Le volcan Kilauea sur l'île d'Hawaï est l'un des volcans les plus actifs de la Terre, attirant des scientifiques et des touristes du monde entier pour étudier et assister à ses spectacles spectaculaires de la nature. Ce mois-ci, une équipe scientifique dirigée par la NASA explore le Kilauea et le volcan adjacent Mauna Loa depuis les airs, terrain et espace. Leur objectif :mieux comprendre les processus et les aléas volcaniques.

Fin janvier, scientifiques de la NASA, l'observatoire du volcan hawaïen de l'USGS (HVO), Parc national des volcans d'Hawaï, et plusieurs universités se sont lancées dans une campagne de terrain de six semaines pour étudier les liens entre les gaz volcaniques/les émissions thermiques et la santé et l'étendue de la végétation; la coulée de lave des volcans; anomalies thermiques; panaches de gaz; autres processus volcaniques actifs; et les moyens d'atténuer les risques volcaniques. La campagne, qui étudie également les récifs coralliens d'Hawaï, fournira des données précurseurs pour le concept de mission satellite Hyperspectral Infrared Imager (HyspIRI) de la NASA pour étudier les écosystèmes terrestres et les risques naturels tels que les volcans, feux de forêt et sécheresse.

Voler haut pour découvrir les volcans d'Hawaï

Un avion ER-2 à haute altitude du centre de recherche en vol Armstrong de la NASA, Palmdale, Californie, basé à la base du Corps des Marines d'Hawaï sur l'île d'Oahu, est la plate-forme principale de la campagne aéroportée HyspIRI. L'ER-2 transporte le spectromètre d'imagerie visible et infrarouge aéroporté (AVIRIS), développé par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, Pasadéna, Californie; et le simulateur aéroporté MODIS-ASTER (MASTER), développé par le centre de recherche Ames de la NASA, Champ de Moffett, Californie. Cette semaine, un avion Gulfstream III du Johnson Space Center de la NASA, Houston, rejoindra la campagne. Il transportera l'instrument GLISTIN (Glacier and Land Ice Surface Topography Interferometer) du JPL, qui collectera des données à haute résolution pour mesurer les changements topographiques des nouvelles coulées de lave du Kilauea.

"Les données collectées au cours de la campagne aéroportée HyspIRI feront progresser notre compréhension des processus volcaniques à Hawaï et ailleurs dans le monde, " a déclaré Ben Phillips, responsable de la zone d'intérêt de la surface de la Terre et de l'intérieur de la NASA, Siège de la NASA, Washington. « De telles observations peuvent éclairer les décisions futures des intervenants en matière de risques volcaniques et des agences de réglementation. »

Voler à 65 ans, 000 pieds (19, 800 mètres), au-dessus de 95 pour cent de l'atmosphère terrestre, l'ER-2 peut reproduire fidèlement les données qu'un futur satellite pourrait collecter. Les instruments embarqués sont conçus pour mesurer avec soin la lumière solaire réfléchie et le rayonnement thermique émis dans des centaines de canaux distincts. Les données donnent aux scientifiques des informations quantitatives et précises sur la composition de la surface de la Terre, types de gaz et température. En combinant ces données avec des mesures de validation au sol, les scientifiques peuvent étudier l'atmosphère, processus géologiques et écologiques pour comprendre notre environnement naturel.

Qu'étudieront-ils ?

Vog :Vincent Realmuto, scientifique du JPL, utilise les données MASTER et AVIRIS pour étudier vog, la pollution de l'air volcanique notoire de l'île d'Hawaï. Son équipe étudie les dégagements de chaleur et de gaz du Kilauea, cartographier la composition et l'évolution chimique de ses panaches de gaz.

Lorsque le sommet du Kilauea a repris son éruption en 2008, les émissions de dioxyde de soufre ont augmenté de façon spectaculaire. Le dioxyde de soufre se transforme en aérosol de sulfate pour créer du vog :une substance nocive, suspension corrosive d'anhydride sulfureux et d'aérosols fins de sulfate. Les communautés sous le vent de Kilauea subissent des effets négatifs. Pour aider le public à faire face au vog, le Vog Measurement and Prediction Project (VMAP) de l'Université d'Hawaï-Manoa (UH) produit des prévisions de mouvement et de concentration de vog dans les îles hawaïennes. VMAP utilise les taux d'émission de dioxyde de soufre mesurés par HVO pour définir les conditions initiales de la prévision vog. L'exactitude des prévisions est évaluée en les comparant aux mesures de la qualité de l'air provenant d'un réseau clairsemé de stations au sol.

L'équipe de Realmuto utilise les données MASTER pour cartographier les concentrations de dioxyde de soufre au sommet du Kilauea et suivre les changements de concentration en fonction de la distance par rapport au sommet. Les données AVIRIS sont utilisées pour cartographier les concentrations et les distributions spatiales des aérosols sulfatés sous le vent du sommet. Les données aideront les scientifiques à mieux comprendre à quelle vitesse le dioxyde de soufre se transforme en aérosols sulfatés, et créer des cartes de la façon dont les taux varient d'un endroit à l'autre. Les cartes de gaz et d'aérosols dérivées des données aéroportées seront validées avec des données au sol collectées par les scientifiques du HVO et de l'UH. Les cartes validées seront utilisées pour initialiser les prévisions VMAP afin d'évaluer l'impact des nouveaux produits de données sur leur précision.

