Catégorie : Science

Mesure du dioxyde de soufre (SO2) en milieu volcanique // Measurement of sulphur dioxide (SO2) in volcanic environments

Le dioxyde de soufre (SO2) est l’un des principaux gaz émis par les volcans. L’éruption de la Lower East Rift Zone (LERZ) du Kilauea en 2018 a libéré d’énormes quantités de SO2 et tout l’archipel hawaïen a parfois été envahi par le brouillard volcanique, appelé localement vog. Aujourd’hui, avec l’éruption dans l’Halema’uma’u, les panaches de SO2 sont emportés par les alizés et ils perturbent la vie de la population dans les zones sous le vent. Il est donc important de savoir quelle quantité de ce gaz est émise pour comprendre les conséquences pour la santé humaine.

J’ai écrit une note sur les émissions de SO2 le 31 mai 2020. Les scientifiques du HVO donnent aujourd’hui plus de détails sur la technique de mesure de ce gaz.

Pour mesurer les émissions de SO2, les scientifiques du HVO commencent par monter un spectromètre ultraviolet (UV) sur la carrosserie d’une voiture ou la carlingue d’un avion. Dans la mesure où le SO2 est invisible et peut ne pas coïncider parfaitement avec les parties visibles du panache éruptif, ils déterminent l’endroit où le SO2 est susceptible de se trouver en fonction de la direction du vent.

Puis, en partant du ciel clair d’un côté du panache, ils balayent toute la largeur inférieure du panache et retrouvent le ciel clair de l’autre côté. Le spectromètre est d’abord orienté vers le ciel et, comme le SO2 absorbe les rayons UV, l’appareil détecte ensuite une quantité d’UV moins importante lorsqu’il se trouve sous le panache de gaz contenant du SO2. Le spectromètre mesure la quantité de SO2 qui se trouve au-dessus de lui dans une trajectoire verticale ; c’est la « longueur de trajet de concentration. » (concentration-path-length).

Cette longueur de trajet de concentration associe la concentration et le trajet en une seule unité, ppm ∙ m (parties par million par mètre). Un panache de 1 mètre d’épaisseur avec une concentration de 10 ppm de SO2 équivaut à 10 ppm ∙ m. Il en va de même pour un panache de 10 mètres d’épaisseur avec une concentration de seulement 1 ppm de SO2. La quantité de SO2 est la même, elle est simplement distribuée différemment.

Toutes ces mesures mises ensemble sur la largeur du panache fournissent des indications sur une section transversale de ce même panache et montrent quelle quantité de SO2 se trouvait au-dessus du spectromètre en chaque point de mesure. Cette section transversale qui incorpore la largeur du panache en mètres, permet de connaître la surface de gaz dans cette zone, avec des unités de ppm ∙ m2 (parties par million par mètre carré).

Une fois que les scientifiques ont calculé cette section transversale, ils utilisent la vitesse du panache (en mètres / seconde) pour déterminer le nombre de sections transversales – mais aussi la quantité de gaz – dans un certain laps de temps. Cela conduit à des unités de ppm ∙ m3 / s (parties par million par mètre cube par seconde), autrement dit un volume de gaz émis avec une certaine concentration de SO2 par seconde.

Dans la mesure où on sait combien pèse une molécule de SO2, on peut convertir ce volume en masse (en kilogrammes ou en tonnes), et on peut convertir les secondes en jours. C’est ainsi que procèdent les scientifiques pour déterminer les flux de SO2 qui sont généralement exprimés en tonnes / jour (t / j). Grâce aux résultats obtenus, les scientifiques du HVO peuvent comparer les émissions de SO2 de l’éruption actuelle avec celles des éruptions précédentes du Kilauea.

Ainsi, lorsque le HVO a commencé à utiliser des mesures UV en 1979, les émissions de SO2 au sommet du volcan atteignaient en moyenne 500 t / j ou moins. Entre 1983 et 2008, l’éruption du Pu’uO’o émettait en moyenne 2000 t / j. Après des émissions relativement élevées au début de l’éruption sommitale de 2008-2018, les émissions du lac de lave se sont stabilisées à près de 5 000 t / j tandis que les émissions du Pu’uO’o chutaient  à quelques centaines de t / j.

