Sur la Grande Ile d’Hawaii, le vog – ou brouillard volcanique – est un phénomène bien connu quand se produit une éruption. Les nuages ​​de gaz toxiques sont un problème tant pour les agriculteurs que pour les personnes souffrant de problèmes respiratoires.
Lorsqu’il n’y a pas d’éruption, mais aussi parfois pendant les éruptions, les incendies de végétation sont une autre source de nuages susceptible d’affecter la qualité de l’air.
Depuis 2010, des chercheurs de l’Université d’Hawaï étudient la dispersion du brouillard volcanique. Le but est de fournir au public et aux services sanitaires des prévisions précises, et de permettre de limiter l’exposition à ce brouillard des personnes vivant dans les zones menacées. Un modèle de qualité de l’air a été développé; il combine la prévision météorologique, les émissions de dioxyde de soufre (SO2), la chimie et un modèle de dispersion dynamique pour suivre la trajectoire du panache.
Bien qu’il existe des différences considérables entre la chimie de la fumée des incendies de végétation et celle du brouillard volcanique, le déplacement des deux types de panaches est géré par des mécanismes physiques similaires. Une chaleur intense en surface génère des courants ascendants. Au fur et à mesure que l’air chaud monte, il fait s’élever verticalement les polluants, que ce soit les gaz volcaniques, les cendres ou la fumée des feux végétation, entre leur source et les niveaux supérieurs de l’atmosphère. La turbulence provoque l’élargissement et le refroidissement du panache au fur et à mesure qu’il se mélange à l’air ambiant propre. Par la suite, le panache se refroidit par expansion et il finit par atteindre un niveau à partir duquel son déplacement dans l’atmosphère dépend largement des vents horizontaux.
Lors d’incendies de forêt de très grande ampleur et d’éruptions volcaniques, le processus de refroidissement du panache peut entraîner la formation de flammagenitus. Communément appelés pyrocumulus, ces nuages ​​proviennent d’une forte source de chaleur et peuvent générer d’intenses turbulences, des rafales de vent en surface, des éclairs et de la pluie. La formation de pyrocumulus peut faire s’élever le panache encore davantage, ce qui entraîne les polluants plus haut dans l’atmosphère.
En raison de tous ces mécanismes dynamiques complexes, la détermination de la hauteur d’injection du panache dans l’atmosphère est une tâche difficile pour les scientifiques qui modélisent la qualité de l’air lors des épisodes de vog et de fumées d’incendies. Elle nécessite une connaissance détaillée de nombreux aspects de la source de chaleur et de l’atmosphère ambiante. Malheureusement, il est souvent impossible d’obtenir de telles informations dans des conditions de catastrophe naturelle
De petites erreurs dans l’estimation de la hauteur d’injection du panache peuvent entraîner de grosses erreurs dans les prévisions de concentrations de polluants dans les zones sous le vent. En effet, les vents horizontaux à différentes altitudes dans l’atmosphère ne soufflent souvent pas dans la même direction. En raison de ce comportement imprévisible du vent, un mauvais calcul de la hauteur d’injection du panache peut entraîner une erreur dans un modèle de qualité de l’air, avec une direction fausse du panache et donc une prévision erronée.
La question la plus importante pour les modélisateurs de vog et de fumée est de savoir à quelle hauteur s’élève un panache donné. De puissantes éruptions, comme celle du Pinatubo en 1991, peuvent envoyer des panaches de gaz et de cendres jusque dans la stratosphère, avec un transport de la pollution sur de longues distances, et même un effet de refroidissement climatique. Jusqu’à récemment, peu d’incendies de forêt étaient assez puissants pour avoir de telles conséquences. Pourtant, avec le réchauffement climatique, on a observé une augmentation spectaculaire des incendies de très grande ampleur dans le monde au cours de la dernière décennie. La puissance et l’impact de ces événements sont comparables à ceux des éruptions volcaniques. En fait, en les observant, il est parfois difficile de faire la différence entre les panaches de vog et les panaches de fumée.
Cette ressemblance entre les panaches éruptifs et ceux générés par les incendies de forêt a toutefois un aspect positif. Cela permet aux scientifiques de transférer des connaissances sur la physique et la dynamique des panaches dans les deux domaines de recherche. Grâce au développement récent de nouveaux algorithmes pour les modèles de fumée des feux de forêt, les scientifiques de l’Université d’Hawaï ont pu intégrer une nouvelle approche dynamique de l’élévation du panache dans leurs prévisions du brouillard volcanique. Cela a permis d’obtenir des prévisions plus précises concernant la qualité de l’air pour l’État d’Hawaii.
Source : USGS, HVO.

