Utilisation des satellites en volcanologie // Use of satellites in volcanology

L’Observatoire des Volcans d’Hawaii, le HVO, a publié un article très intéressant sur les différents types de satellites utilisés en volcanologie.
On apprend que de nombreux satellites d’imagerie sont en orbite polaire, ce qui les maintient près de la surface de la Terre sur une orbite basse. Ils réalisent des images de la Terre en bandes étroites et séquentielles en même temps que le satellite voyage d’un pôle à l’autre.
A côté des satellites en orbite polaire, il y a les satellites géostationnaires comme GOES (un acronyme pour Geostationary Operational Environmental Satellite) qui ont des orbites différentes car ils se situent au-dessus d’un seul point de la Terre. C’est pour cela qu’ils se trouvent à une plus grande distance de la Terre que les satellites à orbite polaire, mais avec l’avantage que le GOES peut « voir » tout un côté de la planète.
Les États-Unis utilisent deux satellites GOES pour couvrir l’ensemble du pays. GOES-16 (également appelé GOES-Est) survole la longitude 75° Ouest (près de la côte Est); il observe le continent et une grande partie de l’Océan Atlantique. GOES-17 (GOES-West) se situe au-dessus de 137° de longitude ouest (à mi-chemin entre Hawaï et le continent) et offre une vue de l’ouest des États-Unis et une grande partie de l’Océan Pacifique.
La mission première des satellites GOES n’est pas de détecter l’activité volcanique ou les feux de forêt, mais de surveiller en permanence la météo. La vue large qu’ils proposent permet aux scientifiques de suivre les systèmes météorologiques à mesure qu’ils évoluent et migrent, ce qui fournit des données essentielles pour les prévisions.
La surveillance météorologique utilise les longueurs d’onde de la lumière visible et infrarouge pour analyser l’atmosphère. Heureusement, les canaux infrarouges du satellite peuvent également capter des anomalies thermiques au sol, tels que ceux des incendies et des éruptions.
La nature géostationnaire de GOES-17 lui permet de réaliser rapidement des images des zones (toutes les 5 à 15 minutes) en fournissant au bon moment une vue de ce qui se passe de ce côté de la planète. Le satellite dispose également d’un mode pour réaliser des images de zones plus petites de la surface de la Terre à des intervalles encore plus brefs (toutes les 30 secondes), sur demande dans des cas particuliers, comme lors d’une éruption volcanique ou de grands incendies. Les satellites en orbite polaire, en revanche, ne peuvent couvrir un point donné de la Terre que deux fois par jour.
L’inconvénient de l’orbite géostationnaire lointaine de GOES est la résolution des images qui est généralement inférieure à celle des satellites en orbite polaire. Les canaux infrarouges de GOES-17 ont une résolution de 2 km, ce qui représente une amélioration par rapport à son prédécesseur, GOES-15, qui avait une résolution de 4 km.
La résolution inférieure signifie que les images GOES ne sont pas idéales pour déterminer le contour précis d’une coulée de lave ou localiser l’emplacement exact d’une bouche éruptive. Cependant, la fréquence élevée d’images proposée par GOES est parfaite pour détecter le début d’une nouvelle activité volcanique en surface, tout en donnant une idée de l’endroit où se situe cette activité.
D’une certaine manière, le satellite GOES joue un rôle de sonnette d’alarme et vient en complément d’autres outils de surveillance utilisés par les observatoires volcaniques pour détecter les éruptions. Alors que les réseaux sismiques et de déformation du sol sont sensibles aux changements sous la surface de la Terre, le satellite GOES est un outil très utile pour repérer de nouvelles laves au moment où elles atteignent la surface.
Le satellite GOES joue un rôle de sentinelle de haute technologie qui maintient une surveillance permanente de l’activité éruptive, non seulement à Hawaï, mais à travers tous les États-Unis.
Les images et les données brutes fournies par GOES sont accessibles en ligne, quelques minutes seulement après leur acquisition. Une interface en ligne est fournie par la NOAA :

https://www.star.nesdis.noaa.gov/GOES/index.php.

Source : USGS/HVO.

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The Hawaiian Volcano Observatory (HVO) has published a very interesting article about the different types of satellites used in volcanology.

The reader is informed that many imaging satellites are polar orbiting, staying closer to Earth’s surface in a low orbit. They image the Earth in narrow, sequential strips as the satellite traverses from pole to pole.

