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2021-04-02

Les aérosols stratosphériques proviennent pour la plupart d'éruptions volcaniques et ont une grande influence sur l'atmosphère et le climat de la Terre. L’IASB est impliqué dans la surveillance de ces aérosols, fournissant des données de haute qualité à des bases de données centralisées comme le programme Copernicus, pour être, entre autres choses, intégrées dans les modèles climatologiques.

À la rencontre du Mont Pinatubo

Depuis un demi-millénaire, le volcan Pinatubo - situé dans la partie occidentale des Philippines - était en sommeil, laissant paisiblement la forêt recouvrir ses flancs. Cependant, il y a 30 ans, le 2 avril 1991, le volcan se réveilla soudain de sa torpeur. La pression magmatique croissante à l'intérieur de la croûte terrestre était devenue trop grande. Après des mois de tremblements de terre réguliers, le flanc nord de la montagne se fissura, et, lorsque le magma entra en contact avec l’eau souterraine, celle-ci se transforma instantanément en vapeur, provoquant une violente explosion.

Pinatubo crater
Vue aérienne au sud du cratère du Pinatubo (2,5 km de large) montrant le début d'une
petite explosion le 1er août au milieu de la caldeira formée par la violence des
éruptions des mois précédents. Crédit: T.J. Casadevall, U.S. Geological Survey

Il ne s'agissait cependant que d'une première éruption relativement faible par rapport à ce qui allait suivre. Quelques semaines plus tard, des scientifiques arrivèrent pour surveiller de plus près cette nouvelle activité. Ils enregistrèrent les tremblements de terre continus et, en mai, ils commencèrent à mesurer le dioxyde de soufre (SO2) s'échappant de la fissure. Les émissions de SO2 ont augmenté rapidement jusqu'à la fin du mois de mai, passant de 500 à 5000 tonnes, avant de diminuer à nouveau de manière substantielle, ce qui suggère que quelque chose bloquait le processus de dégazage et provoquait une accumulation de gaz en profondeur.

En juin, de petites éruptions recommencèrent à se produire, révélant finalement le vrai pouvoir destructeur de l’éruption du Mont Pinatubo le 15 juin 1991. Les bulles de gaz qui s’étaient accumulées dans la chambre et dans la colonne magmatiques au cours des semaines précédentes explosèrent, projetant, pendant neuf heures, environ 5 km3 de matière dans la stratosphère (pour finalement atteindre des altitudes allant jusqu'à 35 km) et entraînant l'effondrement de la montagne.

Les conséquences immédiates de l'éruption furent heureusement contenues par les mesures préventives qui avaient été prises, même si de nombreuses vies ont été perdues (on estime que 300 à 350 décès ont été directement causés par l'éruption, en raison de l'effondrement des toits sous le poids des cendres) et que les dégâts matériels ont été importants. Les pluies abondantes qui ont créé des coulées destructrices de débris volcaniques (appelées Lahar) ont continué de causer des soucis à la population environnante dans les années qui ont suivi, faisant entre 750 et 850 morts au total.

Impact de l'éruption du Mont Pinatubo sur la composition chimique de la stratosphère

Mais l'ampleur des conséquences fut bien plus étendue que cela. L'éruption du Mont Pinatubo du 15 juin fut la plus grande éruption des 100 dernières années. La quantité de soufre injectée - et dispersée en quelques mois dans la stratosphère toute entière - était si importante qu'elle a perturbé la propagation de la lumière dans l'atmosphère pendant plus de 5 ans. Outre cet impact direct qui s'est traduit par un refroidissement de l'atmosphère d'environ 0,2 à 0,5°C (pour la troposphère globale), le nuage volcanique a donné lieu à de multiple effets secondaires. Il a entraîné des changements dans la dynamique atmosphérique et a eu un impact considérable sur la chimie et la composition chimique de l'atmosphère (dont une diminution de la couche d'ozone d'environ 25 %) et, finalement, sur l'ensemble du système climatique terrestre.

Les panaches étaient principalement composés de cendres et de soufre sous forme de dioxyde de soufre (SO2), mais toute une série d'autres substances chimiques, dont la vapeur d'eau (H2O), ont également été transportées dans la stratosphère, une couche atmosphérique normalement sèche. La vapeur d'eau supplémentaire a permis au SO2 de s'oxyder en acide sulfurique (H2SO4), et de former des noyaux de condensation pour les aérosols de sulfate (fines gouttelettes en suspension dans l'air) en quelques semaines. En fait, les éruptions volcaniques, par leur violence, sont un moyen très efficace pour fournir les ingrédients nécessaires à la formation d'aérosols dans la stratosphère, une couche très stable et difficile à pénétrer.

Les éruptions volcaniques influencent les températures mondiales

Pinatubo from space
Pinatubo eruption seen from space. Credit: NASA/JSC Digital Image Collection

La couche d'aérosols stratosphériques créée par le Mont Pinatubo a empêché une grande partie du rayonnement solaire d'atteindre la surface de la Terre, entraînant un réchauffement de la stratosphère de 3,5 °C et un refroidissement de la troposphère de l’hémisphère nord de 0,2 à 0,7 °C. Ces chiffres peuvent sembler minimes, mais dans le système atmosphérique, les petits changements ont de grandes conséquences. La différence de température entre l'équateur et les pôles s'est accrue, ce qui a entraîné un renforcement de la dynamique atmosphérique à l'échelle mondiale, du vortex polaire aux latitudes moyennes (une boucle fermée de courant de vent qui isole l'atmosphère polaire pendant plusieurs mois en hiver), et d'une série d'autres phénomènes d'oscillation atmosphérique.

