Le lent refroidissement de la lave du Kilauea (Hawaii) // The slow cooling of the Kilauea lava (Hawaii)

Le HVO a publié un article très intéressant qui explique pourquoi et comment la lave émise lors de l’éruption du Kilauea en 2018 se refroidit très lentement. La réponse est facile : c’est parce que la lave bénéficie de son propre pouvoir isolant. .
Depuis la fin de l’éruption de 2018, des mesures précises ont été effectuées sur l’épaisseur des coulées, leur temps de refroidissement et la relation entre le cœur encore très chaud et visqueux des coulées et la croûte solide en surface.
Les travaux effectués par des scientifiques du HVO et publiés en 1994 ont révélé la vitesse de refroidissement des coulées pahoehoe à Kalapana. Les volcanologues ont alors découvert que la croûte qui surmonte une coulée de lave basaltique s’épaissit en fonction de la racine carrée du temps. En d’autres termes, la croûte se développe plus lentement avec le temps. En conséquence, les coulées de lave plus épaisses prendront plus de temps à se solidifier.
La lave émise par le  Kilauea a une température d’environ 1150°C. En 1917, Thomas Jaggar a publié les résultats des mesures de température du lac de lave actif dans le cratère de l’Halema’uma ’u. On y apprend que le basalte pouvait rester encore visqueux à des températures entre 750 et 850°C. Ces chiffres servent aujourd’hui de référence. Ainsi, pour les derniers calculs relatifs à la lave de 2018, la croûte a été considérée comme solide quand elle présentait une température inférieure à 850°C. Cette même croûte montrait encore de l’élasticité (état semi-solide ou malléable) entre 850 et 1070°C.
Des études antérieures effectuées par le HVO sur les lacs de lave actifs dans le cratère du Kilauea Iki fournissent des informations supplémentaires. En forant la croûte refroidie à l’intérieur du cratère, les scientifiques ont constaté que la solidification prenait des décennies. En particulier, le lac de lave qui occupait le Kilauea Iki en 1959 avec une épaisseur de 44 mètres a mis environ 35 ans à se solidifier complètement. La température en profondeur est encore supérieure à 540°C.
En utilisant des drones, le HVO a pu élaborer une carte de l’épaisseur des coulées de lave de l’éruption de 2018. Cette carte indique qu’au carrefour connu sous le nom de «Four Corners», la lave présente une épaisseur d’une quinzaine de mètres. En utilisant cette valeur et les équations relatives à l’éruption de Kalapana en 1994, on peut calculer comment se sont solidifiées les coulées de 2018.  Ainsi, au cours des 14 mois qui ont suivi la fin de l’éruption, la partie supérieure de la coulée de « Four Corners » s’est solidifiée sur 7,80 mètres, tout comme les 5,50 mètres de sa partie inférieure. En revanche, une épaisseur de 1,70 mètre au cœur de la coulée est restée encore visqueuse. On estime qu’il faudra encore environ 3 ans pour que la température de ce cœur de coulée descende à 850°C et que la lave se solidifie complètement. Cela correspond aux dernières observations faites par les services de l’équipement qui ont remarqué des roches encore très chaudes lorsque les bulldozers ont effectué une tranchée le long de la Highway 132. Les géologues du HVO ont confirmé ces observations en août, lorsque une température de 425° C a été mesurée sur le site. Des températures élevées persisteront à plusieurs dizaines de centimètres sous la surface et généreront probablement de la vapeur lorsqu’il pleuvra.
Bien que l’éruption de 2018 du Kilauea se soit achevée il y a 14 mois, il faudra des années avant que les coulées de lave se solidifient complètement avec une température inférieure à 850°C, et il faudra attendre plus d’un siècle avant que la zone de 250 mètres d’épaisseur, là où la lave est entrée dans l’océan,  se solidifie complètement.
Source: USGS, HVO.

Cet article m’intéresse particulièrement car j’ai moi-même effectué un travail d’observation sur le processus de refroidissement de la lave sur le Kilauea, pour le compte du HVO et du Parc National des volcans d’Hawaii. Vous trouverez un résumé de mes travaux sous l’entête de ce blog.

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HVO has released a very interesting article which explains why and how lava from the Kilauea 2018 eruption is cooling very slowly. The short and simple answer is that lava insulates itself very well.

