Mesurer la taille des aérosols stratosphériques d’origine volcanique

Le projet européen FAIR-EASE vise à développer des services distribués et intégrés d’observation et de modélisation du système terrestre, de l’environnement et de la biodiversité en étroite collaboration avec les communautés d’utilisateurs, l’European Open Science Cloud (EOSC) et les infrastructures de recherche. Dans le cadre de ce projet, l’équipe du pilote  « Volcano Space Observatory » développe une plateforme interactive pour permettre l’analyse conjointe d’un vaste ensemble d’observations de télédétection, issues des sciences de l’atmosphère et des sciences de la Terre, pour suivre à distance l’évolution de l’activité volcanique et son impact sur l’atmosphère.Ces données sont principalement acquises par des satellites d’observation de la Terre, mais elles comprennent également des mesures au sol recueillies par de vastes réseaux d’instruments géophysiques et géochimiques. Ce pilote multidisciplinaire est coordonné par Marie Boichu, chargée de recherche CNRS au Laboratoire d’Optique Atmosphérique (LOA) de l’Université de Lille, en collaboration avec l’Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) et l’infrastructure de recherche Data Terra qui réunit les pôles nationaux de données et de services pour les sciences de l’atmosphère (AERIS) et pour les sciences de la Terre (Form@ter).

Dans le cadre de ce projet, des travaux ont permis le suivi de l’activité volcanique lors de l’éruption du Piton de La Fournaise en 2022.

Ici, une nouvelle étude a été développée pour aider à comprendre l’impact sur le climat de l’éruption explosive du Hunga Tonga-Hunga Ha’apai en Janvier 2022, une éruption exceptionnelle de l’ère satellitaire.

Impact climatique des aérosols issus de l’éruption volcanique Hunga Tonga-Hunga Ha’apai de 2022

Les éruptions explosives peuvent injecter des quantités massives d’aérosols sulfatés dans la stratosphère, capables de perturber la chimie atmosphérique et le climat de la Terre. Ces petites particules sont en mesure de perturber la chimie de l’atmosphère et le climat de la Terre. Cependant, la taille des ces aérosols, un paramètre essentiel des modélisations climatiques, est généralement méconnue. Pour combler cette lacune, une équipe interdisciplinaire du LOA (Laboratoire d’Optique Atmosphérique) de l’Université de Lille, en collaboration avec l’IPGP (Institut de Physique du Globe de Paris) et le Centre national de données et de services AERIS/ICARE, a récemment mis au point une nouvelle méthode d’analyse des mesures de télédétection au sol AERONET (AErosol RObotic NETwork). La synergie avec diverses observations satellitaires en orbite basse (TROPOMI, IASI), géostationnaires (HIMAWARI-8/AHI) et LIDAR actif (CALIOP) a permis de suivre la croissance et la persistance globale sur plusieurs années des aérosols sulfatés stratosphériques provenant de l’éruption record de Hunga Tonga-Hunga Ha’apai à l’ère satellitaire (Boichu et al., JGR 2023).

Grâce à la couverture du réseau mondial de photomètres AERONET, dont les données sont en accès libre, cette nouvelle méthode fournit avec des résolutions spatiales et temporelles améliorées, la distribution de la taille des aérosols sulfatés, qui sont souvent plus grands que les particules fines de fond. Notre nouvelle méthode permet donc de séparer la signature des aérosols volcaniques de celle des particules de fond coexistant dans la colonne atmosphérique. Il est ainsi possible d’identifier les aérosols sulfatés volcaniques et de décrire avec précision leurs propriétés microphysiques et d’absorption, en fonction de l’âge du panache, pour des échelles de temps allant de quelques jours à quelques années.

L’analyse couplée des observations acquises depuis le sol et par satellite, ainsi que l’analyse multi-stations des mesures sol, ont été réalisées à l’aide du portail web AERIS VOLCPLUME (Boichu & Mathurin, 2022). Ce portail interactif, dédié au suivi et à l’analyse des propriétés physico-chimiques en 4D des panaches volcaniques dans l’atmosphère, de la source à l’échelle globale, a été utilisé en temps de crise pour fournir des informations sur les aérosols issus de l’éruption du Hunga Tonga (Lac et al. 2022).

En premier lieu, l’équipe a documenté une croissance rapide des aérosols sulfatés dans le panache du Hunga Tonga, dans les jours qui ont suivi l’éruption, doublant presque de taille au cours des sept jours de leur transport depuis l’est de l’Australie (Fig. 1)  jusqu’à La Réunion (Fig. 2). Les mesures AERONET acquises par les stations ACTRIS du Maido OPAR sur l’île de La Réunion dans l’océan Indien et de Gobabeb en Namibie (Fig. 2), ont joué un rôle important pour identifier cette croissance précoce des aérosols, qui s’est avérée plus rapide que celle observée suite à l’éruption du Pinatubo en 1991. Cette croissance rapide des aérosols est interprétée comme la conséquence de l’humidification exceptionnelle de la stratosphère engendrée par l’éruption exceptionnellement riche en eau du Hunga Tonga.

