Panaches volcaniques et nuages d’incendies de végétation // Volcanic plumes and wildfire clouds

Sur la Grande Ile d’Hawaii, le vog – ou brouillard volcanique – est un phénomène bien connu quand se produit une éruption. Les nuages ​​de gaz toxiques sont un problème tant pour les agriculteurs que pour les personnes souffrant de problèmes respiratoires.
Lorsqu’il n’y a pas d’éruption, mais aussi parfois pendant les éruptions, les incendies de végétation sont une autre source de nuages susceptible d’affecter la qualité de l’air.
Depuis 2010, des chercheurs de l’Université d’Hawaï étudient la dispersion du brouillard volcanique. Le but est de fournir au public et aux services sanitaires des prévisions précises, et de permettre de limiter l’exposition à ce brouillard des personnes vivant dans les zones menacées. Un modèle de qualité de l’air a été développé; il combine la prévision météorologique, les émissions de dioxyde de soufre (SO2), la chimie et un modèle de dispersion dynamique pour suivre la trajectoire du panache.
Bien qu’il existe des différences considérables entre la chimie de la fumée des incendies de végétation et celle du brouillard volcanique, le déplacement des deux types de panaches est géré par des mécanismes physiques similaires. Une chaleur intense en surface génère des courants ascendants. Au fur et à mesure que l’air chaud monte, il fait s’élever verticalement les polluants, que ce soit les gaz volcaniques, les cendres ou la fumée des feux végétation, entre leur source et les niveaux supérieurs de l’atmosphère. La turbulence provoque l’élargissement et le refroidissement du panache au fur et à mesure qu’il se mélange à l’air ambiant propre. Par la suite, le panache se refroidit par expansion et il finit par atteindre un niveau à partir duquel son déplacement dans l’atmosphère dépend largement des vents horizontaux.
Lors d’incendies de forêt de très grande ampleur et d’éruptions volcaniques, le processus de refroidissement du panache peut entraîner la formation de flammagenitus. Communément appelés pyrocumulus, ces nuages ​​proviennent d’une forte source de chaleur et peuvent générer d’intenses turbulences, des rafales de vent en surface, des éclairs et de la pluie. La formation de pyrocumulus peut faire s’élever le panache encore davantage, ce qui entraîne les polluants plus haut dans l’atmosphère.
En raison de tous ces mécanismes dynamiques complexes, la détermination de la hauteur d’injection du panache dans l’atmosphère est une tâche difficile pour les scientifiques qui modélisent la qualité de l’air lors des épisodes de vog et de fumées d’incendies. Elle nécessite une connaissance détaillée de nombreux aspects de la source de chaleur et de l’atmosphère ambiante. Malheureusement, il est souvent impossible d’obtenir de telles informations dans des conditions de catastrophe naturelle
De petites erreurs dans l’estimation de la hauteur d’injection du panache peuvent entraîner de grosses erreurs dans les prévisions de concentrations de polluants dans les zones sous le vent. En effet, les vents horizontaux à différentes altitudes dans l’atmosphère ne soufflent souvent pas dans la même direction. En raison de ce comportement imprévisible du vent, un mauvais calcul de la hauteur d’injection du panache peut entraîner une erreur dans un modèle de qualité de l’air, avec une direction fausse du panache et donc une prévision erronée.
La question la plus importante pour les modélisateurs de vog et de fumée est de savoir à quelle hauteur s’élève un panache donné. De puissantes éruptions, comme celle du Pinatubo en 1991, peuvent envoyer des panaches de gaz et de cendres jusque dans la stratosphère, avec un transport de la pollution sur de longues distances, et même un effet de refroidissement climatique. Jusqu’à récemment, peu d’incendies de forêt étaient assez puissants pour avoir de telles conséquences. Pourtant, avec le réchauffement climatique, on a observé une augmentation spectaculaire des incendies de très grande ampleur dans le monde au cours de la dernière décennie. La puissance et l’impact de ces événements sont comparables à ceux des éruptions volcaniques. En fait, en les observant, il est parfois difficile de faire la différence entre les panaches de vog et les panaches de fumée.
Cette ressemblance entre les panaches éruptifs et ceux générés par les incendies de forêt a toutefois un aspect positif. Cela permet aux scientifiques de transférer des connaissances sur la physique et la dynamique des panaches dans les deux domaines de recherche. Grâce au développement récent de nouveaux algorithmes pour les modèles de fumée des feux de forêt, les scientifiques de l’Université d’Hawaï ont pu intégrer une nouvelle approche dynamique de l’élévation du panache dans leurs prévisions du brouillard volcanique. Cela a permis d’obtenir des prévisions plus précises concernant la qualité de l’air pour l’État d’Hawaii.
Source : USGS, HVO.