Geostationary satellites like GOES (an acronym which goes for Geostationary Operational Environmental Satellite), however, have orbits that hover over a single spot on the Earth. This requires being much farther from Earth than polar orbits, but it has the benefit that the satellite can “see” the entire side of the planet in one view.

The United States uses two GOES satellites to cover the whole country. GOES-16 (also called GOES-East) hovers over longitude 75° West (near the east coast), viewing the mainland and much of the Atlantic Ocean. GOES-17 (GOES-West) is over longitude 137° West (close to halfway between Hawaii and the mainland) and views the western U.S. and much of the Pacific Ocean.

The primary mission of GOES satellites is not to detect volcanic activity or forest fires, but to keep a constant watch over the weather. The broad view allows scientists to track weather systems as they evolve and migrate, providing critical data for forecasts.

Weather monitoring uses wavelengths of visible and infrared light to characterize the atmosphere. Fortunately, the satellite infrared channels can also pick up hot thermal signals on the ground, such as those from fires and eruptions.

The geostationary nature of GOES-17 allows it to image areas rapidly—every 5–15 minutes —providing a timely view of what is happening on this side of the planet. The satellite also has a mode to image smaller areas of Earth’s surface at even higher rates (every 30 seconds), by request in special cases, such as during a volcanic eruption or large fires. Polar-orbiting satellites, on the other hand, might only cover a given spot on the Earth twice a day.

The drawback of the distant geostationary orbit of GOES, however, is that the resolution of the images is generally lower than that of polar-orbiting satellites. The infrared channels on GOES-17 have a resolution of 2 km, an improvement over its predecessor, GOES-15, which had a resolution of 4 km.

The lower resolution means that GOES images are not adequate to map out the precise outline of a lava flow, or locate the exact location of a vent. However, the high image frequency provided by GOES is ideal for detecting the onset of new volcanic activity on the surface, while giving a general idea of where that activity is located.

In some way, the GOES satellite is used as a warning bell which comes as a complement to other monitoring tools used by volcano observatories to detect eruptions. While seismic and ground-deformation networks are sensitive to changes below the surface, the GOES satellite is a tool for spotting new lava reaching the surface.

The GOES satellite acts as a high-tech sentinel, maintaining an unwavering watch for eruptive activity, not only in Hawaii, but across the U.S.

GOES images and raw data are all publicly available online, just minutes after acquisition. One online interface is provided by NOAA:

https://www.star.nesdis.noaa.gov/GOES/index.php.

Source : USGS / HVO.

Image infrarouge GOES de l’île d’Hawaï du 31 juillet 2021. La zone avec les couleurs plus chaudes dans la partie nord de l’île correspond à un incendie de végétation.

Nyiragongo (RDC) : quelques réflexions personnelles

Il n’y a toujours pas, à ma connaissance, confirmation de la vidange du lac de lave du Nyiragongo. Les retombées de cendres observées dans la région de Goma plaident toutefois en faveur de cette hypothèse.

 Je m’en tiens donc à la déclaration du directeur de l’Observatoire : « Il n’a pas été possible de voir à l’intérieur du cratère du volcan à cause du brouillard. Ce qui aurait permis de dégager deux hypothèses: la lave dans le cratère signifierait que les tremblements de terre équivaudraient à une nouvelle activité. Dans le cas contraire, ces tremblements voudraient dire que la terre est en train de reconstituer son équilibre. »

Le processus éruptif le plus fréquent du Nyiragongo est connu et assez facile à comprendre. On remarquera que lorsque la lave perce les flancs du volcan, les coulées démarrent généralement à basse altitude, avec une pente plus faible que vers le sommet. L’importante vitesse d’écoulement de la lave est avant tout due à un taux d’épanchement extrêmement élevé provoqué par la pression de la colonne magmatique à l’intérieur du volcan. Le volcan éclate un peu comme un fruit mûr.

En conséquence, il me paraît essentiel de donner la priorité au contrôle des zones de fractures qui entaillent les flancs du Nyiragongo. Observer le lac de lave depuis la lèvre du cratère, descendre sur les plateformes à l’intérieur, prélever de la lave dont la composition est largement connue, n’est pas inutile mais ne renseigne guère sur le comportement à venir du volcan. Il faudrait un séjour prolongé (plusieurs semaines ou plusieurs mois) ou – encore mieux – la présence de webcams pour bien analyser le comportement du lac de lave. Un bivouac de quelques jours n’est pas suffisant.

