Imaginez que vous vous préparez à vous envoler vers votre destination de vacances préférée lorsqu'un volcan entre soudainement en éruption, envoyer des quantités massives de cendres volcaniques dans l'atmosphère, et forcer l'annulation de votre vol. C'est exactement ce qui s'est passé en avril 2010 quand Eyjafjallajokull, un volcan en Islande, a éclaté et perturbé les voyages aériens en Europe pendant six jours. Les scientifiques utilisent maintenant la physique des plasmas pour prédire les caractéristiques de ces panaches de cendres dangereux.

Les volcans sont des ruptures dans la croûte d'une planète et sont répandus dans tout le système solaire. Sur Terre, les volcans se trouvent généralement le long des limites de plaques tectoniques en collision ou divergentes ou sur des trous dans la croûte de notre planète appelés points chauds.

Lors d'une éruption volcanique, il y a un écoulement de gaz à haute pression à travers une buse ou un évent. Cela provoque la formation de ce que les scientifiques décrivent comme une onde de choc stationnaire dans la région proche de l'évent (Figure 1). Une onde de choc est une perturbation qui se déplace plus vite que la vitesse du son, comme un bang sonique, et provoque une accumulation de densité à mesure qu'il se propage. Une onde de choc permanente est une onde qui reste stationnaire, donc l'accumulation de densité reste en place. Bien que ces ondes de choc permanentes aient déjà été explorées dans le contexte des panaches de fusées et de l'injection de carburant, il existe relativement peu d'études portant sur l'écoulement d'un gaz contenant des particules fines, surtout les cendres volcaniques.

Récemment, une équipe de recherche du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) a utilisé la physique des plasmas pour étudier comment l'ajout de cendres volcaniques affecte les caractéristiques de l'onde de choc permanente volcanique et a fait une découverte.

"Nos simulations montrent que les cendres volcaniques modifient la hauteur, largeur, et durée de vie de l'onde de choc stationnaire, " dit le Dr Jens von der Linden, Physicien du LLNL et chercheur principal sur le projet qui présentera les résultats cette semaine à la conférence de l'American Physical Society Division of Plasma Physics à Fort. Lauderdale, Floride.

Des collaborateurs de l'Université Ludwig-Maximillian ont récemment découvert lors d'expériences avec des tubes à choc que la lumière émise par le plasma d'étincelles électriques délimite la surface de choc debout en présence de cendres volcaniques (Figure 2). Cette découverte permet désormais de suivre la forme de l'onde de choc stationnaire dans des expériences de laboratoire avec différents mélanges particules-gaz en imageant les étincelles électriques.

Les observations d'éruptions volcaniques suggèrent que les particules de cendres chargées dans la région de basse pression de l'onde de choc stationnaire peuvent former des étincelles, qui peuvent être détectés par les ondes radio qu'ils produisent. À l'avenir, les scientifiques pourraient trianguler les positions des étincelles électriques à partir des mesures des ondes radio pour déterminer la structure des ondes de choc permanentes au-dessus de l'évent volcanique et, en comparant la forme aux résultats numériques et expérimentaux du Dr von der Linden et de ses collègues, estimer la teneur en particules de cendres d'une éruption.

"Ces estimations de cendres pourraient être utilisées pour développer des prévisions précoces des panaches de cendres volcaniques qui peuvent être dangereux pour l'aviation, tout comme nous l'avons vu lors de l'éruption de l'Eyjafjallajokull en 2010 en Islande, " a déclaré le Dr von der Linden.