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On Hawaii Big Island, vog – or volcanic smog – is a well-known phenomenon during an eruption. The clouds of toxic gases are a problem both for the farmers and for persons suffering from respiratory problems.

When there is no eruption, or sometimes during eruptions, wildfires are another source of clouds likely to affect air quality.

Since 2010, University of Hawaii researchers have been studying the dispersion of vog in Hawaii. The aim has been to provide the public and emergency responders with accurate and timely forecasts that would help limit vog exposure for those in affected areas and communities. A custom air quality model has been developed; it combines numerical weather prediction, volcanic sulfur dioxide (SO2) emission rates, chemistry, and a dynamic dispersion model to track vog plume transport.

While there are drastic differences between the chemistry of smoke and vog, the movement of both types of plumes is controlled by similar physical mechanisms. Intense heating at the surface generates vertical updrafts. As the hot air rises, it moves pollutants, such as volcanic gases, ash, or wildfire smoke from their source to the upper levels of the atmosphere. Turbulence causes the plume to widen and cool as it mixes with clean ambient air. In addition, the plume cools through expansion. Eventually, the plume reaches a level from where its movement in the atmosphere is largely controlled by the ambient horizontal winds.

During extreme wildfires and volcanic eruptions, the plume cooling process can also lead to the formation of flammagenitus clouds. Commonly known as ‘pyrocumulus,’ these clouds originate above a strong, localized heat source and can produce intense turbulence, surface wind gusts, lightning and rain. The formation of pyrocumulus can generate further lift, pulling pollutants higher into the atmosphere.

As a result of all these complex dynamic mechanisms, determining the plume injection height has been a shared challenge for vog and smoke air-quality modelers. It requires detailed knowledge of many aspects of both the heat source and the ambient atmosphere. Unfortunately, it is often impossible to obtain such observations under natural disaster conditions

Meanwhile, small errors in estimating the plume injection height can lead to large errors in downwind predictions of pollutant concentrations. This is because horizontal winds at various elevations in the atmosphere often do not blow in the same direction. Due to this wind shear, miscalculating plume injection height can cause an air quality model to transport the plume in the wrong direction, leading to a poor forecast.

Hence, a key question for both vog and smoke modelers is to know how high a given plume will rise. Powerful eruptions, like Mount Pinatubo’s in 1991, can send plumes of volcanic gases and ash deep into the stratosphere, resulting in long-range pollution transport and even generating climate-cooling effects. Until recently, few wildfires were powerful enough to do this. Yet, with climate change, there has been a dramatic increase in high-intensity ‘mega-fires’ around the world over the last decade. The power and scale of impact of these events are comparable to that of volcanic eruptions. In fact, photos of vog and smoke plumes can sometimes be hard to distinguish.

There is a silver lining to this growing overlap between volcanic eruptions and wildfires. It allows scientists to transfer knowledge about the physics and dynamics of plumes across the two research domains. Owing to the recent rapid development of new algorithms for wildfire smoke models, University of Hawaii scientists have been able to incorporate a new dynamic plume-rise approach in their vog forecasts. This resulted in more accurate air quality predictions for the State of Hawaii.

Source: USGS, HVO.

