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)

La source de la lave des volcans islandais // Where Icelandic volcanoes get their lava from

Depuis plus de deux décennies, les scientifiques travaillent sur la nature des Ultra-Low Velocity Zones (ULVZ), zones à vitesse ultra faible à la frontière entre le noyau et le manteau terrestre et dont le nom s’explique par le déplacement très lent des ondes sismiques qui les traversent. Selon certains chercheurs, une cause de cette vitesse très lente pourrait être leur état de fusion partielle. D’autres pensent que la chute de vitesse peut s’expliquer par le fait que les ULVZ sont constituées d’un type de roche différent et plus dense, peut-être enrichi en fer et chimiquement distinct du reste du manteau.
Des chercheurs de l’Université de Californie qui ont examiné l’une de ces zones à près de 3000 kilomètres sous l’Islande, ont enfin apporté une réponse à cette question. Les ULVZ seraient les racines, à l’état de fusion partielle, des panaches de roches très chaudes qui s’élèvent lentement à travers le manteau pour alimenter les volcans. Cela signifierait que ces zones seraient les marqueurs en profondeur de la base des panaches volcaniques dans le monde.
Pour libérer la chaleur du noyau externe liquide, la roche solide à l’intérieur du manteau terrestre se déplace en lents mouvements convectifs. Les scientifiques ont longtemps pensé que des remontées au niveau de ces courants de convection mantelliques se manifestent sous formes de panaches responsables des points chauds sur Terre. Plus récemment, ils ont commencé à examiner leurs parties supérieures au travers de modèles informatiques très élaborés qui utilisent les ondes des grands séismes pour créer des images tomographiques de l’intérieur de la Terre.
Des études antérieures avaient tenté d’établir des liens entre les ULVZ et les panaches mantelliques sous les îles Hawaii et Samoa. Toutefois, les chercheurs californiens pensent que ce qui se passe sous l’Islande offre une meilleure image. En effet, les ondes sismiques qui passent sous cette région du monde proviennent de différentes directions et peuvent être reçues par des capteurs dans des parties opposés de la planète, contrairement aux îles du Pacifique.
À l’aide d’ondes sismiques captées par tout un ensemble de capteurs aux États-Unis et en Chine, l’équipe scientifique a pu mieux identifier la position et la forme des ULVZ. Il en ressort que la forme est celle d’un cylindre de 800 kilomètres de base et 15 kilomètres de hauteur, plus ou moins directement sous le panache qui alimente les volcans islandais. Ces résultats vont dans le sens du scénario de la fusion partielle, car l’autre option, celle d’une roche chimiquement différente, donnerait probablement une forme plus irrégulière et n’aurait pas nécessairement terminé sa course directement sous un panache.
Cependant, selon certains scientifiques, la nouvelle étude ne doit pas exclure le scénario concernant la roche chimiquement différente. En effet, un spécialiste en géodynamique à l’Université d’État du Michigan a modélisé les lents courants mantelliques et a constaté que, le long de la limite entre le noyau et le manteau, les courants sont latéraux et attirés vers la base des panaches. Ces courants pousseraient, tel un bulldozer, la roche dense et chimiquement distincte vers les panaches et, au fil du temps, ils pourraient finir par lui donner une forme à peu près circulaire.
Les chercheurs affirment que le mystère sera résolu avec l’amélioration des images du manteau inférieur grâce aux nouvelles technologies. Des ordinateurs plus puissants permettront d’utiliser davantage le contenu haute fréquence des ondes sismiques, partie qui est la plus favorable pour mettre en lumière les structures peu profondes comme les ULVZ. Un autre progrès pourrait être réalisé grâce aux capteurs sismiques installés au fond de l’océan. Comme la plupart des capteurs sismiques se trouvent actuellement sur la terre ferme, les deux tiers de la Terre (autrement dit les océans) sont une zone blanche.

Source: Science Mag.

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For more than 2 decades, scientists have pondered the nature of ultralow-velocity zones (ULVZs). The regions get their name from the way that earthquake waves travel so much more slowly through them. One way to explain that speed drop would be if they were partially molten. Another camp has held that the speed drops can be explained if ULVZs are made of a dense, different type of rock, perhaps enriched with iron, and chemically distinct from the rest of the mantle.

