Effets de la cendre volcanique sur la santé // Effects of volcanic ash on human health

Les scientifiques pensent que l’éruption actuelle de La Soufrière de Saint-Vincent aura un impact plus important que celle de 1979 car elle n’a produit jusqu’à présent qu’environ le tiers des matériaux rejetés par le volcan il y a 42 ans. Il faut donc s’attendre à de nouvelles retombées de cendres, avec des effets dangereux mais bien connus sur la santé humaine. L’USGS a dressé une liste des effets de la cendre sur notre système respiratoire.

Au cours de certaines éruptions, les particules de cendre sont si fines qu’elles peuvent pénétrer profondément dans les poumons. Pendant une exposition prolongée, même les personnes en bonne santé peuvent ressentir une gêne thoracique accompagnée de toux et d’irritation des voies respiratoires. Les symptômes les plus courants à court terme comprennent une irritation du nez et de la gorge, parfois accompagnée d’une toux sèche. Les personnes souffrant de troubles thoraciques préexistants peuvent développer des symptômes bronchitiques sévères.

La pénétration des particules de cendre dans les voies respiratoires dépend en grande partie de la taille des particules. Les particules plus grosses (diamètre 10-100 µm) se logent dans les voies respiratoires supérieures, tandis que celles dans la gamme de taille 4-10 µm se déposent dans la trachée et les bronches. Des particules très fines (<4 µm de diamètre) peuvent pénétrer plus profondément dans les poumons, jusque dans la région alvéolaire.

Le dépôt de particules relativement grossières dans les voies respiratoires supérieures est principalement associé à des symptômes tels qu’une irritation du nez et de la gorge. On pense que le dépôt de particules plus petites dans la région thoracique (bronches et bronchioles) a pour conséquence des formes aiguës de la maladie telles que les crises d’asthme et la bronchite. Les particules très fines sont dites «respirables» et peuvent pénétrer profondément dans les poumons profonds, occasionnant des maladies respiratoires chroniques telles que la silicose.

Les éruptions les plus dangereuses sont celles générant des cendres à grains fins avec une teneur élevée en silice cristalline car ce minéral est susceptible de provoquer la silicose, une maladie associée à des professions telles que la taille de la pierre, la construction de routes et le travail dans les mines. Certains volcans produisent des quantités importantes de silice cristalline au niveau des dômes de lave qui peuvent s’effondrer en générant des cendres à grains fins en suspension dans l’air, et riches en silice cristalline.

L’éruption de Soufrière Hills à Montserrat en 1995 a généré des cendres au moment de l’effondrement du dôme. Elles contenaient jusqu’à 25% en poids de silice cristalline, ce qui a incité le gouvernement britannique à mettre en œuvre des contrôles pour minimiser l’exposition de la population.

Des études sur l’exposition de la population à la silice cristalline ont toutefois révélé que la majorité de la population n’est pas exposée à des concentrations atmosphériques suffisamment élevées pour être à risque de développer une silicose, mais un petit groupe d’individus (comme les travailleurs en extérieur) peut être à risque de développer une silicose légère.

Source: USGS.

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The ongoing eruption of St Vincent’s La Soufriere is expected to be bigger than in 1979 but has only so far produced about one-third of the new material that the volcano did 42 years ago. More ashfall is expected, with dangerous but well-known effects on human heath. USGS has made a list of respiratory effects.

In some eruptions, ash particles can be so fine that they are breathed deep into the lungs. With high exposure, even healthy individuals will experience chest discomfort with increased coughing and irritation. Common short-term symptoms include nasal and throat irritation, sometimes accompanied by dry coughing. People with pre-existing chest complaints may develop severe bronchitic symptoms.

Penetration of ash particles into the respiratory tract is largely dependent on particle size. Larger particles (10-100 µm diameter) lodge in the upper airways, while those in the 4-10 µm size range deposit in the trachea and bronchial tubes. Very fine (< 4 µm diameter) particles may penetrate deeper into the lungs, into the alveolar region. (see image above)

Deposition of relatively coarse particles in the upper airways is primarily associated with symptoms such as irritation of the nose and throat. Deposition of smaller particles in the thoracic region (bronchial tubes and bronchioles) is thought to be associated with acute disease outcomes such as exacerbation of asthma and bronchitis. Very fine particles are termed ‘respirable’ and may penetrate into the deep lungs where chronic, particle-related respiratory diseases, such as silicosis, are activated.