Comme je l’ai écrit précédemment, c’est la pression interne exercée par la colonne magmatique sur les parois du volcan qui détermine le déclenchement des éruptions. Pour mieux appréhender la réaction des flancs du volcan à cette pression, il serait intéressant de multiplier les instruments de mesures et autres capteurs. Les satellites sont aujourd’hui parfaitement en mesure de contrôler les déformations des flancs d’un volcan à partir des capteurs installés sur ses flancs. Cela suppose d’une part que l’Observatoire soit opérationnel, mais aussi  que les instruments ne soient pas vandalisés par les voyous qui traînent dans la région.

Le Nyiragongo est un volcan qui montre parfaitement à quel point prévision et prévention volcaniques se rejoignent.

Source : Wikipedia

Le rétrécissement de la stratosphère// The shrinking of the stratosphere

J’ai insisté à maintes reprises sur les conséquences des concentrations très élevées de CO2 dans l’atmosphère sur le climat de notre planète et sur les dangers du réchauffement climatique.

Un article publié dans The Guardian nous apprend maintenant que les énormes concentrations de gaz à effet de serre dans l’atmosphère réduisent la stratosphère. C’est la conclusion d’une étude publiée récemment dans la revue Environmental Research Letters. Des chercheurs ont découvert que l’épaisseur de la stratosphère s’est réduite de 400 mètres depuis les années 1980 et qu’elle s’amincira à nouveau d’un millier de mètres d’ici 2080 si les émissions de gaz à effet de serre ne sont pas réduites.

Les conséquences peuvent être particulièrement graves car l’amincissement de la stratosphère peut affecter la trajectoire et le bon fonctionnement des satellites, leur durée de vie orbitale, la propagation des ondes radio ainsi que le système de navigation GPS et les communications radio.

L’étude ne fait que confirmer l’impact des activités humaines sur la planète. Dans une note précédente, j’ai expliqué que le réchauffement climatique avait fait se déplacer l’axe de la Terre car la fonte des glaciers et de la banquise redistribuait les masses autour du globe.

La stratosphère présente une épaisseur d’environ 20 km à 60 km au-dessus de la surface de la Terre (voir image ci-dessous). En dessous de la stratosphère se trouve la troposphère dans laquelle nous vivons ; c’est aussi l’endroit où le dioxyde de carbone réchauffe et dilate l’air ambiant, ce qui repousse la limite inférieure de la stratosphère. De plus, lorsque le CO2 pénètre dans la stratosphère, il y refroidit l’air qui a tendance à se contracter.

Le rétrécissement de la stratosphère est un signal d’alerte climatique et montre l’influence des activités humaines à l’échelle planétaire. C’est la preuve que nous pourrissons l’atmosphère jusqu’à 60 kilomètres d’altitude! Les scientifiques savaient déjà que la troposphère augmentait en hauteur parallèlement à l’augmentation des émissions de carbone et ils avaient émis l’hypothèse que l’épaisseur de la stratosphère diminuait. La nouvelle étude est la première à le démontrer et donne la preuve qu’elle se contracte dans le monde entier depuis au moins les années 1980, époque des premières données satellitaires.

La couche d’ozone qui absorbe les rayons UV du soleil se trouve dans la stratosphère et les chercheurs pensaient que les pertes d’ozone au cours des dernières décennies pouvaient être à l’origine du rétrécissement. En effet, moins d’ozone signifie moins de réchauffement de la stratosphère. Cependant, la nouvelle étude montre que c’est bien l’augmentation du CO2 qui est à l’origine de la contraction régulière de la stratosphère, et que ce n’est pas l’ozone, qui a commencé à rebondir après le traité de Montréal de 1989 interdisant les CFC.

L’étude est parvenue cette conclusion inquiétante en utilisant les observations satellitaires depuis les années 1980 et en les complétant avec de multiples modèles climatiques qui incluent les interactions chimiques complexes qui se produisent dans l’atmosphère.

Source: The Guardian.

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I have insisted many times on the consequences of the very high CO2 concentrations on the world’s climate and the dangers of the current climate change for our lives.

An article published in The Guardian informs us that the enormous concentrations of greenhouse gases are shrinking the stratosphere. This is the conclusion of a recent study published in the journal Environmental Research Letters

The researchers have observed that the thickness of the atmospheric layer has contracted by 400 metres since the 1980s and will thin by about another kilometre by 2080 if the emissions of the gases are not reduced. The consequences can be very serious as the thinning of the stratosphere has the potential to affect satellite trajectories and operations, orbital life-times, the propagation of radio waves as well as the GPS navigation system and radio communications.

