Système d Observation HotVolc

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1 Système d Observation HotVolc Etude et surveillance de l activité volcanique par télédétection spatiale : la crise Islandaise (Eyjafjöll) Participants - Philippe Labazuy (Phys-Adj, OPGC ) : Responsable scientifique - Mathieu Gouhier (Post-doc CNES , LMV) : Traitements et quantification - Yannick Guéhenneux (Doctorat bourse MRT , LMV) : Suivi temps réel - Philippe Cacault (IE ITARF, OPGC) : Responsable technique réception et archivage informatique - Sandrine Rivet (IE ITARF, OPGC) : Responsable Base de données et site Web - Soutien du Service de Développement Technologique de l OPGC (6 ingénieurs/techniciens ITARF) Contexte Scientifique Le projet d étude de surveillance et d observation des volcans actifs par télédétection satellitale infrarouge a été initié en 2006, en synergie avec les autres thématiques de télédétection spatiale et sol développées au LMV (interférométrie radar, radars Doppler volcanologiques, DOAS, camera thermique), et récemment regroupées au sein d un Pôle Télédétection (Fig. 1), sous la responsabilité scientifique de A. Harris (recrutement Prof. sept. 2009). Figure 1. Le Pôle Télédétection et les différents SO «Panache volcanique» à l OPGC HVOS : HotVolc Observation System Le Système d Observation HotVolc (HVOS = HotVolc Observation System) est un service d'observation temps réel des anomalies thermiques liées à l activité des édifices volcaniques, et qui assure le suivi et la quantification des émissions de panaches de cendres à partir des données Météosat Seconde Génération (MSG, Fig. 2). Une convention permettant la réception et le droit à l'utilisation temps réel des données MSG a été signée entre EUMETSAT (European Organisation for

2 the Exploitation of Meteorological Satellites), Météo-France et l'opgc, avec installation, début 2009, d'une station de réception des données MSG au sein de l'opgc. Cette antenne nous permet aussi la reception des autres satellites géostationnaires localisés tout autour de la Terre, et constitue ainsi un formidable outil de surveillance des volcans sur l ensemble du globe (Fig. 2) HVOS (HotVolc Observation System) OPGC Clermont-Ferrand Figure 2. Carte de localisation des zones de surveillance associées aux différents satellites géostationnaires exploitable via l antenne de réception de l OPGC. Les objectifs du Système d Observation HotVolc sont focalisés sur les aspects qualitatifs de détection temps-réel d une part, et sur les problématiques d estimation de paramètres volcanologiques quantitatifs en quasi-temps-réel d autre part. Figure 2. Observations temps réel ou quasi-temps réel de HVOS (HotVolc Observation System) à l OPGC.

3 Détection : Temps-réel ( 15 min) Depuis quelques mois nous avons la capacité de fournir en temps-réel, c'est-à-dire avec un délai de 15 minutes environ, des données qualitatives pertinentes sur : - La détection d anomalies thermiques au sol indiquant le démarrage d une éruption : arrivée de magma en surface et suivi des phénomènes effusifs associés (cartographie des coulées de lave). - La discrimination des nuages de cendres, réalisée à partir de méthodes de différences spectrales (BTD) entre les bandes à 11µm et 12µm. Ce qui permet notamment de distinguer les nuages d eau et de glace, des nuages de cendres. Cette méthode nous permet donc de localiser et de suivre l évolution spatiale du panache de cendres toutes les 15 min. - La discrimination au premier ordre du nuage de SO 2 à partir des différences de températures de brillance entre les bandes à 8.7µm et 12µm. Le soufre est un gaz nocif et émis en grande