À l'avenir, les données recueillies au cours d'une mission spatiale HyspIRI peuvent contribuer de manière substantielle aux efforts de surveillance de la qualité de l'air à Hawaï. Ces observations seront utilisées pour estimer les concentrations de dioxyde de soufre et de sulfate à une résolution spatiale d'environ 200 pieds (60 mètres) sur des échelles de temps allant de l'heure au jour. "De telles observations opportunes peuvent être utilisées pour suivre les changements dans le comportement des volcans et peuvent conduire les observatoires des volcans et les responsables de la qualité de l'air à augmenter leur examen minutieux de ces changements, " a déclaré Realmuto. " L'expérience que nous tirons de la campagne aéroportée HyspIRI nous permettra d'utiliser immédiatement les données d'une mission spatiale HyspIRI. "

Liens entre volcans et plantes :Scientifique Chad Deering de la Michigan Technological University, Houghton, mène une enquête pour détecter les changements d'état volcanique en utilisant les données AVIRIS et MASTER pour mesurer à distance les liens possibles entre les gaz volcaniques et leurs émissions thermiques, et la santé et l'étendue de la végétation à proximité des volcans. Lorsqu'un réservoir de magma peu profond est reconstitué, il peut signaler soit le début d'une éruption d'un actif, mais pas actuellement en éruption, volcan comme le Mauna Loa, ou des changements importants de comportement à un volcan en éruption comme le Kilauea. La montée du magma libère des gaz à travers la surface. La détection et la caractérisation de ces émissions de gaz et de leurs effets indirects sur la végétation peuvent aider les gestionnaires des risques à mieux détecter les changements importants dans le comportement volcanique et à surveiller les changements de localisation de l'activité.

Comment les gaz volcaniques et les aérosols sont transportés :David Pieri, chercheur au JPL, utilise des instruments sur de petites plates-formes aériennes sans pilote (avions sans pilote en vol libre et cerfs-volants aérostats captifs) pour effectuer une validation au sol des données MASTER et AVIRIS. Les avions sans pilote et les cerfs-volants sont exploités en collaboration avec la NASA Ames et la NASA's Wallops Flight Facility, L'île de Wallops, Virginie. Les instruments prélèvent du dioxyde de soufre, dioxyde de carbone et aérosols à Kilauea. Les données amélioreront la compréhension de la façon dont les gaz et les aérosols sont transportés dans l'atmosphère et aideront à améliorer les estimations des émissions de gaz volcaniques. L'équipe de Pieri acquerra également des données simultanées avec l'instrument ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) sur le vaisseau spatial Terra de la NASA pour aider à développer une stratégie pour étendre l'ensemble de données d'ASTER sur 15 ans d'observations volcaniques mondiales dans le futur.

Moyens d'améliorer les estimations des données thermiques volcaniques :une équipe dirigée par le chercheur Michael Ramsey de l'Université de Pittsburgh utilise un nouvel instrument au sol pour collecter des données infrarouges thermiques multispectrales sur le lac de lave de Kilauea alors que l'ER-2 survole. L'objectif est de développer une approche pour corriger les données infrarouges thermiques du satellite HyspIRI sur les surfaces à haute température pour tenir compte du mélange de température et des changements apparents dans le rayonnement émis. Les corrections amélioreront la précision des estimations de la production thermique volcanique (et des incendies de forêt) et des changements de composition. Les deux estimations sont généralement utilisées pour surveiller l'activité volcanique en cours.

Détection d'anomalies thermiques :le chercheur de l'USGS, Greg Vaughan, développe un nouvel algorithme pour détecter et prévoir les troubles volcaniques ou les dangers associés en fonction des signaux de chaleur qui les précèdent. L'algorithme d'alerte envisagé sera automatisé, capable de détecter un comportement thermique anormal sur la plupart des volcans dans le monde, et suffisamment sensible pour détecter des signatures thermiques relativement subtiles. La nouvelle approche, qui exploite les capacités envisagées de la mission satellitaire HyspIRI, devrait permettre aux scientifiques de détecter de petites, anomalies chaudes que les systèmes d'alerte thermique actuels pourraient manquer. Vaughan comparera les données de la campagne aéroportée HyspIRI avec les propres données aéroportées haute résolution du HVO. Les observations seront fusionnées avec des données satellitaires pour générer des séries chronologiques étendues afin de tester et d'affiner la nouvelle approche.

Mesure des changements de volume de coulée de lave :le chercheur du JPL Paul Lundgren dirige les prochains vols GLISTIN, qui collectera des données topographiques à haute résolution sur les coulées de lave actives du Kilauea pour mesurer les changements. Un suivi plus précis des changements de volume de coulée de lave améliorera les modèles utilisés pour comprendre les caractéristiques des éruptions actives, tels que les changements dans le taux d'éruption.

"S'il est déployé dans une crise volcanique en évolution, GLISTIN pourrait fournir des mesures importantes des volumes de coulée de lave ou de la croissance des dômes de lave qui ne sont pas possibles avec les satellites actuels, ", dit Lundgren. "Cela peut aider les scientifiques à mieux comprendre et prédire le volume des éruptions volcaniques ainsi que le comportement des volcans."