Since the end of the 2018 eruption, accurate measurements have been made on the flow field of lava thickness, cooling times, and the relative proportions of the internal molten core to the exterior solid crust.

Previous work by HVO scientists published in 1994 measured the cooling rate of pahoehoe lava at Kalapana. They found that the upper crust of a basalt lava flow grows thicker as a function of the square root of time. In other words, the lava flow crust grows more slowly with time. Therefore, thicker lava flows will take longer to become completely solid.

Lava erupts from Kilauea at a temperature of 1150°C. In 1917, Thomas Jaggar published results from the then-active Halema‘uma‘u lava lake that indicated basalt can remain molten at temperatures as low as 750–850°C. These figures are now the reference. For the current calculations, the crust has been considered solid when it is below 850°C and this crust is viscoelastic (semi-solid or malleable) at 850–1070°C.

Additional insight comes from previous HVO studies of active lava lakes in Kilauea Iki craters. By drilling into the cooled upper crusts of lava lakes within these craters, scientists documented that solidification takes decades. More specifically, the 44-metre-thick 1959 Kilauea Iki lava lake took about 35 years to fully solidify. Today, its core is still hotter than 540°C.

Using drones, HVO was able to create a lava flow thickness map of the 2018 eruption. This map indicates that at the intersection known as “Four Corners” there is a thickness of approximately 15 metres of lava. Using this value and the equations from the 1994 study of the Kalapana lava flows, one can calculate how much of the 2018 flows have solidified. Over the 14 months since the end of the eruption last year, the upper 7.8 metres and lower 5.5 metres at “Four Corners” should already be solidified crust, and the middle 1.7 metres should still be malleable.

It will take about 3 more years for the remaining 1.7 metres of malleable lava over the “Four Corners” intersection to reach 850°C and be completely solid. This matches recent observations by road-construction crews, who noticed hot rocks being exposed at a road cut along Highway 132. HVO geologists confirmed this in August, when temperatures of 425°C were measured at the newly-cut road site. Hot temperatures will remain several tens of centimetres below the surface for now and will likely generate steam when it rains.

Although Kilauea’s 2018 eruption ended 14 months ago, it will be years before the lava flows emplaced on land are entirely solidified below 850°C, and over a century before the 250-metre-thick area offshore fully solidifies.

Source: USGS, HVO.

This article is of particular interest to me because I performed an observation work on the cooling process of lava on Kilauea, on behalf of HVO and the Hawaii Volcanoes National Park. You will find an abstract of my work beneath the heading of this blog.

Refroidie et durcie en surface, une coulée de lave conserve pendant longtemps une température élevée à l’intérieur (Photo: C. Grandpey)

L’extermination des Amérindiens et ses conséquences sur le climat // The extermination of the Amerindians and its consequences on the climate

Une étude menée par des scientifiques de l’University College of London et intitulée Earth system impacts of the European arrival and Great Dying in the Americas after 1492 arrive à une conclusion étonnante: Les colons auraient tué tellement d’Amérindiens que la terre se serait refroidie !

Entre l’arrivée de Christophe Colomb dans les Caraïbes en 1492 et l’année 1600,  autrement dit les cent premières années de la colonisation de l’Amérique, on estime que les colons européens ont causé la mort d’environ 56 millions d’autochtones. Cette hécatombe, provoquée par des massacres d’Amérindiens et les maladies apportées par les colons, a provoqué une modification radicale de la surface du continent. En effet, de vastes portions de territoires cultivées et habitées se sont retrouvées sans occupants. En l’absence d’humains, la nature a repris ses droits et la végétation a recouvert de nouveau ces territoires. Selon l’étude des scientifiques de l’University College of London, ce phénomène a eu pour conséquence un déclin massif du dioxyde de carbone (CO2) dans l’atmosphère.

Pour connaître le taux de carbone dans l’atmosphère à cette époque, les scientifiques ont étudié des carottes issues de la calotte polaire en Antarctique. Ces échantillons peuvent servir d’archive des gaz à effet de serre grâce au gaz piégé dans la glace.