The study only confirms the profound impact of humans on the planet. In a previous post; I exlained that the climate crisis had shifted the Earth’s axis as the massive melting of glaciers redistributes weight around the globe.

The stratosphere extends from about 20 km to 60 km above the Earth’s surface (see image below). Below is the troposphere, in which humans live, and it is the place where carbon dioxide heats and expands the air. This pushes up the lower boundary of the stratosphere. This is not all! When CO2 enters the stratosphere it actually cools the air, causing it to contract.

The shrinking stratosphere is a warning of the climate emergency and the planetary-scale influence that humanity now exerts. This proves we are messing with the atmosphere up to 60 kilometres!

Scientists already knew the troposphere was growing in height as carbon emissions rose and had hypothesised that the stratosphere was shrinking. The new study is the first to demonstrate this and shows it has been contracting around the globe since at least the 1980s, when satellite data was first gathered.

The ozone layer that absorbs UV rays from the sun is in the stratosphere and researchers had thought ozone losses in recent decades could be to blame for the shrinking. Less ozone means less heating in the stratosphere. However, the new study shows it is the rise of CO2 that is behind the steady contraction of the stratosphere, not ozone levels, which started to rebound after the 1989 Montreal treaty banned CFCs.

The study reached its conclusions using the small set of satellite observations taken since the 1980s in combination with multiple climate models, which included the complex chemical interactions that occur in the atmosphere.

Source: The Guardian.

Source : The Guardian

Les glaciers continuent de fondre et de reculer // Glaciers keep melting and retreating

Ce n’est pas vraiment une surprise. Une nouvelle étude publiée dans la revue Nature confirme que la quasi-totalité des glaciers perdent de la masse depuis 2000. La fonte a quasiment doublé sur les 20 dernières années, selon des mesures satellitaires particulièrement précises.

En utilisant 20 années de données satellitaires récemment déclassifiées, une équipe de recherche internationale a calculé que les glaciers avaient perdu 267 milliards de tonnes de glace par an sur la période 2000-2019. Les scientifiques ont analysé 220 000 glaciers à travers le monde, sans prendre en compte les immenses calottes glaciaires de l’Antarctique et du Groenland. Seuls les glaciers situés à la périphérie des calottes ont été recensés. Le phénomène s’est accéléré entre 2015 et 2019 avec 298 milliards de tonnes perdues chaque année en moyenne.

La moitié de la perte glaciaire mondiale provient de l’Alaska et du Canada. Lors de mes conférences, j’insiste sur la fonte et le recul rapides du glacier Athabasca au Canada. Les taux de fonte de l’Alaska sont parmi les plus élevés de la planète avec une perte annuelle moyenne de 67 milliards de tonnes par an depuis 2000. Le glacier Columbia recule d’environ 35 mètres par an. On s’en rend compte en comparant les images satellites des dernières décennies (voir ci-dessous).

Presque tous les glaciers du monde fondent, même ceux du Tibet qui étaient stables jusqu’à présent. À l’exception de quelques-uns en Islande et en Scandinavie, alimentés par des précipitations accrues, les taux de fonte se sont accélérés quasiment partout sur le globe.

Cette fonte presque uniforme reflète l’augmentation globale de la température. Selon les auteurs de l’étude, le lien avec la combustion du charbon, du pétrole et du gaz ne fait aucun doute. Le stade de la simple alerte est largement dépassé. On a dépassé le point de non-retour dans de nombreuses régions où certains glaciers plus petits disparaissent entièrement.

L’étude est la première à utiliser l’imagerie satellite 3D pour examiner tous les glaciers de la Terre non connectés aux calottes glaciaires.

La difficulté de l’étude des glaciers provient d’une part du très faible nombre de mesures in situ. D’autre part, les relevés gravimétriques – très utiles pour mesurer l’évolution des calottes de glace de l’Antarctique et du Groenland – n’ont pas une résolution suffisamment fine pour étudier dans le détail les 220 000 glaciers analysés par l’étude parue dans Nature.

Les scientifiques ont analysé près de 500 000 images satellites prises depuis 2000 par le satellite Terra de la NASA. Les clichés permettent de construire des cartes 3D de la surface de la Terre. Le travail a été rendu possible par le recours à un super calculateur qui a construit des modèles numériques d’élévation basés sur plus de 440 000 images satellites. La précision des résultats atteint un niveau inégalé à ce jour.