The most hazardous eruptions are those generating fine-grained ash with a high content of free crystalline silica, as this mineral has the potential to cause silicosis, an occupational disease associated with occupations such as stone-cutting, road and building construction and quarrying.

Some volcanoes mass-produce crystalline silica in lava domes which are prone to collapse, generating airborne fine-grained ash rich in free crystalline silica. At Soufrière Hills volcano, Montserrat, the 1995 eruption generated dome collapse ash composed of up to 25 wt.% crystalline silica, prompting the UK government to implement controls to minimise population exposure. However, comprehensive studies of population exposure to respirable crystalline silica have suggested that the majority of the population are not exposed to sufficiently high airborne concentrations to be at risk of developing silicosis, but a smaller group of individuals (such as outdoor workers) may be at risk of developing mild silicosis.

Source : USGS.

Le mystère des aurores boréales // The mystery of northern lights

Cette note n’a pas pour sujet les volcans ou les glaciers mais les aurores boréales – aurora borealis – un phénomène qui fascine ceux qui visitent l’Arctique ou l’Antarctique où l’on peut observer les glaciers et les calottes glaciaires.

On peut lire sur l’excellent site Web The Watchers qu’une nouvelle étude conduite par des scientifiques de l’Institut de recherche environnementale Espace-Terre de l’Université de Nagoya (Japon) a révélé un mécanisme inconnu de la magnétosphère dans lequel les électrons en provenance du Soleil sont propulsés par une énergie électrique plus puissante qu’on ne le pensait jusqu’à présent.

La formation des aurores boréales et australes commence lorsque du plasma est propulsé à très grande vitesse dans l’espace par le Soleil sous forme de particules chargées. Lorsque ces particules se rapprochent de la Terre, elles sont déviées et canalisées, et vont circuler le long des lignes de champ magnétique pour finalement se diriger vers les pôles. La plupart des électrons de la magnétosphère n’atteignent pas l’ionosphère (haute atmosphère) car ils sont repoussés par le champ magnétique terrestre.

Certaines particules accélèrent leur course dans la haute atmosphère terrestre où elles entrent en collision avec des atomes d’oxygène et d’azote qu’elles excitent à une altitude d’environ 100 km. Lorsque les atomes se défont de leur état d’excitation, ils produisent des aurores boréales.

Cependant, de nombreux détails sur ce processus sont encore mystérieux. Par exemple, on ne connaît pas avec précision la manière dont est généré le champ électrique qui accélère les électrons dans l’ionosphère, ni même sa hauteur au-dessus de la Terre. Les scientifiques pensaient jusqu’à présent que l’accélération se produisait à des altitudes comprises entre 1 000 et 20 000 km au-dessus de la Terre. La nouvelle étude montre que la zone d’accélération s’étend au-delà de 30 000 km. Elle montre aussi que le champ électrique qui accélère les particules aurorales peut exister à n’importe quelle hauteur le long d’une ligne de champ magnétique et n’est pas limité à la région de transition entre l’ionosphère et la magnétosphère à plusieurs milliers de kilomètres. Cela laisse supposer que des mécanismes magnétosphériques inconnus entrent en jeu.

L’équipe scientifique a étudié aux États-Unis et au Canada les données d’imageurs fournies par le détecteur d’électrons du satellite japonais Arase. Les données ont été collectées à partir de septembre 2017, au moment où Arase se trouvait à une altitude d’environ 30000 km et dans un mince arc auroral actif pendant quelques minutes.

Les chercheurs ont pu mesurer les mouvements ascendants et descendants des électrons et des photons, ce qui a révélé que la zone d’accélération des électrons commençait au-dessus du satellite et s’étendait en dessous.

Afin d’approfondir l’étude de la zone d’accélération à haute altitude, le prochain objectif de l’équipe scientifique sera d’analyser les données fournies par plusieurs événements d’aurores boréales, de comparer les observations de haute et de basse altitude et de réaliser des simulations numériques du potentiel électrique.

