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Des signaux acoustiques pour détecter le début d’une éruption // Acoustic signals to detect the start of an eruption

La dernière éruption du Mauna Loa sur la Grande Ȋle d’Hawaï a commencé le 27 novembre 2022. Elle a été précédée d’une activité sismique intense environ une demi-heure avant que la lave soit visible sur les caméras de surveillance.

Image des premières heures de l’éruption sur la caméra thermique du HVO

Ces caméras sont essentielles pour contrôler l’activité éruptive mais les vues de l’activité peuvent être entravées par les nuages, le brouillard ou les gaz volcaniques. Il se peut aussi que les caméras ne couvrent pas suffisamment le site de l’éruption. C’est pourquoi l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO) et d’autres observatoires dans le monde utilisent d’autres méthodes pour tenter d’identifier l’activité éruptive même si le volcan n’est pas parfaitement visible.
Une de ces méthodes consiste à mesurer les bruits émis par une éruption. Ils s’éloignent progressivement de la source, comme le font les rides sur l’eau quand on y a jeté une pierre.
Les scientifiques installent régulièrement des réseaux de capteurs acoustiques sur les flancs des volcans. Ces capteurs sont capables de mesurer le bruit audible, mais aussi le bruit inaudible dont les fréquences (infrasons) ne sont pas perçues l’oreille humaine. Un traitement informatique de ces données est ensuite mis en oeuvre pour rechercher des signaux provenant d’une direction distincte.
Le HVO surveille les volcans hawaiiens à l’aide de données traitées en temps quasi réel en provenance de réseaux acoustiques qui mesurent les changements de pression autour du Kilauea et du Mauna Loa. Des réseaux de capteurs sont déployés sur le terrain pour permettre aux ordinateurs de rechercher des corrélations dans l’énergie acoustique provenant de centres d’éruption probables.
Le traitement des données permet de comparer toutes les formes d’ondes du réseau et examine la cohérence des ondes dans diverses conditions. Dans les tracés obtenus, les cohérences de forme d’onde sont marquées par des points rouges et orange et les incohérences par des points bleu clair et foncé. Les sons incohérents ressemblent à ceux que l’on peut entendre dans une forêt par une journée de grand vent, tandis qu’un son plus cohérent serait celui émis par une voiture qui klaxonne.
Les signaux acoustiques cohérents ont souvent des caractéristiques qui leur permettent d’être distingués lors du traitement des données. Deux bons indicateurs de cohérence sont la vitesse et la direction des ondes. Par exemple, près de la surface de la Terre, les sons se propagent généralement à des vitesses d’environ 300 à 400 mètres par seconde. Le réseau d’infrasons du HVO se trouve à l’intérieur du Parc national des volcans d’Hawaii et couvre un angle d’environ 300 degrés, tout en étant pointé vers le sommet du Mauna Loa. La détection automatique peut utiliser ces signaux (cohérence, vitesse et direction des ondes) pour permettre aux scientifiques de comprendre rapidement quand une éruption se produit au sommet du Mauna Loa.

La figure D ci-dessus montre qu’une légère activité éruptive a commencé vers 23 h 25. En réalité, l’activité a probablement commencé environ 2 minutes plus tôt, vers 23 h 23, étant donné qu’il faut environ 2 minutes au son pour voyager du sommet du Mauna Loa jusqu’au réseau de capteurs acoustiques.
La figure A montre qu’à 23 h 36, les coulées de lave émises par l’éruption avançaient rapidement à travers la caldeira sommitale du Mauna Loa. L’activité s’est intensifiée fortement vers 23h40.
Cela montre l’intérêt d’utiliser plusieurs lignes d’informations pour évaluer l’activité éruptive.
En plus des méthodes acoustiques, le HVO utilise une panoplie d’instruments, notamment en matière d »imagerie sismique, de déformation, d’analyse des gaz, ainsi qu’un réseau de caméras.
Source : USGS, HVO.

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Mauna Loa’s latest eruption on Hawaii Big Island started on Novembre27th, 2022. It was preceded by intense earthquake activity about half an hour before lava could be seen lava seen on the webcams.