Panache de vog à Hawaii (Photo: C. Grandpey)

Panache éruptif du Pinatubo en 1991 (Crédit photo: Wikipedia)

Pyrocumulus généré par un incendie de forêt dans le parc National de Yellowstone (Crédit photo: Wikipedia)

Des drones sur le Santiaguito (Guatemala)

En avril, mai et août 2017, en mars 2018 et 2019, et en juillet 2019, j’ai écrit plusieurs notes sur l’utilisation des drones en volcanologie, que ce soit sur le Kilauea ou l’Etna. Ces aéronefs sans pilote  peuvent être utilisés pour surveiller l’activité volcanique, mais aussi pour mesurer les gaz.
L’utilisation des drones en volcanologie vient d’être confirmée par des scientifiques du Centre de recherche allemand pour les géosciences (GFZ Potsdam). Ils ont présenté les résultats d’une série de vols effectués avec des drones dotés de caméras d’imagerie visuelle et thermique au-dessus du Santiaguito au Guatemala. Le volcan est né en 1922 dans la caldeira du Santa Maria, volcan qui est entré en éruption en octobre 1902, la même année que Montagne Pelée en Martinique, tuant environ 6 000 personnes.
Le Santiaguito est actif en quasi permanence depuis 1922. Son complexe de dômes de lave est instable avec des effondrements fréquents générant des coulées pyroclastiques destructrices et des lahars. C’est la raison pour laquelle les chercheurs allemands ont voulu observer le comportement du Dome Caliente qui est actuellement le plus actif. Ce dôme montre deux types de mouvements: d’une part une expansion et une croissance radiales lentes, et d’autre part une extrusion rapide de lave visqueuse. Les deux processus produisent également des systèmes de fractures détectables par les mouvements de surface, et des zones de déformation associées à des anomalies thermiques.
Les scientifiques ont équipé leur drone de différentes caméras et l’ont envoyé au-dessus du cratère à différents intervalles. Ils ont pu ainsi analyser le comportement de la coulée de lave et du dôme en utilisant un type particulier de photographie stéréo avec une précision jamais vue auparavant.
En comparant les données fournies par le drone, les chercheurs ont pu déterminer la vitesse d’écoulement de la lave, modéliser les mouvements du dôme et la température de surface du volcan.
Ces facteurs sont importants dans la prévision des volcans explosifs. Les scientifiques allemands pensent que, grâce aux progrès de la technologie, une observation régulière et systématique des volcans dangereux est aujourd’hui tout à fait réalisable à l’aide des drones.
Deux caméras à bord du drone utilisé sur le Santiaguito ont pris des photos haute définition du dôme, mais aussi réalisé des images thermiques. Elles ont permis d’élaborer des modèles 3D très précis du volcan à l’aide d’un algorithme informatique spécial. Il a également été possible d’acquérir une topographie 3D et un modèle de température du volcan, avec une résolution de quelques centimètres seulement.
Les missions de drones sont très intéressantes d’un point de vue humain et sécuritaire. Ces aéronefs sans pilote réduisent le risque pour les volcanologues car les caméras peuvent être dirigées directement vers les zones dangereuses sans que les scientifiques se trouvent à proximité.
Cependant, le travail à l’aide de drones n’est pas facile. Les modèles 3D obtenus lors des différents vols doivent être positionnés de manière très précise pour pouvoir être comparés. Cela nécessite un travail minutieux mais le jeu en vaut la chandelle car même des mouvements ou des déformations infimes peuvent être immédiatement détectés.
Source: The Watchers, GFZ German Research Centre for Geosciences.

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In April, May and August 2017, in March 2018 and 2019, and in July 2019, I wrote several posts about the use of drones in volcanology, whether on Kilauea or Mt Etna. These Unmanned Aicraft Systems (UAS) can be oused to monitor volcanic activity, but also to measure volcanic gases.

This use of drones in volcanology is confirmed by researchers from the German Research Centre for Geosciences (GFZ Potsdam) who presented results of a series of repeated flights with visual and thermal imaging cameras of Santiaguito volcano in Guatemala. The volcano was born in1922 in the caldera of Santa Maria which erupted in October 1902, the same year as Montagne Pelée in Martinique, killing about 6,000 people.

Santiaguito has been permanently active since 1922. Its lava dome complex is instable with frequent collapses generating destructive pyroclastic flows and lahars. This is the reason why the German researchers wanted to observe the behaviour of the Caliente Dome which is currently the most active. This dome shows two kinds of movements: slow radial expansion and growth, and fast-moving extrusion of viscous lava. Both processes also produce distinctive fracture sets detectable with surface motion, and high strain zones associated with thermal anomalies.