Le refroidissement de la planète à cette période, appelé «petit âge glaciaire» est connu depuis longtemps, mais on pensait que les changements, marqués par des hivers particulièrement rigoureux, avaient été uniquement causés par des forces naturelles. Toutefois, selon l’un des co-auteurs de l’étude, la compilation des preuves archéologiques, ainsi que des données historiques et des analyses de carbone en Antarctique, ne laissent pas le moindre doute sur l’influence de la mort des Amérindiens. Selon lui, «une fois que l’on a pesé tous les éléments, on comprend que si le petit âge glaciaire était si intense, c’est à cause du génocide de millions de personnes».

Source : CNN.

NDLR : Cette conclusion de l’étude est à la fois intéressante et surprenante. Je pense qu’il faudra d’autres recherches pour la confirmer. Il semble étonnant que la mort d’un très grand nombre d’individus et les conséquences exercées sur la nature par leur disparition ait pu avoir de telles répercussions sur le climat de notre planète.

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A study led by scientists at the University College of London and entitled Earth System Impacts of the European Arrival and Great Dying in the Americas after 1492 comes to an astonishing conclusion: Settlers killed so many Indians that the Earth cooled!
Between the arrival of Christopher Columbus in the Caribbean in 1492 and the year 1600, in other words during the first hundred years of the colonization of America, it is estimated that European settlers caused the death of about 56 million indigenous people. This slaughter, caused by massacres of Amerindians and the diseases brought by the settlers, caused a radical change at the surface of the continent. In fact, vast areas of cultivated and inhabited land were left without occupants. In the absence of humans, nature regained its rights and vegetation once again covered these territories. According to the study by the scientists at the University College of London, this phenomenon resulted in a massive decline of carbon dioxide (CO2) in the atmosphere.
To find out the carbon content in the atmosphere at that time, scientists studied ice cores collected from the polar ice sheet in Antarctica. These samples are used as an archive of greenhouse gases thanks to the gas trapped inside the ice.
The cooling of the planet at that time, called the Little Ice Age, has been known for a long time, but it was thought that the changes, marked by particularly harsh winters, were solely caused by natural forces. However, according to one of the co-authors of the study, the compilation of archaeological evidence, as well as historical data and carbon analyses in Antarctica, leaves no doubt about the influence of the death of Amerindians. In his opinion, « once we have weighed all the elements, we understand that the Little Ice Age was so intense because of the genocide of millions of people ».
Source: CNN.
This conclusion of the study is both interesting and surprising. I think it will require further research to confirm its results. It seems astonishing that the death of a very large number of individuals and the consequences of their disappearance on nature may have had such repercussions on the climate of our planet.

Arrivée de Christophe Colomb en Amérique  (Source : United States Library of Congress’s Prints and Photographs division)

Processus de refroidissement de la lave sur le Kilauea (Hawaii) // Lava cooling process on Kilauea Volcano (Hawaii)

Le dernier article « Volcano Watch » du HVO aborde le thème du refroidissement des coulées de lave, son déroulement et sa durée. C’est un aspect du volcanisme que j’ai étudié il y a quelques années sur la Grande Ile d’Hawaii pour le compte de l’Observatoire et du Parc des Volcans d’Hawaii. Vous trouverez un résumé de mon travail sous l’entête de ce blog: « Processus de refroidissement de la lave sur le Kilauea« .
https://claudegrandpeyvolcansetglaciers.com/processus-de-refroidissement-de-la-lave-sur-le-kilauea-hawaii/

L’article du HVO présente de nombreuses similitudes avec ma propre étude qui fournit des détails supplémentaires sur la composition de la lave.

