Mesure de la hauteur du lac de lave du Kilauea (Hawaii) // Measuring the height of the Kilauea lava lake (Hawaii)

Comme je l’ai écrit à plusieurs reprises, le niveau du lac de lave dans le cratère de l’Halema’uma’u varie continuellement en fonction des variations – à la fois profondes et superficielles – dans le système d’alimentation magmatique. Lorsque les inclinomètres enregistrent une inflation de l’édifice volcanique, la lave s’élève dans l’Overlook Crater. Inversement, son niveau baisse lorsque les instruments enregistrent un épisode de déflation.
Thomas Jaggar, fondateur de l’Observatoire des Volcans d’Hawaï (HVO), fut peut-être le premier à reconnaître l’importance du niveau d’un lac de lave quand, il y a plus d’un siècle, il a lancé une campagne de mesures de l’Halema’uma’u. Ces mesures ont montré les fluctuations de niveau du lac pendant plus d’une décennie, jusqu’à sa vidange en 1924.
Contrairement aux apparences, la mesure du niveau d’un lac de lave n’est pas chose facile. Il n’existe pas de marégraphe ou de repère de profondeur de la lave dans le cratère. Aujourd’hui, les scientifiques du HVO utilisent essentiellement un télémètre laser pour calculer la hauteur du lac de lave, mais cette technique nécessite une vue bien dégagée du cratère. En conséquence, des mesures continues et cohérentes, jour et nuit, par tous les temps, sont difficiles à réaliser.

C’est le défi qu’a tenté de relever une équipe scientifique composée de chercheurs du HVO, de l’Université de Cambridge et de l’University College de Londres. Les Britanniques ont mis au point un radar capable de mesurer la hauteur d’un lac de lave. Le premier exemplaire a été testé sur l’Erebus en Antarctique en 2016 dans le cadre du Programme Antarctique américain. Les mesures ont révélé des variations de niveau périodiques remarquables du lac de lave, avec des phases d’oscillation d’environ dix minutes. On ne sait pas pourquoi l’Erebus se comporte de celle manière. Des expériences en laboratoire sont en cours pour simuler l’activité et mieux la comprendre.
Dans la mesure où le matériel de mesure avait pu survivre aux conditions difficiles sur le volcan antarctique, les scientifiques étaient persuadés qu’il allait également être opérationnel à Hawaï. La dernière version du radar a été testée sur le Kilauea en janvier 2018.
Après une période de mise en route de quelques jours, le radar a fonctionné en autonomie pendant plus d’une semaine, en enregistrant le niveau du lac une fois par seconde. Des impulsions micro-ondes sont transmises depuis une antenne parabolique vers la surface du lac de lave. Une partie de l’énergie micro-onde est renvoyée et est captée par une autre antenne. La distance jusqu’au lac de lave est calculée en prenant en compte le temps écoulé entre la transmission et la réception des impulsions. Cette technique offre une mesure en continu relativement précise de la hauteur du lac de lave.

Les données collectées au cours de cette campagne de mesures sont en cours d’analyse, mais les premiers résultats semblent correspondre à d’autres mesures effectuées par le HVO. En même temps que le radar effectuait les mesures, un spectromètre infrarouge était positionné sur la lèvre du cratère pour enregistrer la composition des gaz émis par le lac de lave. La façon dont les gaz s’accumulent dans le lac de lave ou s’en échappent influe considérablement sur le niveau du lac. Une comparaison des variations du niveau de la lave et de la chimie des gaz devrait donner de bonnes indications sur les relations entre l’arrivée de magma à la surface, la libération des gaz et les fluctuations d’activité du lac de lave.
Source: USGS / HVO.

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As I put it several times before, the level of the lava lake within Halema’uma’u Crater varies continuously according to deep and shallow changes in the magma plumbing system feeding the lava lake. When tiltmeters record an inflation of the volcanic edifice, lava rises within the Overlook Crater. Conversely, its level drops when the instruments record a deflation episode.

Thomas Jaggar, founder of the Hawaiian Volcano Observatory (HVO), was perhaps the first to recognize the significance of lava lake level when, more than a century ago, he established a routine of measuring it at Halema‘uma‘u using traditional surveying equipment. His measurements charted the fluctuating lake level for over a decade until the lava drained away in 1924.

The lava lake level is not easy to measure. No one has put a tide gauge in the lava lake or a ruled depth marker in the crater. Today, HVO scientists primarily use a laser-rangefinder to calculate the lava lake height, but this requires a clear view into the crater. Making continuous and consistent measurements, day and night, in all weather, is even more demanding. This challenge has stimulated an international collaboration between HVO scientists and a small team of volcanologists and engineers from the University of Cambridge and the University College London.

