Étiquette : satellites

Le GPS, de la navigation à la volcanologie // GPS, from navigation to volcanoes

Dans un article récent, des scientifiques du Yellowstone Volcano Observatory ont écrit une chronique expliquant comment un système peut être utilisé à des fins différentes de celles pour lesquelles il a été conçu à l’origine.
C’est le cas du Global Positioning System (GPS), qui est aujourd’hui l’une des techniques les plus efficaces pour suivre les déformations du sol à Yellowstone et sur les volcans en général.
Le système a été lancé en 1978 lorsque le Département américain de la Défense a mis sur orbite une constellation de satellites NAVSTAR pour fournir des informations de navigation à son personnel qui circulait dans des véhicules terrestres, des avions et des navires. Avec le GPS, ces personnes pouvaient savoir où elles se trouvaient et atteindre leur destination. Le service est rapidement devenu accessible aux civils, et la plupart des gens l’utilisent maintenant pour circuler avec leurs véhicules ou se repérer pendant une randonnée.
Aujourd’hui, à côté du NAVSTAR américain, le GLONASS russe et le Galilée de l’Union européenne sont d’autres systèmes de navigation par satellite (GNSS). La précision de ces systèmes varie en fonction des conditions de visibilité du ciel et d’autres facteurs, mais la marge d’erreur est généralement de 5 à 10 mètres pour la position horizontale et de 10 à 30 mètres pour l’altitude.
Cette marge d’erreur ne suffirait pas en volcanologie pour étudier la déformation d’un volcan sous la pression du magma. Les scientifiques effectuant de telles mesures doivent disposer d’une précision très fine, car la déformation d’un édifice volcanique est généralement une affaire de millimètres.
Le récepteur GPS d’une voiture ou d’un téléphone portable utilise les signaux radio des satellites de navigation comme horloge et règle virtuelles. Il mesure le temps nécessaire aux signaux pour parcourir la distance entre plusieurs satellites et le récepteur. Les signaux circulent à la vitesse de la lumière et les orbites des satellites sont connues. Ces informations, associées au temps de parcours des signaux, permettent au récepteur de calculer sa distance par rapport à chaque satellite à un instant donné. En utilisant les principes de la trigonométrie sphérique, le récepteur est capable de « fixer » sa position avec suffisamment de précision pour que les personnes puissent trouver leur chemin.
Pour atteindre une meilleure précision, les géodésistes ont conçu un récepteur qui traite les signaux des satellites de navigation de manière beaucoup plus précise. Au lieu d’utiliser le temps de parcours du signal pour calculer la distance entre les satellites et le récepteur, un récepteur géodésique compte le nombre de longueurs d’onde complètes et fractionnelles entre lui-même et plusieurs satellites à la fois. Les longueurs d’onde sont connues avec précision et les récepteurs géodésiques peuvent compter exactement le nombre de longueurs d’onde complètes. Au final, le récepteur est capable de déterminer instantanément la distance entre plusieurs satellites au millimètre près. Donc, avec un peu de trigonométrie sphérique, les scientifiques ont à leur disposition un moyen de surveiller la déformation du sol en utilisant un système conçu à l’origine pour la navigation avec des véhicules terrestres!
A Yellowstone, un réseau de stations GPS étudie en permanence l’évolution de la déformation du sol. Avec les informations fournies par un réseau de sismomètres et d’autres instruments de surveillance, les données GPS permettent aux scientifiques de mieux comprendre la structure complexe et les processus actifs des phénomènes qui se déroulent sous leurs pieds.
Source: Yellowstone Volcano Observatory.

—————————————————-

In a recent article, Yellowstone Volcano Observatory scientists have written a chronicle explaining how a system can be used for purposes different from those for which it was originally designed.

This was the case for the Global Positioning System (GPS) which is today one of the most effective techniques used to track ground deformation at Yellowstone and on world volcanoes.