Maintenant que l’éruption de 2018 du Kilauea est terminée, on peut se demander combien de temps il faudra aux dernières coulées de lave pour se refroidir et se solidifier complètement. La réponse n’est pas aisée car différents facteurs sont à prendre en compte pour évaluer le processus de refroidissement de la lave. La température de lave émise pendant l’éruption de 2018 a atteint environ 1140°C. Lorsque la température de surface d’une coulée est inférieure à environ 1000°C, elle se solidifie, mais l’intérieur reste très chaud.
Le facteur le plus important pour déterminer la vitesse à laquelle la lave refroidit est l’épaisseur de la coulée. D’autres facteurs incluent la perte de chaleur en surface (contact avec l’atmosphère) et en profondeur (contact avec le sol). La température de l’air, les précipitations et le vent contribuent également à la perte de chaleur de surface d’une coulée. Le contact entre une coulée de lave, l’air ambiant et la surface du sol favorise le durcissement rapide de la partie supérieure et inférieure de la coulée. C’est ce qui explique la présence d’une croûte argentée à la surface des coulées de lave pahoehoe et le cliquetis que l’on peut entendre sur les coulées de lave a’a. Lorsque la croûte se refroidit et s’épaissit, elle retient la chaleur à l’intérieur de la coulée car la lave est un bon isolant.
Une fois que la croûte s’est formée, la coulée continue à perdre de la chaleur par radiation et par conduction, phénomène facilité par le vent et la pluie. Lorsque l’eau de pluie pénètre dans les fissures à la surface de la coulée et rencontre la chaleur de l’intérieur, elle produit de la vapeur qui forme les panaches blancs souvent observés au-dessus des coulées actives ou qui l’ont été récemment. Cette vapeur peut persister pendant des décennies, longtemps après la solidification de la lave, en fonction de l’épaisseur de la coulée et de la température à l’intérieur.
Une étude du refroidissement de la surface des coulées de lave pahoehoe émises lors de l’éruption du Kupaianaha en 1990 a servi de référence pour estimer le temps de solidification des coulées dans la Lower East Rift Zone (LERZ) en 2018. Dans la mesure où l’équation ne porte que sur le refroidissement de la croûte supérieure de la coulée de lave, on suppose que l’épaisseur de la croûte à la base de la coulée correspond à 70% de la croûte supérieure. Les mesures effectuées sur le  Kupaianaha l’ont été sur des coulées pahoehoe de faible épaisseur, alors que la plus grande partie de la lave émise en 2018 dans la LERZ était de type a’a. Malgré tout, comme l’intérieur de chaque type coulée (pahoehoe ou a’a) est censé refroidir à la même vitesse, le HVO estime sue l’on peut s’appuyer sur la vitesse de refroidissement de 1990 pour estimer celle de 2018.
Des analyses préliminaires effectuées suite à l’éruption de 2018 montrent que l’épaisseur moyenne des coulées dans la LERZ est d’environ 10 à 15 mètres. Sur la base du calcul de la vitesse de refroidissement, on peut déduire qu’il pourrait s’écouler entre 8 mois et un an et demi pour que des coulées présentant une telle épaisseur se solidifient. Le refroidissement et la solidification de coulées d’une épaisseur de 20 à 30 mètres pourraient prendre entre deux ans et demi et six ans. D’autres coulées de la LERZ, d’une épaisseur pouvant atteindre 55 mètres, mettront probablement une vingtaine d’années pour refroidir et se solidifier complètement.
Étant donné que l’épaisseur de la coulée, la vitesse du vent, les précipitations, la température de l’air ambiant et du sol et d’autres facteurs influent sur la vitesse de refroidissement de la lave, il existe une marge d’incertitude sur la durée pendant laquelle l’intérieur d’une coulée reste liquide. Ainsi, après l’éruption du Kilauea Iki en 1959, il a fallu environ 35 ans au lac de lave d’une profondeur d’environ 135 mètres pour se solidifier complètement. Il n’est pas impossible que la lave soit encore incandescence en profondeur. C’est la raison pour laquelle, les jours de pluie, on peut voir la vapeur monter du plancher du cratère du Kilauea Iki, ainsi que du plancher de la caldeira du Kilauea.
Source: USGS / HVO.

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HVO’s latest « Volcano Watch » article is about the cooling of lava flows, how it happens and how long it takes. This is an aspect of volcanism I studied a few years ago on Hawaii Big Island on behalf of the Observatory and the National park. You will find an abstract of my work beneath the title of this blog: “Processus de refroidissement de la lave sur le Kilauea”.

https://claudegrandpeyvolcansetglaciers.com/processus-de-refroidissement-de-la-lave-sur-le-kilauea-hawaii/

The HVO article holds many similarities with my own study which provided more details about lava composition.

Since the end of the 2018 eruption on Kilauea, questions have surfaced concerning how long it will take for the new lava flows to solidify. This is a difficult question to answer, because the initial eruptive temperatures along with many different factors can influence the rate of cooling. Eruptive lava temperatures of the 2018 eruption reached a maximum of approximately 1140°C. When the surface of the flow cools below about 1000°C, it solidifies, but the interior is still very hot.