L’éruption de 2018 a eu des émissions très élevées, avec près de 200 000 t / j ; ce sont les émissions les plus élevées jamais enregistrées sur le Kilauea.

Après l’éruption de 2018, les émissions de SO2 du Kilauea ont chuté à une trentaine de tonnes par jour.

Au début de la nouvelle éruption en décembre 2020, les émissions de SO2 au sommet du Kilauea étaient de 30 000 à 40 000 t / j. Les services sanitaires ont mis en garde le public sur la mauvaise qualité de l’air et ses dangers pour la santé.

Après l’arrêt de l’activité dans la fissure nord de l’Halema’uma’u le 26 décembre 2020, les émissions de SO2 ont progressivement baissé pour atteindre environ 2500 t / j le 11 janvier 2021, signe que l’activité éruptive diminuait..

Source: USGS / HVO.

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Sulphur dioxide (SO2) is one of the main gases emitted by volcanoes. Kilauea’s Lower East Rift Zone (LERZ) eruption in 2018 released huge amounts of sulphur dioxide and the whole Hawaiian archipelago was sometimes invaded by the volcanic fog, or vog. Today, during the Halema’uma’u eruption, SO2 plumes are pushed by the trade winds and disturb life in downwind areas. So, it is important to know how much of this gas is emitted for understanding implications for human health during volcanic eruptions.

I wrote a post about SO2 emissions on May 31st, 2020. In a new article, HVO scientists give more details about how to measure this gas.

To measure SO2 emission rates, HVO scientists begin by mounting an ultraviolet (UV) spectrometer to a car or an aircraft. Since SO2 is invisible and may not perfectly coincide with visible parts of the plume, they determine where the SO2 should be based on wind direction.

Then, starting under clear sky on one side of the plume, they traverse underneath the entire width of the plume, and end up back under clear sky on the other side.

The spectrometer looks up at the sky and, because SO2 absorbs UV radiation, it detects less incoming UV when it is under the gas plume where there is SO2. It measures how much SO2 is above it in the vertical ‘path’ where the spectrometer is looking – the ‘concentration-path-length’.

Concentration-path-length combines concentration and path into a single unit, ppm∙m (parts per million meters). A 1-metre-thick plume with a concentration of 10 ppm (parts per million) of SO2 is equivalent to 10 ppm∙m. So is a 10-metre-thick plume with a concentration of only 1 ppm of SO2. The amount of SO2 is the same, it is just distributed differently.

All those concentration-path-length measurements put together across the plume’s width make a ‘slice’, or cross-section, through the plume, showing how much SO2 was above the spectrometer at each point. That slice, since it incorporates the plume width in metres, is the area of the gas in a cross-section of plume, with units of ppm∙m2 (parts per million square metres).

Once the scientists have that cross-section, they use plume speed (in metres/second) to determine how many of those cross-sections – and how much gas – are passing overhead in a certain amount of time. That brings them to units of ppm∙m3/s (parts per million cubic metres per second)—which is a volume of gas with a certain concentration of SO2 each second.

Because one knows how much a molecule of SO2 weighs, one can convert that volume into a mass (in kilograms or tonnes), and one can convert seconds to days. That is how scientists derive the emission rates of SO2, which are usually presented in units of tonnes/day (t/d).

With the results they obtain, HVO scientists are able to compare SO2 emission rates from the current eruption to those emitted by previous Kilauea eruptions.

When HVO began to use UV measurements in 1979, the summit averaged about 500 t/d of SO2 or less. Between 1983 and 2008, Kilauea’s Pu’uO’o eruption averaged around 2,000 t/d. After higher emission rates early in the 2008–2018 summit eruption, the lava lake emissions stabilized near 5,000 t/d while Pu’uO’o’s emissions fell to a few hundred t/d.

The 2018 eruption had very high emission rates of nearly 200,000 t/d, the highest recorded emissions from Kilauea. Following the 2018 activity, Kilauea emissions dropped to only about 30 t/d.

