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Mesure des gaz sur le Kilauea (Hawaii) // Gas measuring on Kilauea Volcano (Hawaii)

Lors d’une éruption, le dioxyde de soufre (SO2) est souvent mentionné par les volcanologues. À Hawaii, c’est la principale composante du vog, ou brouillard volcanique. Cependant, d’autres gaz sont présents dans un panache éruptif et il est intéressant d’étudier leur rapport, comme celui entre le SO2 et le HCl (dioxyde de soufre/chlorure d’hydrogène). Il est également intéressant de connaître la quantité de CO2 (dioxyde de carbone) dissous dans le verre volcanique.
Sur le Kilauea, c’est le travail de l’Hawaiian Volcano Observatory (HVO) d’effectuer ces analyses. Pour réaliser les mesures, les scientifiques de l’Observatoire utilisent un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (IRTF ou FTIR pour Fourier Transform InfraRed spectroscopy). Ce type de spectromètre détecte le rayonnement infrarouge (IR) entrant ; c’est le type de rayonnement associé aux objets chauds ou tièdes qui ont des longueurs d’onde légèrement plus longues que la lumière visible que perçoivent les yeux.
Il s’avère que les gaz absorbent le rayonnement et que chaque gaz – CO2, HCl, SO2, H2O (sous forme de vapeur d’eau), par exemple – a sa propre signature unique de la quantité de rayonnement qu’il absorbe à différentes longueurs d’onde.
Un exemple un peu différent, mais bien connu, de gaz absorbant est l’ozone (O3). L’ozone dans l’atmosphère nous protège d’une partie des rayons ultraviolets (UV) nocifs du soleil (longueurs d’onde plus courtes que la lumière visible) en absorbant très fortement les longueurs d’onde UV. Le SO2 absorbe lui aussi fortement dans la gamme UV ; c’est pour cela que le HVO utilise les UV pour mesurer les taux d’émission de SO2.
Cependant, de nombreux gaz volcaniques n’absorbent pas très bien les UV; en revanche, ils absorbent fortement dans la gamme infrarouge ( IR). En conséquence, les scientifiques du HVO se tournent vers le FTIR pour effectuer les mesurer. L’Observatoire possède deux types de spectromètres FTIR qu’ils utilisent pour des applications différentes.
Pour mesurer les gaz dans l’atmosphère, les scientifiques utilisent le spectromètre FTIR ‘de terrain’ et se rendent sur le site où le volcan émet le panache volcanique. Une source d’énergie IR est nécessaire et la lave convient parfaitement car elle est très chaude. Ainsi, lorsqu’une éruption se produit, les scientifiques peuvent orienter le FTIR vers de la lave incandescente. S’il n’y a pas de lave à portée de main, ils peuvent toujours mesurer le gaz en dirigeant le FTIR vers une lampe spéciale qui génère des IR.
Une fois la source IR obtenue, les scientifiques doivent positionner le FTIR de telle sorte que le gaz volcanique se trouve entre la source IR et le FTIR. Le FTIR mesure les quantités relatives de rayonnement IR à différentes longueurs d’onde, dont une partie est absorbée par les gaz volcaniques. Ils analysent ensuite les données et calculent des ratios de gaz majoritaires, comme CO2/SO2 et le SO2/HCl, qui peuvent donner des informations sur la façon dont le magma et les gaz volcaniques sont véhiculés dans le système d’alimentation du volcan.
Le deuxième spectromètre FTIR reste dans le laboratoire où il est utilisé pour mesurer de petites quantités de H2O et de CO2 dissous dans les minéraux et le verre volcanique. Le principe reste le même que pour le FTIR de terrain. Le FTIR de labo dispose d’une source IR et d’un détecteur de rayonnement qui mesure l’intensité IR à de nombreuses longueurs d’onde différentes. Au lieu d’un panache volcanique pour effectuer les mesures, les scientifiques insèrent une fine lame de minéral ou de verre soigneusement polie entre la source IR et le détecteur.
Les minéraux et les verres, en particulier ceux qui sont émis par des volcans riches en gaz, contiennent souvent du CO2 et du H2O encore dissous qui absorbent les infrarouges à ces longueurs d’onde caractéristiques, tout comme les gaz volcaniques dans l’atmosphère. Dans la mesure où les scientifiques connaissent l’épaisseur de la minuscule lame de verre ou de minéral, le FTIR peut alors leur indiquer quelle quantité de gaz est dissoute dans ce petit échantillon solide. Une fois qu’ils ont ces informations, les scientifiques peuvent déterminer, par exemple, de quelle profondeur provient le matériau émis pendant éruption et à quelle vitesse il a été émis.
Source : USGS/HVO.

