Mesure du dioxyde de soufre (SO2) en milieu volcanique // Measurement of sulphur dioxide (SO2) in volcanic environments

Le dioxyde de soufre (SO2) est l’un des principaux gaz émis par les volcans. L’éruption de la Lower East Rift Zone (LERZ) du Kilauea en 2018 a libéré d’énormes quantités de SO2 et tout l’archipel hawaïen a parfois été envahi par le brouillard volcanique, appelé localement vog. Aujourd’hui, avec l’éruption dans l’Halema’uma’u, les panaches de SO2 sont emportés par les alizés et ils perturbent la vie de la population dans les zones sous le vent. Il est donc important de savoir quelle quantité de ce gaz est émise pour comprendre les conséquences pour la santé humaine.

J’ai écrit une note sur les émissions de SO2 le 31 mai 2020. Les scientifiques du HVO donnent aujourd’hui plus de détails sur la technique de mesure de ce gaz.

Pour mesurer les émissions de SO2, les scientifiques du HVO commencent par monter un spectromètre ultraviolet (UV) sur la carrosserie d’une voiture ou la carlingue d’un avion. Dans la mesure où le SO2 est invisible et peut ne pas coïncider parfaitement avec les parties visibles du panache éruptif, ils déterminent l’endroit où le SO2 est susceptible de se trouver en fonction de la direction du vent.

Puis, en partant du ciel clair d’un côté du panache, ils balayent toute la largeur inférieure du panache et retrouvent le ciel clair de l’autre côté. Le spectromètre est d’abord orienté vers le ciel et, comme le SO2 absorbe les rayons UV, l’appareil détecte ensuite une quantité d’UV moins importante lorsqu’il se trouve sous le panache de gaz contenant du SO2. Le spectromètre mesure la quantité de SO2 qui se trouve au-dessus de lui dans une trajectoire verticale ; c’est la « longueur de trajet de concentration. » (concentration-path-length).

Cette longueur de trajet de concentration associe la concentration et le trajet en une seule unité, ppm ∙ m (parties par million par mètre). Un panache de 1 mètre d’épaisseur avec une concentration de 10 ppm de SO2 équivaut à 10 ppm ∙ m. Il en va de même pour un panache de 10 mètres d’épaisseur avec une concentration de seulement 1 ppm de SO2. La quantité de SO2 est la même, elle est simplement distribuée différemment.

Toutes ces mesures mises ensemble sur la largeur du panache fournissent des indications sur une section transversale de ce même panache et montrent quelle quantité de SO2 se trouvait au-dessus du spectromètre en chaque point de mesure. Cette section transversale qui incorpore la largeur du panache en mètres, permet de connaître la surface de gaz dans cette zone, avec des unités de ppm ∙ m2 (parties par million par mètre carré).

Une fois que les scientifiques ont calculé cette section transversale, ils utilisent la vitesse du panache (en mètres / seconde) pour déterminer le nombre de sections transversales – mais aussi la quantité de gaz – dans un certain laps de temps. Cela conduit à des unités de ppm ∙ m3 / s (parties par million par mètre cube par seconde), autrement dit un volume de gaz émis avec une certaine concentration de SO2 par seconde.

Dans la mesure où on sait combien pèse une molécule de SO2, on peut convertir ce volume en masse (en kilogrammes ou en tonnes), et on peut convertir les secondes en jours. C’est ainsi que procèdent les scientifiques pour déterminer les flux de SO2 qui sont généralement exprimés en tonnes / jour (t / j). Grâce aux résultats obtenus, les scientifiques du HVO peuvent comparer les émissions de SO2 de l’éruption actuelle avec celles des éruptions précédentes du Kilauea.

Ainsi, lorsque le HVO a commencé à utiliser des mesures UV en 1979, les émissions de SO2 au sommet du volcan atteignaient en moyenne 500 t / j ou moins. Entre 1983 et 2008, l’éruption du Pu’uO’o émettait en moyenne 2000 t / j. Après des émissions relativement élevées au début de l’éruption sommitale de 2008-2018, les émissions du lac de lave se sont stabilisées à près de 5 000 t / j tandis que les émissions du Pu’uO’o chutaient  à quelques centaines de t / j.