At the beginning of the new eruption in December 2020, Kilauea summit emission rates were 30,000–40,000 t/d. The Department of Health warned the public of potential hazardous, poor air quality. It advised residents and visitors to be prepared and aware of the surrounding conditions. Since the north fissure activity ceased on December 26, 2020, SO2 emissions have progressively dropped and reached about 2,500 t/d on January 11th, 2021, a sign that the eruption rate has decreased.

Source : USGS / HVO.

 

Panaches de gaz sur le Kilauea (Photos : C. Grandpey)

Un nouveau laboratoire pour le HVO (Hawaii) // New lab for HVO (Hawaii)

L’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO), géré par l’USGS, vient d’acquérir un nouveau laboratoire qui permettra aux scientifiques de mieux comprendre les propriétés physiques des téphras. Le mot « tephra » ou « téphra » fait référence à tous les types et toutes les tailles de fragments de roche projetés par un volcan en empruntant une trajectoire aérienne lors d’une éruption. Les téphras incluent les cendres, les bombes, les scories ou même les cheveux et les larmes de Pelé.

Ce nouveau laboratoire d’analyse de téphras permettra au HVO de déterminer la densité, la taille et la forme des particules, ainsi que les différents types de téphras émis par un volcan. En utilisant ces informations, les géologues du HVO seront en mesure d’analyser toute une gamme de phénomènes, depuis l’ascension du magma et le processus éruptif jusqu’aux dépôts de cendres laissés par les  éruptions du passé. Il est important d’obtenir ces mesures aussi précisément et rapidement que possible lors d’une éruption.

Le nouveau laboratoire du HVO est unique par sa capacité à analyser une vaste gamme d’échantillons, de un mètre à un micron (10-6 m). Le traitement des échantillons est non destructif et l’analyse est rapide. Chaque type de mesure ne prend que quelques minutes, et on estime que l’ensemble des mesures prend 1 à 2 heures. La méthode non destructive d’utilisation de ces nouveaux instruments est révolutionnaire ; elle permet aux chercheurs d’effectuer une suite complète d’analyses sur le même échantillon – au lieu d’utiliser différents échantillons du même matériau – pour une compréhension plus complète des éruptions. Cela permet également de préserver dans leur intégrité tous les  échantillons.

La première étape consiste à étudier les composants de l’échantillon afin de comprendre à quel type d’éruption les scientifiques sont confrontés.

Pour les échantillons de téphras prélevés directement sur le terrain, le HVO dispose de deux nouveaux stéréoscopes à lumière réfléchie. Lors de leur utilisation, les géologues peuvent séparer manuellement les différents composants de l’échantillon, tels que la lave juste prélevée, les cristaux, ou les petits morceaux de la paroi du cratère.

Au cours de l’étape suivante, les chercheurs mesurent la densité des échantillons. Pour les échantillons de lave, la mesure de la densité permet de comprendre quelle était la consistance du magma lors de son émission ; cela renseigne sur la dynamique de l’éruption. La densité de l’échantillon est déterminée en mesurant sa masse et son volume. Pour les morceaux de téphra de plus de cinq centimètres, le volume est calculé à l’aide d’un scanner 3D, puis l’échantillon est pesé. Les grains plus petits, depuis les lapilli jusqu’à la poudre de cendre, sont placés dans un pycnomètre à gaz, une machine qui calcule la densité directement en utilisant le principe d’Archimède de déplacement du volume en injectant de l’azote gazeux. Les pycnomètres fonctionnent aussi bien avec des scories et de la pierre ponce qu’avec des cendres ; ils permettent de comprendre la dynamique des éruptions.

La troisième étape est la mesure de la taille des échantillons, ce qui donne des informations sur la façon dont le magma s’est fragmenté pour produire des téphras pendant les épisodes de fontaines de lave et les explosions. Les fragments de plus de 3 centimètres sont tamisés à la main, de manière traditionnelle, tandis que les grains plus petits sont soumis à un Camsizer, un appareil de dernière génération qui photographie chaque fragment et convertit l’image en mesure de la taille. Le flux de particules passe devant une source de lumière stroboscopique LED ultra lumineuse et plane. Les Camsizers peuvent mesurer des dizaines de milliers de fragments en seulement 5 minutes. De plus, ils utilisent les images pour mesurer la forme 2D des fragments en utilisant des paramètres mathématiques établis. Les informations concernant la taille des fragments sont essentielles pour les modèles de fontaines de lave et de cendres.

