L’onde de choc du Tavurvur : Approche scientifique // Tavurvur’s shock wave: A scientific approach

drapeau-francaisA l’issue de la diffusion de ma note sur l’éruption spectaculaire du Tavurvur en 2014 et l’apparition d’une puissante onde de choc, j’avais sollicité l’aide d’un physicien pour obtenir des explications plus précises. Voici les remarques de Philippe Thoré à qui j’adresse mes très sincères remerciements.

Elles se situent à plusieurs niveaux :

1 – Sur le phénomène « supersonique » :

L’apparition – vraiment très fugace – d’un nuage conique (de vapeur d’eau) lors du passage de l’onde de choc avec le nuage éruptif évoque vraiment le phénomène observé parfois autour d’un avion en vol supersonique :  apparition d’un cône très évasé (comme ici) dans le cas d’une vitesse peu supérieure à la célérité du son (le cône serait beaucoup plus « pointu » en cas de vitesse très élevée). Cela tend bien à confirmer que les matériaux ont été éjectés à vitesse supersonique !

2 – Sur la célérité de propagation de l’onde de choc :

Concernant la « terminologie », on fait habituellement une distinction entre le terme « vitesse », qui désigne la rapidité de déplacement d’un objet matériel (par exemple un avion ou un projectile), et le terme « célérité », qui désigne la rapidité de déplacement d’une « perturbation », objet immatériel qui peut être par exemple la lumière, la houle, une onde de choc ou le son. Les expressions « vitesse du son » ou « vitesse de la lumière » font donc systématiquement sourciller les physiciens…

Concernant l’expression classique « a franchi le mur du son » : on l’utilise habituellement pour exprimer qu’un objet matériel (avion, projectile) a atteint une vitesse supérieure à la célérité du son, étant entendu que l’on parle de la célérité du son dans la zone où se déplace l’objet.

Concernant la célérité de l’onde de choc observée ici, on peut naturellement décomposer très grossièrement l’événement en deux phases : les tout premiers instants suivant la libération de la poche de gaz, où le phénomène est « extrême » (surpression énorme), et la suite de l’événement, où l’onde de choc atténuée par la dispersion spatiale a une amplitude « modérée » ; bien entendu, la transition entre les deux phases est progressive. Dans la deuxième phase, l’onde de choc se propage essentiellement sous la forme d’un son, sans déplacement significatif de l’air « traversé » : la célérité de l’onde est la même que celle du son. Dans la première phase en revanche, les lois habituelles de propagation ne sont pas applicables : tout en se propageant, l’onde de choc s’accompagne d’un déplacement significatif de matériaux (gaz divers, cendre, voire roches et débris de toutes sortes) : sa célérité propre vient se superposer partiellement à la vitesse de projection des gaz ; il n’est donc pas étonnant que la célérité « apparente » de l’onde de choc soit légèrement plus élevée que celle du son.

Néanmoins, l’onde de choc n’étant pas « matérielle », on ne peut pas dire qu’elle a « franchi le mur du son », elle a simplement été momentanément plus rapide que le son « ordinaire ».

Concernant maintenant la vidéo, plusieurs réflexions me viennent :

 – le début de l’événement se situe entre les secondes 11 et 12 de la vidéo, du fait que la zone où se produit la libération de la poche gazeuse est sous la ligne d’horizon, à l’intérieur du cratère et donc invisible ; corroborant ce fait, il semble bien qu’une ombre très légère apparaît quelques dixièmes de seconde avant la montée bien visible du nuage éruptif, ce qui allonge le temps de propagation à prendre en compte : la durée réelle de propagation serait alors nettement au-dessus des 13 secondes, tout en restant inférieure à 14 secondes ;

– la célérité du son doit être très proche des 350 m/s, voire les dépasser, si l’air est proche de la saturation en vapeur d’eau (ce qui manifestement le cas ici) et si sa température approche les 30 °C ; or, avec 350 m/s, on obtient un peu moins de 14,3 secondes.

– l’écart entre le temps théorique et le temps réel est donc très inférieur aux 2 secondes, voire légèrement inférieur à une seconde ; en prenant un exemple, s’il y avait une seconde d’écart par rapport au temps de référence de l’ordre de 14 secondes, cela correspondrait à une erreur de l’ordre de 7 % ; …et une erreur de 7 % sur la distance de 5 km ne donne que 350 mètres d’erreur sur cette distance, ce qui ne me paraît pas vraiment significatif.