L’éruption de 2018 a eu des émissions très élevées, avec près de 200 000 t / j ; ce sont les émissions les plus élevées jamais enregistrées sur le Kilauea.

Après l’éruption de 2018, les émissions de SO2 du Kilauea ont chuté à une trentaine de tonnes par jour.

Au début de la nouvelle éruption en décembre 2020, les émissions de SO2 au sommet du Kilauea étaient de 30 000 à 40 000 t / j. Les services sanitaires ont mis en garde le public sur la mauvaise qualité de l’air et ses dangers pour la santé.

Après l’arrêt de l’activité dans la fissure nord de l’Halema’uma’u le 26 décembre 2020, les émissions de SO2 ont progressivement baissé pour atteindre environ 2500 t / j le 11 janvier 2021, signe que l’activité éruptive diminuait..

Source: USGS / HVO.

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Sulphur dioxide (SO2) is one of the main gases emitted by volcanoes. Kilauea’s Lower East Rift Zone (LERZ) eruption in 2018 released huge amounts of sulphur dioxide and the whole Hawaiian archipelago was sometimes invaded by the volcanic fog, or vog. Today, during the Halema’uma’u eruption, SO2 plumes are pushed by the trade winds and disturb life in downwind areas. So, it is important to know how much of this gas is emitted for understanding implications for human health during volcanic eruptions.

I wrote a post about SO2 emissions on May 31st, 2020. In a new article, HVO scientists give more details about how to measure this gas.

To measure SO2 emission rates, HVO scientists begin by mounting an ultraviolet (UV) spectrometer to a car or an aircraft. Since SO2 is invisible and may not perfectly coincide with visible parts of the plume, they determine where the SO2 should be based on wind direction.

Then, starting under clear sky on one side of the plume, they traverse underneath the entire width of the plume, and end up back under clear sky on the other side.

The spectrometer looks up at the sky and, because SO2 absorbs UV radiation, it detects less incoming UV when it is under the gas plume where there is SO2. It measures how much SO2 is above it in the vertical ‘path’ where the spectrometer is looking – the ‘concentration-path-length’.

Concentration-path-length combines concentration and path into a single unit, ppm∙m (parts per million meters). A 1-metre-thick plume with a concentration of 10 ppm (parts per million) of SO2 is equivalent to 10 ppm∙m. So is a 10-metre-thick plume with a concentration of only 1 ppm of SO2. The amount of SO2 is the same, it is just distributed differently.

All those concentration-path-length measurements put together across the plume’s width make a ‘slice’, or cross-section, through the plume, showing how much SO2 was above the spectrometer at each point. That slice, since it incorporates the plume width in metres, is the area of the gas in a cross-section of plume, with units of ppm∙m2 (parts per million square metres).

Once the scientists have that cross-section, they use plume speed (in metres/second) to determine how many of those cross-sections – and how much gas – are passing overhead in a certain amount of time. That brings them to units of ppm∙m3/s (parts per million cubic metres per second)—which is a volume of gas with a certain concentration of SO2 each second.

Because one knows how much a molecule of SO2 weighs, one can convert that volume into a mass (in kilograms or tonnes), and one can convert seconds to days. That is how scientists derive the emission rates of SO2, which are usually presented in units of tonnes/day (t/d).

With the results they obtain, HVO scientists are able to compare SO2 emission rates from the current eruption to those emitted by previous Kilauea eruptions.

When HVO began to use UV measurements in 1979, the summit averaged about 500 t/d of SO2 or less. Between 1983 and 2008, Kilauea’s Pu’uO’o eruption averaged around 2,000 t/d. After higher emission rates early in the 2008–2018 summit eruption, the lava lake emissions stabilized near 5,000 t/d while Pu’uO’o’s emissions fell to a few hundred t/d.

The 2018 eruption had very high emission rates of nearly 200,000 t/d, the highest recorded emissions from Kilauea. Following the 2018 activity, Kilauea emissions dropped to only about 30 t/d.