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During an eruption, sulfur dioxide (SO2) is often mentioned by volcanologists. In Hawaii, it is the major component of vog, or volcanig smog. However, other gases are present in an eruptive plume and it is interesting to study their ratio, such as the one between SO2 and HCl (sulfur dioxide/hydrogen chloride). It is also interesting to know the amount of CO2 (carbon dioxide) dissolved in volcanic glass.

On Kilauea volcano in Hawaii, it is up to the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) to perform these analyses. To make the measurements, scientists at the Observatory use a Fourier Transform Infrared spectrometer, or FTIR. FTIR instruments detect incoming infrared (IR) radiation; this is the type of radiation associated with hot or warm objects having wavelengths slightly longer than the visible light we can see with our eyes.

It turns out that gases absorb radiation, and each gas – CO2, HCl, SO2, H2O (water vapour), and others – has its own unique signature of how much it absorbs at different wavelengths.

One slightly different, but common, example of an absorbing gas is ozone (O3). Ozone in the atmosphere protects us from some of the sun’s harmful ultraviolet (UV) radiation (shorter wavelengths than visible light) by absorbing UV wavelengths very strongly. SO2 also absorbs strongly in the UV range; HVO uses UV to measure SO2 emission rates.

However, many important volcanic gases don’t absorb UV very well, but they do absorb strongly in the IR range. So, HVO scientists turn to FTIR to measure them. HVO has two different types of FTIR, which they use for different applications.

For measuring gases in the atmosphere, scientists take the ‘field FTIR’ and head out to where the volcanic plume is. A source of IR energy is needed and lava is a great source of IR because it is very hot. So, when an eruption takes plave,scientists can aim the FTIR at hot, glowing lava. If there is no lava around, they can still measure the gas by aiming the FTIR at a special lamp that generates IR.

Once the IR source is obtained, scientists need to position the FTIR so the volcanic gas is between the IR source and the FTIR. The FTIR measures relative amounts of IR radiation at different wavelengths, some of which is absorbed by the volcanic gases. They then process the data and calculate important gas ratios, like CO2/SO2 and SO2/HCl, which can give information about how magma and volcanic gases are transported in the volcanic plumbing system.

The second FTIR stays in the lab where it is used for measuring small amounts of H2O and CO2 dissolved in minerals and volcanic glass. The principles are the same as with the previous instrument. The lab FTIR has an IR source and a radiation detector that measures IR intensity at many different wavelengths. But instead of a volcanic plume passing between them, the scientists insert a tiny, carefully polished chip of mineral or glass into the path between the IR source and the detector.

Minerals and glasses, especially those that erupt out of gas-rich volcanoes, often have CO2 and H2O still dissolved in them, which will absorb IR at those characteristic wavelengths just like volcanic gases in the air. As long as scientists know how thick the tiny chip of glass or mineral is, the FTIR can then tell them how much of those gases are dissolved in those little solid pieces. Once they know that, they can determine, for instance, how deep the erupted material came from and how quickly it erupted.

Source : USGS / HVO.

Scientifique du HVO utilisant le spectromètre FTIR de terrain au cours de la dernière éruption du Kilauea (Source: USGS / HVO)

Mesure de la hauteur des fontaines de lave // Measuring the height of lava fountains

