La technologie InSAR au service des volcans // InSAR technology to monitor volcanoes

En mars et décembre 2015, j’ai rédigéé plusieurs notes à propos de l’utilisation de la technologie InSAR en volcanologie, en particulier pour contrôler les déformations des Champs Phlégréens (Italie) et du Kilauea (Hawaii). Aujourd’hui, un article publié par l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (le HVO) aborde à nouveau ce sujet.

Les satellites sont devenus essentiels pour surveiller les volcans actifs. En particulier, ils permettent de garder un oeil sur des volcans difficiles d’accès, et ils offrent des perspectives impossibles à obtenir depuis le sol. Les satellites en orbite autour de la Terre peuvent fournir des images classiques d’un lieu, mais également des images thermiques. Ils peuvent aussi mesurer des quantités et des types de gaz, des changements de gravité et de topographie.
Une avancée majeure a été l’arrivée de l’InSAR (Radar interférométrique à synthèse d’ouverture) pour mesurer de petites variations de surface du sol sur un édifice volcanique. Les satellites radar à synthèse d’ouverture (RSO) envoient à intervalles réguliers des ondes radar qui rebondissent sur la Terre et reviennent vers le satellite. Il faut deux ensembles d’ondes concernant la même zone pour mesurer les changements dans le temps. S’il n’y a pas eu de changement de forme du volcan pendant le laps de temps entre les images, les signaux parcourent la distance dans le même laps de temps. Cependant, si le volcan a changé au cours de processus d’inflation ou de déflation, il sera plus proche ou plus éloigné dans la deuxième image. Il faudra donc plus de temps à l’onde radar pour parcourir la distance entre le satellite et le sol, puis revenir au satellite.
En attribuant à deux ondes décalées une couleur basée sur la taille du décalage, on obtient un ensemble unique de couleurs en bandes qui représentent le nombre de longueurs d’onde séparant les deux images. C’est ainsi que se conçoivent les interférogrammes. Les anneaux concentriques de couleur montrent le niveau d’inflation ou de déflation de la surface d’un volcan.
Si l’InSAR est utile pour surveiller les mouvements à la surface d’un volcan, les scientifiques sont parfois confrontés à des difficultés. Les images InSAR recueillies à partir d’un satellite sont souvent perturbées par des signaux liés aux changements de l’atmosphère terrestre entre les passages du satellite. Ce « bruit atmosphérique » est particulièrement apparent avec les changements de topographie. Sur les volcans actifs très hauts, comme le Mauna Loa, les flancs pentus peuvent amplifier les signaux atmosphériques, laissant supposer à tort qu’un changement significatif s’est produit.

À première vue, l’image de gauche (A) pourrait sembler montrer une inflation simultanée du Mauna Kea et du Mauna Loa. Cependant, on sait, grâce aux instruments GPS du HVO, que le Mauna Kea ne montre pas de déformation significative. Les scientifiques peuvent donc conclure que les signaux InSAR sur le Mauna Loa ne sont probablement pas fiables dans ce cas précis. L’image B est un autre exemple d’interférogramme InSAR avec un bruit atmosphérique important. Une légère déformation du Mauna Loa et la zone de rift sud-est du Kilauea est visible sur ces images, mais reste difficile à discerner du bruit atmosphérique.

Une autre méthode consiste à comparer plusieurs images InSAR. Les satellites RSO capturent des images dans les directions ascendante (vers le nord) et descendante (vers le sud) lorsqu’ils orbitent autour de la Terre. En créant une deuxième image InSAR, avec le même laps de temps, mais à partir de différentes « directions de visée » RSO, il est possible de comparer deux interférogrammes du même événement. Si la déformation est réelle sur la zone étudiée, les deux images InSAR provenant de directions opposées montrent des niveaux de mouvement similaires.
Les scientifiques du HVO utilisent constamment les satellites et d’autres outils pour analyser le mouvement du magma dans les volcans d’Hawaii afin d’essayer d’identifier les signes d’éruptions imminentes.
Source : USGS/HVO.

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In March and December 2015, I wrote several posts about the use of InSAR technology in volcanology, in particular to monitor deformations of the Phlegraean Fields (Italy) and Kilauea (Hawaii). Today, an article published by the Hawaii Volcano Observatory (HVO) addresses this subject again.

Satellites have become one of the fundamental tools used to monitor active volcanoes. In particular, they allow to monitor volcanoes that are otherwise hard to access and provide perspectives that are not possible to get from the ground. Satellites orbiting the Earth can provide normal “pictures” of a place, but can also provide thermal images, measure amounts and types of gases, changes in gravity and topography.