Remote cameras are critical to confirm eruptive activity but, in many cases worldwide, views of the activity can be obscured. Clouds, fog or volcanic gas can block views, or cameras might not cover the eruption site. Hence, the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) and other observatories around the globe use other methods to attempt to identify eruption activity even if the volcano cannot be clearly seen.

One way to monitor volcanic activity is to measure the sounds of an eruption. They can rapidly travel away from the eruption vent in the same way a rock thrown into calm water can make ripples that move away from the source.

Scientists routinely install arrays of acoustic sensors on the flanks of volcanoes that can measure the audible and the inaudible noise which have frequencies (infrasounds) that human ears can’t sense. Computer processing is then used to look for signals that come from a distinct direction.

HVO monitors local volcanoes using rapidly processed near real-time data from acoustic arrays that measure pressure changes around Kīlauea and Mauna Loa. The grouped sensor arrays are deployed in the field to allow computers to look for correlations in acoustic energy from likely eruption centers.

The processing compares all waveforms of the array and looks at the coherency of the waves under a range of conditions. In the plots, strong waveform coherency are marked by red and orange dots and incoherent waves are marked by light and dark blue. Incoherent sounds are like those one can hear in the middle of a forest on a windy day and more coherent sound would be from a car honking on the road.

Coherent acoustic signals often have characteristics that allow them to be distinguished by the processing of array data, and two good indicators of coherency come from the wave speed and wave direction across the array. For example, near the surface of the Earth sounds usually travel at speeds of about 300 to 400 meters per second. The Hawaiian Volcano Observatory’s infrasound array is located in Hawai‘i Volcanoes National Park and has a compass direction of about 300 degrees, pointing back to Mauna Loa summit. Automated detection can use these characteristics (coherency, wave speed and direction) to improve the scientists’ ability to rapidly understand when an eruption is occurring at the Mauna Loa summit.

Panel D of the figure above shows that the compass back direction becomes very stable at about 11:25 p.m., which indicates that mild eruptive activity had started. Its timing was probably about 2 minutes earlier, at about 11:23 p.m., given that it takes about 2 minutes for sound to travel from the summit of Mauna Loa to the array of acoustic sensors.

Indeed, panel A of the figure above shows that by 11:36 p.m., lava flows being generated by the new eruption were rapidly expanding across the Mauna Loa summit caldera. The progression and expansion of the lava is followed by a strong intensification of that activity around 11:40 p.m.

This shows the value of using multiple lines of information to evaluate eruptive activity.

In addition to acoustic methods, the Hawaiian Volcano Observatory uses a full range of monitoring methods including seismic, deformation, gas and webcam imagery.

Source : USGS, HVO.

De plus en plus de vagues de chaleur simultanées // More and more simultaneous heat waves

Si vous aviez des doutes sur l’existence du réchauffement climatiques, voici quelques statistiques qui devraient vous faire réfléchir.

Une nouvelle étude effectuée par l’Université d’Etat de Washington et publiée dans le Journal of Climate montre que le nombre de vagues de chaleur simultanées a été multiplié par six entre les années 1980 et 2010 dans l’Hémisphère Nord.

Plusieurs vagues de chaleur survenant au même moment peuvent avoir des conséquences sociétales plus graves qu’un seul événement. Par exemple, les régions productrices de denrées alimentaires peuvent subir simultanément des pertes de récoltes liées à la chaleur. Des vagues de chaleur concomitantes peuvent aussi épuiser la capacité des pays à s’entraider en cas de crise, comme on l’a vu lors des multiples incendies de forêt aux États-Unis, au Canada et en Australie, associés aux vagues de chaleur de 2019 et 2020.

L’étude définit les grandes vagues de chaleur comme des événements de température élevée qui durent trois jours ou plus et couvrent au moins 1,6 million de kilomètres carrés, ce qui équivaut à peu près à trois fois la taille de la France. Les chercheurs ont analysé les données ERA5 produites par le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme.