Les chercheurs expliquent que si l’on comprend comment se forme ce champ électrique, on comblera les lacunes dans la compréhension de la formation des aurores et dans le transport d’électrons sur Terre et d’autres planètes comme Jupiter et Saturne.

Référence :  « Active auroral arc powered by accelerated electrons from very high altitudes » – Imajo, S., et al. – Scientific Reports.

Source: The Watchers.

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This post is not about volcanoes or glaciers but about Northern Lights – aurora borealis – a phenomenon that fascinates those who visit the Arctic or the Antarctic where glaciers and ice sheets can be observed.

We can read on the excellent website The Watchers that new research by scientists at Nagoya University’s Institute for Space-Earth Environmental Research has revealed an unknown mechanism of the magnetosphere in which electrons from the Sun are propelled by electrical energy higher than previously thought, ultimately creating displays of northern and southern lights.

The formation of auroras starts with supersonic plasma propelled from the Sun as high-speed, charged particles into space. When these particles get near Earth, they are deflected and funneled in streams along the magnetic field lines, flowing towards the poles eventually.

Most electrons in the magnetosphere don’t reach the ionosphere (upper atmosphere) because they are repelled by the Earth’s magnetic field.

Some particles are accelerated into the Earth’s upper atmosphere, where they collide with and excite oxygen and nitrogen atoms at an altitude of roughly 100 km. When the atoms relax from their state of excitation, they emit the auroras. However, many details about this process are still unknown. For instance, we don’t know all the details of how the electric field that accelerates electrons into the ionosphere is generated or even how high above Earth it is.

Scientists previously believed that acceleration happened at altitudes between 1 000 and 20 000 km above the Earth. The new research reveals that the acceleration region spreads beyond 30 000 km. It shows that the electric field that accelerates auroral particles can exist at any height along a magnetic field line and is not limited to the transition region between the ionosphere and magnetosphere at several thousand kilometres. This suggests that unknown magnetospheric mechanisms are at play.

The scientific team studied data from ground-based imagers in the U.S. and Canada from the electron detector on the Japanese satellite, Arase. The data was taken from September 2017, when Arase was at an altitude of about 30 000 km and located within a thin active auroral arc for a few minutes.

The researchers were able to measure the upward and downward movements of electrons and photons, eventually finding the acceleration region of electrons began above the satellite and extended below.

To further investigate the high-altitude acceleration region, the team’s next goal is to analyze data from multiple aurora events, compare observations of high and low altitudes, and conduct numerical simulations of electric potential.

The researchers explain that understanding how this electric field forms will fill in gaps for understanding aurora emission and electron transport on Earth and other planets, including Jupiter and Saturn.

Reference

« Active auroral arc powered by accelerated electrons from very high altitudes » – Imajo, S., et al. – Scientific Reports.

Source: The Watchers.

Photo : C. Grandpey

La technologie muonique pour étudier le Stromboli (Sicile) // Muon technology to study Stromboli (Sicily)

Dans des notes publiées en novembre 2015 et 2017, et en juillet 2016, j’ai attiré l’attention sur l’intérêt que représentait la technologie muonique dans le domaine volcanique. Déjà en 2007, les scientifiques japonais essayaient d’observer l’intérieur des volcans en utilisant cette nouvelle technologie basée sur l’utilisation de particules chargés positivement ou négativement, en provenance des couches supérieures de l’atmosphère