Il serait donc très difficile de s’appuyer sur l’aspect « sonore » du phénomène pour confirmer le caractère supersonique de l’éjection des matériaux !

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drapeau-anglaisAfter releasing my post on the dramatic eruption of Tavurvur in 2014 and the appearance of a powerful shock wave, I solicited the help of a physicist to obtain more precise explanations. Here are the remarks of Philippe Thoré to whom I extend my sincere thanks.
They include several levels:

1 – On the « supersonic » phenomenon:
The very fleeting apparition of a conical cloud (of water vapour) during the passage of the shock wave with the eruptive cloud evokes the phenomenon observed sometimes around a plane in supersonic flight: apparition of a cone in the case of a speed slightly greater than the speed of the sound (the cone would be much « sharper » in case of very high speed). This tends to confirm that the materials have been ejected at supersonic speed!

2 – On the propagation velocity of the shock wave:
As far as the « terminology » is concerned, a distinction is usually made between the term « speed », which refers to the speed of movement of a physical object (eg an aircraft or a projectile), and the term « velocity »which refers to the speed of movement of a « perturbation », an immaterial object which may be, for example, light, swell, shock wave or sound. The expressions « speed of sound » or « speed of light » are therefore not appreciated by physicists …

Concerning the classic expression « has crossed the sound barrier »: it is usually used to express that a material object (plane, projectile) has reached a speed superior to the velocity of sound, i.e. the velocity of sound in the area where the object is moving.

Concerning the velocity of the shock wave observed here, one can decompose the event very roughly into two phases: the very first moments following the release of the gas pocket, where the phenomenon is « extreme » (due to the huge overpressure), and the rest of the event, when the shock wave, attenuated by the spatial dispersion, has a « moderate » amplitude; Of course, the transition between the two phases is gradual. In the second phase, the shock wave propagates essentially in the form of a sound, without any significant displacement of the « crossed » air: the velocity of the wave is the same as that of the sound. In the first phase, however, the usual propagation laws are not applicable: while propagating, the shock wave is accompanied by a significant displacement of materials (various gases, ash, even rocks and debris of all kinds ): Its own velocity partially superimposes itself to the speed of projection of the gases. Thus, it is not surprising that the « apparent » velocity of the shock wave should be slightly higher than that of sound.

– Nevertheless, since the shock wave is not « material », it cannot be said that it has « crossed the sound barrier », it has simply been momentarily faster than « ordinary » sound.

Concerning now the video, several remarks can be made:
The event begins between 11 and 12 seconds in the video, because the zone where the release of the gas pocket occurs is below the horizon, inside the crater and therefore invisible ; confirming this fact, it seems that a very slight shadow appears a few tenths of a second before the visible rise of the eruptive cloud, which lengthens the propagation time to take into account: the actual duration of the propagation would then be clearly above 13 seconds, while remaining less than 14 seconds;
– the velocity of the sound must be very close to or even exceed 350 metres per second, if the air is close to the saturation of water vapour (which obviously is the case here) and if its temperature approaches 30°C ; however, with 350 m / s, we get a little less than 14.3 seconds.

The difference between the theoretical time and the real time is thus much less than 2 seconds, or even slightly less than one second. By taking an example, if there was a second deviation from the reference time of the order of 14 seconds, this would correspond to an error of the order of 7%; … and an error of 7% over the distance of 5 km gives an error of only 350 meters on this distance, which does not seem really significant.

It would therefore be very difficult to rely on the « sonic » aspect of the phenomenon to confirm the supersonic nature of the ejection of materials!