Dans un second temps, une persistance, sur plusieurs années jusqu’à aujourd’hui, de petits aérosols dans le panache du Hunga Tonga (avec un rayon maximal de 0.3-0.5 μm) a été identifiée à 20 stations AERONET de l’hémisphère sud (figures 3 et 4).L’équipe a donc pu suivre, avec des résolutions spatiales et temporelles élevées, la dispersion des aérosols sulfatés volcaniques vers la région du pôle Sud et documenter l’évolution de leur taille au cours de ce voyage (figure 4). Il a fallu quatre mois pour que le panache atteigne les hautes latitudes, au sud de 43°S.

Plus d’un an après l’éruption, et malgré une croissance initialement rapide, les aérosols sulfatés du Hunga Tonga restent plus petits que les particules du Pinatubo. Les particules plus petites réfléchissent mieux la lumière du soleil et restent plus longtemps en suspension dans la stratosphère, ce qui favorise le refroidissement de la surface. Néanmoins, leur effet sur l’équilibre radiatif de la Terre est modulé par leur durée de vie et leur abondance, qui restent incertaines. Suivre de près l’évolution spatiale et temporelle des aérosols du Hunga Tonga dans les années à venir pourra aider les scientifiques à déterminer l’impact net de cette éruption exceptionnelle sur le climat de la Terre.

Contact : Marie Boichu, CNRS/Université de Lille, Laboratoire d’Optique Atmosphérique (LOA) (marie.boichu@univ-lille.fr)

Figure 1 : (Droite) Panache riche en SO2 issu de l’éruption du Hunga Tonga et observé le 17 janvier 2022 (entre 00:00 et 05:00 UTC) par les observations satellitaires Sentinel-5P/TROPOMI (produit 15 km), avec indication de la station au sol AERONET de Lucinda situé à l’est de l’Australie (hexagone mauve). (Gauche) Epaisseur optique en aérosols (AOD: Aerosol Optical Depth, produit L1.5) à 440 nm mesurée à Lucinda en janvier 2022 jusqu’à l’arrivée des aérosols du Hunga Tonga le 16 janvier 2022. Le triangle noir indique l’emplacement du volcan Hunga Tonga et les triangles rouges représentent d’autres volcans actifs de la région.
Figure 2 : Croissance rapide des aérosols issues de l’éruption du Hunga Tonga (HT) pendant leur premier tour du monde en janvier 2022. Rayon des aérosols du panache du Hunga Tonga en fonction du temps mesuré aux stations AERONET sélectionnées sur trois continents différents (Australie, Afrique et Amérique du Sud), indiquées par des symboles colorés selon la station. Les lignes horizontales en pointillé indiquent le rayon médian du mode fin observé entre le 1er janvier 2020 et le 15 janvier 2022. La ligne verticale en pointillés indique l’heure de l’éruption HT.
Figure 3 : Taille des aérosols survolant l’île de La Réunion mesurée par la station AERONET du Maido OPAR (21°S) de janvier 2020 à mai 2023. Distribution volumique de la taille des aérosols fins avant (à gauche, en vert) et après (au milieu, en rouge) l’éruption du Hunga Tonga. Les lignes épaisses montrent la médiane de ces distributions de taille, qui sont dupliquées dans le panneau de droite pour faciliter la comparaison.
Figure 4 : Superposition des séries temporelles du rayon des aérosols du panache du Hunga Tonga mesuré aux 20 stations AERONET de l’hémisphère sud représentées dans la carte du panneau supérieur. La couleur des symboles dépend de la latitude de la station, tandis que la taille des symboles est proportionnelle à l’abondance des aérosols sur la colonne atmosphérique. La ligne rouge épaisse est la médiane calculée après l’éruption du Hunga Tonga (ligne verticale en pointillés) sur une fenêtre glissante de 15 jours, limitée aux données appartenant à la plage de taille volcanique (0.22-0.90 mm). Les lignes rouges en pointillés représentent les quantiles à 5 % et 95 %.

References 

Boichu, M., Grandin, R., Blarel, L., Torres, B., Derimian, Y., Goloub, P., Brogniez, C., Chiapello, I., Dubovik, O., Mathurin, T., Pascal, N., Patou, M., & Riedi, J. (2023), « Growth and global persistence of stratospheric sulfate aerosols from the 2022 Hunga Tonga-Hunga Ha’apai volcanic eruption ». Journal of Geophysical Research : Atmospheres, 128, e2023JD039010, https://doi.org/10.1029/2023JD039010 

Boichu, M. and Mathurin, T. (2022). VOLCPLUME, an interactive web portal for the multiscale analysis of volcanic plume physico-chemical properties [Interactive Web based Ressource], AERIS, https://doi.org/10.25326/362, Portal access: https://volcplume.aeris-data.fr, Website address: https://www.icare.univ-lille.fr/volcplume/

Lac, C., Le Pichon, A., Listowski, C., Abbassi, G., Astafyeva, E., Baron, A., Berveiller, D., Boichu, M., Clerbaux, C. et al. (2022). “The eruption of the Hunga Tonga – Hunga Ha’apai volcano on January 15, 2022: a shock of the Earth on a global scale” (Tech. Rep.). Groupe Thématique Atmosphère d’ALLENVI. https://zenodo.org/record/7678770/files/Tonga_FR_FINALE_DOI_v1.1.pdf, doi: 10.5281/zenodo.7678770

Sources :

Image bandeau : Hunga Tonga eruption (@ Tonga Geological Survey)

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