La technique de radiographie muonique est basée sur un principe similaire à celle utilisant les rayons X, mais elle présente l’avantage de pouvoir être utilisée pour étudier des objets beaucoup plus volumineux, tels que les pyramides ou les volcans.
La Protection Civile italienne nous apprend aujourd’hui que la radiographie muonique a été appliquée au Stromboli. C’est le fruit de la collaboration d’un groupe de chercheurs de l’Institut National de Physique Nucléaire (INFN) et de l’Institut National de Géophysique et de Volcanologie (INGV), sans oublier des instituts de recherche japonais. Les résultats de l’étude sur le Stromboli ont été publiés dans la revue Scientific Reports qui couvre toutes les sciences naturelles. Ils révèlent la présence d’une zone de faible densité dans la région sommitale du volcan. Cette zone correspond à une structure d’effondrement formée dans la zone des cratères lors de l’éruption effusive de 2007. Cette zone a ensuite été remplie de matériaux pyroclastiques produits par l’activité explosive strombolienne. Cette structure, qui a influencé le style éruptif du volcan après l’éruption de 2007, a une densité de plus de 30% inférieure à celle du reste du substrat rocheux.
Les muons produits par l’interaction des rayons cosmiques avec l’atmosphère pénètrent dans la roche volcanique et peuvent la traverser de part et d’autre. Cependant, en fonction de la densité et de l’épaisseur de la roche, seule une partie est absorbée. Par le nombre de muons arrivant sur le détecteur, on peut comprendre la densité de la matière qu’ils ont traversée. Des radiographies périodiques du sommet du volcan peuvent être utilisées pour suivre l’évolution de sa structure interne. Le résultat obtenu servira à mieux comprendre les processus éruptifs stromboliens et la dynamique de la Sciara del Fuoco qui a été à plusieurs reprises affectée par des glissements de terrain générateurs de tsunamis.
Le détecteur de muons utilisé pour analyser le Stromboli est basé sur les technologies développées pour l’expérience OPERA ; elles ont étudié les propriétés du faisceau de neutrinos du CERN au Laboratoire national du Gran Sasso de l’INFN. Le premier défi auquel les scientifiques ont été confrontés a été la nécessité de concevoir un détecteur compact à haute résolution angulaire ne nécessitant pas d’alimentation électrique et pouvant être transporté sur les pentes d’un volcan tout en résistant aux éléments. Le détecteur est constitué de 320 films d’émulsions nucléaires, plaques photographiques spéciales qui permettent de « photographier » avec une grande précision le passage des particules qui les traversent. La surface du détecteur est d’environ un mètre carré. Le détecteur a été placé sur le site de Le Roccette, à une altitude de 640 mètres, et a recueilli les traces des muons qui ont traversé le volcan pendant environ 5 mois.

Source : Revue de la Protection Civile Italienne.

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 In several posts published in November 2015 and 2017, and in July 2016, I drew attention to the interest of the muon technology in the volcanic field. Already in 2007, Japanese scientists had tried to observe the interior of volcanoes using this new technology based on the use of positively or negatively charged particles from the upper layers of the atmosphere
The muon radiography technique is based on a principle similar to that using X-rays, but it can also be used to study much larger objects, such as pyramids or volcanoes.
The Italian Civil Protection informs us today that muon radiography has been applied to Stromboli. This is the result of the collaboration of a group of researchers from the National Institute of Nuclear Physics (INFN) and the National Institute of Geophysics and Volcanology (INGV), not to mention Japanese research institutes. The results of the study on Stromboli were published in the journal Scientific Reports which covers all natural sciences. They reveal the presence of a low density area in the summit area of the volcano. This zone corresponds to a collapse structure formed in the crater zone during the effusive eruption of 2007. This area was then filled with pyroclastic materials produced by strombolian explosive activity. This structure, which influenced the eruptive style of the volcano after the eruption of 2007, has a density more than 30% lower than the rest of the bedrock.
The muons produced by the interaction of cosmic rays with the atmosphere penetrate the volcanic rock and can cross it on both sides. However, depending on the density and thickness of the rock, only a part is absorbed. By the number of muons arriving on the detector, one can understand the density of the material which they crossed. Periodic radiographs of the summit of the volcano can be used to follow the evolution of its internal structure. The result will be used to better understand Strombolian eruptive processes and the dynamics of the Sciara del Fuoco which has been repeatedly affected by tsunami-generating landslides.
The muon detector used to analyze Stromboli is based on the technologies developed for the OPERA experiment; they studied the properties of the CERN neutrino beam at the INFN’s Gran Sasso National Laboratory. The first challenge that scientists had to face was the need to design a compact, high-resolution angular detector that does not require power and can be transported on the slopes of a volcano while resisting the elements. The detector consists of 320 films of nuclear emulsions, special photographic plates that allow to « photograph » with a great precision the passage of the particles which cross them. The surface of the detector is about one square metre. The detector was placed on the site of Le Roccette, at an altitude of 640 metres; it collected traces of muons that crossed the volcano for about 5 months.
Source: Journal of Italian Civil Protection.