L’étape finale peut prendre des semaines, voire des mois. Elle consiste à découper les échantillons en fines lamelles et à les étudier au microscope pétrographique. Le HVO possède deux nouveaux microscopes pétrographiques avec différents ensembles de lentilles: l’un peut évaluer la taille des bulles, la texture des bulles ainsi que la texture de mélanges de magmas, tandis que l’autre peut se concentrer sur les cristaux et les inclusions.

Les nouveaux instruments d’analyse de téphras que vient d’acquérir le HVO sont actuellement en cours d’étalonnage. Les échantillons prélevés pendant l’éruption en cours seront les premiers analysés. Ce nouveau laboratoire permet une analyse quasiment en temps réel des produits émis et donc une meilleure surveillance des éruptions.

Source: USGS / HVO.

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The USGS Hawaiian Volcano Observatory (HVO) has been granted a new laboratory that will allow scientists to better understand the physical properties of tephra.

Tephra is any type and size of rock fragment that is ejected from a volcano and travels an airborne path during an eruption. Examples include ash, bombs, scoria, or Pele’s hair and Pele’s tears.

The tephra lab will help HVO determine the density, size, and shape of individual tephra particles along with types of tephra. Using this information, HVO geologists can analyse a range of topics, from magma ascent and eruption processes to ashfall deposits from past explosive eruptions. It is important to get these measurements as accurately and quickly as possible during an eruption.

HVO’s new lab is unique in its ability to analyze a wide size range of samples, from one metre to one micron (10-6 m). The sample processing is non-destructive and analysis is fast with each type of measurement taking only minutes, and all measurements are estimated to take 1–2 hours total. The non-destructive nature of these new instruments and methods is revolutionary and allows researchers to perform a full suite of analyses on the same sample, instead of different samples of the same material for a more integrated understanding of eruptions. This also allows samples to be fully preserved.

The first step consists in studying the sample components. Componentry helps understand what type of eruption scientists are dealing with.

For tephra samples straight from the field, HVO has two new stereoscopes that use reflected light. Looking through them, geologists can manually separate the different components that might make up the sample, such as fresh glassy lava, crystals, and small pieces of the crater wall.

Next, the researchers measure density. For pieces of lava, measuring density helps understand how frothy the magma was when it erupted, which tells us about eruption dynamics.

Sample density is determined by measuring its mass and volume. For pieces of tephra larger than five centimetres, the volume is calculated using a 3D scanner, and then the sample is weighed. Smaller grains from gravel to powdery ash sizes will be placed in a pycnometer, a machine that calculates density directly using Archimedes principle of volume displacement with nitrogen gas. The pycnometers work with foams (scoria and pumice) as well as ash and helps understand eruption dynamics.

Then, the samples will be measured for size, which give information about how magma gets ripped apart to produce tephra from lava fountains and explosions. Fragments larger than 3 centimetres are sieved in the traditional manual way, while smaller grains will run through one of the new Camsizers ; this is a machine that photographs each fragment and converts the image to a size measurement. The Camsizers can measure tens of thousands of fragments in as little as 5 minutes. Additionally, they use the images to measure the 2D shape of fragments using established mathematical parameters. Size information is essential for models of lava fountaining and ashfall.

A final step that may take weeks to months. It consists in turning pieces into a thin section for final analysis on a petrographic microscope. HVO has two new petrographic microscopes with different sets of lenses: one can assess bubble sizes, bubble textures, and magma-mixing textures, while the other can focus on crystals and melt inclusions within them.

HVO’s new tephra lab instruments currently being calibrated. Samples from the current eruption will be the first analyzed. The HVO tephra lab brings physical volcanology monitoring of eruptions to near-real time analysis.