At the beginning of the new eruption in December 2020, Kilauea summit emission rates were 30,000–40,000 t/d. The Department of Health warned the public of potential hazardous, poor air quality. It advised residents and visitors to be prepared and aware of the surrounding conditions. Since the north fissure activity ceased on December 26, 2020, SO2 emissions have progressively dropped and reached about 2,500 t/d on January 11th, 2021, a sign that the eruption rate has decreased.

Source : USGS / HVO.

 

Panaches de gaz sur le Kilauea (Photos : C. Grandpey)

Un trou dans la couche d’ozone au-dessus du pôle Nord // A hole in the ozone layer above the North Pole

L’excellent documentaire Sur le front des glaciers  (France 2  le 17 mars 2020) a consacré une séquence à la réduction du trou dans la couche d’ozone – ou couche à ozone, comme se plaisait à l’appeler Haroun Tazieff – au-dessus de l’Antarctique. Grâce à l’interdiction d’utilisation des chlorofluorocarbones, les fameux CFC, ce trou est en train de se combler et on espère qu’il aura disparu dans les quatre ou cinq prochaines décennies.

La couche d’ozone est une couche naturelle de gaz dans la haute atmosphère qui protège les êtres vivants sur Terre des rayons ultraviolets du Soleil.
Paradoxalement, alors que le trou se réduit au-dessus de l’Antarctique, le centre météorologique Severe Weather Europe (SWE) a détecté une vaste zone d’appauvrissement de la couche d’ozone au-dessus de l’Arctique canadien, avec une intensité anormalement forte pour l’hémisphère nord.

Une forte chute des valeurs minimales d’ozone a déjà été observée fin novembre 2019 et janvier 2020, mais il s’agissait d’événements de courte durée qui se produisent probablement chaque année pendant la saison froide. Le SWE a déclaré que ces petits trous d’ozone au-dessus des régions polaires septentrionales ne se développent pas en raison d’un processus de destruction chimique par les aérosols, comme c’est le cas en Antarctique.
Ce qui inquiète le SWE, c’est la réduction globale de l’ozone, début mars, alors que les valeurs devraient augmenter lentement. Il ne s’agit pas de la création éphémère d’un mini trou d’ozone, mais d’un réel processus de destruction de l’ozone.
Les recherches effectuées par le SWE ont montré que le trou d’ozone au-dessus de l’Antarctique se développe en raison d’un processus chimique qui implique de l’air très froid en dessous de -78 ° C, la lumière du soleil, ainsi que des émissions humaines de chlorofluorocarbone (CFC) ) et hydrofluorocarbones (HFC). La température froide permet aux nuages ​​stratosphériques de s’établir ; la lumière du soleil réagit ensuite avec ces nuages ​​pour entamer un processus photochimique qui détruit l’ozone, entraînant la formation et la croissance du trou.
Comme la destruction de l’ozone a également besoin de la lumière du soleil, ce processus est limité au-dessus des régions polaires septentrionales. Fin février et en mars, lorsque la lumière du soleil atteint le pôle, la stratosphère n’est généralement plus assez froide pour produire ces nuages, qui sont essentiels au processus de destruction de l’ozone.

La stratosphère peut être exceptionnellement froide au niveau du pôle Nord certaines années, comme c’est la cas en 2020, et elle peut générer des nuages ​​stratosphériques en même temps que la lumière du soleil touche le pôle. Une telle concordance est susceptible de provoquer la destruction de l’ozone.
L’analyse de l’ozone par le SWE montre que l’on a affaire à un trou exceptionnellement grand pour l’hémisphère Nord et avec des valeurs record ; on a enregistré un minimum de 217 unités Dobson. Cependant, on est loin des valeurs observées en Antarctique. Comme mars n’est pas terminé, le SWE explique qu’il n’y a pas encore de données complètes pour ce mois, donc la dernière référence concerne 2019. Dans le passé, deux années – 2011 et 1997 – ont été remarquables, avec des valeurs d’ozone très basses pour le mois de mars. Toutefois, le déficit en ozone n’était pas aussi marqué qu’en 2020 qui pourrait bien être une année record.
Selon le SWE, le trou d’ozone au-dessus du pôle Nord pourrait être de courte durée car la stratosphère devrait se réchauffer avec l’influence grandissante du soleil. La température sera trop élevée pour que les nuages ​​stratosphériques se forment, ce qui réduira lentement le processus de destruction de l’ozone. Selon les prévisions de SWE sur 10 jours, on devrait observer réduction de la taille et de l’intensité du trou d’ozone, même s’il restera présent pendant un certain temps.

