le but d’analyser les mouvements associés à la flexion des plaques, mais aussi pour se rendre compte si certains mouvements résultent de la flexion des plaques ou de la dynamique de systèmes magmatiques profonds sous les volcans.

Source : USGS/HVO.

On notera que cette flexion de l’écorce terrestre sous le poids des volcans est l’inverse du rebond isostatique observé dans les régions où la fonte des glaciers fait chuter leur masse et entraîne un soulèvement de l’écorce terrestre, comme en Islande, par exemple.

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The State of Hawaii is one of the most seismically active locations in the United States. Unlike some other earthquake-prone places in the US, like California, where the earthquakes are related to tectonic plates sliding past each other, seismicity in Hawaii is related to volcanoes.

There are three main causes for earthquakes in Hawaii are: 1) the movement of magma under active volcanoes; 2) the sliding of volcanoes’ flanks along the surface that separates the ancient oceanic crust and overlying volcanoes; 3) the bending or flexing of the Earth’s crust and upper mantle in response to the weight of the overlying volcanoes.

An M 5.2 earthquake related to the third cause occurred on July 5th, 2021 5 km off the north shore of Big Island at 27 kilometres below sea level. Two days later, an M 4.2 event occurred on the west side of the Island of Hawaii. Both earthquakes were likely related to stress caused by the enormous weight of the Hawaiian volcanoes – especially Mauna Loa and Mauna Kea – on the underlying crust and mantle.

The stress caused by the weight of the volcanoes is easy to understand. As Hawaiian volcanoes erupt and grow, they add more and more weight to the Earth’s surface. This causes the Pacific Plate to flex downward, much like the bending caused by heaving books on an overloaded bookshelf. Some weight may just make the shelf bow, but a lot of weight may cause the shelf to start to splinter or break. Those breaks are similar to what happens in tectonic plates if they bend too. Earthquakes caused by this flexure can be quite large ; some can be greater than M 6.0.

Some additional past Hawaiian flexure earthquakes include the M 6.8 Lanai earthquake on February 19th, 1871, an M 6.8 event in Maui on January 22nd, 1938, or an M 5.2 quake in Oahu on June 28th, 1948.

These earthquakes are deep, typically 25–40 km, within the uppermost mantle underneath volcanoes and oceanic crust. To measure these quakes, HVO scientists typically use GPS data. GPS instruments allow to calculate how a specific point on the Earth’s surface moves throughout time. HVO operates a network of over 65 GPS stations on the Island of Hawaii. They are used to monitor and track extremely small movements at the Earth’s surface, including some displacements related to plate flexure stress.

To improve the scientific understanding of plate bending in the Hawaiian Islands, 7 new GPS sites are being equipped on the islands of Hawaii, Molokai, and Lanai. These new sites are strategically placed to capture movement associated with plate bending and to test whether certain motions result from ongoing plate bending or from the dynamics of very deep magmatic systems beneath the volcanoes.

Source : USGS / HVO.

It should be noted that this bending of the Earth’s crust under the weight of volcanoes is the reverse of the isostatic rebound observed in regions where the melting of glaciers causes their mass to drop and the Earth’s crust to rise, as in Iceland, for instance.

Le Mauna Loa (à gauche) et le Mauna Kea (à droite) exercent un pression considérable sur l’écorce terrestre (Photo : C. Grandpey)

Prise du pouls de la Terre // Taking Earth’s pulse

Des chercheurs du University College London (UCL) vont larguer cinquante sismomètres sur le fond de l’Océan Atlantique pour tenter de prendre le « pouls » de la Terre. Les instruments détecteront les vibrations causées par les ondes sismiques et enregistreront en continu les mouvements qui se produisent à des centaines de kilomètres de profondeur à l’intérieur de notre planète. Les sismomètres seront positionnés dans une zone qui comprend les îles Canaries, Madère et les Açores, et utiliseront une technique précédemment utilisée pour étudier les galaxies. Les instruments seront largués par bateau au cours des prochaines semaines, ancrés au fond de la mer, avant d’être récupérés un an plus tard.

Les scientifiques expliquent que le but premier du projet UPFLOW (Upward Mantle Flow), basé sur des observations sismiques innovantes, est de mieux comprendre les grandes remontées de matière depuis le manteau terrestre. Le phénomène se produit loin des limites des plaques continentales et ne peut pas être expliqué par la théorie de la tectonique des plaques. Le projet permettra également de faire avancer la recherche sur les séismes tectoniques et volcaniques, ainsi que le suivi des baleines à partir des sons qu’elles émettent.