La plus grande menace de la fonte des glaciers est l’élévation du niveau de la mer. Les océans du monde subissent déjà l’expansion thermique et la fonte des calottes glaciaires au Groenland et en Antarctique. Selon l’étude, les glaciers sont responsables de 21% de l’élévation du niveau de la mer sur la période 2000-2019. Les calottes glaciaires constituent des menaces plus importantes sur le long terme.

Ces résultats de l’étude concernant les glaciers sont conformes à ceux d’une autre étude parue en 2020, mais celle de 2021 offre une précision supérieure. La première mission GRACE lancée en 2002 a permis de mesurer les changements du champ de gravité terrestre causés par les mouvements de masse sur la planète. Les résultats de la mission GRACE donnent une perte de 200 milliards de tonnes pour les glaciers de montagne sur la période 2002-2016. GRACE montre une accélération spectaculaire pour le Groenland sur la période 2010-2018 avec une perte de 286 milliards de tonnes. La mission arrive à la même accélération spectaculaire en Antarctique avec une perte de 252 milliards de tonnes par an sur 2009-2017.

Source : global-climat.

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It’s not much of a surprise. A new study published in the journal Nature confirms that almost all glaciers have lost mass since 2000. Melting has almost doubled over the past 20 years, according to vert accurate satellite measurements. Using 20 years of recently declassified satellite data, an international research team has calculated that glaciers lost 267 billion tonnes of ice per year over the period 2000-2019. Scientists have analyzed 220,000 glaciers around the world, ignoring the huge ice sheets of Antarctica and Greenland. Only the glaciers located on the periphery of the ice sheets have been identified. The phenomenon accelerated between 2015 and 2019 with 298 billion tonnes lost each year on average.

Half of the world’s ice loss comes from Alaska and Canada. In my lectures, I emphasize the rapid melting and retreating of the Athabasca Glacier in Canada. Alaska’s melt rates are among the highest on the planet with an average annual loss of 67 billion tonnes per year since 2000. The Columbia Glacier is retreating by about 35 metres per year. This can be seen by comparing satellite images from the last decades (see below).

Almost all of the world’s glaciers are melting, even those in Tibet which have been stable until now. With the exception of a few in Iceland and Scandinavia, supplied by increased precipitation, melt rates have accelerated almost everywhere in the world. This almost uniform melting reflects the overall increase in temperature. According to the study’s authors, the link to the combustion of coal, oil and gas is clear. The stage of the simple alert is largely past. The point of no return has been passed in many areas where some smaller glaciers are disappearing entirely. The study is the first to use 3D satellite imagery to examine all of Earth’s glaciers not connected to ice caps.

The difficulty in studying glaciers stems on the one hand from the very low number of in situ measurements. On the other hand, gravity readings – very useful for measuring the evolution of the Antarctic and Greenland ice caps – do not have a sufficient resolution to study in detail the 220,000 glaciers analyzed in the study published in Nature. Scientists have analyzed nearly 500,000 satellite images taken since 2000 by NASA’s Terra satellite. The images allow the construction of 3D maps of the surface of the Earth. The work was made possible by the use of a supercomputer that built digital elevation models based on more than 440,000 satellite images. The accuracy of the results reaches a level unmatched to date.

The greatest threat from melting glaciers is rising sea levels. The world’s oceans are already experiencing thermal expansion and melting ice caps in Greenland and Antarctica. According to the study, glaciers are responsible for 21% of sea level rise over the period 2000-2019. Ice caps are a bigger threat in the long term.

These results from the glacier study are consistent with another study released in 2020, but the 2021 study offers greater accuracy. The first GRACE mission launched in 2002 made it possible to measure the changes in the Earth’s gravity field caused by mass movements on the planet. The results of the GRACE mission show a loss of 200 billion tonnes for mountain glaciers over the period 2002-2016. GRACE shows a spectacular acceleration for Greenland over the period 2010-2018 with a loss of 286 billion tonnes. It underlines the same spectacular acceleration in Antarctica with a loss of 252 billion tonnes per year over 2009-2017.

Source: global-climat.

Source : NASA

Photo : C. Grandpey

 

Source : NASA

Photo : C. Grandpey

Source : NASA

Source : Copernicus Sentinel-2, ESA

D’autres informations dans mon livre « Glaciers en péril » :