Source : Severe Weather Europe.

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The excellent French documentary Sur le front des glaciers (France 2 March 17th, 2020) devoted a sequence to the reduction of the hole in the ozone layer over Antarctica. Thanks to the ban on the use of chlorofluorocarbons, the famous CFCs, this hole is filling up and it is hoped that it will have disappeared in the next four or five decades.
The ozone layer is a natural layer of gas in the upper atmosphere that protects living things on Earth from the sun’s ultraviolet rays.
Paradoxically, as the hole narrows over Antarctica, the Severe Weather Europe (SWE) meteorological centre has detected a large area of ​​ozone depletion over the Canadian Arctic, with an abnormally high intensity for the northern hemisphere.
A sharp drop in minimum ozone values ​​was already observed in late November 2019 and January 2020, but these were short-lived events that likely occur each year during the cold season. SWE has stated that these small ozone holes above the northern polar regions do not develop due to a process of chemical destruction by aerosols, as in Antarctica.
What worries SWE is the overall reduction in ozone in early March, when values ​​are expected to increase slowly. It is not the ephemeral creation of a mini ozone hole, but a real process of ozone destruction.
Research by SWE has shown that the ozone hole over Antarctica is developing due to a chemical process that involves very cold air below -78°C, sunlight , as well as human emissions of chlorofluorocarbon (CFC)) and hydrofluorocarbon (HFC). The cold temperature allows stratospheric clouds to settle; sunlight then reacts with these clouds to start a photochemical process that destroys ozone, causing the hole to form and grow.
As the destruction of ozone also requires sunlight, this process is limited over the northern polar regions. In late February and March, when the sunlight reaches the pole, the stratosphere is generally no longer cold enough to produce these clouds, which are essential to the ozone-depleting process.
The stratosphere can be exceptionally cold at the North Pole in some years, in 2020, for instance, and it can generate stratospheric clouds at the moment when sunlight reaches the pole. Such a combination of events is likely to destroy the ozone.
Ozone analysis by SWE shows that we are dealing with an exceptionally large hole for the northern hemisphere and with record values; a minimum of 217 Dobson units has been recorded. However, we are far from the values ​​observed in Antarctica. As March is not over, SWE explains that there is not yet complete data for this month, so the last reference is for 2019. In the past, two years – 2011 and 1997 – were remarkable, with very low ozone values ​​for the month of March. However, the ozone deficit was not as pronounced as in 2020 which could well be a record year.
According to SWE, the ozone hole above the North Pole could be short-lived because the stratosphere should warm up with the increasing influence of the sun. The temperature will be too high for stratospheric clouds to form, which will slowly reduce the process of ozone destruction. According to SWE’s 10-day forecast, the size and intensity of the ozone hole will decrease, although it will remain there for some time.
Source: Severe Weather Europe.

Source: SWE

Des UV record sur l’altiplano bolivien // Record UVs on Bolivian altiplano

drapeau francaisSelon un rapport publié par plusieurs revues scientifiques, des chercheurs ont mesuré dans les Andes boliviennes le plus haut niveau de rayonnement ultraviolet jamais enregistré à la surface de la Terre.

Les mesures ont été effectuées dans l’hémisphère sud durant les étés 2003 et 2004 en utilisant des instruments conçus pour le réseau Eldonet (European Light Dosimeter Network).
Des dosimètres ont été déployés au sommet du volcan Licancabur (5917 mètres) et sur la Laguna Blanca (4340 mètres) toute proche. La combinaison du soleil de midi – près du zénith – ainsi que la haute altitude de ces sites produit des niveaux de rayonnement élevés car l’ozone est naturellement faible dans de tels endroits. Mais les intensités des rayons UV-B enregistrées (280-315 nm) sont sans précédent.