The Global Positioning System had its start in 1978 when the U.S. Department of Defense began launching a constellation of NAVSTAR satellites to provide navigation information to its personnel in land vehicles, planes, and ships. With GPS, they could know where they were and how to get where they were going. The service soon became accessible to civilian users, and now most people use it to navigate in their car or to find their way around their favourite trail system.

Today, in addition to the United States’ NAVSTAR GPS, Russia’s GLONASS and the European Union’s Galileo are operational Global Navigation Satellite Systems (GNSS). The accuracy of such systems varies with sky view and other factors, but generally the margin of error is 5–10 metres for horizontal position and 10–30 metres for elevation.

This margin of error would not have been sufficient in volcanology to study the deformation of a volcano under the pressure of magma beneath the edifice. Scientists doing such measurements need to have a very sharp accuracy as the deformation is usually a matter of millimetres.

The GPS receiver in a car or on a cellphone uses radio signals from navigation satellites as a virtual clock and ruler. It measures the time required for signals to travel from several satellites at a time to the receiver. The signals travel at the speed of light and the satellites’ orbits are known. That information, plus the signals’ travel time, allows the receiver to calculate its distance from each satellite at a given instant. Using principles of spherical trigonometry, the receiver is able to « fix » its position well enough for people to find their way around.

To reach a better accuracy, geodesists designed a geodetic-grade receiver that processes signals from navigation satellites in a much more precise way. Instead of using signal travel times to calculate satellite-to-receiver distances, a geodetic receiver counts the number of full and fractional wavelengths between itself and several satellites at a time. The wavelengths are known precisely, and geodetic receivers can count the number of full wavelengths exactly. In the end, the receiver is able to determine its distance from several satellites instantaneously to within a millimetre or so. So, with a little spherical trigonometry you have a means to monitor ground deformation using a system that was originally designed to track jeeps !

At Yellowstone, a network of GPS stations tracks the changing pattern and pace of ground deformation continuously. Combined with information from a network of seismometers and other monitoring instruments, the GPS results help scientists unravel the complex structure and active processes that otherwise remain hidden underfoot.

Source: Yellowstone Volcano Observatory.

Station GPS au bord du Lac de Yellowstone (Crédit photo: USGS)

Contrôle de la déformation du Kilauea pendant la dernière éruption // Monitoring the deformation of Kilauea during the last eruption