Researchers from the University of California who examined one of these zones nearly 3000 kilometres below Iceland finally have an answer: They may be the partially molten roots of plumes of hot rock that slowly rise through the mantle to feed volcanoes. That would make ULVZs deep signposts that mark the base of the world’s plumes.

To release heat from the liquid outer core, the solid rock in Earth’s mantle moves in slow, convective swirls. Earth scientists have long suspected that upwellings in these mantle convection currents would manifest themselves as the plumes responsible for Earth’s volcanic hot spots. Now they have started to see their upper parts with sophisticated computer models that use the waves from large earthquakes to create CT scan–like tomographic pictures of Earth’s interior.

Previous studies had made tentative connections between ULVZs and the plumes underneath Hawaii and Samoa. But the Californian researchers think the scene underneath Iceland provides a better picture. Indeed, earthquake waves pass underneath the region from different directions and can be picked up by sensors on opposite sides of the world, unlike the Pacific islands.

Using earthquake waves picked up by arrays of sensors in the United States and China, the team better identified the position and shape of the ULVZ. They found its shape was a stubby cylinder 800 kilometres across and 15 kilometres tall, more or less directly under the plume that feeds Iceland’s volcanoes. The team’s results favour the partially molten scenario, since the other option, a chemically distinct rock, would likely have a more irregular shape and would not necessarily wind up sitting directly underneath a plume.

However, the new study might not rule out the chemically distinct rock scenario. A geodynamicist at Michigan State University has modelled the mantle’s slow-motion currents and found that, along the core-mantle boundary, the currents are lateral, drawn toward the bases of plumes. These currents would bulldoze the dense, chemically distinct rock toward the plumes, and, over time, they could pack it into a roughly circular shape.

The researchers say that the debate will get resolved as pictures of the lower mantle improve. More powerful computers will allow to use more of the high-frequency content of earthquake waves, the part that is best at illuminating shallow structures like ULVZs. Another boost could come from ocean-bottom earthquake sensors. With most earthquake sensors sitting on land, two-thirds of Earth (namely the oceans) is a blank spot.

Source : Science Mag.

Schéma montrant la limite entre le noyau externe et le manteau inférieur, ainsi que les ULVZ (Source : Science Direct)

L’aspect trompeur des panaches volcaniques // The confusing aspect of volcanic plumes

drapeau-francaisL’Observatoire des Volcans d’Hawaï (HVO), géré par l’USGS, a publié un article très intéressant sur les panaches volcaniques qui peuvent parfois être source de confusion. L’Observatoire indique qu’il reçoit de temps à autre des appels d’Hawaiiens qui sont inquiets parce qu’ils pensent que les panaches de l’Halema’uma’u ou du Pu’uO’o deviennent «énormes». En fait, il n’y a rien à craindre, du moins pour le moment. L’éruption au sommet du Kilauea et sur l’East Rift Zone continue sans grand changement, comme c’est le cas depuis de nombreux mois.
Les personnes qui observent attentivement les panaches de gaz et de vapeur du Kilauea savent que leur apparence et leur étendue dépendent de plusieurs facteurs tels que la quantité émise par les bouches éruptives, la direction et la vitesse du vent, mais aussi la température et l’humidité relative de l’air dans le secteur du volcan. Une émission de gaz plus importante entraîne généralement un panache d’apparence plus volumineuse. Une température plus basse de l’air et une humidité relative plus élevée peuvent produire un résultat similaire. Par ailleurs, les alizés, vents dominants à Hawaii, ont tendance à rabattre les panaches de gaz et de particules vers le sol et les envoient généralement vers des zones peu peuplées au sud-ouest des bouches actives du Kilauea.
Il convient de noter que les conditions atmosphériques au cours des derniers mois ont contribué à donner l’impression que les émissions du sommet et des zones de rift du Kilauea étaient plus denses. Il y a plusieurs explications à ce phénomène.
Tout d’abord, depuis le mois de novembre, l’hiver hawaiien a fait chuter les alizés, comme cela se produit régulièrement à cette saison. Les vents du sud, moins soutenus, ont pris le relais, ce qui a dirigé les émissions du Kilauea vers les zones voisines situées à l’est, entre Volcano et Hilo, et au-delà.
Ensuite, le phénomène El Niño, qui est le plus intense des 20 dernières années, a joué un rôle non négligeable. Les conditions météo générées par El Niño à Hawaii entraînent en général des inversions venteuses qui entraînent une sécheresse. Selon les dernières prévisions, El Niño devrait se poursuivre jusqu’au début de l’été. Si cette prédiction se réalise, il est probable que de grands panaches éruptifs vont continuer à monter verticalement au-dessus du Kilauea.