The scientists equipped a drone with different cameras. They flew it over the crater at various intervals, measuring the movements of the lava flow and a lava dome using a specific type of stereo photography with a precision never seen before.

By comparing the data provided by the drone, the scientists were able to determine the flow velocity, movement patterns, and surface temperature of the volcano.

These factors are important for predicting the danger of explosive volcanoes. The German researchers believe that, thanks to the progress of the drone technology, a regular and systematic survey of hazardous volcanoes is quite feasible today.

Two cameras of the drone used on Santiaguito took both high definition and thermal photos. They allowed to work out complete and detailed 3D models using a special computer algorithm. It was also possible to acquire a 3D topography and temperature model of the volcano, with a resolution of only a few centimetres.

Drone missions are very interesting from a human and security point of view. They lessen the risk for volcanologists, as cameras can be flown directly to the dangerous areas without scientists having to be near them.

However, the job is not easy. The 3D models of the various flights must be positioned exactly so that they can be compared. This requires painstaking detail work, but the effort is worth it because even minimal movements become immediately visible.

Source : The Watchers, GFZ German Research Centre for Geosciences.

Photos : C. Grandpey

Le magma du super volcan de Yellowstone // Magma of the Yellowstone super volcano

J’ai écrit plusieurs articles sur ce blog concernant la source magmatique de Yellowstone et la présence d’un double réservoir sous le super volcan.
À l’aide d’une modélisation par superordinateur, des scientifiques de l’Université de l’Oregon ont pu fournir de nouvelles hypothèses concernant ce double réservoir qui se cache sous le Parc National de Yellowstone. L’étude a été publiée dans Geophysical Research Letters.
À des profondeurs de 5 à 10 kilomètres, des forces opposées donnent naissance à une zone de transition où les roches froides et rigides de la croûte supérieure cèdent la place à des roches chaudes et partiellement fondues qui se trouvent en dessous. Cette zone de transition piège les magmas ascendants et les pousse à s’accumuler et à se solidifier dans un filon horizontal appelé sill qui, selon la modélisation informatique réalisée par les chercheurs, peut atteindre 15 kilomètres. Les résultats de la modélisation confirment les observations effectuées précédemment en envoyant des ondes sismiques à travers cette zone.
Le sill se compose essentiellement de gabbro solidifié. Au-dessus et au-dessous se trouvent des corps magmatiques distincts. Celui du dessus contient un magma rhyolitique qui peut produire de temps en temps des explosions très puissantes. Des structures similaires existent probablement sous des super volcans ailleurs dans le monde. La morphologie du sill peut aussi expliquer des signatures chimiques différentes que l’on observe dans les matériaux éruptifs.
En 2014, un article publié dans Geophysical Research Letters par une équipe scientifique de l’Université de l’Utah a révélé, grâce à l’analyse d’ondes sismiques, la présence d’un grand volume de magma dans la croûte supérieure. Les scientifiques avaient toutefois remarqué que d’énormes quantités de dioxyde de carbone et d’hélium s’échappaient du sol, ce qui laissait supposer la présence d’une autre poche de magma sous la précédente. Ce mystère a été résolu en mai 2015, lorsqu’une étude réalisée par l’Université de l’Utah, publiée dans la revue Science, a identifié, au moyen d’ondes sismiques, la présence d’un deuxième volume de magma, encore plus important, à une profondeur de 20 à 45 kilomètres.
Cependant, les études des données sismiques n’ont pas permis de déterminer la composition, ou la quantité de magma dans ces deux réservoirs, ni comment et pourquoi ils se sont formés. Pour comprendre les deux structures, les chercheurs de l’Université de l’Oregon ont créé de nouveaux codes de modélisation pour les superordinateurs afin de savoir à quel niveau le magma est susceptible de s’accumuler dans la croûte. Le travail a été réalisé en collaboration avec des chercheurs de l’Institut fédéral suisse de technologie de Zurich.
Les résultats de la modélisation ont révélé qu’une importante couche de magma refroidi, avec un point de fusion élevé, existait au niveau du sill séparant deux corps magmatiques avec un magma à un point de fusion inférieur ; une grande partie de cette couche de magma refroidi proviendrait de la fusion de la croûte. Les auteurs de l’étude pensent que cette structure est à l’origine du volcanisme rhyolite-basalte que l’on trouve dans l’ensemble du point chaud de Yellowstone, y compris les matériaux produits par les super éruptions. En particulier, la modélisation a permis d’identifier la structure géologique du secteur où se trouve le matériau rhyolitique.
Pour le moment, la dernière étude ne permet pas de savoir quand se produiront les prochaines éruptions du super volcan de Yellowstone, mais elle permet d’expliquer la structure du système d’alimentation magmatique. Elle montre l’endroit où le magma prend sa source et là où il s’accumule.
Étudier l’interaction de l’ascension du magma avec la zone de transition dans la croûte terrestre, et comment ce processus influence les propriétés des poches magmatiques qui se forment au-dessus et au-dessous, devrait permettre de mieux comprendre le rôle joué par les panaches mantelliques dans l’évolution et dans la structure de la croûte continentale.
Source: Université de l’Oregon.