Outre une fréquence plus élevée, l’étude montre que sur les 153 jours de la période chaude (mai à septembre), il y a eu des vagues de chaleur simultanées pendant 143 jours dans les années 2010, soit presque tous les jours.

Les épisodes de chaleur simultanés ont également gagné en chaleur et en ampleur : leur intensité a augmenté de 17 % et leur étendue géographique de 46 %.

D’après les auteurs de l’étude, le principal moteur des vagues de chaleur est l’augmentation globale de la température moyenne mondiale due au changement climatique. La planète s’est réchauffée d’environ 1,2°C depuis la période préindustrielle avec une accélération depuis 1975.

Les chercheurs ont également constaté que l’apparition croissante de deux schémas de circulation à l’échelle de l’hémisphère rendait certaines régions plus vulnérables aux vagues de chaleur simultanées, notamment l’est de l’Amérique du Nord, l’est et le nord de l’Europe, l’Asie de l’Est et la Sibérie orientale. Il y aurait donc aussi une influence du réchauffement sur la circulation atmosphérique, par le biais de modifications du jet stream. La variabilité météorologique quotidienne des latitudes moyennes est notamment le fruit de la dynamique du jet stream, ce qui entraîne une covariabilité des conditions météorologiques dans les régions éloignées.

Source : global-climat.

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If you had any doubts about the existence of global warming, here are some statistics that should make you think twice.
A new study by Washington State University published in the Journal of Climate shows that the number of simultaneous heat waves increased six-fold between the 1980s and 2010 in the Northern Hemisphere.
Several heat waves occurring at the same time can have more serious societal consequences than a single event. For example, food producing regions can simultaneously experience heat-related crop losses. Concomitant heat waves can also deplete the ability of countries to help each other in times of crisis, as seen in multiple forest fires in the United States, Canada and Australia, associated with heat waves in Canada. 2019 and 2020.
The study defines large heat waves as high temperature events that last three or more days and cover at least 1.6 million square kilometers, which is roughly three times the size of France. The researchers analyzed ERA5 data produced by the European Center for Medium-Range Weather Forecasts.
Besides a higher frequency, the study shows that of the 153 days of the warm period (May to September), there were simultaneous heat waves for 143 days in the 2010s, almost every day.
Simultaneous heat episodes also gained heat and magnitude: their intensity increased by 17% and their geographic extent by 46%.
The main driver of heat waves, according to the study’s authors, is the increase in global average temperature due to climate change. The planet has warmed by about 1.2 ° C since the pre-industrial era with an acceleration since 1975.
The researchers also found that the growing emergence of two hemisphere-wide circulation patterns made some regions more vulnerable to simultaneous heat waves, including eastern North America, eastern and eastern North America. northern Europe, East Asia and Eastern Siberia. Thus, there seems to be an influence of warming on atmospheric circulation, through modifications of the jet stream. The daily weather variability of mid-latitudes is notably the result of the dynamics of the jet stream, which leads to a covariability of weather conditions in remote regions.
Source: global-climat.

Source: Journal of Climate

Le cri du volcan // Volcano screaming

drapeau francaisLe tremor harmonique est un phénomène sismique fréquemment observé pendant les éruptions volcaniques, mais celui observé en 2009 pendant l’éruption du Mont Redoubt en Alaska a été tout à fait exceptionnel.

Avec un départ à une fréquence d’environ 1 hertz, il a culminé à 30 hertz ! Même sur l’île de Montserrat en 1997, le volcan de Soufriere Hills n’avait atteint qu’une fréquence de 3 hertz au maximum de la crise éruptive. La plupart du temps, le tremor harmonique se situe à une fréquence d’environ 1 hertz, bien trop faible pour être captée par l’oreille de l’homme pour qui la gamme des fréquences audibles commence à environ 20 hertz.

