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Le GPS et la surveillance volcanique // GPS and volcano monitoring

drapeau-francaisLe GPS (Global Positioning System) fait aujourd’hui partie de notre vie quotidienne. Beaucoup de gens en possèdent au moins un exemplaire, que ce soit dans leur smartphone (téléphone intelligent) ou dans leur voiture
Le GPS est également devenu un outil indispensable dans la surveillance volcanique. La Grande Ile d’Hawaii a été dotée d’un réseau de plus de 60 stations GPS conçues pour la recherche scientifique et exploitées par le personnel de l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO). Ces stations sont utilisées pour contrôler les mouvements du sol et détecter ce qui se passe à l’intérieur et autour des volcans hawaïens.
En effet, lorsque le magma s’accumule dans le système d’alimentation d’un volcan, il fait monter la pression dans la chambre magmatique, ce qui provoque une inflation de l’édifice volcanique. A l’inverse, lorsque le magma s’évacue de la chambre (lors d’une éruption, par exemple), on enregistre une phase de déflation de l’édifice.
En mesurant le mouvement des stations GPS par rapport au réservoir magmatique, les scientifiques du HVO peuvent estimer la quantité de magma qui se déplace à l’intérieur et à l’extérieur du système d’alimentation. Avec un réseau dense de capteurs fournissant des données en continu, ils peuvent également détecter les changements susceptibles d’indiquer une ascension du magma vers la surface.
Les données GPS sont cruciales pour mesurer d’autres phénomènes volcaniques. Par exemple, elles sont utilisées pour contrôler le flanc sud du Kilauea et son mouvement vers l’océan, un processus qui crée des contraintes pouvant provoquer des séismes. Les grands séismes entraînent également des déplacements du sol qui peuvent être mesurés avec des GPS de qualité scientifique.
L’instrumentation dans une station GPS scientifique utilise les mêmes signaux qu’un smartphone ou un GPS automobile. Cependant, il y a deux différences importantes. Tout d’abord, les GPS scientifiques sont immobiles. Les antennes GPS à Hawaii sont solidement arrimées, étant donné que leur fonction est de mesurer les mouvements du sol proprement dit.
La seconde différence est la façon dont le HVO analyse les signaux GPS. Les instruments envoient des données via des liaisons sans fil au HVO où les scientifiques calculent les positions à l’aide d’une méthode beaucoup plus précise que celle dont dispose un appareil portatif. En fin de compte, les scientifiques obtiennent des positions précises à quelques millimètres près. Cela signifie qu’ils peuvent détecter des modifications très faibles et très lentes dans la morphologie du terrain.
Les GPS scientifiques fournissent également des mesures précises pour des mouvements du sol importants et rapides, comme ceux qui se produisent avant et pendant une éruption ou une intrusion magmatique.
Les évolutions récentes dans les techniques de traitement de données GPS scientifiques ont élargi leur champ d’applications. Elles sont capables de fournir des mises à jour seconde par seconde sur les mouvements du sol et calculer ces derniers en temps réel, ou quelques secondes seulement après leur collecte.

Même si les données GPS en temps réel ont une précision inférieure aux données GPS calculées sur une journée entière, elles peuvent détecter de manière fiable les mouvements du sol d’environ 5 cm, et des améliorations sont en cours pour augmenter cette précision.

Dans les jours, les heures et les minutes qui précèdent une éruption, la rapidité du HVO pour déterminer la direction empruntée par le magma devient essentielle. Plus grande sera la vitesse de réaction des scientifiques et plus précises seront les données fournies par les instruments, plus vite ils pourront informer et fournir des conseils à la Protection Civile et à la population sur le lieu et l’impact possible de l’éruption.
Source: USGS / HVO.

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drapeau-anglaisThe Global Positioning System (GPS) has become part of everyday life. Many people have it in their cell phones or in their cars

GPS has also become an indispensable tool in volcano monitoring. Hawaii Big Island has been equipped with a network of over 60 scientific-grade GPS stations operated by scientists at the USGS Hawaiian Volcano Observatory (HVO). They are used to monitor ground motion and detect what is happening inside and around Hawaiian volcanoes.

Indeed, as magma accumulates in a volcano’s plumbing system, it increases the pressure in the magma chamber, which pushes the ground outward. On the contrary, when magma leaves the chamber (during an eruption, for instance), the ground is drawn back inward.

By measuring the motion of GPS instruments toward and away from the magma reservoir, HVO scientists can estimate how much magma is moving in and out of the system. With a dense network of sensors and continuous data, they can also detect changes that might indicate magma movement toward the surface.