L’un des derniers épisodes de la série « Volcano Watch » publié par l’Observatoire des volcans d’Hawaii – le HVO – est consacré aux fontaines de lave et à la mesure de leur hauteur.
En raison de la pression accumulée par les gaz, le début d’une éruption est souvent la période la plus dynamique et la plus spectaculaire. L’une des premières missions des géologues est de mesurer la hauteur des fontaines de lave et la dimension des bouches éruptives pour essayer d’évaluer l’énergie émise par l’éruption.
Lors des deux dernières éruptions sommitales du Kilauea, les fontaines de lave les plus hautes se sont produites au début de ces événements. Cependant, lors de l’éruption de 2018, les géologues ont dû attendre près d’un mois avant de pouvoir observer la plus haute fontaine car le volcan a d’abord émis un magma plus ancien et plus froid, donc moins propice aux fontaines de lave qui supposent une lave à haute température. .
La mesure de la hauteur d’une fontaine de lave pendant une éruption peut être effectuée avec quelques instruments simples et une trigonométrie de base.
Tout d’abord, les géologues mesurent les angles vers le haut et le bas de la fontaine. Cela peut sembler simple mais peut devenir délicat lorsque la base est difficilement visible ou lorsque le sommet de la fontaine est mal défini.
On entend par ‘sommet de la fontaine de lave’ la limite supérieure de la colonne telle que la voit un oeil humain. C’est le point où la plus grande partie de la lave cesse de monter avant de retomber au sol. Il ne faut pas prendre en compte les particules les plus hautes soulevées par le panache de gaz et qui montent jusqu’à plusieurs dizaines ou plusieurs centaines de mètres au-dessus de la colonne de lave.
La base de la fontaine est facile à déterminer dès le début d’une éruption : c’est le point où la lave jaillit du sol. Même si les géologues arrivent rapidement sur le site éruptif, il est rare d’être présent au moment précis où s’ouvre une fracture, de sorte que la base peut déjà être cachée par des projections de lave et/ou des cendres qui se sont accumulées autour de la bouche active.
Pour effectuer les mesures d’angle, on a besoin d’un inclinomètre à main, d’un télémètre (laser ou optique) ou d’une application accessible sur son smartphone. Pour plus de facilité dans les calculs, les géologues du HVO mesurent toujours l’angle entre la hauteur de l’oeil et le haut de la fontaine, puis un deuxième angle entre la hauteur de l’oeil et le bas de la fontaine. De cette façon, peu importe où on se trouve par rapport à la fontaine
Il est important de tenir l’instrument de mesure au niveau des yeux et de ne pas le déplacer vers le haut ou vers le bas entre les deux mesures. C’est un peu comme si on utilisait un trépied.
Ensuite, les angles mesurés sont notés et les géologues utilisent la trigonométrie pour calculer les distances verticales pour chaque angle – autrement dit les hauteurs partielles pour chaque segment. La dernière partie du calcul consiste à additionner les deux hauteurs.
Pour connaître la distance jusqu’à la fontaine de lave, les géologues du HVO utilisent un télémètre laser précis qui mesure non seulement la distance, mais aussi l’angle, fait le calcul, puis indique la hauteur verticale.
Certaines applications pour smartphones peuvent calculer la distance si on connaît la hauteur d’un élément qui se trouve à proximité immédiate de la fontaine. Si les visiteurs du Parc National des Volcans d’Hawaii éprouvent le désir de mesurer les fontaines de lave, ils peuvent le faire depuis la nouvelle plateforme d’observation de Keanakākoʻi qui offre une vue sur le cratère. S’ils ont la chance de voir des fontaines de lave, ils peuvent les mesurer, ou ils peuvent simplement estimer la hauteur en sachant que le cône de projection (spatter cone) mesure environ 20 à 25 m de hauteur.
Source : USGS/HVO.

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One of the last episodes of the series « Volcano Watch » released by the Hawaiian Volcano Observatory is dedicated to lava fountains and the measuring of their height.

Because of the accumulated pressure of the gases, the onset of an eruption is frequently the most dynamic and vigorous period. One of the geologists’ first mission is to measure the height of lava fountains and other vent dimensions to help assess how energetic the eruption is.

In both recent summit eruptions of Kilauea Volcano, the highest fountaining occurred at the start of the eruptions. However, during the 2018 event, geologists had to wait nearly a month to observe the highest fountaining which took place nearly a month into the eruption due to the primary magma pushing out older, cooler magma.

Measuring the height of a lava fountain during an eruption can be accomplished with a few simple instruments and some basic trigonometry.

First, geologists measure the angles to the top and bottom of the fountain. This may seem simple, but it can get tricky when the base becomes obscured or when the top of the fountain has an indistinct boundary.

The top of the lava fountain is defined as the upper boundary of the optically dense column. This is where the vast majority of the lava stops rising and falls back to the ground. This is not to be confused with the highest visible particles, which could be lifted up by the gas plume several tens to hundreds of meters above the lava column.

The base is easy to determine right at the start of an eruption: it is where lava is erupting from the ground. Even though geologists arrive quickly, it is rare to be present exactly when a fissure opens, so the base might already be hidden as lava, spatter, and cinder accumulates around the vent area.

To make the angle measurements, you need either a hand-held inclinometer, compass, rangefinder (laser or optical), or even a handy app on your phone. To make the math easy, HVO geologists always measure the angle from their eye-height to the top of the fountain and then a second angle from their eye-height to the bottom of the fountain. This way no matter where you are in relation to the fountain

It is important to hold the instrument at eye level and not move the instrument up or down between the two measurements, as if you were usuing a tripod.

Second, these measured angles can then be taken and geologists use trigonometry to calculate the vertical distances for each angle — partial heights for each segment. The final part of the calculation is to add these two heights together.

To know the distance to the lava fountain, HVO geologists use an accurate laser range finder that not only measures the distance, but also the angle, does the math, and then reports back the vertical height.

Some smart phone apps can calculate the distance if you know the height of something immediately adjacent to the fountain. If visitors to Hawaii Volcanoes National Park are anxious to measure lava fountains, they can do it from the new Keanakākoʻi viewing area which allows a view into the crater. If they are lucky enough to see lava fountains, they can measure them, or they can simply estimate the height knowing that the spatter cone is about 20–25 m high.

Source: USGS / HVO.

 

En 1959, au cours de l’éruption du Kilauea Iki, les fontaines de lave ont atteint 580 mètres de hauteur (Crédit photo: USGS)