The United Kingdom team has been developing a turnkey radar for measuring lava lake height, with the first system tested on Erebus volcano in Antarctica in 2016 under the auspices of the U.S. Antarctic Program. The measurements revealed a remarkable periodic rise and fall of the lava lake, with a single oscillation taking around ten minutes. Why Erebus volcano behaves like this is still unclear and laboratory experiments are now underway to simulate the activity and better understand the driving processes.

Trusting that if monitoring equipment can survive the harsh conditions that prevail on the remote Antarctic volcano it should also work in Hawaii, the latest version of the radar was brought for a trial run on Kilauea in January 2018.

After an initial setup period of a couple of days, the radar ran unsupervised for over a week, recording the level of the lake once per second. It works this way: Microwave pulses are transmitted from one dish towards the lava lake surface. Some of the microwave energy is reflected back and is received by the other dish. The distance to the lava lake is then calculated from the time taken between transmission and reception of the pulses, providing a sensitive measure of the lava lake height. Measurements can be made continuously.

The data collected during this period are still being analyzed, but they look consistent with other measurements made by HVO scientists.

At the same time the radar was running, an infrared spectrometer was positioned at the crater rim to record the composition of gases emitted from the lava lake. How gas accumulates in, or escapes from, the lava lake exerts a strong control on the lake level. Careful comparison of extended observations of lava lake height and gas chemistry promise to reveal yet more detailed insights into the relationships between the supply of magma to the surface, the release of gases, and the variable activity of the lava lake.

Source : USGS / HVO.

Les paraboles sur la lèvre de l’Overlook Crater (Crédit photo: USGS / HVO)

Vue du lac de lave dans le cratère de l’Halema’uma’u (Crédit photo: USGS / HVO)

Des drones sur l’Etna (Sicile) // Drones on Mt Etna (Sicily)

DJI (http://store.dji.com/fr), le leader mondial des drones civils et de l’imagerie aérienne, a collaboré avec l’Université de Mayence (Allemagne) au cours d’une mission volcanologique innovante dont le but était de prélever directement des gaz dans l’un des cratères de l’Etna.
Les volcanologues ont effectué cette mission de nouvelle génération en utilisant un DJI Inspire 1 couplé à la caméra thermique Zenmuse XT pour détecter la température du cratère, avec le DJI Matrice 600 Pro comme support d’un caisson destiné à analyser la composition des gaz depuis le ciel.
Le caisson de mesure de gaz renfermait des capteurs électrochimiques avec des détecteurs spéciaux pour analyser les vapeurs du volcan et fournir une estimation instantanée de la concentration de gaz au moment où le drone revient au camp de base.
La mission a révélé que les concentrations de soufre sont beaucoup plus élevées près des bouches actives. En outre, le drone a pu échantillonner les solides qui se forment au moment de la réaction du soufre dans l’atmosphère avec de l’eau et d’autres composants. Cela a permis aux scientifiques de mieux comprendre l’évolution chimique des panaches de gaz volcaniques.
L’expédition de 6 jours sur l’Etna, à plus de 3000 mètres d’altitude, a été une expérience tout à fait exceptionnelle pour DJI et l’Université de Mayence. Les drones ont permis une collecte de données plus rapide et plus précise. Ils contribuent également à réduire l’exposition à des conditions de travail dangereuses.
Source: sUAS News
Il convient de noter que cette mission avec des drones a eu lieu pendant une période où l’Etna était très calme. Il faudra voir si des mesures similaires peuvent être effectuées au cours d’une période pré-éruptive, lorsque les émissions de gaz sont beaucoup plus intenses et lorsque les explosions peuvent détruire les drones ! Le seul drone utilisé pendant la mission coûte environ 4000 euros !

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DJI (http://store.dji.com/fr), the world’s leader in civilian drones and aerial imaging technology, and the University of Mainz, Germany, have completed a ground-breaking mission for volcano research by collecting gas directly from the crater of Mount Etna.

The scientists took innovation in their field to an unprecedented level by using a DJI Inspire 1 with Zenmuse XT thermal camera to detect the crater’s temperature in combination with the DJI Matrice 600 Pro as a frame for a multi-gas measurement box to analyse gas composition  from the air.

The gas measurement box used electrochemical sensors with special detectors that captured the volcano’s vapours and provided an instant estimate of the gas concentration when the drone returned to the base camp.

The mission found that sulphur concentrations are much higher near active vents. In addition, the drone was able to sample solids that were forming due to sulphur reacting in the atmosphere with water and other components helping the scientists to better grasp the chemical evolution of volcanic gas plumes.

The 6-day expedition to Mount Etna, operating at more than 3000 meters above sea level, was a one-of-a kind experience for DJI and the University of Mainz. Drones allow for faster and accurate data collection. They also help reduce exposure to hazardous working conditions.