GPS data are also crucial for measuring other phenomena on the volcano. For example, GPS data are used to monitor the movement of Kilauea’s south flank toward the ocean, a process that creates stresses that can lead to earthquakes. Large earthquakes also produce permanent ground displacements that can be measured with scientific-grade GPS.

The instrumentation in a scientific GPS station utilizes the same signals as a cell phone or car navigation system. However, there are two key differences. First, scientific GPS instruments are not moved around. GPS antennas are tightly fixed to the ground, because their purpose is to measure the motion of the ground itself.

The second difference is the way HVO analyzes signals from GPS satellites. The instruments send data via wireless links to HVO, where scientists calculate positions by using a method which is far more accurate than a hand-held device can provide. In the end, they obtain positions precise to several millimetres. This means they can track very small and slow changes in the shape of the ground.

Scientific GPS also provides accurate measurements of large, fast motions, like those that occur before and during an eruption or intrusion.

Recent developments in data processing techniques have extended the use of scientific GPS data to provide second-by-second updates in ground position and to calculate these in “real-time,” or within seconds of data collection.

While “real-time” GPS has lower accuracy than GPS positions calculated over an entire day, they can now reliably detect motions of about 5 cm, and improvements are in progress to increase this accuracy. In the days, hours, and minutes leading up to an eruption, the speed at which HVO can determine where magma might be headed becomes critical. The more accurately and quickly scientists can get this information, the faster they can provide guidance to emergency managers and the public about possible eruption locations and impacts.

Source : USGS / HVO.

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Ce graphique – rafraîchi quotidiennement – montre les modifications de distance entre les deux stations GPS (carrés verts sur la carte) situées de part et d’autre de la caldeira du Kilauea.

Les ours d’Anchorage (Alaska) // The bears of Anchorage (Alaska)

drapeau francaisAvec l’aide de colliers GPS et Internet, les autorités locales ont désormais la possibilité de suivre les déplacements et le mode de vie de neuf ours vivant à l’intérieur ou à proximité de la ville d’Anchorage.
Le Ministère de la Pêche et de la Chasse a fixé des colliers GPS et des caméras vidéo sur six ours noirs et trois ours bruns au cours des étés 2012 et 2013 pour recueillir des données sur les déplacements des ours. Chacun des ours portait le collier pendant environ six semaines. Le dispositif de repérage par GPS a enregistré la localisation des ours toutes les 20 minutes. Les caméras ont effectué des enregistrements toutes les cinq minutes pendant 10 secondes jusqu’à ce que les batteries soient vides.
Les données recueillies peuvent être vues sur la carte ci-dessous, également mise en ligne sur le site web du Ministère. Les données montrent ce que font les ours, où ils vont et ce qu’ils mangent. On remarque que les ours consomment « beaucoup d’aliments naturels » à Anchorage. Malgré tout, comme les animaux ont un accès facile à des sources d’alimentation humaine comme les ordures, les graines pour oiseaux dans les mangeoires et la nourriture pour animaux de compagnie laissée à l’extérieur des maisons,  cela peut entraîner des « situations conflictuelles entre les humains et les ours.  »
Source: Alaska Dispatch News.

A noter qu’une mère et ses quatre oursons qui rôdaient dans le quartier de Government Hill à Anchorage ont été capturés et mis à l’isolement avant d’être relâchés dans une étendue sauvage, ailleurs en Alaska. Ils sont équipés de colliers GPS afin de suivre leurs déplacements.

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drapeau anglaisWith help from GPS collars and the Internet, local authorities now have the opportunity to follow the lives of nine urban bears living in or near Anchorage.

The Alaska Department of Fish and Game put GPS collars and video cameras on six black bears and three brown bears in the summers of 2012 and 2013 to gather data on the bears’ movements. Each of the bears wore the collars for about six weeks. The GPS tracking device recorded the bears’ location about every 20 minutes. Cameras recorded video every five minutes for 10 seconds until the batteries died.

The data collected can be seen on the map below, also posted at the Fish and Game’s website. The data includes video, what the bears were doing, where they went and what they were eating. The release notes the bears have “plenty of natural foods” in Anchorage, but because the animals have easy access to human-supplied food sources – such as garbage, birdseed, and pet food left outside – there are also “human-bear conflicts.”

Source: Alaska Dispatch News.

A sow and her four cubs that had been recently seen roaming in the Government Hill neighbourhood of Anchorage have been captured and isolated in the zoo. A few days later, they were released in wild spaces elsewhere in Alaska. They were fitted with GPS collars to follow their whereabouts.