One of the most revolutionary advances has been the use of InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) to measure small changes in shape over an entire volcano. Synthetic Aperture Radar (SAR) satellites send timed radar waves that bounce off the Earth back to the satellite. It takes two sets of waves of the same area to measure change over time. If there has been no change to the volcano for the time between images, the signals travel the distance in the same amount of time. However, if the volcano has changed by either inflating or deflating, the volcano will be closer or further away in the second image. It will take more time for the radar wave to travel the distance from satellite to the ground, then back to the satellite.

If the difference between two offset waves are assigned a color based on the size of the offset, they produce a unique set of banded colors that represent the number of wavelengths separating the two images. This process produces interferograms. Concentric rings of color relate to the amount of surface inflation or deflation of a volcano.

While InSAR is useful for monitoring volcanic motions, it is not without problems. The nature of how InSAR images are gathered from a radar satellite often unintentionally captures signals associated with the changes in the Earth’s atmosphere between satellite passes in addition to ground surface change. This additional “atmospheric noise” is especially apparent with changes in topography. At active volcanoes that are very tall, like Mauna Loa, the sloping flanks can magnify atmospheric signals, falsely suggesting that significant change has occurred.

At first glance, the left image (A) above could seem to show both Mauna Kea and Mauna Loa inflating at the same rate simultaneously. However, we know from the HVO GPS instruments that Mauna Kea shows no evidence for significant deformation, so scientists can conclude that the InSAR signals on Mauna Loa are mostly likely unreliable in this specific instance. Image B is another example of an InSAR interferogram with heavy atmospheric noise. Some slight deformation on Mauna Loa and the Southeast Rift Zone of Kilauea is visible in these images, yet still hard to discern from the atmospheric noise.

Another method is to compare multiple InSAR images. SAR satellites capture images in both ascending (traveling northward) and descending (traveling southward) directions as they orbit the planet. By creating a second InSAR image, with the same time span, but from different SAR “look directions,” it is possible to compare two interferograms of the same event. If the deformation is real over the survey area, then both InSAR images from opposing directions would show similar rates of motion.

HVO scientists are constantly using these and other tools to track the movement of magma within Hawaii’s volcanoes in order to identify the warning signs of impending eruptions.

Source: USGS / HVO.

Islande : un geyser de lave // Iceland : a lava geyser

L’éruption se poursuit à Fagradalsfjall au niveau d’une seule bouche éruptive. Il s’agit de la 5ème bouche à s’être ouverte sur le système de fissures le 13 avril 2021. Comme je l’ai déjà écrit, l’activité éruptive en Islande ces jours-ci ressemble davantage aux éruptions du geyser Strokkur qui se trouve à proximité qu’aux éruptions stromboliennes de l’Etna.

Il y a quelques jours, j’ai mesuré des séquences d’environ quatre minutes, alternant pauses et fontaines de lave intenses. Ce rythme éruptif du volcan a été détecté par le satellite Sentinel-2 comme on peut le voir sur l’image ci-dessous. Le satellite a enregistré cette image proche infrarouge à 13h03 le 6 mai 2021. On peut voir le rythme régulier de l’éruption avec les panaches qui se dirigent lentement vers le sud du pays.

A noter que la police a fermé le site de l’éruption le 10 mai 2021. La raison de la fermeture est triple: tout d’abord, il y a des incendies de végétation dans le secteur suite à des semaines de sécheresse et à une activité accrue au niveau du cratère en éruption. La situation est devenue inquiétante lorsque l’activité éruptive a changé. La lave a alors été projetée jusqu’à 300 mètres de hauteur, avec des retombées de matériaux incandescents jusqu’à 300 mètres du cratère actif. Au contact de la végétation, cette lave a provoqué des incendies.

Une autre raison de la fermeture du site est que le vent du nord augmentait le risque de pollution par les gaz le long du chemin d’accès à l’éruption.

Enfin, le secteur de l’éruption a besoin d’être entretenu. Deux randonneurs se sont cassés une cheville durant le week-end sur le sentier d’accès qui devrait être davantage praticable à l’avenir.

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Si vous avez l’intention de vous rendre en Islande pour visiter l’éruption, vous feriez mieux de vérifier les restrictions de voyage en France et en Islande où elles changent fréquemment. En Islande ces jours-ci, vous devrez effectuer un test PCR, même si vous êtes vacciné et vous devrez rester dans un hébergement de quarantaine (entre 5-6 et 24 heures) jusqu’au résultat du test. Les autorités craignent des retards pour obtenir les résultats des tests avec le nombre croissant de visiteurs en Islande.