L’Observatoire des Volcans d’Hawaii, le célèbre HVO, géré par l’’USGS, dispose d’un vaste réseau d’instruments permettant de surveiller les déformations du sol provoquées par les  mouvements du magma dans le sous-sol. Cependant, ce réseau s’est avéré insuffisant pour mesurer ces déformations pendant la dernière éruption et l’Observatoire a reçu le soutien d’autres organismes scientifiques.
Le GPS (Global Positioning System) est utilisé pour surveiller les variations de surface du sol sur la Grande Ile d’Hawaï depuis la fin des années 1980. Plusieurs dizaines de stations GPS permanentes sont disséminées sur l’île et communiquent leurs données au HVO via des liaisons radio. Chaque jour, la position tridimensionnelle d’une station GPS est calculée à partir de ces données. La précision est généralement supérieure au centimètre.
En plus des stations GPS permanentes, fixées sur un support ancré au sol, le HVO effectue des mesures à partir d’un ensemble de repères en utilisant des installations portables. Lors d’une éruption, ces stations temporaires offrent une couverture supplémentaire dans des zones importantes.
Le problème avec l’éruption dans la Lower East Rift Zone (LERZ), qui a débuté le 3 mai 2018, c’est qu’elle a affecté une grande partie du Kilauea. Dans les jours qui ont suivi l’ouverture de la première fracture, toutes les stations GPS du HVO ont été sollicitées, mais il restait des zones non couvertes dans des endroits où la surveillance de la déformation du sol était essentielle.
Pour compenser ce manque de surveillance, l’University Navstar Consortium, un organisme basé dans le Colorado et spécialisé dans l’utilisation du GPS pour mesurer la déformation de la surface de la Terre, a pu fournir des équipements supplémentaires au HVO. La zone à contrôler comprenait la partie occidentale du flanc sud du Kilauea et le HVO a pu recueillir davantage d’informations sur les conséquences du séisme de magnitude 6,9 ​​survenu le 4 mai 2018.
D’autres stations GPS ont été déployées le long de la Middle East Rift Zone du Kilauea, entre le Pu’uO’o et l’Heiheiahulu, afin de mesurer la déformation des fractures provoquée par l’évacuation du magma de cette zone et sa migration vers les Leilani Estates. D’autres stations temporaires ont été déployées autour de la caldeira du Kilauea pour mieux mesurer la déflation et l’affaissement du sommet.
Les satellites représentent un autre outil majeur utilisé par le HVO pour mesurer la déformation de la surface du sol. L’interférométrie radar à synthèse d’ouverture (InSAR) est une technologie qui utilise deux images radar satellitaires acquises au même point dans l’espace, mais à des moments différents. À partir de ces images, on peut générer une carte montrant les déformations de la surface de la Terre au cours d’une période donnée.
L’Agence Spatiale Européenne (ESA) exploite deux satellites Sentinel-1. Les données InSAR fournies par ces satellites sont généralement disponibles avec un cycle de 12 jours. Cependant, afin de mieux surveiller l’éruption et l’effondrement du sommet du Kilauea, l’ESA a été en mesure de fournir les données InSAR tous les six jours.
Le système de satellites Cosmo-SkyMed est exploité par l’Agence Spatiale Italienne (ASI) et comprend quatre satellites. L’ASI a veillé à ce que les quatre satellites acquièrent des images haute résolution du sommet de Kilauea tout au long des événements d’effondrement, avec des données InSAR pour chaque journée!
Les nombreux passages des satellites SAR au-dessus du Kilauea furent particulièrement utiles pour les mises à jour régulières et les vues à grande échelle. Cela a permis au HVO de contrôler d’infimes déformations de la surface qui auraient pu autrement passer inaperçues. Les données satellitaires ont également été utilisées pour produire des animations de l’effondrement du sommet.
Source: USGS / HVO.

+++++++++++++++

Dans sa mise à jour du 10 septembre, HVO indique qu’un petit effondrement s’est produit au fond de la Fracture n° 8 ; il a laissé apparaître de l’incandescence. Toutefois, aucune coulée de lave n’a été observée.
De petits effondrements continuent de se produire dans le cratère du Pu’uO’o en générant des panaches de poussière de couleur marron. Les tiltmètres positionnés sur le Pu’uO’o et le long de l’East Rift Zone montrent une légère déflation.

La sismicité et la déformation du sol restent faibles au sommet du Kilauea.
Les émissions de SO2 sont globalement très faibles sur le volcan.
Même si le HVO continue de dire que l’éruption pourrait recommencer à tout moment, tous les paramètres tendent à confirmer qu’elle est terminée. L’autorisation donnée aux habitants des Leilani Estates de regagner leurs habitations va dans ce sens. L’incandescence observée au fond de la Fracture n° 8 est probablement provoquée par une certaine quantité de lave résiduelle encore présente dans le réseau de tunnels.

———————————————–

The USGS Hawaiian Volcano Observatory (HVO) has an extensive network of instruments that allows to monitor how the ground deforms due to magma moving underground. However, this network was too limited to monitor ground deformation during the last eruption and the Observatory received the support of scientific colleagues.

The Global Positioning System (GPS) has been used to monitor surface motion on the Island of Hawaii since the late 1980s. Several dozen permanent GPS stations are scattered across the island, and all communicate data to HVO via radio links. Each day, an independent solution for the 3-dimensional position of a GPS station is calculated from these data. The accuracy of the GPS station positions is typically better than a centimetre.

In addition to permanent GPS stations, which are affixed to a monument anchored to the ground, HVO also regularly measures the positions of a set of benchmarks using portable installations. During an eruption, these temporary stations provide extra coverage in important areas.

The problem with the Lower East Rift Zone ( LERZ) eruption, which began on May 3rd, 2018, was that it involved a large portion of Kilauea volcano. Within days of the first fissure opening, all HVO GPS equipment was deployed, but gaps remained in places where ground deformation monitoring was critical.