Pour mesurer la fréquence du Redoubt, les scientifiques américains de l’Université de l’Etat de Washington ont converti en son les données sismiques enregistrées pendant la phase pré-éruptive du volcan et ils ont ensuite accéléré l’enregistrement. La première bande d’enregistrement, un clip d’une dizaine de secondes correspondant à 10 minutes de données sismiques accélérées 16 fois, a révélé un tremor harmonique atteignant des fréquences de plus en plus élevées avant de cesser brusquement juste avant les six éruptions produites par le Redoubt.

Un autre enregistrement, avec une heure de quelque 1600 petits séismes compressés dans un clip d’une minute, donne le résultat suivant (mettre le son) :

http://soundcloud.com/uw-today/redoubtdrumbeats

C’est la première fois que ces vibrations – qui ressemblent au départ à des battements de tambours – sont explicitement liées au tremor harmonique.

Après avoir établi le lien entre le son à haute fréquence et les petits séismes à répétition, l’équipe scientifique de l’Etat de Washington a travaillé avec une équipe de l’Université de Stanford pour comprendre la cause de ce crescendo de fréquence qui cesse très brusquement. Selon les chercheurs de Stanford, cette hausse rapide serait due à une montée en pression dans les fractures à l’intérieur de l’édifice volcanique. Cette pression atteindrait 100 fois la pression atmosphérique et provoquerait 30 séismes par seconde. Plus la pression augmente, plus les séismes deviennent fréquents et rapprochés.

Toutefois, ce qui provoque cette pression énorme reste un mystère. Selon un scientifique, il se pourrait que la pression croissante oblige une partie du magma à cristalliser. Le bruit aigu correspondrait alors au frottement du reste du magma qui monte difficilement dans les conduits qui se rétrécissent. Cette hypothèse reste à vérifier.

Il est peu probable que l’étude des cris émis par le Redoubt permette de prédire les éruptions volcaniques mais elle pourrait permettre de mieux comprendre ce qui se passe dans le ventre du volcan pendant la phase pré-éruptive.

Source:  Synthèse de plusieurs articles parus dans la presse américaine.

 

drapeau anglaisThe harmonic tremor is a seismic phenomenon frequently observed during volcanic eruptions, but the tremor observed in 2009 during the eruption of Mount Redoubt in Alaska has been quite exceptional.
With a start at a frequency of about 1 Hz, it peaked at 30 hertz! Even on the island of Montserrat in 1997, the Soufriere Hills volcano had only reached a frequency of 3 Hz at the climax of the eruptive crisis. Most of the time, the harmonic tremor is recorded at a frequency of about 1 Hz, although too small to be detected by a man’s ear for whom the audible frequency range starts at about 20 Hz ..

To measure the frequency, Ms. Hotovec-Ellis converted into sound seismic data recorded from the volcano’s pre-eruption, and then sped up the recording. The first tape, a ten-second clip of ten minutes of data sped up 16 times, is a harmonic tremor ascending to higher and higher frequencies before coming to an abrupt halt just before the six eruptions.

Another recording, an hour of some 1,600 small earthquakes compressed into a one-minute clip, gives this result (turn on the sound):

http://soundcloud.com/uw-today/redoubtdrumbeats

This is the first time that the drumbeat of repeating earthquakes has been so explicitly linked to the harmonic tremor.

Having established the link between the high frequency and small repeated earthquakes, the scientific team of the State of Washington worked with another team of Stanford University to understand the cause of this crescendo of frequency that stops very abruptly. According to researchers at Stanford, this rapid rise is due to an increase in pressure in the fractures within the volcanic edifice. This pressure would reach 100 times atmospheric pressure and cause 30 earthquakes per second. The higher the pressure, the more frequent and the closer the earthquakes.
However, what causes this enormous pressure remains a mystery. According to a scientist, it is possible that the increasing pressure forces a portion of the magma to crystallize. The high-pitched noise might correspond to the friction of the rest of the magma that forces its way through narrowing conduits. This hypothesis remains to be checked.
It is unlikely that the study of the screams of Mount Redoubt will help predict volcanic eruptions but it might allow to better understand what is going on inside the volcano during the pre-eruptive phase.

Source: American press.

Redoubt-blog

Le Mont Redoubt  (Photo:  C. Grandpey)