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Avion franchissant le mur du son (Crédit photo: Wikipedia)

Quand un volcan franchit le mur du son…. // When a volcano breaks the sound barrier…

drapeau-francaisEn août 2014, le Tavurvur a connu une éruption explosive en Papouasie-Nouvelle-Guinée et propulsé des nuages de cendre à plus de 15 000 mètres de hauteur. Parfois, les explosions étaient si fortes qu’elles généraient des ondes de choc. L’une d’elles, particulièrement spectaculaire, a été filmée par les passagers d’un bateau qui naviguait pas très loin du volcan. Ces gens ont ressenti l’onde de choc qui s’est accompagnée un bang semblable à celui produit par un avion qui franchit le mur du son. La vidéo se trouve à cette adresse :
Https://youtu.be/Hx5UecbuYw8

On peut lire la description de l’événement sur le site web de Forbes (http://www.forbes.com/). L’onde de choc trouve son origine dans la libération soudaine d’une poche de gaz qui s’est trouvé piégée sous le cratère, probablement à cause d’un bouchon de matériaux qui obstruait les conduits à l’intérieur du volcan. En arrivant à la surface, cette bulle de gaz soumise à une énorme pression se dilate et explose en propulsant des fragments de lave et de la cendre à une très grande vitesse. Au moment de la sortie du cratère, la poussée des gaz comprime l’air de l’atmosphère et crée une onde de choc.
Sur la vidéo, on voit très nettement cette onde de choc qui repousse les nuages qui se trouvaient au-dessus du volcan et se propage également horizontalement. Après environ 13 secondes, l’onde de choc frappe le bateau et ses passagers avec un bang semblable à celui produit par un jet supersonique.

L’auteur de l’article sur le site web de Forbes indique qu’il est difficile de dire s’il s’agit vraiment d’un bang supersonique. Techniquement, cette expression ne fait référence qu’aux ondes de choc générées par un objet qui se déplace plus vite que la vitesse du son. Toutefois, si on regarde attentivement la vidéo, on peut voir que les matériaux éjectés par l’éruption se déplacent à une vitesse supérieure à celle du son. En effet, autour de la pointe du nuage éruptif, on aperçoit un cône de vapeur semblable à celui qui se forme autour d’un avion qui se déplace à une vitesse supersonique.

En sachant que le son se déplace dans l’air à une vitesse de 340-350 mètres par seconde selon la température ambiante, on peut essayer de calculer la vitesse de déplacement de l’onde de choc sur la vidéo. Je pense personnellement que l’embarcation se trouvait à environ 5 kilomètres du volcan. Dans ce cas, l’onde de choc aurait dû mettre près de 15 secondes pour parvenir au bateau. Comme elle n’a mis que 13 secondes, on, peut logiquement penser qu’elle a franchi le mur du son. J’aimerais avoir l’opinion d’un physicien (il y en a qui fréquentent mon blog) sur ce sujet.

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drapeau-anglaisIn August 2014, Tavurvur Volcano was erupting explosively in Papua New Guinea, sending ash clouds more than 15,000 metres into the sky. Sometimes, the explosions were so strong that they generated shockwaves. One of them was very dramatic and was captured on film by the passengers of a boat that was sailing not very far from the volcano. These people could feel the shockwave with a boom similar to the one produced by a plane breaking the sound barrier

https://youtu.be/Hx5UecbuYw8

The description of the event can be read on the Forbes website (http://www.forbes.com/). It is caused by the sudden release of a gas pocket that was trapped beneath the crater, probably because of a plug of volcanic material obstructing the conduits of the volcano. Upon reaching the surface, this slug of highly-pressurized gas expands upwards and outwards at an incredible speed, shooting plenty of lava and ash into the air with it. The outward rush of gas dramatically compresses the air in the atmosphere around it, creating a shockwave.

On the video, one can see very clearly this shockwave obliterating the pre-existing clouds above the volcano and creating create new, temporary ones. After about 13 seconds or so, the shockwave impacted the boat and its passengers with a boom similar to the one produced by a supersonic jet.

The author of the article on the Forbes website indicates that it is difficult to tell whether or not this was a true sonic boom. Technically, this expression only refers to shockwaves generated by an object travelling faster than the speed of sound. However, if you look closely, you can see that the volcanic debris ejected by the eruption was moving at speeds in excess of the speed of sound. Around the tip of the debris cloud, you can spot a vapour cone, much the same as the one that forms around a plane travelling at supersonic speeds.

Assuming that the sound moves through the air at a speed of 340-350 meters per second depending on the ambient temperature, one can try to calculate the speed of the shock wave on the video. I personally think the boat was travelling about 5 kilometers from the volcano. In this case, the shock wave would have needed nearly 15 seconds to reach the boat. As it took it only 13 seconds to do so, one can think that it has broken the sound barrier. I would like to have the opinion of a physicist (some of them come to visit my blog) on this topic.