Source : USGS / HVO.

Photo : C. Grandpey

La planète Mars en Islande //Mars in Iceland

Dans les années 1960, la NASA a débarqué en Islande afin de tester des équipements pour les missions lunaires. Plusieurs fois, des astronautes se sont entraînés dans le désert de ponce de l’Odadahraun pour préparer l’alunissage de 1969. L’environnement de ce désert présente en effet de nombreux points communs avec la Lune.

En 2019, la NASA est retournée en Islande pour tester le rover Sand-E, qui est destiné à chercher des signes d’ancienne vie microbienne sur Mars.

Dans quelques jours, une équipe internationale de scientifiques se rendra sur le champ de lave de l’Holuhraun pour tester un «concept d’exploration de Mars de nouvelle génération». Le projet d’un million de dollars a été baptisé RAVEN.

Situé au nord du glacier Vatnajökull, dans les hauts plateaux du centre de l’Islande, le champ de lave de l’Holuhraun a été formé par une éruption de plusieurs mois qui a commencé en août 2014 et s’est terminée en février 2015. Ce qui intéresse particulièrement la NASA, c’est que la lave de l’Holuhraun s’est mise en place sur une zone sableuse très semblable à certains terrains martiens.

Le projet RAVEN implique une équipe de plus de 20 scientifiques et ingénieurs et présente une nouvelle approche de l’exploration spatiale. Les missions robotiques précédentes étaient essentiellement destinées à collecter des données. Elles ont été suivies d’une sonde spatiale placée en orbite, puis d’un « lander » (robot au sol) qui étudiait la surface de la planète à un endroit précis. Après cela, on a envoyé sur Mars un « rover » conçu pour se déplacer à la surface de la planète.

Le concept RAVEN est orienté vers l’élaboration de nouvelles technologies et procédures permettant à deux robots de fonctionner ensemble sur un corps extraterrestre. Les scientifiques vont étudier dans quelle mesure un rover et un drone peuvent collaborer pour améliorer au maximum le résultat scientifique d’une telle mission. La plupart des terrains volcaniques de Mars sont trop difficiles pour permettre à un rover de les parcourir. Le projet RAVEN espère surmonter cet obstacle à l’aide d’un drone. En volant devant le rover, le drone sera en mesure de guider le rover en repérant des trajectoires possibles. Il pourra aussi prélever des échantillons dans des endroits que le rover ne sera pas capable d’atteindre.

Source: Iceland Review.

Voici une excellente vidéo résumant parfaitement la mission RAVEN :

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In the 1960s, NASA visited Iceland in order to test equipment for le lunar missions. Several times, astronauts trained to prepare for the 1969 moon landing in the Odadahraun pumice desert whose environment has many common points with the Moon. In 2019, NASA returned to Iceland to test the Sand-E space rover, which will search for signs of ancient microbial life on Mars.

In a few days, an international team of scientists will use the Holuhraun lava field to test a “next-generation Mars exploration concept.” The one-million-dollar project is named RAVEN.

Located north of Vatnajökull glacier, in Iceland’s Central Highland, the Holuhraun lava field was formed by a months-long eruption that began in August 2014 and ended in February 2015. What makes Holuhraun especially interesting to NASA is that the lava was emplaced in a sandy area, which is very similar to what some Martian terrains look like.

The RAVEN project involves a team of over 20 scientists and engineers and presents a novel approach to space exploration. Previous robotic missions have consisted in flyby passes to collect data, followed by a space probe placed in orbit, then a lander which studied the surface in one place, and finally a rover built to move around the surface.

The RAVEN concept is geared towards building new technology and procedures for two robots to work together on an extraterrestrial body. Scientists are going to look at how a rover and a drone can work together to maximize the scientific output of such a mission.

Many of the young, volcanic terrains on Mars are too rough for a rover to traverse. RAVEN intends to overcome this obstacle with the help of a drone. By flying ahead of the rover, the drone will be able to scout possible paths for the rover as well as retrieve samples that the rover itself cannot reach.

Source : Iceland Review.

See above a video perfectly summarizing the RAVEN mission.