Dans un premier temps, il a été suggéré que l'éruption du Pinatubo de 1991 avait également provoqué l'hiver exceptionnellement chaud de la même année (dans l'hémisphère nord). Toutefois, des études récentes réalisées à l'aide de modèles climatologiques n'ont pas réussi à reproduire cet effet, montrant que les deux événements n'étaient probablement pas liés.

Les volcans ont toujours été des facteurs importants de changements climatiques dans l'histoire de la Terre, bien avant que l'activité humaine ne devienne un paramètre à prendre en compte. C'est pourquoi nous devons surveiller la nature et le volume de la matière que les volcans éjectent, mais aussi la fréquence des éruptions.

Surveillance des aérosols stratosphériques

Nous avons évoqué les effets du SO2 et des aérosols d'origine volcanique sur le climat de la Terre et sur la couche d'ozone, mais ce ne sont pas leurs seuls dangers : les éruptions volcaniques comme celle du Mont Pinatubo constituent également un danger directe pour l'aviation. En effet, les cendres tout comme les gaz libérés peuvent causer des dommages importants.

Ces dangers multiples illustrent la nécessité de disposer de données de haute qualité sur les aérosols sulfatés, tant dans la stratosphère que dans la troposphère. Cependant, par rapport aux gaz atmosphériques, les aérosols constituent un objet d'étude particulièrement difficile. La façon dont ils diffusent ou absorbent la lumière dépend de nombreuses variables comme leur taille, leur composition, leur historique et leur origine (il existe d'autres sources comme la poussière du désert, la pollution anthropique, etc., bien que le volcanisme reste la source principale d’aérosols dans la stratosphère). Les conditions atmosphériques ou les particularités locales de la dynamique atmosphérique influencent également leurs caractéristiques microscopiques.

Cette variabilité ainsi que les différentes caractéristiques des particules d'aérosols font qu'il est difficile pour les scientifiques de déchiffrer ce que les observations par satellite représentent réellement. Les spécialistes de l'atmosphère doivent reconstituer ce qui se passe dans l'atmosphère à partir des flux de chiffres, qui représentent les signatures lumineuses que les instruments des satellites de télédétection ont captées depuis leur orbite.

À l’IASB, nous travaillons à la traduction des données satellitaires en informations utilisables pour d’autres applications. Nous fournissons au programme européen Copernicus des longues séries temporelles, des jeux de données globales ou des données locales plus détaillées pour diverses espèces atmosphériques, y compris les aérosols stratosphériques. Ces informations sont centralisées dans des bases de données internationales après une caractérisation précise et détaillée, pour être, entre autres choses, intégrées dans des modèles climatologiques.

Grpah
Figure 3 de Bingen et al., JGR, 109, 2004. Ce graphique montre une série temporelle produite à partir de mesures de l’instrument satellitaires « SAGE II », et représentant l’évolution en temps et en latitude de la densité de particules d’aérosols en nombre par cm-3, entre 1985 et 2000, à une altitude de 22.5 km. Les lettres « R » (Nevado del Ruiz), « K » (Kelut) et « P » (Pinatubo) indiquent les principales éruptions volcaniques durant cette période. L'échelle de couleur logarithmique montre que la densité peut varier sur plus de 3 ordres de grandeur. Les zones blanches correspondent à une absence de mesure, due à des “trous d’orbites” (l’orbite du satellite ne couvre pas la zone concernée), à l’exception de la zone étendue au-dessus de la zone tropicale entre juin 1991 et la mi-1992: le nuage volcanique, dont les tons rouges-oranges montrent la propagation vers les pôles, était tellement dense lors de ces mesures aux tropiques que la lumière renvoyée vers le satellite était trop faible pour pouvoir être correctement mesurée. L’absence de mesures qui en résulta fait qu’aujourd’hui encore, cette éruption est étudiée à partir de modèles et que des incertitudes subsistent quant à son ampleur et son déroulement exacts.

Références

 

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Vue depuis la Clark Air Base de l'éruption majeure du Mont Pinatubo le 15 juin 1991, qui a duré neuf heures, a envoyé des débris, des cendres et des gaz dans la stratosphère, jusqu’à 35 km d’altitude, a généré de volumineux flux pyroclastiques (des « avalanches » extrêmement rapides de cendres et de gaz très chauds) et a laissé une caldeira (le cratère formé suite à l’effondrement du sommet du volcan) de 2,5 km de diamètre. Crédit: R. Lapointe, U.S. Air Force
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Une couche de cendres de 9 cm d'épaisseur recouvrant la base aérienne Clark, à 25 km à l'est du mont Pinatubo. Crédit: R.P. Hoblitt
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Photo de la Terre prise depuis la navette spatiale (mission STS-43) au-dessus de l'Amérique du Sud, prise le 8 août 1991, montrant la double couche de nuages d'aérosols du Pinatubo (traînées sombres) au-dessus des hauts cumulonimbus. Crédit : NASA