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I have written several posts on this blog about the magma source of Yellowstone and the presence of two magma bodies beneath the volcano.

Using supercomputer modelling, University of Oregon scientists have unveiled a new explanation for the geology underlying magma bodies below Yellowstone National Park. The study was published in Geophysical Research Letters.

At depths of 5-10 kilometres, opposing forces counter each other, forming a transition zone where cold and rigid rocks of the upper crust give way to hot, partially molten rock below. This transition traps rising magmas and causes them to accumulate and solidify in a large horizontal body called a sill, which can be up to 15 kilometres, according to the team’s computer modelling. The results of the modelling matches observations done by sending seismic waves through the area.

The sill is comprised of mostly solidified gabbro. Above and below lay separate magma bodies. The upper one contains rhyolitic magma that occasionally erupts in very powerful explosions. Similar structures may exist under super volcanoes around the world. The geometry of the sill also may explain differing chemical signatures in eruptive materials.

In 2014, a paper in Geophysical Research Letters by a University of Utah-led team revealed evidence from seismic waves of a large magma body in the upper crust. Scientists had suspected, however, that huge amounts of carbon dioxide and helium escaping from the ground indicated that more magma is located farther down. That mystery was solved in May 2015, when a second University of Utah-led study, published in the journal Science, identified by way of seismic waves a second, larger body of magma at depths of 20 to 45 kilometres.

However, the seismic-imaging studies could not identify the composition, state and amount of magma in these magma bodies, or how and why they formed there. To understand the two structures, University of Oregon researchers wrote new codes for supercomputer modelling to understand where magma is likely to accumulate in the crust. The work was done in collaboration with researchers at the Swiss Federal Institute of Technology, also known as ETH Zurich.

The researchers repeatedly got results indicating a large layer of cooled magma with a high melting point forms at the mid-crustal sill, separating two magma bodies with magma at a lower melting point, much of which is derived from melting of the crust. The authors of the study think that this structure is what causes the rhyolite-basalt volcanism throughout the Yellowstone hotspot, including supervolcanic eruptions. More particularly, the modelling helps to identify the geologic structure of where the rhyolitic material is located.

The new research, for now, does not help to predict the timing of future eruptions. Instead, it helps explain the structure of the magmatic plumbing system that fuels these eruptions. It shows where the eruptible magma originates and accumulates.

Studying the interaction of rising magmas with the crustal transition zone, and how this influences the properties of the magma bodies that form both above and below it should boost scientific understanding of how mantle plumes influence the evolution and structure of continental crust.

Source: University of Oregon.