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Eruption du Tavurvur en 2009 (Crédit photo: Wikipedia)

 

Les ondes de choc du Tavurvur (Papouasie-Nouvelle-Guinée) // The shockwaves of Tavurvur (Papua-New-Guinea)

drapeau francaisEn cliquant sur le lien ci-dessous, vous aurez accès à une vidéo très intéressante tournée lors de l’éruption du Tavurvur (Papouasie-Nouvelle-Guinée) en août dernier (voir mes notes des 29 et 30 août 2014). La vidéo a été réalisée à partir d’un bateau et montre une onde de choc et le bang qui l’a accompagnée.
Le processus d’une onde de choc est assez facile à comprendre: L’air est instantanément compressé puis décompressé en rayonnant vers l’extérieur, avec une phase instantanée de réchauffement, puis de refroidissement. C’est le refroidissement qui provoque le nuage très fugace de gouttelettes d’eau que l’on peut voir tandis que l’onde se propage dans l’air tropical humide.

https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=BUREX8aFbMs

Source : Site Internet Techeblog.com

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drapeau anglaisBy clicking on the link below, you will have access to a very interesting video shot during the eruption of Mount Tavurvur (Papua New Guinea) last August (see my notes of August 29th and 30th). The video was performed from a boat and shows a shock wave and resulting sonic boom.

The process of a shock wave is quite easy to understand: The air is instantaneously compressed then decompressed, radiating outward, with very rapid warming, then cooling. It is the cooling that causes the very fleeting visible cloud of water droplets as the wave propagates through moist tropical air.
https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=BUREX8aFbMs

Source : Internet website Techeblog.com

Tavurvur (Papouasie-Nouvelle-Guinée): Ça se calme! // Activity is decreasing !

drapeau francaisAprès l’éruption de vendredi, ses retombées de cendre et les perturbations qu’elle a causées à au trafic aérien, l’activité du Tavurvur a bien diminué. Les projections atteignent maintenant moins de 200 mètres de hauteur au-dessus du cratère. Les explosions, quoique bruyantes, se font plus discrètes.
Jusqu’à présent, il n’y a pas eu de victimes ou de dégâts majeurs, mais le volcan continue à émettre de gros panaches de sorte qu’une grande partie de Rabaul est couverte de cendre et de ponce. Toutefois, si l’éruption actuelle évolue comme les précédentes, l’activité devrait diminuer dans les prochains jours.
Comme je l’ai déjà écrit, le VAAC de Darwin a indiqué que la cendre avait atteint 18 000 mètres d’altitude, ce qui a incité les compagnies aériennes internationales à modifier les trajectoires des vols.
Les craintes actuelles sont principalement dues au souvenir de l’éruption 1994, lorsque le Tavurvur et le Vulcan sont entrés quasi simultanément en éruption, détruisant une grande partie de Rabaul, avec des retombées de cendre qui ont fait s’effondrer des bâtiments. Le nombre de victimes a été faible, mais les pillards ont saccagé la ville évacuée.
Cette fois, les scientifiques locaux sont convaincus qu’une telle situation ne se reproduira pas.

En cliquant sur ce lien, vous verrez une série de photos de l’éruption :

http://www.9news.com.au/world/2014/08/29/10/01/volcano-eruption-in-png-casts-cloud-of-ash

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drapeau anglaisAfter Friday’s eruption with its asfall and the disruption it caused to air traffic, activity at tavurvur volcano has subsided. The ejections are now reaching less than 200 metres above the crater. The explosions, although still noisy, are getting more discreet.

So far there have been no reports of injuries or damage, but the volcano continues to spew ash so that parts of Rabaul are blanketed in ash and pumice. However, if the current eruption is like the previous ones, activity should decrease in the coming days.

As I put it before, The Darwin VAAC indicated that ash had reached 18,000 metres, which is flight level, which prompted international airlines do modify their routes..

The current fears are mainly due to the memory of the 1994 eruption when Tavurvur and Vulcan both erupted, destroying much of Rabaul, with falling ash causing buildings to collapse. While loss of life was minimal, looters ransacked the evacuated town.

This time, local scientists are quite confident that this will not happen.

This link will show you a series of photos of the eruption:

http://www.9news.com.au/world/2014/08/29/10/01/volcano-eruption-in-png-casts-cloud-of-ash