Photo: C. Grandpey

Le Stromboli vu par les muons (Source: Protection Civile / INFN)

Conséquences sanitaires de l’éruption du Kilauea dans les Leilani Estates // Health impacts of the Kilauea eruption in the Leilani Estates

Plusieurs semaines après la fin de l’éruption du Kilauea et la destruction de 716 structures dans la Lower East Rift Zone, les personnes dont la maison avait été épargnée par la lave ont été autorisées à regagner leur domicile le 8 septembre 2018. Certains des habitants subissent encore aujourd’hui les effets des polluants atmosphériques car des nuages ​​de vapeur continuent de s’échapper de la Fracture n° 8. Le HVO a indiqué que «les niveaux de gaz étaient bas ou inexistants et qu’il n’y avait plus de coulée de lave active en surface».
Malgré cette conclusion, de nombreux habitants se plaignent de problèmes respiratoires à cause de l’odeur de dioxyde de soufre qui a envahi la région. Le médecin d’une femme a déclaré que la pleurésie dont elle souffrait était probablement due aux émissions de gaz et peut-être aussi aux cheveux de Pelé.
Selon USGS, outre le SO2, les éruptions laissent échapper du sulfure d’hydrogène, gaz très toxique à des concentrations élevées. Les éruptions volcaniques libèrent également du fluor, du chlore et du brome qui sont des acides toxiques, ainsi que du méthane qui peut interférer avec l’oxygène. Les services de santé contrôlent en permanence les données fournies par les stations de surveillance de la qualité de l’air, en particulier les niveaux de SO2 et de particules fines sur Big Island. Un habitant a expliqué que le filtre d’habitacle de sa voiture était «noir à cause des substance qu’il respirait quotidiennement depuis des mois.»
En plus des émanations gazeuses, des cheveux de Pelé restent accrochés dans les arbres, les fossés et sur les pelouses de certaines habitations car leurs propriétaires n’ont pas les moyens de faire face à ces problèmes. Les professionnels de la santé ont conseillé à plusieurs habitants d’éviter de s’exposer aux gaz et aux particules, mais cela semble bien difficile.

En plus des conséquences physiques durables, de nombreux habitants des Leilani Estates ont l’impression qu’ils ne se remettront jamais émotionnellement des impacts de l’éruption du Kilauea. .
Source: Presse hawaiienne.

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Several weeks after the 2018 Kilauea eruption, with the destruction of 716 homes in the Lower East Rift Zone, those whose homes still remain were allowed to return on September 8th, 2018. Some of the returning residents are being affected by air pollutants because clouds of fumes continue to emanate from Fissure 8. The Hawaiian Volcano Observatory determined that “the gas levels were low or nonexistent, with the nonexistence of lava on the surface.”

Despite this conclusion, many residents are complaining of breathing problems because of the sulphur dioxide odour that pervades the area. One woman said that her doctor assumes that the reason she got pleurisy was due to the emissions in the air and possibly Pele’s hair.

According to USGS, in addition to SO2, eruptions release hydrogen sulfide, which is very toxic at high concentrations. Volcanic eruptions also release fluorine, chlorine and bromine, which are strong, toxic acids, and methane, which can interfere with oxygen levels. The Department of Health maintains permanent SO2 and PM2.5 (particulates) air monitoring stations around the Big Island. A resident explained that the AC filter in his car was “black from months of the stuff he breathed in daily.”

In addition to the fumes, fine threads of Pele’s hair remain in the trees, gutters and lawns of some residents who have not had the resources to return home and deal with the damage. Medical professionals told several residents to avoid exposure, but it seems like an inescapable reality for them. In addition to concerns over lasting physical effects, many residents feel they will never recover emotionally from the ordeal.

Source : Hawaiian newspapers.

La dernière éruption du Kilauea a laissé échapper des quantités considérables de SO2 (Crédit photo: USGS / HVO)