Fortunately, the University Navstar Consortium, a Colorado-based organization that specializes in using GPS to measure deformation of Earth’s surface, was able to provide additional equipment to expand the area that HVO could monitor. This expanded area included the western side of Kilauea’s south flank, which enabled HVO to gather more insights on the after-effects of the M 6.9 earthquake that occurred on May 4th, 2018.

Additional GPS stations were deployed along Kilauea’s Middle East Rift Zone, from Pu’uO’o to Heiheiahulu, to measure rift deformation caused by magma draining from the area and migrating to Leilani Estates. Other temporary stations were deployed around the Kilauea caldera to give better measurements on summit deflation and collapse.

Satellites were another major tool used by HVO to measure surface deformation. Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) is a technique that uses two satellite radar images acquired from about the same point in space at different times. From these images, a map can be produced to show how the Earth’s surface has deformed during the time spanned.

The European Space Agency (ESA) operates a two-satellite constellation called Sentinel-1. InSAR data from Sentinel-1 are typically available with a 12-day repeat cycle. However, in response to Kilauea’s eruption and summit collapse events, ESA provided InSAR results every six days.

The Cosmo-SkyMed satellite system is operated by the Italian Space Agency (ASI) and consists of four satellites. ASI made sure that all four satellites acquired high-resolution views of Kilauea’s summit throughout the collapse events, with individual InSAR results spanning as little as one day!

The increased frequency of SAR satellite passes was especially valuable for regular updates and broad-scale views of Kilauea’s summit, allowing HVO to monitor subtle surface deformation that might otherwise have gone undetected. The data were also used to produce animations of the summit collapse.

Source: USGS / HVO.

++++++++++++++++

In its update of September 10th, HVO indicates that “a small collapse pit formed within the Fissure 8 cone over the past day, exposing hot material underneath and producing an increase in incandescence. No surface flow was associated with this event.”

Small collapses continue to occur at Pu’uO’o, producing visible brown plumes. Tiltmeters on the vent and along the East Rift Zone are showing a slight decrease in inflationary tilt.  Seismicity and ground deformation remain low at the summit of Kilauea.

SO2 emission rates are globally very low on the volcano.

Even though HVO keeps saying that the eruption might start again at any moment, all parameters tend to confirm it is over. This is confirmed by the authorisation given to Leilani Estates residents to go back to their homes. The incandescence in Fissure 8 is probably caused by some residual lava still present in the tunnel network.

 

Profil de déformation du sommet du Kilauea et du Pu’uO’o avant et après le début de la dernière éruption (Source: USGS / HVO)

