Volcan Hunga Tonga-Hunga Haapai : certaines conséquences de l'éruption du 15 janvier précisées

C'est, pour le moment l'événement volcanique de l'année 2022, la plus intense depuis celle qui détruisit l'île de Krakatau en 1883. La première de cette ampleur à pouvoir être scrutée dans le détail par des moyens modernes.  Mais "moyens modernes" signifie avant tout "accumulation rapide de données diverses". Reste qu'il faut ensuite toujours le temps de traiter, d'analyser et, in fine, décrypter l’histoire que nous livre ces jeux de données, et cela continue de prendre du temps (et heureusement). Raison pour laquelle certaines informations n'arrivent que dans les mois et années qui suivent l'événement. Et en ce qui concerne cette éruption en voilà au moins quatre.

La première concerne la nouvelle morphologie de l'édifice qui, parce qu'il est en quasi totalité sous-marin, ne peux être observée que par bathymétrie. La campagne menée en mai par Shane Cronin (Université d'Auckland) et les équipes du WASSP et du Tonga Geological Survey avait pour objectif, entre autres, de faire cette bathymétrie et de voir les modifications produites par l'éruption. Et ces relevés répondent à la question que je me posais alors  dans la mise à jour du 16 janvier : "est-ce qu'une structure de type caldera s'est formée?". La réponse est clairement oui. Et pas une toute petite : le plancher de la caldera pré-existante, qui se situait à une profondeur maximale de 150m, est passé à 850m.

Le diamètre de cette caldera est d'environ 4 km : c'est tout le sommet de l'édifice qui a vu sa morphologie bouleversée et pour tenter de vous donner un aperçu de ce changement je vous ait préparé une représentation 3D similaire à celle proposée par Shane Cronin et son équipe (point de vue, éclairage et code couleur en fonction de la profondeur proches) mais réalisée à partir des données GMRT 4 (Global Multi-Resolution Topography), forcément moins précises (puisque globales) mais ayant pour avantage de fournir une bathymétrie pré-existante à janvier 2022.

Comparaison des bathymétries avant et après janvier 2022 : la nouvelle caldera est bien marquée. Image : Shane Cronin/Marta Ribo (à droite) / Culture Volcan (à gauche)

On peut noter en plus de la caldera elle-même deux belles traces de glissements sur le rebord à droite de l'image de Shane Cronin & al (versant sud de la caldera) qui suggèrent que ses nouveaux rebords ont été le siège d'une instabilité syn et/ou post éruptive*.

Il est clair par ailleurs que le jeu de données GMRT est plein de défauts visibles à cette échelle (zones de topographie un peu aberrante) mais qui traduisent malgré tout une topographie relativement accidentée sur le pourtour de la caldera pré-2022. À l'inverse, sur l'image de Shane Cronin et al, le rebords de la caldera est particulièrement régulier et lisse: cela pourrait résulter d'une belle épaisseur de dépôts!

La seconde concerne les tous premiers instants du paroxysme et la manière dont les tsunamis ont été générés.  Dans les jours qui ont suivi ce paroxysme, de nombreuses infos circulaient sur le double mécanisme à leur origine : à la fois les ondes de pression atmosphériques générées par les explosions et capables de déplacer la surface de l'eau pour créer une vague + le déplacement d'une importante masse d'eau au niveau de l'éruption.

Des chercheurs se sont donc attaqués à quantifier la seconde source des tsunamis : le déplacement de la masse d'eau nécessaire pour générer les vagues.

Ils ont d'abord collecté les relevés des marégraphes, des bornes du système DART (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis) et les baromètres situés dans un rayon de 1500 km autour de l'édifice, couplés avec les relevés de pression atmosphériques.

Répartition des différents appareils de mesure utilisés dans l'étude. Mohammad Heidarzadeh & al; ; (Ocean Ingeneering; 2022)

 

L'une des nombreuses balises du système DART. Image : NOAA Center for Tsunami Research

Étant donné qu'il s'agit là d'ondes il est rare qu'un phénomène naturel produise un signal d'une fréquence déterminée : souvent ce sont plusieurs fréquences et amplitudes qui sont produites plus ou moins simultanément. Ici, entre autres, les deux sources (onde de pression et déplacement de masse d'eau) ont généré un signal (des vagues) complexes qu'il faut tenter de filtrer pour trier ce qui vient des ondes de pression, ce qui vient du déplacement des masses d'eau et, éventuellement, des signaux dits "parasites"**.

Un fois ce tri effectué le spectre (l'ensemble des longueurs d'ondes) lié au déplacement d'une masse d'eau est fait de deux pics dont les périodes (temps entre deux crêtes de l'onde) sont comprises l'une entre 4 et 7 min , l'autre entre 10 et 17 min, cette dernière étant dominante. À partir de ce signal plusieurs modèles de sources ont été produits à partir d'un modèle simple : une masse d'eau soulevée (une cloche***) modélisée par deux paramètres: le diamètre et la hauteur (niveau entre le sommet de la cloche et le niveau initial moyen de l'eau) .