quantité pendant les éruptions volcaniques. La combinaison de ces 2 méthodes de discrimination (cendres + SO 2 ) permet la réalisation d images RGB de compositions colorées complexes très discriminantes permettant la mise en évidence du panache volcanique (voir FIg. 4, crise Eyjafjöll 2010). La combinaison RGB utilisée est: R : 11-12µm (cendres volcaniques), G : µm (SO 2 ), B = 11µm. Quantification : Quasi-temps-réel ( 1 heure) Le développement d algorithmes d inversion des données MSG réalisé au LMV (Mathieu Gouhier Postdoc CNES), associé à l utilisation de modèles directs, ont permis le calcul et la cartographie 2D d une large gamme de paramètres quantitatifs volcanologique en quasi-temps-réel (voir Fig. 5, crise Eyjafjöll 2010) : - La concentration des cendres volcaniques dans le panache - La taille des cendres volcaniques dans le panache. - L altitude maximale du panache de cendres - Le flux et la masse totale de cendres émises à la source (évent éruptif) - L utilisation de données issues de satellites défilants comme Aura-OMI permettent l estimation quantitative (1 image/jour) des concentrations et des flux de SO2 volcaniques émis dans l atmosphère. D autre part, l utilisation de systèmes lidar sol (OPGC) ou satellite (Caliop-Calipso) nous permet de données des informations quantitatives sur l altitude et l épaisseur du panache, ainsi que sur les propriétés physiques des particules (ex. asphéricité). Suivi de la crise éruptive d Islande (avril-mai 2010) Le service HotVolc a assuré le suivi de l éruption l Eyjafjöll (Islande), pendant la période du 14 avril au 23 mai 2010 ( Nous avons notamment assuré la coordination centrale de la gestion de la crise éruptive du volcan islandais Eyjafjöll à l OPGC et au LMV : suivi temps réel et quantification du nuage de cendres, mise à disposition des données satellites, intégration et envoi d un communiqué quotidien (voir annexes)

4 sur l état d activité du volcan Islandais aux cellules de crise du Ministère (MEEDDM-CMVOA : MétéoFrance-VAAC, LMV/OPGC-IPGP) Figure 3 : Boucle de la cellule de crise du CMVOA mise en place à la demande du MEEDDM à partir du 16 Avril Nous avons aussi assuré la coordination des campagnes de mesures pour étudier le panache de cendres de l Eyjafjöll (ex. radar Doppler VOLDORAD, Lidar, Mesures physico-chimie du nuage sommet du Puy de Dôme, mesures aéroportées ATR42, Falcon, collab. Météo-France). Lors de cette crise, les deux composantes de l'opgc (Atmosphère et Terre) ont pu intervenir avec des outils complémentaires et pertinents (imagerie, lidar, plate-forme aéroportée), faisant ainsi la démonstration de la nécessité de faire le lien entre les deux composantes, au travers d un axe transverse à définir autour de la thématique de l étude et du suivi des nuages de cendres volcaniques. Au niveau national, la communauté volcanologique a été sollicitée par le gouvernement pour fournir des informations quantitatives sur le panache volcanique. Le service HotVolc développé à l'opgc est apparu comme le seul en France, en volcanologie, capable d obtenir en quasi-temps-réel des informations quantitatives sur le panache, à partir d'images satellitales. Ces données ont ensuite été complétées par la mise en œuvre d'un lidar et d'équipements pour les mesures dans le panache. Le suivi de l éruption de l Eyjafjöll (Islande) en avril-mai 2010 est une démonstration claire de l expertise de notre groupe en télédétection spatiale basée sur l imagerie dans l infrarouge et l ultraviolet, pour la caractérisation et la quantification des émissions volcaniques (cendres, aérosols) liées à une activité éruptive (1 article soumis ; 1 à soumettre ; 2 com. orales et 3 posters, depuis l éruption, en avril 2010). Exemples de résultats L éruption du volcan islandais (Eyjafjöll) a permis de tester et de valider le système d observation HotVolc (HVOS). Dès le 14 Avril 2010, date du début de l éruption, les images Météosat ont montré de grandes quantités de vapeur d eau et de cendres émises dans l atmosphère, qui résultent de l interaction de la lave en fusion avec le glacier sus-jacent, et expliquent par ailleurs la forte explosivité du dynamisme de l éruption. La figure 4a montre un exemple de composition colorée à 3 canaux mettant en évidence la trace du panache volcanique le 6 Mai, épisode paroxysmal de l éruption d avril-mai L acquisition à haute résolution temporelle de ces images nous a permis

5 de suivre le déplacement du panache sur la partie nord de l Europe, comme le montre l exemple de la figure 4b, entre le 14 et le 19 Avril. Figure 4. Surveillance temps réel MSG-SEVIRI de l éruption de l Eyjafjöll. a). Exemple de composition colorée à 3 canaux IR du capteur MSG-SEVIRI, mettant en évidence la présence de cendres en bleu foncé, le 06 mai 2010, à 14h00 TU. b). Représentation chronologique de surfaces affectées par la dispersion des cendres, cartographiées à partir des données MSG-SEVIRI et la trace ponctuelle du panache vu par le Lidar Caliop-Calispo au cours des premiers jours. Nos algorithmes d inversion des données MSG-SEVIRI ont permis l acquisition de paramètres quantitatifs fondamentaux comme la concentration, le rayon ou encore l altitude des cendres dans le panache (Fig. 5a,b,c). L utilisation du capteur UV Aura-OMI nous a permis de localiser et d estimer les concentrations de SO 2 dans le panache (Fig. 5d). Ces paramètres sont importants d une part pour l amélioration de la compréhension des mécanismes volcaniques sources. D autre part, ces données quantitatives sont indispensables en tant que «paramètres d entrée» des simulations de dispersion des panaches de cendres fournis par les VAACs (Volcanic Ash Advisory Centers). Nos algorithmes d inversion des données MSG-SEVIRI ont permis l acquisition de paramètres quantitatifs fondamentaux comme la concentration, le rayon ou encore l altitude des cendres dans le panache (Fig. 5a,b,c).

6 Figure 5. Distribution quantitative des produits volcaniques. L inversion des données Météosat-SEVIRI IR permet l estimation de divers produits volcaniques, comme (a) la concentration en cendres, (b) le rayon des cendres, (c) l altitude du panache de cendres et (d) la masse de SO 2 L utilisation du capteur UV Aura-OMI nous a permis de localiser et d estimer les concentrations de SO 2 dans le panache (Fig. 5d). Ces paramètres sont importants d une part pour l amélioration de la compréhension des mécanismes volcaniques sources. D autre part, ces données quantitatives sont indispensables en tant que «paramètres d entrée» des simulations de dispersion des panaches de cendres fournis par les VAACs (Volcanic Ash Advisory Centers). A partir des données de concentration massique au sein du panache il nous est possible d obtenir des informations à la source d émission, comme le flux de masse : un autre paramètre fondamental pour les modèles de dispersion des cendres volcaniques d une part, mais aussi fondamental pour la compréhension de l évolution du dynamisme en cours. Ainsi, nous pouvons obtenir la masse totale de tephra émise pendant l éruption (=2.3Mt) ce qui nous permet de caractériser l éruption de l Eyjafjöll par un VEI = 1-2. Figure 6. Séries temporelles du flux massique de cendres et de SO2 en Mt/jour calculé à partir des données quantitatives calculées sur les images Météosat.