Accélération de la hausse du niveau des océans // Sea level rise is accelerating

Selon une nouvelle étude récemment publiée dans la revue Proceedings (= Comptes-rendus) de l’Académie Nationale des Sciences, la hausse du niveau des océans s’est accélérée au cours des dernières décennies et n’a pas été progressive comme on avait tendance à la croire. L’étude s’est basée sur 25 ans de données fournies par les satellites de la NASA et de l’Agence Spatiale Européenne. Cette accélération, due principalement à la fonte intense du Groenland et de l’Antarctique, pourrait multiplier par deux la hausse totale du niveau de la mer d’ici à 2100.
Au train où vont les choses, le niveau de la mer augmentera de 65 centimètres d’ici à 2100, ce qui sera largement suffisant pour causer des problèmes importants aux villes côtières. L’un des auteurs de l’étude a déclaré: « Il s’agit certainement d’une estimation en dessous de la vérité ; en effet, notre extrapolation suppose que le niveau de la mer continuera à s’élever dans le futur comme il l’a fait au cours des 25 dernières années, ce qui est fort peu probable. »
Les concentrations de plus en plus importantes de gaz à effet de serre dans l’atmosphère entraînent une augmentation de la température de l’air et de l’eau, avec une hausse du niveau de la mer qui se produit de deux façons. Premièrement, l’eau plus chaude se dilate et cette «expansion thermique» de l’océan a contribué à environ la moitié des 7 centimètres de hausse moyenne du niveau de la mer au cours des 25 dernières années. Deuxièmement, l’eau de fonte de la glace sur Terre se déverse dans l’océan, ce qui contribue également à faire s’élever le niveau de la mer à travers le monde.
Ces hausses du niveau des océans sont évaluées à l’aide de mesures altimétriques satellitaires depuis 1992, notamment par les missions des satellites Topex / Poséidon, Jason-1, Jason-2 et Jason-3, gérées conjointement par plusieurs agences comme la NASA, le CNES, l’EUMETSAT et la NOAA. Le vitesse d’élévation du niveau de la mer depuis l’utilisation de ces satellites est passée d’environ 2,5 millimètres par an dans les années 1990 à environ 3,4 millimètres par an aujourd’hui.
«Les missions d’altimétrie Topex / Poseidon et Jason fournissent en informations l’équivalent d’un réseau mondial de près de 500 000 marégraphes, avec des données précises sur la hauteur de la surface de la mer tous les 10 jours depuis plus de 25 ans. Dans la mesure où l’on possède maintenant près de trois décennies de données, celles concernant la perte de glace terrestre au Groenland et en Antarctique apparaissent désormais dans les estimations mondiales et régionales du niveau moyen de la mer.
Même avec un ensemble de données s’échelonnant sur 25 ans, la détection de l’accélération de la hausse des océans n’est pas chose facile. Des épisodes tels que les éruptions volcaniques peuvent créer une variabilité. Ainsi, l’éruption du Pinatubo en 1991 a entraîné une diminution du niveau moyen de la mer à l’échelle mondiale, juste avant le lancement du satellite Topex / Poséidon. En outre, le niveau global des océans peut fluctuer en raison de phénomènes climatiques tels que El Niño et La Niña, qui influencent la température de l’océan et les régimes de précipitations sur Terre.
Les chercheurs ont utilisé des modèles climatiques pour tenir compte des effets d’éruptions volcaniques, ainsi que d’autres données pour déterminer les effets d’El Niño et La Niña, ce qui leur a permis de découvrir l’accélération de l’élévation du niveau de la mer au cours du dernier quart de siècle. L’équipe scientifique a également utilisé les données fournies par les marégraphes pour corriger les éventuelles erreurs dans les estimations altimétriques.
En plus de sa participation à des missions d’observation directe du niveau de la mer depuis l’espace, la NASA participe à un large éventail de missions et de campagnes sur le terrain et à des recherches qui contribuent à améliorer la compréhension des variations du niveau de la mer. Les campagnes aéroportées permettent d’effectuer des mesures sur les calottes glaciaires et les glaciers, tandis que la modélisation informatique améliore notre compréhension de la réaction de l’Antarctique et du Groenland face au réchauffement climatique.
En 2018, la NASA lancera deux nouvelles missions satellitaires qui seront essentielles pour améliorer les prévisions de variation du niveau de la mer. Un satellite continuera les mesures de la masse des calottes glaciaires du Groenland et de l’Antarctique, tandis qu’un autre effectuera des observations très précises du niveau des calottes glaciaires et des glaciers.
Source: NASA.

L’étude complète se trouve à cette adresse: http://www.pnas.org/content/early/2018/02/06/1717312115

——————————————

According to a new study recently published in the journal Proceedings of the National Academy of Sciences, the global sea level rise has been accelerating in recent decades, rather than increasing steadily. The study is based on 25 years of NASA and European satellite data. This acceleration, driven mainly by increased melting in Greenland and Antarctica, has the potential to double the total sea level rise projected by 2100 when compared to projections that assume a constant rate of sea level rise,

If the rate of ocean rise continues to change at this pace, sea level will rise 65 centimetres by 2100, enough to cause significant problems for coastal cities. One of the researchers said: « This is almost certainly a conservative estimate. Our extrapolation assumes that sea level continues to change in the future as it has over the last 25 years. Given the large changes we are seeing in the ice sheets today, that’s not likely. »

Rising concentrations of greenhouse gases in Earth’s atmosphere increase the temperature of air and water, which causes sea level to rise in two ways. First, warmer water expands, and this « thermal expansion » of the ocean has contributed about half of the 7 centimetres of global mean sea level rise we have seen over the last 25 years. Second, melting land ice flows into the ocean, also increasing sea level across the globe.