Le 8 mai 2021, 10 personnes en provenance d’Espagne qui ont débarqué à l’aéroport de Keflavík se sont vu refuser l’accès dans le pays. En raison de la nouvelle réglementation mise en place par le Ministre de la Justice, les déplacements inutiles depuis et vers des pays à risque d’un point de vue sanitaire sont interdits jusqu’à la fin mai. Les personnes en question ne remplissaient pas les conditions pour entrer en Islande car elles arrivaient d’Espagne. Or, les étrangers venant ou ayant séjourné dans un pays où le taux d’infection sur 14 jours dépasse 700 pour 100 000 habitants pendant plus de 24 heures au cours des 14 derniers jours, ou lorsque des informations suffisantes sur le pays en question ne sont pas disponibles, ne sont pas autorisés à entrer en Islande. L’Espagne a été ajoutée à la liste des pays à risque le 7 mai dernier. Les touristes seront donc renvoyés en Espagne.

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The eruption continues in Fagradalsfjall through one main crater. It is the 5th vent that opened on the fissure system on April 13th, 2021.

As I put it before, eruptive activity in Iceland these days looks more like the eruptions of the nearby Strokkur geyser that the strombolian eruptions at Mt Etna. A few days ago, I measured sequences of about four minutes, alternating pauses and intense lava fountains.

This eruptive rhythm of the volcano has been detected by the Sentinel-2 satellite as can be seen on the picture below. The satellite took this near infrared image at 13:03 on May 6th, 2021. We can see the fixed rhythm of the eruption with its emissions slowly going south of the country.

It should be noted that the police closed the eruption site by Fagradalsfjall on May 10th, 2021. The reason for the closure is threefold: first, there are wildfires in the area, due to weeks of drought and increased activity in the main crater. The incidents began when the eruption activity changed, shooting lava up to 300 metres into the air. Some of the lava has landed up to 300 metres away from the active crater, landing on vegetation and sparking fires.

Another reason is that the northerly wind was bringing a higher risk of gas pollution along the hiking path to the eruption.

At last, there is need for maintenance in the area. Two hikers broke an ankle at the site over the weekend on hiking path A which will be improved and made easier to pass.

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If you intend to go to Iceland to visit the eruption, you’d better check the travel restrictions both in France and in Iceland where they are frequently changing. In Iceland these days, you will have to perform a PCR test, even if you are vaccinated and you will have to stay in a quarantine accommodation (between 5-6 and 24 hours) until the result of the test. Authorities fear delays with the increasing numbers of visitors to Iceland.

On May 8th, 2021, 10 people arriving at Keflavík Airport were stopped from entering the country. Due to a new regulation by the Minister of Justice, unnecessary travel from and to specified danger areas is banned from the April 27th and valid until the end of May. The people arriving did not meet the conditions for entering the country, as they arrived from Spain.

Foreigners coming from or having stayed in an area where the 14-day incidence infection rate exceeds 700 per 100,000 population for more than 24 hours in the last 14 days, or when sufficient information from an area is not available, are not allowed to enter the country. Spain has just been put on the danger list last Friday. Rhe tourists will be sent back to Spain.

Dernières nouvelles de La Soufrière de St Vincent // Latest news of St Vincent’s La Soufriere

Dans un premier rapport rendu public le matin du 17 avril 2020, et confirmé par un autre rapport publié dans la soirée, l’UWI a indiqué que l’essaim sismique longue période (LP) accompagné d’événements hybrides se poursuivait à La Soufrière. La fréquence de ces séismes avait chuté de manière significative vers 20 heures le 16 avril et était restée quasiment constante depuis lors. Aucun épisode de tremor n’avait été enregistré au cours des 12 heures précédant la publication du rapport. Le réseau GPS a montré un changement dans les données horizontales et verticales depuis la déflation observée après l’épisode explosif du 9 avril.

Une nouvelle image du cratère sommital a été élaborée à partir d’images satellites. Le nouveau cratère mesure environ 900 m du nord au sud et au moins 750 m de l’est à l’ouest. On estime sa profondeur à au moins 100 m. Il est situé dans le secteur sud-ouest du cratère sommital.

Le rapport indique qu’il y a plusieurs bouches à l’intérieur du nouveau cratère, mais une seule peut être clairement identifiée. D’autres bouches, signalées par les panaches de cendres et de vapeur qui s’en échappent, sont situées dans la partie nord du nouveau cratère.

L’éruption se poursuit, même si l’activité explosive semble avoir cessé pour le moment. Au vu du profil de l’activité sismique, il se peut que l’on assiste à la croissance d’un dôme de lave et que du magma continue à monter des profondeurs sous l’édifice volcanique, mais ces hypothèses doivent être confirmées.

