Le projet VOLCPLUME : une plateforme unique pour le suivi et l’analyse 4D des panaches volcaniques

Initialement développé au LOA, le Laboratoire d’Optique Atmosphérique de Lille (LOA), dans le cadre du projet VOLCPLUME financé par l’Agence Nationale pour la Recherche (ANR-15-CE04-0003) et coordonné par Marie Boichu, le projet de plateforme qui porte le même nom, VOLCPLUME, a été repris et plus largement développé par le Centre de données et de services AERIS/ICARE depuis le début de l’année 2021 dans le cadre de l’appel à projets d’AERIS.

L’objectif de la plateforme VOLCPLUME est d’automatiser l’analyse conjointe, en temps proche du réel, d’un vaste panel d’observations de télédétection sol/satellite et de mesures in-situ de surveillance de la qualité de l’air ainsi que de simulations numériques pour suivre l’évolution temporelle et spatiale (en trois dimensions) des panaches volcaniques dans l’atmosphère. Bénéficiant de développements favorisant interactivité et flexibilité, cette plateforme vise ainsi à faciliter une évaluation approfondie de l’impact multi-échelle des panaches volcaniques sur l’atmosphère, depuis une échelle locale/régionale jusqu’à une échelle mondiale (Fig. 1). Les impacts atmosphériques des gaz et particules qui constituent les panaches volcaniques sont très divers. Ces composants volcaniques modifient la chimie de l’atmosphère et peuvent également affecter le trafic aérien, la qualité de l’air, et plus largement le climat.

En complément, un volet de la plateforme se focalise sur la restitution, à l’aide d’observations de télédétection, des émissions de gaz et de particules issues de régions volcaniques. Bien que la plateforme VOLCPLUME permette l’étude d’une éruption quelconque dans le monde, des zones d’étude cibles sont privilégiées (Antilles, La Réunion, Islande, Italie) car elles abritent des volcans français ou des volcans dont les éruptions peuvent affecter l’atmosphère française ou européenne (Fig. 2). La connaissance des émissions volcaniques, qui s’avèrent fortement variables dans le temps, est primordiale pour initialiser des modélisations chimie-transport des panaches volcaniques. Elle se révèle aussi cruciale pour comprendre l’évolution de l’activité de volcans isolés ou non instrumentés, mais aussi en cas d’éruption de forte intensité qui peut détruire les instruments de surveillance déployés sur l’édifice ou les rendre inopérants, comme l’illustre la récente éruption de la Soufrière de Saint Vincent.

En conséquence, cette plateforme est d’intérêt non seulement pour la communauté des sciences de l’atmosphère mais également la communauté des sciences de la terre, en particulier volcanologues et observatoires volcanologiques.

Actuellement, la plateforme VOLCPLUME intègre les mesures satellitaires sur les gaz et particules volcaniques issues des capteurs hyperspectraux Sentinel5P/TROPOMI et MetOp/IASI ainsi que des imageurs des satellites géostationnaires GOES, MSG et HIMAWARI. L’ensemble de ces observations permet ainsi d’observer un panache volcanique, quelque soit sa localisation géographique sur le globe. Une des originalités de cette plateforme est de permettre l’analyse conjointe et interactive de ces observations satellitaires avec des données issues de réseaux de stations au sol, comme par exemple les mesures de télédétection par photométries solaire et lunaire du réseau AERONET (AErosol RObotic NETwork).La plateforme permet également d’établir des comparaisons de l’évolution temporelle des propriétés optiques, microphysiques et radiatives des aérosols entre plusieurs stations de mesures sélectionnées (Fig. 3). Comme illustré ici avec les éruptions de l’Etna fin février 2021, ce type d’analyse aide à évaluer l’impact volcanique sur l’état de l’atmosphère européenne.

 


Figure 1: Dispersion du panache volcanique riche en dioxyde de soufre issu de l’éruption du volcan de La Soufrière de Saint-Vincent en avril 2021, suivie grâce au satellite Sentinel5P/TROPOMI. Les symboles carrés indiquent la localisation des stations photométriques du réseau AERONET dont les observations sont analysées conjointement aux observations satellitaires sur la plateforme.

Figure 2 :  Suivi de l’activité explosive, fortement émettrice de cendres, du volcan de La Soufrière de Saint Vincent (Antilles) lors de son éruption en avril 2021 à l’aide des observations ABI du satellite géostationnaire GOES-16.

In the future, the VOLCPLUME platform will be able to integrate satellite observations from OMPS (Ozone Mapping and Profiler Suite), OMI (Ozone Monitoring Instrument), POLDER and CALIOP, as well as ground-based LIDAR observations and in-situ air quality monitoring measurements. Finally, it is also envisaged to host a modelling chain allowing the restitution of SO2 volcanic emissions at high temporal resolution by inverse modelling assimilating hyperspectral data from TROPOMI and IASI sensors.

Because of its role as a data centre, the AERIS/ICARE unit has an infrastructure that is particularly conducive to the construction of tools for the joint exploitation of data from various sources. The centre is also demonstrating its ability to rapidly develop interactive visualisation interfaces for atmospheric monitoring applications. The software tools developed could be used to build other platforms for the study of extreme atmospheric events of another nature (natural or industrial risks), within the framework of continuous monitoring or for the study of seasonal phenomena, such as, for example, the resurgence of nitrate-rich aerosols associated with land-spreading activities. On-demand developments for specific scientific measurement campaigns or validation of satellite products can also be envisaged.

 


Figure 3: Arrivée dans le Sud de la France du panache volcanique riche en SO2 de l’Etna fin février 2021 illustrée par les observations S5P/TROPOMI. Les carrés indiquent la localisation des stations photométriques du réseau AERONET dont la couleur est proportionnelle à l’épaisseur optique en aérosol mesurée

Analyse des impacts atmosphériques des panaches de l’Etna dans le Sud de la France par inter-comparaison des séries temporelles sur un mois des propriétés optiques, microphysiques et radiatives des aérosols (épaisseur optique en aérosol, coefficient d’Angstrom, rayon effectif des modes fin ou grossier, albédo de diffusion simple) restituées à partir des mesures photométriques aux stations de Toulon (rouge) et de l’Observatoire de Haute-Provence (bleu).

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