Il y a quelques années, tout en effectuant des mesures de température sur l’île sicilienne de Vulcano*, j’ai remarqué que le volume des panaches de gaz émis par le cratère de la Fossa pouvaient devenir particulièrement volumineux, surtout aux premières heures de la journée. J’ai également eu l’impression que leur apparence était différente en fonction des conditions météorologiques. Malgré cela, la température constante des fumerolles prouvait que la densité des panaches de gaz et de vapeur n’était pas été liée à une activité volcanique. Je décidai alors de faire une étude de la situation, à l’aide de trois instruments: un thermomètre, un baromètre et un hygromètre. J’ai passé 4 jours complets sur le volcan (entre 6 heures et 20 heures) et effectué des relevés toutes les heures. Mes résultats ne font que confirmer les conclusions du HVO. En ce qui concerne le cratère de la Fossa, l’humidité de l’air et la température ambiante ont un impact certain sur les panaches de gaz et de vapeur en début de matinée, ce qui explique leur densité plus élevée avant le lever du soleil. Lorsque l’air se réchauffe et devient plus sec, les panaches deviennent de plus en plus diffus. Plus tard, je remarqué le même phénomène sur le site des geysers d’El Tatio au Chili.

* Voir le mémoire intitulé « L’Ile de Vulcano » que j’ai rédigé il y a quelques années et qui est disponible après de l’Association Volcanologique Européenne.

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drapeau anglaisThe USGS Hawaiian Volcano Observatory (HVO) has written a very interesting article about volcanic plumes that can sometimes be confusing. The Observatory indicates it sometimes receives phone calls from local residents who worry because they think the plumes from Halema’uma’u or Pu’uO’o are getting “enormous”. Actually, there is nothing to worry about, at least for the time being. The summit and rift eruptions are going along steadily, as they have been for many months
Seasoned plume watchers know that the appearance and extent of the Kilauea’s plumes depends on several factors, including the amount of gas coming out of the vents, the direction and speed of the wind, and the temperature and relative humidity of the air around the volcano. More gas discharge generally means a plume that looks bigger, but lower air temperature or higher relative humidity can produce a similar result. Besides, Hawaii’s prevailing trade winds typically press the plumes close to the ground and carry gas and particle emissions to sparsely populated areas southwest of Kilauea’s vents.
It should be noted that atmospheric conditions during the past months have conspired to make Kilauea’s summit and rift emissions disconcertingly more evident to plume watchers. Several explanations can be given.
First, since November, Hawaii’s winter has brought a seasonally characteristic disruption to the trade winds. Slow-moving southerly winds have taken their place, bringing Kilauea’s emissions into nearby East Hawaiii communities, from Volcano to Hilo and beyond.
Second, but equally important, is the coincidence of the strongest El Niño in nearly 20 years. Typically, El Niño conditions in Hawaii produce wind direction reversals which sustain very dry conditions. According to the latest forecasts, El Niño is expected to continue until early summer. If this prediction comes true, it’s likely that tall, eruption plumes will keep rising vertically above the volcano.

A few years ago, while making temperature measurements on the Sicilian island of Vulcano, I noticed that the volume of the gas plumes coming out the Fossa crater could become voluminous, especially in the early hours of the day. Besides, I had the impression their appearance was different according to weather conditions. Anyway, the steady temperature of the fumaroles proved the density of the gas and vapour plumes was not related to any volcanic activity. I then decided to make a study of the situation, using three instruments: a thermometer, a barometer and a hygrometer. I spent 4 complete days on the volcano (between 6:00 and 20:00) and made hourly measurements. The results do confirm the HVO conclusions. As far as the Fossa crater is concerned, air humidity and temperature had a definite impact on the gas and vapour plumes in the early morning, which accounted for their higher density before sunrise. When the air got warmer and drier, the plumes were becoming more diffuse. I later noticed the same phenomenon at the El Tatio geysers in Chile.

Kilauea-panache

Panache de gaz de l’Halema’uma’u à Hawaii

Vulcano3 Champ fumerollien

Champ fumerollien dans le cratère de la Fossa à Vulcano

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« Geysers » d’El Tatio (Chili)

(Photos: C. Grandpey)