New Insights Into the Relationship Between Mass Eruption Rate and Volcanic Column Height Based On the IVESPA Data Set

Rapid and simple estimation of the mass eruption rate (MER) from column height is essential for real-time volcanic hazard management and reconstruction of past explosive eruptions. Using 134 eruptive events from the new Independent Volcanic Eruption Source Parameter Archive (IVESPA, v1.0), we explore empirical MER-height relationships for four measures of column height: spreading level, sulfur dioxide height, and top height from direct observations and as reconstructed from deposits. These relationships show significant differences and highlight limitations of empirical models currently used in operational and research applications. The roles of atmospheric stratification, wind, and humidity remain challenging to detect across the wide range of eruptive conditions spanned in IVESPA, ultimately resulting in empirical relationships outperforming analytical models that account for atmospheric conditions. This finding highlights challenges in constraining the MER-height relation using heterogeneous observations and empirical models, which reinforces the need for improved eruption source parameter data sets and physics-based models

Volcano Monitoring by Remote Sensing

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Volcano Monitoring by Remote Sensing

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Application du radar Doppler (VOLDORAD) à l'étude de la dynamique des éruptions Stromboliennes de l'Etna

VOLDORAD, a low power UHF Doppler radar, is a portable ground-based system, developed by the Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand (France), especially for the study of explosive volcanic activity. The capabilities of such remote sensing methods to probe safely hazardous eruption jets and plumes constitute a real step forward regarding the in-depth analysis of physical processes controlling the dynamics of volcanic eruptions. The main objective of this work is to bring more stringent constraints, particularly from the development of methodological procedures, on the interpretation of Doppler radar data, with the final aim of better understanding the explosive dynamics. This study has been achieved from Doppler radar measurements carried out at Etna Southeast crater during the eruption of July 4, 2001, and focused on the Strombolian activity. However, processing methods, theoretical forward models and inversion procedures developed here have been achieved with the scope of a more general application, i.e., for various types of eruptions. The thorough analysis of Strombolian explosions by ground-based Doppler radar has permitted to obtain a wide range of source parameters, mainly related to kinetic, loading and geometrical features. Accurate quantitative assessment of these parameters and their evolution with time is crucial for (1) monitoring and early warning of active volcanoes, and (2) to provide better constraints on assumptions included in models of eruptive dynamics, useful for the volcanological community, as well as for ash dispersal prediction models used for risk mitigation.VOLDORAD, un radar Doppler UHF moyenne puissance, est un système portable basé au sol, développé par l'Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand (France), spécifiquement pour l'étude de l'activité volcanique explosive. La capacité de ces méthodes de télédétection à sonder l'intérieur des jets et des panaches volcaniques dangereux constitue un vrai pas en avant concernant l'analyse des paramètres physiques qui contrôlent la dynamique des éruptions volcaniques. L'objectif principal de cette thèse est d'apporter des contraintes plus précises, notamment à partir du développement de procédures méthodologiques, sur l'interprétation des données radar Doppler, dans le but final d'améliorer notre compréhension de la dynamique explosive. Ce travail a été réalisé à partir de mesures radar Doppler acquises pendant l'éruption du cratère Sud-Est de l'Etna en Juillet 2001, et s'intéresse plus particulièrement à l'activité Strombolienne. Cependant, les méthodes de traitement, les modèles directs et les procédures d'inversion développés dans cette étude ont été réalisés dans une optique plus générale, et applicable sur différents types de dynamismes. L'étude détaillée de l'activité Strombolienne par la méthode radar Doppler a permis d'obtenir une large gamme de paramètres sources, notamment : les vitesses et masses de gaz et de particules, ainsi que les caractéristiques géométriques des jets. L'estimation quantitative précise de ces paramètres et de leur évolution au cours du temps est cruciale pour (1) la surveillance et la détection précoce de l'activité volcanique, ainsi que (2) pour l'apport de contraintes sur les hypothèses formulées dans les modèles de dynamique éruptive et dans les modèles de prédiction de dispersion des cendres, indispensables à la minimisation des risques

Mass estimations of ejecta from Strombolian explosions by inversion of Doppler radar measurements

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SO2 and tephra emissions during the December 22, 2018 Anak Krakatau flank-collapse eruption