These increases were measured using satellite altimeter measurements since 1992, including the Topex/Poseidon, Jason-1, Jason-2 and Jason-3 satellite missions, which have been jointly managed by multiple agencies, including NASA, CNES, EUMETSAT, and NOAA. The rate of sea level rise in the satellite era has risen from about 2.5 millimetres per year in the 1990s to about 3.4 millimetres per year today.

« The Topex/Poseidon/Jason altimetry missions have been essentially providing the equivalent of a global network of nearly half a million accurate tide gauges, providing sea surface height information every 10 days for over 25 years. As this climate data record approaches three decades, the fingerprints of Greenland and Antarctic land-based ice loss are now being revealed in the global and regional mean sea level estimates.

Even with a 25-year data record, detecting acceleration is challenging. Episodes like volcanic eruptions can create variability: the eruption of Mount Pinatubo in 1991 decreased global mean sea level just before the Topex/Poseidon satellite launch, for example. In addition, global sea level can fluctuate due to climate patterns such as El Niños and La Niñas which influence ocean temperature and global precipitation patterns.

The researchers used climate models to account for the volcanic effects and other datasets to determine the El Niño/La Niña effects, ultimately uncovering the underlying rate and acceleration of sea level rise over the last quarter century. The team also used tide gauge data to assess potential errors in the altimeter estimate.

In addition to NASA’s involvement in missions that make direct sea level observations from space, the agency’s Earth science work includes a wide-ranging portfolio of missions, field campaigns and research that contributes to improved understanding of how global sea level is changing. Airborne campaigns gather measurements of ice sheets and glaciers, while computer modelling research improves our understanding of how Antarctica and Greenland will respond in a warming climate.

In 2018, NASA will launch two new satellite missions that will be critical to improving future sea level projections. One satellite will continue measurements of the mass of the Greenland and Antarctic ice sheets; the other satellite will make highly accurate observations of the elevation of ice sheets and glaciers.

Source: NASA.

The complete study can be found at this address : http://www.pnas.org/content/early/2018/02/06/1717312115

Graphique montrant les dernières prévisions de hausse des océans jusqu’en 2100 (Source : University of Colorado-Boulder)

Le Vendée Globe, les satellites et le réchauffement climatique

Il y a quelques jours, je me suis rendu aux Sables-d’Olonne afin de voir les bateaux qui vont participer au prochain Vendée Globe, course autour du monde en solitaire et sans assistance, dont le départ sera donné le 6 novembre prochain.

Je ne suis pas vraiment un amoureux de la mer et des foules qui s’y pressent, mais le côté sportif de cette compétition et l’affrontement des éléments m’ont toujours fasciné. Pas évident de se retrouver seul sur un bateau dans les 40èmes Rugissants ou les 50èmes Hurlants !

Dans le Village du Vendée Globe, j’ai remarqué et apprécié les explications données au grand public sur le rôle joué par les satellites en dehors de la course proprement dite :

« …. Tout au long de la course, les skippers du Vendée Globe parcourent les zones impactées par le réchauffement climatique. Des changements mesurés et mis en avant par les satellites.

Le niveau moyen des mers est un très bon indicateur du réchauffement climatique,  sans doute meilleur que la température moyenne de la Terre. Les émissions de gaz à effet de serre générées par les activités humaines provoquent un déséquilibre énergétique de notre planète. Elle accumule de la chaleur dont 93% est stockée dans les océans. Le reste fait fondre les glaces et réchauffe l’atmosphère.

L’accent est également mis sur la menace qui pèse sur les espèces marines dont l’évolution est, elle aussi, contrôlée grâce aux données satellitaires… »

vendee-blog

Photo: C. Grandpey