La composition chimique des gaz émis par les volcans - qui sont utilisés pour surveiller les changements de l'activité volcanique - peut changer en fonction de la taille des bulles de gaz remontant à la surface, et se rapportent à la manière dont ils éclatent. Les résultats, publié dans la revue Géosciences de la nature , pourrait être utilisé pour améliorer la prévision des menaces posées par certains volcans.

Une équipe de scientifiques, dont un volcanologue et mathématicien de l'Université de Cambridge, découvert le phénomène grâce à des observations détaillées des émissions de gaz du volcan K?lauea à Hawaï.

Sur de nombreux volcans à travers le monde, les émissions de gaz sont surveillées régulièrement pour aider à prévoir les éruptions. Les changements dans la production ou les proportions de différents gaz, tels que le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, peuvent annoncer des changements dans l'activité d'un volcan. Les volcanologues ont considéré que ces changements chimiques reflètent la montée et la chute du magma dans la croûte terrestre, mais les nouvelles recherches révèlent que la composition des gaz volcaniques dépend également de la taille des bulles de gaz remontant à la surface.

Jusqu'à ce que la dernière éruption spectaculaire ouvre des fissures sur le flanc du volcan, K?lauea a tenu un vaste lac de lave dans son cratère sommital. Le comportement de ce lac de lave alternait entre des phases de « éclaboussures » enflammées alimentées par de grosses bulles de gaz éclatant à travers le magma, et une libération de gaz plus douce, accompagné d'un mouvement lent et régulier de la lave.

Autrefois, les gaz volcaniques ont été échantillonnés directement à partir d'évents et d'ouvertures fumantes appelées fumerolles. Mais ce n'est pas possible pour les émissions d'un lac de lave, 200 mètres de diamètre, et au fond d'un cratère escarpé. Au lieu, l'équipe a utilisé un spectromètre infrarouge, qui est utilisé pour la surveillance de routine des volcans par les co-auteurs de l'étude, Jeff Sutton et Tamar Elias de l'Observatoire du volcan hawaïen (US Geological Survey).

L'appareil était situé au bord du cratère, pointé vers le lac de lave, et enregistré les compositions de gaz dans l'atmosphère toutes les quelques secondes. Les émissions de gaz contenant du carbone et du soufre ont été mesurées pendant les phases d'activité vigoureuse et modérée.

Chaque mesure individuelle a été utilisée pour calculer la température du gaz volcanique. Ce qui a immédiatement frappé les scientifiques, c'est que les températures du gaz variaient de 1150 degrés Celsius - la température de la lave - à environ 900 degrés Celsius. « A cette température, la lave gèlerait, " a déclaré l'auteur principal, le Dr Clive Oppenheimer, du Département de géographie de Cambridge. "En premier, nous ne pouvions pas comprendre comment les gaz pouvaient sortir beaucoup plus froids que la lave en fusion qui clapotait dans le lac."

L'indice de cette énigme est venu de la variation des températures calculées des gaz - elles étaient élevées lorsque le lac de lave était placide, et bas quand il bouillonnait furieusement. "Nous avons réalisé que cela pouvait être dû à la taille des bulles de gaz, " a déclaré le co-auteur, le professeur Andy Woods, Directeur du BP Institute de Cambridge. "Les plus grosses bulles montent plus rapidement à travers le magma et se dilatent rapidement à mesure que la pression diminue, tout comme les bulles qui montent dans un verre de boisson gazeuse ; le gaz se refroidit à cause de l'expansion. » Des bulles plus grosses se forment lorsque des bulles plus petites se heurtent et fusionnent.

Woods et Oppenheimer ont développé un modèle mathématique pour expliquer le processus, ce qui a montré une très bonne adéquation avec les observations.

Mais il y avait encore une autre découverte surprenante des observations de gaz à Hawaï. En plus d'être plus frais, les émissions des grosses bulles de gaz étaient plus oxydées que prévu - elles avaient des proportions plus élevées de dioxyde de carbone par rapport au monoxyde de carbone.

On pense généralement que l'équilibre chimique des gaz volcaniques tels que le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone (ou le dioxyde de soufre et le sulfure d'hydrogène) est contrôlé par la chimie du magma liquide environnant, mais ce que les nouvelles découvertes ont montré, c'est que lorsque les bulles deviennent suffisamment grosses, la majeure partie du gaz à l'intérieur suit sa propre voie chimique lorsque le gaz se refroidit.

Le rapport du dioxyde de carbone au monoxyde de carbone lorsque le lac de lave était dans son état le plus énergétique était six fois plus élevé que pendant la phase la plus stable. Les scientifiques suggèrent que cet effet devrait être pris en compte lorsque les mesures de gaz sont utilisées pour prévoir des changements majeurs dans l'activité volcanique.

« Les mesures de gaz sont essentielles à notre surveillance et à notre évaluation des risques ; affiner notre compréhension du comportement du magma sous le volcan nous permet de mieux interpréter nos observations, " a déclaré le co-auteur Tamar Elias de l'Observatoire des volcans d'Hawaï.

Et il y a une autre implication de cette découverte, non pas pour les éruptions d'aujourd'hui, mais pour l'évolution de l'atmosphère terrestre il y a des milliards d'années. "Les émissions volcaniques dans le passé profond de la Terre ont peut-être rendu l'atmosphère plus oxydante que nous ne le pensions, " a déclaré le co-auteur Bruno Scaillet. " Une atmosphère plus riche en oxygène aurait facilité l'émergence et la viabilité de la vie sur terre, en générant une couche d'ozone, qui protège contre les rayons ultraviolets nocifs du soleil."