The most influential factor determining how fast lava cools is the thickness of the flow. Other factors include heat loss from both the top (to the atmosphere) and bottom of a flow (into the ground). Contributing to heat loss at the flow’s surface are air temperature, rainfall, and wind. The initial contact between a lava flow, the air above it, and ground surface below it, quickly hardens the outer crust (top and bottom) of the flow. This can be seen in the silvery crust that forms on active pahoehoe flows and the rubbly clinker that surrounds active a’a flows. As the crust cools and thickens, it retains heat within the flow’s interior. This is because the crust is a good insulator, meaning it poorly conducts heat.

After the initial formation of crust, the flow continues to lose heat through radiation and conduction, facilitated by wind and rain. As rain water percolates into cracks in the flow’s surface and encounters the hot interior, it produces steam, forming the white plumes often seen over active or recently active flows. This steaming can persist for decades, long after the lava has solidified, depending on the thickness of the flow and the temperature of its interior.

Based on a study of crustal cooling of pahoehoe lava flows erupted from the Kupaianaha vent in 1990, one can estimate the solidification time for the 2018 LERZ flows. Because the equation only looks at cooling of the lava flow’s upper crust, the basal crust thickness is assumed to equal 70 percent of the upper crust. The Kalapana measurements were made on thin pahoehoe flows, but most of the 2018 Lower east Rift Zone (LERZ) lava is a’a. But, because the core of each flow type should cool at similar rates, one can base the 2018 cooling rates on the 1990 study.

Preliminary analyses of the 2018 LERZ eruption flow thicknesses, suggest that the average flow thickness is around 10–15 metres. Based on the cooling rate calculation, it could take between 8 months and one and a half years for flows of these thicknesses to solidify. Solidification of flows ranging 20–30 metres thick could take about 2.5 – 6 years. The thickest LERZ flows on land, which are approximately 55 metres thick, may take 20 years to reach a completely solid state.

Because flow thickness, wind speeds, rainfall amounts, air and ground temperatures, and other factors all affect lava cooling rates, there is a range of uncertainty on how long the interior of a flow remains liquid. For example, after the 1959 Kilauea Iki eruption, the approximately 135-metre-deep lava lake took about 35 years to completely solidify. Lava may still be incandescent in depth. This is why, on rainy days, you can see steam rising from the Kilauea Iki crater floor, as well as the Kilauea caldera floor.

Source : USGS / HVO.

Coulée de lave a’a pendant l’éruption 2018 du Kilauea (Photo: USGS / HVO)

Coulée de lave pahoehoe sur le Kilauea (Photo: C. Grandpey)

Prélèvemet d’échantillons de lave pour analyse en laboratoire

(Photo: Ch. Grandpey)

Et si un nouveau Tambora entrait en éruption ? // What if another Tambora erupted ?

Le Mt Agung n’est toujours pas entré en éruption et ne se manifestera peut-être jamais, mais des chercheurs ont imaginé les conséquences d’une éruption majeure de ce type de volcan.
Dans une étude publiée dans Nature Communications, des scientifiques du Centre National de Recherche Atmosphérique aux Etats-Unis nous expliquent que des éruptions volcaniques majeures pourraient avoir un impact plus important sur le climat de la planète que par le passé. En examinant les conditions climatiques qui ont suivi l’éruption du Tambora (Indonésie) en 1815, les chercheurs de Boulder (Colorado) envisagent ce qui se passerait si ce type d’éruption majeure se produisait en 2085.
Les scientifiques font remarquer que le refroidissement qui suivra une éruption de cette ampleur sera encore plus sensible, mais il ne compensera pas les effets du réchauffement climatique. En outre, ils prédisent que l’éruption perturbera le cycle de l’eau, car les précipitations seront en déclin sur la planète.
Lorsque le Tambora est entré en éruption en 1815, des milliers de personnes ont perdu la vie et l’éruption est considérée comme la plus destructrice des 10 000 dernières années. La cendre et les gaz envoyés dans l’atmosphère ont modifié le climat global pendant un an et 1816 a été baptisée «l’année sans été».
En utilisant des modèles climatiques informatisés, les auteurs de la nouvelle étude ont conclu que si une éruption comme celle du Mont Tambora survient en 2085, la Terre connaîtra un refroidissement de 40% supérieur à celui qui a suivi l’éruption de 1815, en supposant que le réchauffement climatique actuel se poursuive. Ils prévoient également que ce refroidissement s’étalera sur plusieurs années.
Selon les chercheurs, la raison pour laquelle le refroidissement sera si important est que la température de l’océan deviendra de plus en plus stratifiée, c’est-à-dire séparée en plusieurs couches en fonction de la température. Lorsque un tel phénomène se produit, les eaux de surface de l’océan sont de moins en moins capables de compenser l’effet de refroidissement produit par une éruption, ce qui entraîne un refroidissement plus long et plus intense. Comme le refroidissement de 1815-1816 s’est produit à une époque où la température de l’océan n’était pas aussi stratifiée, il a pu être absorbé en partie par l’eau de l’océan.
A cause de la plus grande stratification actuelle des eaux océaniques, les anomalies thermiques dans les couches supérieures de l’océan ne pénètrent pas aussi profondément qu’en 1815. L’eau plus froide est piégée à la surface de l’océan au lieu de circuler vers les profondeurs. Cela revient à dire que les masses continentales subissent davantage les effets du refroidissement. Malheureusement, les scientifiques pensent que ce refroidissement ne sera pas suffisant pour compenser sur le long terme le réchauffement provoqué par les activités humaines.