Les chercheurs de l’UCL Earth Sciences expliquent que c’est la première fois qu’une aussi vaste région de l’océan Atlantique Nord est couverte avec ces instruments très sensibles. En analysant les données fournies, ils espèrent mieux comprendre les importants mouvements qui se produisent à des centaines de kilomètres de profondeur dans le manteau terrestre, en particulier, les remontées de matière. Ces mouvements sont à l’origine des éruptions volcaniques et peuvent également provoquer des séismes. La méthode d’imagerie sismique utilisée était auparavant mise en pratique par les astrophysiciens pour étudier des galaxies lointaines.

L’existence des îles Canaries, de Madère et des Açores est le résultat de mouvements qui se produisent en profondeur sous la surface de la Terre. Le projet permettra de découvrir s’il existe un lien dans la formation de ces îles.

Source : Sky News.

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University College London (UCL) researchers are going to drop fifty seismometers on the floor of the Atlantic Ocean in an attempt to measure the Earth’s « pulse ». They will detect vibrations caused by seismic waves and continuously record motions hundreds of kilometres deep within the planet.

The seismometers will be positioned across an area that includes the Canary Islands, Madeira and the Azores, and use a technique previously used to study galaxies. The instruments will be dropped by boat over the next few weeks, anchoring themselves to the sea bed, before being collected a year later.

Experts say the project, called UPFLOW (Upward mantle flow from novel seismic observations) aims to understand more about large upwellings of material from the Earth’s mantle.This occurs far from the boundaries of continental plates and cannot be explained by the theory of plate tectonics. The project will also aid research on earthquakes and volcanic tremors, as well as helping track whales from the sounds they make.

Researchers at UCL Earth Sciences explain that it is the first time such a large region of the North Atlantic ocean has been covered with these highly sensitive instruments. By analysing their data, they hope to better understand the massive motions occurring hundreds of kilometres deep in the Earth’s mantle – in particular, upward flows of material that are not well understood. These motions are what cause volcanic eruptions and can also lead to earthquakes. The seismic image method that will be used was previously employed by astrophysicists to study far-away galaxies.

The existence of the Canary Islands and the volcanic islands in Madeira and the Azores are a result of massive motions deep under the Earth’s surface. The project will allow to uncover if there is a link in how these islands formed.

Source : Sky News.

Le projet UPFLOW permettra-t-il d’en savoir plus sur les volcans des Canaries, comme ici à Lanzarote? (Photo : C. Grandpey)

Nouvel instrument de mesure sur le Kilauea (Hawaii) // New measuring instrument on Kilauea Volcano (Hawaii)

Dans sa dernière mise à jour, l’Observatoire des Volcans d’Hawaii, le HVO, indique que le Kilauea n’est pas en éruption. L’alimentation du lac de lave dans l’Halema’uma’u a cessé et les émissions de SO2 et ont retrouvé le niveau qui était le leur avant la dernière éruption. Rien n’annonce en ce moment une reprise imminente de l’activité éruptive.

Bien qu’il n’y ait pas de lac de lave sur le Kilauea ces jours-ci, les scientifiques du HVO expliquent comment ils mesurent la hauteur d’un lac de lave actif.

Une nouvelle technique de mesure a été mise au point pour améliorer encore davantage le réseau permanent de surveillance volcanique. Il s’agit d’un prototype de télémètre laser à mesure continue – Continuous Laser Rangefinder (CLR) – qui a été installé au bord du cratère de l’Halema’uma’u le 26 décembre 2020 et est devenu pleinement opérationnel le 8 janvier 2021.

Ce nouvel instrument contrôle la dynamique du lac de lave avec une résolution encore jamais atteinte. Le CLR mesure en temps réel et en autonomie totale les variations de niveau du lac de lave en utilisant les propriétés de réflexion de la lumière à sa surface.

L’instrument est positionné sur la lèvre ouest de l’Halema’uma’u. Il est orienté vers le cratère avec une inclinaison de 32,57 degrés sous l’horizon. La plage de mesure actuelle est d’environ 733 mètres.