Source: sUAS News

It should be noted that the mission with drones was performed during a period when Mt Etna was very quiet. It remains to be seen if similar measurements could de done during a pre-eruptive period when gas emissions are far more intense and when explosions may destroy the drones. The one used during the mission cost around 4,000 euros!

Source: sUAS News

 

Les drones au service de la volcanologie // Drones can serve volcanology

Au cours d’une mission de dix jours, une équipe de volcanologues et d’ingénieurs des universités de Cambridge et de Bristol a effectué des survols des volcans Fuego et Pacaya (Guatemala) à l’aide de drones. Les scientifiques ont pu procéder à des mesures directement dans les panaches ​​émis par ces volcans et obtenir des images réelles et thermiques.
En utilisant des capteurs légers, ils ont mesuré la température, l’hygrométrie et les données thermiques dans les panaches, et ont pris des photos de plusieurs éruptions en temps réel. C’est l’une des premières fois que des drones sont utilisés sur un volcan comme le Fuego où l’accès quasiment impossible du sommet ne permet pas d’obtenir des mesures de gaz fiables. Le financement de l’Institut Cabot a permis à l’équipe scientifique de mettre au point les techniques autorisant une telle approche. Les drones ont été pilotés avec succès à des distances allant jusqu’à 8 km et plus de 3 km de hauteur. [NDLR: En tant qu’aéromodéliste, je suppose que le pilotage des drones se fait en immersion car la distance et l’altitude me semblent importantes pour un pilotage visuel efficace].
Les chercheurs envisagent de retourner au Guatemala plus tard dans l’année avec une plus vaste gamme de capteurs, y compris un analyseur de gaz, un filtre à quatre niveaux; un système d’échantillonnage de cendre, des caméras thermiques et visuelles, et des capteurs atmosphériques.

Les drones offrent une solution inestimable pour l’échantillonnage et la surveillance in situ des émissions volcaniques, en particulier celles qui se trouvent dans des secteurs dont l’approche est dangereuse ou impossible. Les capteurs ne permettent pas seulement d’analyser les émissions volcaniques ;  ils pourraient également être utilisés à l’avenir pour alerter les populations locales dans le cas d’éruptions imminentes.
Au cours de leur mission, les scientifiques ont pu photographier le terrain et observer l’évolution rapide de la topographie du sommet de Fuego. C’est ainsi qu’ils ont constaté que le volcan ne possédait pas une, mais deux bouches éruptives actives. Les chercheurs ont également utilisé les drones pour cartographier une ravine et les dépôts à l’intérieur, formés par une récente coulée pyroclastique. Les données recueillies aideront à modéliser les voies d’écoulement des matériaux et l’impact potentiel des éruptions futures sur les zones habitées situées à proximité.

Voici une très bonne vidéo du survol du Fuego à l’aide d’un drone: https://youtu.be/r6AQR8VQl-s
Source: Université de Bristol.

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During a ten-day research trip, a team of volcanologists and engineers from the universities of Cambridge and Bristol carried out drone flights at the summits of Fuego and Pacaya volcanoes (Guatemala). They collected measurements from directly within volcanic clouds, together with visual and thermal images.

Using lightweight modern sensors they measured temperature, humidity and thermal data within the volcanic clouds and took images of multiple eruptions in real-time. This is one of the first times that unmanned aerial vehicles (UAVs) have been used at a volcano such as Fuego where the lack of close access to the summit vent has prevented robust gas measurements. Funding from the Cabot Institute has helped the team to develop technologies to enable this capability. The drones were successfully flown at distances of up to 8 km away, and at a height of over 3 km.

The group plans to return to Guatemala later in the year with a wider range of sensors including a gas analyser, a four-stage filter pack; carbon stubs for ash sampling; thermal and visual cameras, and atmospheric sensors. Indeed, drones offer an invaluable solution to the challenges of in-situ sampling and monitoring of volcanic emissions, particularly those where the near-vent region is hazardous or inaccessible. These sensors not only help to understand emissions from volcanoes, they could also be used in the future to help alert local communities of impending eruptions.

During the campaign, the scientists could perform multiple imaging flights that captured the rapidly changing topography of Fuego’s summit. These showed that the volcano was erupting from not just one, but two active summit vents. The research group also used the drones to map the topology of a barranca and the volcanic deposits within it. These deposits were formed by a recent pyroclastic flow which travelled down the barranca from Fuego. The data captured will assist in modelling flow pathways and the potential impact of future volcanic eruptions on nearby settlements.

Here is a very good video of Fuego Volcano seen by a drone: https://youtu.be/r6AQR8VQl-s

Source : University of Bristol.

Source: University of Cambridge.

Vue du sommet du Fuego, avec l’Acatenango à l’arrière-plan.

Crédit photo: www.geo.mtu.edu