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Source:  Department of Fish and Game

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Exemple de collier GPS utilisé pour localiser les ours.  (Photo:  C.  Grandpey)

Le GPS et la hauteur du panache éruptif // GPS and height of the eruptive plume

drapeau francaisDepuis l’éruption de l’Eyjafjöll en 2010 et la panique générale qu’elle a déclenchée dans le trafic aérien en Europe, les chercheurs essayent de trouver des solutions pour que pareille mésaventure ne se reproduise pas. On a beaucoup parlé (et, me concernant, émis des réserves !) d’un système embarqué à bord des avions et qui serait capable de détecter la densité des nuages de cendre. La revue Nature Geoscience nous apprend aujourd’hui que le GPS pourrait permettre d’évaluer la hauteur du panache éruptif et donc, lui aussi, apporter des solutions aux problèmes rencontrés par le trafic aérien en cas d’éruption.

Ce sont des volcanologues islandais qui font part de cette information. Cette fois, ce n’est pas l’Eyjafjöll qui est concerné, mais le Grimsvötn, un volcan qui se cache sous la glace du Vatnajökull. Il est entré en éruption en 2011, avec un panache de cendre de 20 km de hauteur qui a perturbé le trafic aérien au Royaume Uni.

Selon les scientifiques islandais, le GPS aurait un double avantage : il permettrait non seulement de prévoir les éruptions, mais aussi de déterminer la hauteur du panache de cendre qu’elles génèrent.

L’univers de glace du Grimsvötn  rend difficile l’installation d’instruments de mesure. Par chance, les volcanologues islandais avaient pu placer un équipement GPS sur un petit éperon rocheux rendu accessible grâce à une fumerolle. Une heure avant l’éruption du Grimsvötn en 2011, le GPS a révélé un déplacement significatif du sol de plus de 50 centimètres. En mettant en oeuvre les équations qui décrivent les caractéristiques physiques d’une chambre magmatique, les scientifiques ont traduit les données GPS sur les mouvements du sol en variations de pression à l’intérieur de la chambre. Le résultat donnait une indication sur la hauteur probable du panache éruptif. Les volcanologues islandais comparent le phénomène à un ballon qui serait rempli d’eau. Quand on comprime ses parois, l’eau jaillit et la hauteur du jet dépend de la pression exercée sur les parois du ballon. Dans le cas d’un volcan, les sismographes indiquent qu’une éruption est susceptible de se produire, mais seul le GPS est capable de donner une idée de la taille de l’éruption.

L’installation de balises GPS sur des volcans difficiles d’accès, comme ceux des Iles Aléoutiennes par exemple, pourraient donner des indications sur la hauteur des panaches de cendre dans une région empruntée par les vols entre l’Amérique et l’Asie. Le principal problème reste le coût d’installation de stations GPS performantes à une époque où les fonds alloués aux observatoires rétrécissent comme peau de chagrin. De plus, il faudrait tester à nouveau le système lors d’une prochaine éruption pour s’assurer de sa fiabilité.

drapeau anglaisSince the eruption of Eyjafjöll in 2010 and the panic it triggered in European air traffic, researchers have tried to find solutions to avoid a similar mishap. Many comments (and reservations, as far as I’m concerned!) have been made about a system on board the planes that would be able to detect the density of the ash clouds. When reading the Nature Geoscience review, we learn that GPS could help estimate the height of the ash plume and, as such, bring solutions to the problems encountered by air traffic during an eruption.

The piece of news comes from Icelandic scientists. In their opinion, GPS might have a dual advantage: It would not only allow to predict eruptions, but also the height of the ash plumes they generate.

The icy universe of Grimsvötn makes it difficult to set up measuring instruments. Fortunately, Icelandic volcanologists had managed to install a GPS system on a rocky outcrop that was made accessible thanks to a fumarole. One hour before the start of the 2011 eruption, GPS had revealed a significant shift of the ground which had moved by more than 50 centimetres. By resorting to the equations that describe the physical characteristics of a magma chamber, the scientists could translate the GPS data about ground movement into changes in pressure inside the chamber. The results gave indications about the height of the eruptive plume. Icelandic volcanologists compare this phenomenon with a balloon filled with water. When you squeeze the walls of the balloon, then the height of the water coming out of the balloon correlates with how hard you were squeezing. On a volcano, seismographs indicate that an eruption is likely to happen, but the GPS system is the only one able to give an idea of the size of the eruption.

Setting up GPS systems on remote volcanoes like on the Aleutians could help indicate the height of the ash plumes in an area where air traffic between America and Asia is quite heavy. The main problem remains the cost of installing reliable GPS systems at a time when the funds allocated to observatories are being reduced year after year. Moreover, the system will need to be tested again during a future eruption so as to confirm its reliability.

Grimsvotn-blog

Image satellite du Grimsvötn le 22 mai 2011  (Crédit photo: NASA)