Le CLR transmet une impulsion laser toutes les secondes. Le laser de longueur d’onde de 1550 nanomètres est invisible et sans danger pour l’œil humain. Le faisceau laser s’élargit avec la distance, ce qui crée une empreinte cible d’environ 0,5 m de diamètre sur la surface du lac de lave à proximité des bouches qui étaient actives sur la paroi interne nord-ouest de l’Halema’uma’u.

Une diode réceptrice détecte les signaux laser réfléchis. Un microprocesseur calcule la distance jusqu’à la surface du lac au centimètre près en mesurant le temps mis par l’impulsion laser.

Un inclinomètre à l’intérieur de l’instrument mesure l’angle d’inclinaison du faisceau laser. L’angle du faisceau est utilisé pour calculer la hauteur de la surface du lac de lave par rapport à celle de l’instrument ? Ce dernier est parfaitement stable grâce à un solide trépied, ce qui améliore encore plus la précision des mesures. Ces dernières sont transmises en temps réel via le réseau radio numérique du HVO. .

Le télémètre a également été conçu pour fonctionner par mauvais temps et lorsque les émissions de gaz sont denses. Le Kilauea est un environnement hostile pour les instruments à cause des gaz volcaniques corrosifs, des téphras abrasifs, des fortes pluies, de la foudre et des projections lors des explosions. C’est pourquoi les composants optiques du CLR sont protégés par un boîtier très résistant.

L’instrument fonctionne à l’énergie solaire grâce aux stations photovoltaïques mobiles du HVO qui peuvent être rapidement déployées par hélicoptère.

Le CLR vient compléter d’autres types de données collectées régulièrement par les scientifiques du HVO sur le terrain. Toutefois, ces techniques offrent une couverture spatiale plus large que la mesure à point unique du CLR ; les mesures sont sporadiques et ont une marge d’erreur plus élevée.

Source : USGS/HVO.

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In its latest update, The USGS Hawaiian Volcano Observatory (HVO) indicaes taht Kilauea is not erupting. Lava supply to the Halema’uma’u lava lake has ceased and SO2 emissions have decreased to near pre-eruption background levels. There are currently no indications suggesting that a resumption of volcanic activity is imminent.

Although there is no lava lake on Kilauea these days, HVO scientists explain how they measure the lake’s height when it is active in a crater.

New technology has been implemented and is improving HVO’s permanent volcano monitoring network. The prototype Continuous Laser Rangefinder (CLR) gauge is one of the new instruments. It was installed on December 26th, 2020 and became fully operational on January 8th, 2021.

This newly-developed instrument monitors lava lake dynamics with unprecedented resolution. The CLR gauge autonomously measures lava lake elevation in real-time, using the light-reflecting properties of the lava surface.

The instrument is stationed on the western rim of Halema’uma’u Crater. It is aimed into the crater at an inclination of 32.57 degrees below the horizon. Current measurement range is about 733 metres.

The CLR gauge transmits a laser pulse every second. The 1550 nanometer wavelength laser is invisible and eye-safe. The laser beam broadens with distance, making a target footprint about 0.5 m diameter on the lava lake surface near the previously active vents on Halema’uma’u’s northwest wall.

A receiver diode senses laser signals reflected from downrange. A microprocessor calculates the distance to the lake surface within a centimetre by measuring the time of flight of the laser pulse.

An onboard inclinometer measures the slant angle of the laser beam. The beam angle is used to calculate vertical elevation of the lake surface below the surveyed instrument elevation. The instrument is stabilized by a sturdy tripod that improves measurement precision.

Real-time range measurements are telemetered via HVO’s digital radio network.

The quipment has laso been designed to work in foul weather and dense gas emissions. Kilauea is a harsh environment for instrumentation. Corrosive volcanic gas, abrasive tephra, heavy rainfall, lightning, and ballistic ejections are a threat to monitoring equipment. The CLR gauge optical components are protected by a custom enclosure.

The CLR gauge is solar powered by HVO’s flyaway photovoltaic stations, which are rapidly deployed by helicopter. The new instrument complements other types of data routinely collected by HVO scientists in the field. However, these techniques provide broader spatial coverage than the CLR’s single-point measurement; they ate are sporadic and have higher error.

Source : USGS / HVO.

Vue du CLR installé sur la lèvre du cratère de l’Halema’uma’u. On peut voir à droite en haut de l’image une vue éclatée du boîtier optique de l’instrument. (Source : USGS)