Des explosions accompagnées de retombées de cendres, d’une ampleur similaire ou supérieure aux précédentes, pourraient être à nouveau observées, avec un impact sur Saint-Vincent et les îles voisines.

Le volcan est maintenu en alerte Rouge.

Source: UWI.

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In a first report released on the morning of April 17th, 2020, and confirmed by another report published in the evening, UWI indicated that the swarm of long-period and hybrid earthquakes continued at St Vincent’s La Soufrière. The rate of occurrence of these earthquakes had dropped significantly at about 8 pm on April 16th and had remained near-constant since then. No episodes of tremor had been recorded in the last 12 hours. The GPS network has shown a change in the horizontal and vertical movement since the initial deflation observed after the April 9th explosive episode.

A revised picture has been constructed of the summit crater based on satellite images. The new crater, measures approximately 900 m N to S and at least 750 m E to W. It is thought to be at least 100 m deep and is located in the SW sector of the summit crater.

The report says there are several vents within the new crater, but only one can be identified clearly. Other vents, as indicated by the ash and steam plumes are located in the northern part of the new crater.

The volcano continues to erupt, although explosive activity appears to have ended for the moment. Its current pattern of seismic activity may indicate growth of a lava dome and that magma is being added from deep within the sub-volcanic system, but this has not yet been confirmed.

Explosions with accompanying ashfall, of similar or larger magnitude, could restart in the future impacting St. Vincent and neighbouring islands.

The volcano is kept at alert level Red.

Source: UWI.

Nouveau satellite russe au-dessus du pôle Nord // New Russia satellite above the North Pole

Comme je l’ai déjà écrit, la Russie s’intéresse de plus en plus à l’Arctique. La fonte des glaces causée par le réchauffement climatique va permettre l’accès à de nouvelles ressources minérales et ouvrir de nouvelles voies de navigation dans la région.

C’est la raison pour laquelle la Russie vient de lancer son satellite Arktika-M pour une mission de surveillance du climat et de l’environnement dans l’Arctique. Cela répond au désir du Kremlin d’étendre les activités de la Russie dans cette région du globe.

L’Arctique s’est réchauffé deux fois plus vite que le reste de la planète au cours des trois dernières décennies et Moscou cherche à s’implanter dans la région riche en énergie en investissant dans la route maritime du Nord qui est de plus en plus libre de glace

Le satellite Arktika-M a atteint l’orbite prévue après avoir été lancé depuis la base spatiale de Baïkonour (Kazakhstan) par une fusée Soyouz. La Russie prévoit d’envoyer un deuxième satellite en 2023. Les deux engins spatiaux permettront une surveillance 24h / 24 et par tous les temps de l’Océan Arctique et de la surface de la Terre.

L’Arktika-M aura une orbite très elliptique qui le fera passer au-dessus des latitudes nordiques. Il pourra ainsi surveiller la région arctique pendant de longues périodes. Sur la bonne orbite, le satellite sera en mesure de contrôler en permanence l’Arctique et de prendre des photos toutes les 15 à 30 minutes, ce qui n’est pas possible avec des satellites en orbite au-dessus de l’équateur. Le satellite Arktika-M pourra également retransmettre les signaux de détresse des navires, des aéronefs ou des personnes vivant dans des zones reculées.

Source: CNN.

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As I put it before, Russia is very interested in the Arctic . The melting of the ice caused by global warming will open access to new mineral resources and open new shipping lanes in the region.

This is the reason why Russia has just launched its space satellite Arktika-M on a mission to monitor the climate and environment in the Arctic amid a push by the Kremlin to expand the country’s activities in the region.

The Arctic has warmed more than twice as fast as the global average over the last three decades and Moscow is seeking to develop the energy-rich region, investing in the Northern Sea Route for shipping.

The Arktika-M satellite successfully reached its intended orbit after being launched from Kazakhstan’s Baikonur cosmodrome by a Soyuz rocket. Russia plans to send up a second satellite in 2023 and, combined, the two will offer round-the-clock, all-weather monitoring of the Arctic Ocean and the surface of the Earth.

The Arktika-M will have a highly elliptical orbit that passes high over northern latitudes allowing it to monitor northern regions for lengthy periods. At the right orbit, the satellite will be able to monitor and take images every 15-30 minutes of the Arctic which can’t be continuously observed by satellites that orbit above the Earth’s equator.

The Arktika-M satellite will also be able to retransmit distress signals from ships, aircraft or people in remote areas.

Source: CNN.

Lancement du satellite Arktika-M (Source : Roscosmos)