7 Le suivi de l éruption de l Eyjafjöll (Islande) en avril-mai 2010 est une démonstration claire de l expertise de notre groupe en télédétection spatiale basée sur l imagerie dans l infrarouge et l ultraviolet, pour la caractérisation et la quantification des émissions volcaniques (cendres, aérosols, gaz) liées à une activité éruptive (2 article soumis ; 1 à soumettre ; 2 com. orales et 3 posters, depuis l éruption, en avril 2010). La capacité montrée par HotVolc lors de la crise du volcan islandais Eyjafjöll a été largement due à la présence de Mathieu Gouhier, chercheur post-doctoral qui bénéficie d un financement du CNES. Celui-ci, au travers de séjours dans des laboratoires de premier plan notamment aux USA, a acquis une expertise lui permettant de caractériser les panaches volcaniques à partir des données satellitales (identification des panaches, masse et granulométrie des cendres, masse de SO2). Dès le 14 avril, Mathieu Gouhier a été placé en première ligne dans la cellule de crise et a effectué, sans discontinuer depuis cette date, un travail de surveillance (récupération, traitement et modélisation des données, rédaction de rapports et communiqués, contribution à la mise à jour du site Web). L'expérience de cette crise a donc démontré qu il est crucial que la communauté scientifique française possède et développe des capacités pour suivre et caractériser l'activité volcanique à partir de données de télédétection). Or, ces techniques font déjà l'objet d'un développement important depuis quelques années au sein de l'opgc au sein du "Pôle de télédétection des volcans" ( Bilan et Prospectives Le cas précis de gestion de la crise du volcan islandais a démontré que les apports de la télédétection spatiale vont très largement au-delà de la zone immédiate de l'éruption, comme c est également généralement le cas au cours de la plupart des éruptions majeures. En l'occurrence, il a été clairement établi par les rapports d experts que l un des points critiques pour la modélisation numérique concernait le suivi et l'estimation quantitative des produits émis à partir des conditions à la source, auxquelles il est possible de remonter à partir des analyses du nuage de cendres avec les données très haute répétitivité temporelle de MSG, (jusqu'à 5 minutes pour les flux RSS - Rapid Scan Service de MSG-8). L'apport majeur de nos systèmes d'observation a consisté en la détermination quasi-temps réel ou légèrement différé de paramètres cruciaux, nécessaires aux validations des modèles de simulation de dispersion des cendres dans l'atmosphère. Parmi ces paramètres, on peut citer la concentration en cendres, en SO2, le rayon moyen des cendres, la hauteur du panache (par des méthodes indépendantes et complémentaires). La haute répétitivité temporelle des satellites géostationnaires en général et de MSG en particulier (jusqu'à 5 mn pour le flux RSS) est un outil exceptionnel pour remonter au flux éruptif au niveau de l'évent. Les autres capteurs satellitaux utilisés (i.e. Aqua/Terra-MODIS, Aura-OMI, Caliop-CALIPSO,...) ont également fourni des données quantitatives complémentaires et/ou de validation. L'ensemble du dispositif (méthodes et outils) déployé par le LMV et l'opgc dans le cadre du suivi de l'éruption de l'eyjafjöll (avril-mai 2010) au sein de HVOS est en complète adéquation avec la philosophie des projets menés dans le cadre du programme européen GMES, parmi lesquels, au premier plan, le projet SAFER. Les informations les plus cruciales, lors de cette crise, ont été fournies grâce à l'analyse quantitative des produits émis dans l'atmosphère plutôt que par l analyse directe du système éruptif proprement dit. Dans le cas d'autres éruptions (Karthala, Réunion, Etna, par exemple), la combinaison des méthodes de télédétection spatiale dans les domaines de l'infrarouge et de l'ultraviolet nous a déjà permis de fournir des informations variées, depuis l'alerte temps réel du début d'éruption (apparition soudaine d'une anomalie thermique) jusqu'aux informations