L’Odadahraun a servi de terrain d’entraînement pour les missions lunaires (Photo : C. Grandpey)

Nouveau déménagement de la station Halley VI en Antarctique? // Will the Halley VI station again have to be moved in Antarctica?

Au cours de ma conférence «Glaciers en Péril», j’explique que le continent antarctique fond lui aussi sous les coups de boutoir du réchauffement climatique. Pour illustrer ce phénomène, je donne l’exemple de la station Halley VI du British Antarctic Survey (BAS) qui a dû être déplacée vers un endroit plus sûr en 2017 car elle risquait de partir à la dérive sur l’océan à bord d’un iceberg. Une énorme fissure s’était ouverte dans la plateforme glaciaire où elle se trouve. L’ensemble de la station a été déplacé sur des skis sur plus de 20 km.

La station Halley VI repose sur la Brunt Ice Shelf, une plateforme glaciaire qui est un amalgame de glace issu d’un glacier qui avance vers la mer. Les observations satellitaires des dernières semaines ont révélé l’apparition d’une nouvelle fracture dans la plateforme et l’accélération du mouvement de certaines zones de glace. Cette accélération est marquée en rose clair sur la carte ci-dessous. Un vêlage ne saurait donc être écarté. Si un iceberg devait se détacher, il aurait probablement une superficie d’environ 1 500 kilomètres carrés.

Le BAS dispose d’un réseau de capteurs GPS placés sur la plate-forme glaciaire de Brunt. Ils ont décelé les mêmes mouvements que ceux observés par le satellite Sentinel-1.

Le BAS est convaincu que la station Halley ne partira pas à la dérive sur un iceberg dans le court terme, mais doit s’assurer de la stabilité de la plate-forme glaciaire avant d’y installer du personnel qui y restera toute l’année.

Le British Antarctic Survey, comme tous les autres organismes internationaux de recherche polaire, a réduit ses opérations pendant cette saison estivale en Antarctique à cause du coronavirus. Tout est fait pour empêcher la propagation du virus sur ce continent où les installations médicales sont limitées. La situation actuelle va forcément devoir entraîner la fermeture de la station Halley jusqu’à l’été, mais aussi une présence beaucoup plus réduite du Royaume-Uni à Rothera, sa principale installation dans la Péninsule Antarctique. Aucune recherche sur le terrain ne sera effectuée cette année.

Source: La BBC.

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In my conference « Glaciers at Risk », I explain that the Antarctic continent is melting too because of climate change and global warming. To illustrate this phenomenon, I give the example of the British Antarctic Survey (BAS) Halley VI station which had to be moved to a more secure location in 2017 as it was under threat of drifting away on the ocean on an iceberg. A huge crack had opened in the ice shelf. The whole station was dragged on skis over 20 km upstream

Halley VI station sits on a floating platform of ice known as the Brunt Ice Shelf. This platform is an amalgam of glacier ice that has pushed out from the land into the sea. Satellite observations in recent weeks have recorded the development of yet another crack and the acceleration in the movement of some ice areas. The new speed-up in the ice at the shelf edge is marked in light pink in the map below.

A calving here is a real possibility. If an iceberg happens to break away, it will likely have an area of about 1,500 square kilometres.

BAS has a network of GPS sensors placed across the Brunt Ice Shelf. These sensors have picked up the same movements observed by Sentinel-1.

BAS is confident that Halley itself is still away from the potential iceberg action but it needs more certainty about the stability of the Brunt Ice Shelf before it can allow more staff back into the station on a year-round basis.

BAS, like all the international polar research organisations, has cut back its operations during this Antarctic summer season because of coronavirus. Every effort is being made to prevent the virus’ spread to the continent where medical facilities are limited. The situation has meant not only Halley is continuing its winter shutdown into the summer, but also that there is a much reduced presence at the UK’s main Antarctic facility at Rothera on the Antarctic Peninsula. No field research is being conducted this year.

Source: The BBC.

Déplacement d’un module de la station Halley VI en2017

Vitesse de déplacement de la plateforme glaciaire de Brunt

(Source : British Antarctic Survey)