Source: University of Oregon

Modélisation de Olympus Mons (Mars) // A model of Olympus Mons (Mars)

drapeau-francaisOlympus Mons est le plus grand volcan de la planète Mars, peut-être même le plus grand volcan du système solaire. Il présente un diamètre de plus de 600 km et dresse ses 27 km au-dessus de la surface de la planète.
Les scientifiques de la Division des Sciences Planétaires et de la Télédétection à l’Institut des Sciences de la Terre de l’Université Libre de Berlin ont réussi à créer un modèle simulant la formation de structures jusque là mystérieuses à la surface de Olympus Mons. L’étude a été menée en collaboration avec le Centre de Recherche des Sciences de la Terre de Potsdam et l’Arizona State University. Les résultats ont été publiés dans le dernier numéro du Journal of Geophysical Research.
Le projet s’appuie sur des données d’images fournies par une caméra stéréographique haute résolution (HRSC)* installée sur la sonde européenne Mars Express qui est en orbite autour de la planète rouge depuis décembre 2003. En utilisant les images de la caméra, les scientifiques ont élaboré une mosaïque et un modèle de la surface du volcan Olympus Mons. La base de données d’images montre que la morphologie en bouclier du volcan apparaît sous la forme de terrasses voûtées et que le pied du volcan, relativement plat par ailleurs, se termine en pente raide. Cette étude indique que les déformations observées sur le volcan sont dues d’une part à la gravité (qui, sur Mars, est d’environ 40 pour cent de celle de la Terre), et d’autre part à une faible résistance de frottement dans le sous-sol du volcan.
Les derniers travaux sur les interactions entre Olympus Mons et le sous-sol martien ont été réalisés grâce à une coopération entre les institutions allemandes et américaines. La simulation par ordinateur démontre pour la première fois la formation de terrasses pendant la phase de croissance du volcan.
Selon les chercheurs, les dernières découvertes sur ce supervolcan permettront une meilleure compréhension du volcanisme sur Terre.
Sources: Freie Universität Berlin. « Simulating the evolution of Mars volcano Olympus Mons. »
Science Daily, 9 mai 2016 (www.sciencedaily.com/releases/2016/05/160509085751.htm).

*High Resolution Stereo Camera (HRSC) : il s’agit d’une caméra installée sur la sonde spatiale Mars Express ; elle produit des images couleur en 3D et en haute résolution (de 10 mètres par pixel, pouvant aller jusqu’à 2 mètres par pixel). Elle est fabriquée par l’Université Libre de Berlin et est destinée à cartographier la surface de Mars. Par stéréographie, la caméra est également capable de fournir des données topographiques et ainsi permettre la réalisation de Modèles Numériques de Terrain (MNT) avec une très grande précision.

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drapeau-anglaisOlympus Mons is the largest volcano on Mars, possibly the largest in the Solar System. It is more than 600 km across and towers 27 km above the surface of the planet.

Scientists from the Division of Planetary Sciences and Remote Sensing in the Institute of Geological Sciences at Freie Universität Berlin have succeeded in creating a model simulating the formation of mysterious structures on the surface of Olympus Mons. The study was conducted in collaboration with the German Research Centre for Geosciences in Potsdam and Arizona State University. The findings were published in the latest issue of the Journal of Geophysical Research.

The research project is based on image data of the High Resolution Stereo Camera (HRSC)* that is installed on the European Mars Express spacecraft, which has been orbiting the red planet since December 2003. Using the camera images, scientists generated a mosaic and a terrain model of the Olympus Mons volcano. The image data show that the volcano shield is shaped in the form of arched terraces and the foot of the otherwise very flat volcano drops steeply. This study indicates that the observed deformations of the volcano are due to gravity, which on Mars is about 40 percent of the Earth’s gravity, and to low frictional resistance in the volcano subsurface.

The new investigations of the interactions between the Martian volcano and the ground underneath it were done in cooperation with German and American institutions. The computer simulation demonstrates for the first time the formation of terraces during the volcanic growth phase.

According to the researchers, the latest findings about this supervolcano will also help to give them a better understanding of volcanoes on Earth.

Sources:  Freie Universitaet Berlin. « Simulating the evolution of Mars volcano Olympus Mons. »

ScienceDaily, 9 May 2016 (www.sciencedaily.com/releases/2016/05/160509085751.htm).

*High Resolution Stereo Camera (HRSC): it is a camera on board the Mars Express spacecraft; it produces colour images in 3D and high resolution (10 metres per pixel, up to 2 metres per pixel). It was manufactured by the Free University of Berlin and is designed to map the surface of Mars. By stereography, the camera is also capable of providing topographic data and can achieve Digital Elevation Models (DEM) with a very high accuracy.

Olympus Mons

Crédit: Freie Universität Berlin