International audienceOn December 22, 2018 the south-western flank of Anak Krakatau collapsed into the sea, removing 93.8×106m3of subaerial lavas, and generated a tsunami. Synchronously with the collapse, a large volcanic plume of SO2andash (14–15 km in height) has formed, marking the onset of a paroxysmal eruption lasting from December 22, 2018to January 06, 2019. From remote sensing analysis, we show that the eruption can be divided into three mainphases. Phase I and II show both tephra and gas emissions while phase III is mostly degassing. The total amount ofSO2injected in the atmosphere is 173±52 kt, while the minimum bulk magma volume emplaced, estimated from atopographic reconstruction, is∼45×106m3. This value compares well with a petrologic-based estimate of 56.4×106m3, making the existence of external sulphur sources and sinks quite unlikely. The ice-rich ash plume formationshows that a strong sea-water/magma interaction was responsible for the phreatomagmatic activity throughout theeruption. However, we distinguish a first Vulcanian blast-derived eruption (lasting 40 min) just after the collapsehaving a Mass Eruption Rate (MER) of 9×105kg s−1, followed by a sustained lower-intensity eruption resultingin ash emissions over hours (MER = 5×105kg s−1). From December 23, daytime photos show typical Surtseyan activity

Systematic retrieval of ejecta velocities and gas fluxes at Etna volcano using L-Band Doppler radar

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The geometry of Strombolian explosions: insights from Doppler radar measurements

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Application du radar Doppler (VOLDORAD) à l'étude de la dynamique des éruptions Stromboliennes de l'Etna

VOLDORAD, un radar Doppler UHF moyenne puissance, est un système portable basé au sol, développé par l'Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand (France), spécifiquement pour l'étude de l'activité volcanique explosive. La capacité de ces méthodes de télédétection à sonder l'intérieur des jets et des panaches volcaniques dangereux constitue un vrai pas en avant concernant l'analyse des paramètres physiques qui contrôlent la dynamique des éruptions volcaniques. L'objectif principal de cette thèse est d'apporter des contraintes plus précises, notamment à partir du développement de procédures méthodologiques, sur l'interprétation des données radar Doppler, dans le but final d'améliorer notre compréhension de la dynamique explosive. Ce travail a été réalisé à partir de mesures radar Doppler acquises pendant l'éruption du cratère Sud-Est de l'Etna en Juillet 2001, et s'intéresse plus particulièrement à l'activité Strombolienne. Cependant, les méthodes de traitement, les modèles directs et les procédures d'inversion développés dans cette étude ont été réalisés dans une optique plus générale, et applicable sur différents types de dynamismes. L'étude détaillée de l'activité Strombolienne par la méthode radar Doppler a permis d'obtenir une large gamme de paramètres sources, notamment : les vitesses et masses de gaz et de particules, ainsi que les caractéristiques géométriques des jets. L'estimation quantitative précise de ces paramètres et de leur évolution au cours du temps est cruciale pour (1) la surveillance et la détection précoce de l'activité volcanique, ainsi que (2) pour l'apport de contraintes sur les hypothèses formulées dans les modèles de dynamique éruptive et dans les modèles de prédiction de dispersion des cendres, indispensables à la minimisation des risquesCLERMONT FD-BCIU Sci.et Tech. (630142101) / SudocFONTAINEBLEAU-MINES ParisTech (771862302) / SudocRENNES-Géosciences (352382209) / SudocSudocFranceF

Observation of SO 2 degassing at Stromboli volcano using a hyperspectral thermal infrared imager

co-auteur étrangerInternational audienceThermal infrared (TIR) imaging is a common tool for the monitoring of volcanic activity. Broadband cameras with increasing sampling frequency give great insight into the physical processes taking place during effusive and explosive event, while Fourier transform infrared (FTIR) methods provide high resolution spectral information used to assess the composition of volcanic gases but are often limited to a single point of interest. Continuing developments in detector technology have given rise to a new class of hyperspectral imagers combining the advantages of both approaches. In this work, we present the results of our observations of volcanic activity at Stromboli volcano with a ground-based imager, the Telops Hyper-Cam LW, when used to detect emissions of sulfur dioxide (SO2) produced at the vent, with data acquired at Stromboli volcano (Italy) in early October of 2015. We have developed an innovative technique based on a curve-fitting algorithm to quickly extract spectral information from high-resolution datasets, allowing fast and reliable identification of SO2. We show in particular that weak SO2 emissions, such as inter-eruptive gas puffing, can be easily detected using this technology, even with poor weather conditions during acquisition (e.g., high relative humidity, presence of fog and/or ash). Then, artificially reducing the spectral resolution of the instrument, we recreated a variety of commonly used multispectral configurations to examine the efficiency of four qualitative SO2 indicators based on simple Brightness Temperature Difference (BTD). Our results show that quickly changing conditions at the vent – including but not limited to the presence of summit fog – render the establishment of meaningful thresholds for BTD indicators difficult. Building on those results, we propose recommendations on the use of multispectral imaging for SO2 monitoring and routine measurements from ground-based instruments