8 quantitatives telles que : calcul dynamique des surfaces de mise en place de coulées de lave, débits éruptifs, évolution temporelle de ces paramètres... En ce qui concerne les développements futurs des instruments de télédétections spatiale, P. Labazuy est un des membres du Groupe Mission «trade-off GEO/LEO» du CNES, constitué en 2008, au titre d expert pour la partie risques volcaniques. Les retours d expériences du Système d Observation HVOS, dans le cadre de la gestion opérationnelle du suivi de la crise islandaise sont à même de fournir des compléments d information cruciaux pour la définition et la validation des caractéristiques techniques qui sont susceptible d être en définitive retenues. Valorisation de la recherche Articles [1] Gouhier M, P. Labazuy, A. Harris, Y. Guéhenneux, M. Hervo, P. Fréville, J.C. Bergès, P. Cacault. What could the volcanologist do to prevent global chaos caused by Eyjafjöll ash cloud? soumis Science. [2] Labazuy, P., M. Gouhier., Y. Guéhenneux, A. Harris, M. Hervo, P. Fréville, J-C. Bergès, P. Cacault. Near real-time monitoring of the April-May 2010 Eyjafjöll s ash cloud. Workshop Aria, Paris, France, Oral, juin 2010, soumis IJEP Communications à congrès [1] Bergès J-C., P. Labazuy, M. Gouhier, Y. Guéhenneux, P. Cacault, A. Main issues in using Meteosat system date for the monitoring of volcanic ash cloud. 13th International Conference on Harmonization within Atmospheric dispersion Modelling, Paris, Oral, june [2] Gouhier, M., S. Carn, Retrieval of volcanic SO 2 emissions from thermal infrared remote sensing using satellite-based sensors, Commission on Explosive Volcanism, CF (France), Poster, October [3] Gouhier, M., and P. Labazuy, Retrieval of volcanic products emissions: insight from MSG-Seviri measurements, Colloque Les satellites grand champ pour le suivi de l'environnement, des ressources naturelles et des risques», Clermont- Ferrand, janvier [4] Gouhier, M., Y. Guehenneux, P. Labazuy, Retrieval of volcanic products emissions: from detection to quantification. EGU General Assembly 2010, Vol 12 Poster, mai [5] Guéhenneux Y., P. Labazuy, J-C. Bergès, P. Cacault et T. Souriot, Observation, surveillance et alerte temps réel de l activité des volcans par télédétection des points chauds et des panaches de cendres, Colloque Les satellites grand champ pour le suivi de l'environnement, des ressources naturelles et des risques», Clermont-Ferrand, janvier [6] Labazuy, P., M. Gouhier., M. Hervo, P. Fréville, B. Quennehen, F. Donnadieu, Y. Guéhenneux, P. Cacault, A. Colomb, J-F. Gayet, J-M. Pichon, S. Rivet, A. Schwarzenböck, K. Sellegri. Monitoring the Eyjafjöll volcanic plume using OPGC platform: remote sensing and in-situ measurements. EGU General Assembly 2010 Poster, mai [7] Labazuy, P., M. Gouhier., Y. Guéhenneux, M. Hervo, P. Fréville, B. Quennehen, F. Donnadieu, S. Valade, J-C. Bergès, P. Cacault, A. Colomb, J-F. Gayet, J-M. Pichon, S. Rivet, A. Schwarzenböck, K. Sellegri. Tracking the Eyjafjöll volcanic ash cloud using remote sensing and in-situ instruments of the OPGC platforms. 13th International Conference on Harmonization within Atmospheric dispersion Modelling, Paris, Poster, june [8] Lénat, J-F., P. Labazuy, M. Gouhier, O. Sigmarsson, Eruption de l'eyjafjöll (Islande) : Le Laboratoire Magmas et Volcans suit l'éruption par satellites, communiqué INSU 19/04/2010. Mémoires de stage [1] Mouraud A., "Utilisation des données MSG: vers une surveillance thermique temps réel", Mémoire de Master 2 Recherche, LMV, Université Blaise Pascal, Clermont-Ferrand, 50 p. [2] Guéhenneux Y., "Surveillance thermique des volcans par satellites : utilisation et traitements des données MSG", Mémoire de Master 2 Recherche, LMV, Université Blaise Pascal, Clermont-Ferrand, 35 p. Vulgarisation et communication scientifique Interventions télévisées (Eruption Eyjafjöll, avril 2010) : TF1, France3, TV8, Atalante Productions Interventions radio : Radio Campus, France Bleu Auvergne, RMC, France Info Articles presse écrite : Sciences et Vie, Sciences et Vie Junior, quotidiens nationaux ou régionaux (Le Parisien, Le Progrès, La Montagne, ) Animations scientifiques tous publics, volcanologie et risques volcaniques (Rencontres-Séminaires-conférences avec scolaires tous niveaux, Débat Courts de Sciences janvier 2010 ; Exposciences, 05 juin 2010, Clermont-Ferrand)