En outre, les scientifiques prédisent que le régime de précipitations sera sérieusement affecté par un événement volcanique majeur. Les températures plus froides de la surface de l’océan provoquées pat un hiver volcanique empêcheront l’évaporation nécessaire au déclenchement des précipitations. Cela signifie qu’en plus de la baisse spectaculaire de la température, les populations devront probablement faire face à une grave sécheresse dans les années qui suivront une éruption volcanique majeure.

Source: Presse scientifique américaine.

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Mt Agung has not erupted yet, and may never erupt, but researchers have imagined the consequences of a major eruption of this type of volcano.

In a study published in Nature Communications, scientists at the National Center for Atmospheric Research report that major volcanic eruptions could cause more disruption to the global climate than they have in the past. By examining the conditions that followed the eruption of Mount Tambora (Indonesia) in 1815, the Colorado researchers predict what would happen if this type of major eruption occurred in 2085.

While the scientists predict that the cooling that will follow a future eruption of that scale would be even more extreme, it will not offset the effects of a warming climate. Furthermore, they predict that the eruption will disrupt the water cycle, decreasing global precipitation.

When Mount Tambora erupted in 1815, thousands of people died instantly, and it is considered the most destructive eruption on Earth in 10,000 years. The dust and gas it emitted into the atmosphere altered global climate for a year afterward, which is why 1816 is known as “The Year Without a Summer.”

Using computer climate models, the researchers of the new study concluded that, if an eruption like Mount Tambora’s happens in 2085, the Earth will cool up to 40 percent more than the 1815 eruption, assuming current rates of climate change continue. However, they also predict that the cooling will be spread out over several years.

According to the researchers, the reason why the temperature change will so drawn out is because ocean temperature is becoming increasingly stratified, in other words separated into layers based on temperature. As this happens, the surface water in the ocean will be increasingly less able to moderate the cooling effects of the eruption, causing a longer and more severe cooling event. Because the cooling in 1815-1816 occurred at a time when ocean temperature was not as stratified, it was absorbed to some degree by the water.

As a consequence of increased ocean stratification, temperature anomalies in the upper ocean do not penetrate to depth as efficiently as in 1815.  The cooler water would be trapped at the ocean’s surface instead of circulating to deeper levels. This, in turn, would mean that land masses would bear more of the brunt of the cooling event. Unfortunately, the scientists predict that this cooling event won’t be enough to offset the long-term human-induced warming caused by climate change.

Furthermore, the scientists predict that rainfall patterns will be severely affected by a major volcanic event. Cooler ocean surface temperatures resulting from a volcanic winter prevent evaporation, which is necessary for precipitation. This means that in addition to drastic temperature decreases, people could also face severe drought in the years following a major volcanic eruption.

Source: U.S. scientific magazines.

Le Tambora vu depuis l’espace (Crédit photo: NASA)

L’éruption du Tambora à travers les timbres