Un indice UV de 11 est considéré comme extrême et a atteint parfois jusqu’à 26 dans les localités de la région au cours des dernières années. Toutefois, le 29 décembre 2003, les scientifiques ont mesuré un indice de 43! A la plage, on peut rencontrer un indice de 8 ou 9 pendant l’été, ce qui est suffisant pour justifier la protection de la peau, mais mieux vaut ne pas être dehors si l’indice atteint 30 ou 40.

Le rayonnement intense a coïncidé avec d’autres circonstances qui ont pu contribuer à l’accroître, avec en particulier un amincissement de la couche d’ozone due probablement à l’augmentation des aérosols suite aux orages et incendies saisonniers dans la région. En outre, une grande éruption solaire a été observée deux semaines avant la mesure des UV les plus élevés. Des pointes ont continué à être enregistrées – mais à faible intensité – tout au long de la période d’instabilité solaire, et ont cessé par la suite. Si le lien entre la tempête solaire et le rayonnement  UV record n’est que circonstanciel, on sait que les particules émises lors d’un tel événement affectent la chimie atmosphérique et ont pu affecter la couche d’ozone.
Bien que ces événements ne soient pas directement liées au changement climatique, ce sont des sentinelles annonçant ce qui pourrait se produire si la couche d’ozone venait à s’amincir à l’échelle mondiale. Plus la couche d’ozone sera mince et instable, plus nous serons exposés à ce genre d’événement.

La forte exposition aux UV-B affecte négativement l’ensemble de la biosphère, et pas seulement les humains. Elle endommage l’ADN, affecte la photosynthèse, et diminue la viabilité des œufs et des larves. Pour ces raisons, il est important de surveiller de près les variations de niveaux des UV.
Même si ce record inquiétant est probablement le résultat d’une série d’événements, il pourrait se répéter car les facteurs qui l’ont causé ce ne sont pas rares. Cela signifie qu’un meilleur suivi de l’évolution de l’ozone dans cette région est nécessaire, d’autant plus que l’on se trouve dans une zone habitée

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drapeau anglaisAccording to a report published by several scientific magazines, researchers have measured in the Bolivian Andes the highest level of ultraviolet radiation ever recorded on the Earth’s surface.

The measurements were made in the southern hemisphere during the summer of 2003 and 2004, using instruments developed for the European Light Dosimeter Network (Eldonet).

Dosimeters were deployed on the summit of Licancabur volcano (5,917 metres) and at nearby Laguna Blanca (4,340 metres). The combination of a midday sun near the zenith, as well as the high elevation of these sites, produces higher irradiance levels because of naturally low ozone in such locations. But the recorded intensities of short-wavelength UV-B radiation (280 – 315 nm) are unprecedented.

A UV index of 11 is considered extreme, and has reached up to 26 in nearby locations in recent years. But on December 29th, 2003, the scientists measured an index of 43! If you’re at a beach, you might experience an index of 8 or 9 during the summer, intense enough to warrant protection. You simply do not want to be outside when the index reaches 30 or 40.

The intense radiation coincided with other circumstances that may have increased the UV flux, including ozone depletion by increased aerosols from both seasonal storms and fires in the area. In addition, a large solar flare occurred just two weeks before the highest UV fluxes were registered. Ultraviolet spikes continued to occur – albeit at lower intensity – throughout the period of solar instability, and stopped thereafter. While the evidence linking the solar event to the record-breaking radiation is only circumstantial, particles from such flares are known to affect atmospheric chemistry and may have increased ozone depletion.

While these events are not directly tied to climate change, they are sentinels of what could occur if ozone thins globally. The thinner and more unstable the ozone, the more prone we will be to this kind of event.

High UV-B exposure negatively affects the entire biosphere, not just humans. It damages DNA, affects photosynthesis, and decreases the viability of eggs and larvae. For these reasons, it is important to keep a close watch on UV flux levels.

While this unsettling record might be the result of a string of events, it could happen again because the factors that caused it are not rare. This means more monitoring of the ozone changes in these areas is necessary all the more as they are occurring in a populated area.

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Le volcan Licancabur et la Laguna Verde

Laguna-Blanca-blog

La Laguna Blanca

[Photos:  C.  Grandpey]