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On Hawaii Big Island, vog – or volcanic smog – is a well-known phenomenon during an eruption. The clouds of toxic gases are a problem both for the farmers and for persons suffering from respiratory problems.

When there is no eruption, or sometimes during eruptions, wildfires are another source of clouds likely to affect air quality.

Since 2010, University of Hawaii researchers have been studying the dispersion of vog in Hawaii. The aim has been to provide the public and emergency responders with accurate and timely forecasts that would help limit vog exposure for those in affected areas and communities. A custom air quality model has been developed; it combines numerical weather prediction, volcanic sulfur dioxide (SO2) emission rates, chemistry, and a dynamic dispersion model to track vog plume transport.

While there are drastic differences between the chemistry of smoke and vog, the movement of both types of plumes is controlled by similar physical mechanisms. Intense heating at the surface generates vertical updrafts. As the hot air rises, it moves pollutants, such as volcanic gases, ash, or wildfire smoke from their source to the upper levels of the atmosphere. Turbulence causes the plume to widen and cool as it mixes with clean ambient air. In addition, the plume cools through expansion. Eventually, the plume reaches a level from where its movement in the atmosphere is largely controlled by the ambient horizontal winds.

During extreme wildfires and volcanic eruptions, the plume cooling process can also lead to the formation of flammagenitus clouds. Commonly known as ‘pyrocumulus,’ these clouds originate above a strong, localized heat source and can produce intense turbulence, surface wind gusts, lightning and rain. The formation of pyrocumulus can generate further lift, pulling pollutants higher into the atmosphere.

As a result of all these complex dynamic mechanisms, determining the plume injection height has been a shared challenge for vog and smoke air-quality modelers. It requires detailed knowledge of many aspects of both the heat source and the ambient atmosphere. Unfortunately, it is often impossible to obtain such observations under natural disaster conditions

Meanwhile, small errors in estimating the plume injection height can lead to large errors in downwind predictions of pollutant concentrations. This is because horizontal winds at various elevations in the atmosphere often do not blow in the same direction. Due to this wind shear, miscalculating plume injection height can cause an air quality model to transport the plume in the wrong direction, leading to a poor forecast.

Hence, a key question for both vog and smoke modelers is to know how high a given plume will rise. Powerful eruptions, like Mount Pinatubo’s in 1991, can send plumes of volcanic gases and ash deep into the stratosphere, resulting in long-range pollution transport and even generating climate-cooling effects. Until recently, few wildfires were powerful enough to do this. Yet, with climate change, there has been a dramatic increase in high-intensity ‘mega-fires’ around the world over the last decade. The power and scale of impact of these events are comparable to that of volcanic eruptions. In fact, photos of vog and smoke plumes can sometimes be hard to distinguish.

There is a silver lining to this growing overlap between volcanic eruptions and wildfires. It allows scientists to transfer knowledge about the physics and dynamics of plumes across the two research domains. Owing to the recent rapid development of new algorithms for wildfire smoke models, University of Hawaii scientists have been able to incorporate a new dynamic plume-rise approach in their vog forecasts. This resulted in more accurate air quality predictions for the State of Hawaii.

Source: USGS, HVO.

Panache de vog à Hawaii (Photo: C. Grandpey)

Panache éruptif du Pinatubo en 1991 (Crédit photo: Wikipedia)

Pyrocumulus généré par un incendie de forêt dans le parc National de Yellowstone (Crédit photo: Wikipedia)