Modèle de source pour la génération du tsunami par déplacement de masse d'eau. Image : Mohammad     Heidarzadeh & al; (Ocean Ingeneering; 2022)

 

Car il existe un lien entre la largeur de la source (L sur le dessin) et la période des ondes produites (extraite de l'analyse spectrale des données des marégraphes et du réseau DART). La relation entre ces deux paramètres dépend aussi de l'épaisseur de la tranche d'eau mise en mouvement qui variait entre 50 et 200 m. Pour le pic le plus important du spectre, entre 10 et 17 minutes,  les chercheurs ont proposé plusieurs solutions possibles à partir du modèle initial en prenant différentes valeurs pour le paramètre "am" (amplitude initiale maximale, soit la haut max de la cloche au moment de sa formation) entre 30 et 90 m, pour la largeur de la cloche et pour diverses épaisseur d'eau initiale. Puis il ont fait mouliner les algorithmes avec des associations variées de ces divers paramètres.

Enfin ils ont comparé les résultats modélisés aux résultats enregistrés pour déterminer quel modèle était le plus réaliste. Et pour tester ce modèle de source ils ont produit une simulation des tsunamis qu'elle pouvait générer (en prenant en compte la forme des côtes, les reliefs sous-marins existants etc puisque ces données sont disponibles) : pour conforter un modèle de source plus que d'autres il fallait que le tsunami modélisé soit proche du tsunami observé.

Le modèle de source retenu est une cloche haute de 90m et large...de 12 km! 12 km!!!C'est complètement dingue! Cela correspond à un volume d'eau déplacé de  6,6 milliards de m3 d'eau (6,6 milliards de tonnes et même un peu plus car c'est de l'eau salée)! 

Mais ce qui est tout aussi dingue c'est que dans la mise à jour n°4 du post du mois de janvier je décrivais, sur la base d'images satellites GOES la présence, près de 8 minutes AVANT la formation du panache et des ondes de choc, une structure circulaire étrange, ininterprétable, dont le diamètre mesurait 14 km au moment de la prise de vue. Les dimensions sont très proches de celles de cette "cloche" modélisée et j'ai donc directement posé la question à Mr Heidarzadeh, qui m'a confirmé que la structure que j'ai repérée sur l'image est le tsunami initial! C'est fou qu'un satellite ait pu saisir cet instant rarissime et apporter une observation concrète aux modalisations réalisées! Et pour mémoire il semble y avoir un décalage de plusieurs minutes entre le démarrage du tsunami et l'émission de la première onde de choc. Reste à savoir quel mécanisme à pu générer un tel soulèvement. Et je soupçonne que pour trouver cette réponse il faudrait probablement s’intéresser aux phases paroxysmales, intenses mais bien moindres, de décembre 2021 et du 13 janvier 2022, qui avaient probablement préparé le terrain.

La troisième info se résume ainsi : je vais devoir jeter à la poubelle une hypothèse que j'ai faite. Je le fait avec d'autant moins d'hésitation que la réalité est juste incroyable et envoie directement cette hypothèse aux oubliettes des délires d'un volcanophile trop centré sur son sujet de passion.

Elle concerne l'immense tâche colorée (plus de 60 000km² le 16 janvier) qui s'est mise en place dès le lendemain du paroxysme et est restée présente presque tout le moins de janvier. Tâche colorée sur laquelle j'ai longuement spéculé dans la mise à jour n°3 du post de janvier 2022. Et avant tout je dois préciser qu'en réalité une tâche colorée d'un vert intense était présente le 14 janvier, suite au paroxysme du 13 janvier.

 

Vaste tâche colorée autour d'HungaTong Hunga Haapai le 17 janvier. Image : MODIS/NASA

 

L'erreur que j'ai commise fut de penser que cette tâche verte, si vaste et formée immédiatement, était d'origine volcanique : cendres en suspension dans l'eau, dégazage de vastes dépôts sous-marins et que sais-je encore. Mais en fait non : une équipe de chercheurs menés par B.Barone (D.K.Inouye Center for Microbial Océography; Hawaï) ont analysé cette tâche à travers une analyse spectrale qui permet de mettre en évidence la chlorphylle a. Cette immense tâche est en fait composée de phytoplancton (cyanobactéries, diatomées, dinoflagellés etc) dont la multiplication a été littéralement explosive elle-aussi : un bloom, dans le jargon des spécialistes.

Il a été possible grâce à l'apport massif d'éléments minéraux, nutriments fondamentaux pour ce phytoplancton. Toutefois les chercheurs ont tenté de voir si cette tâche n'était pas le résultat d'un double phénomène (bloom phytoplanctonique ET cendres en suspension/gaz dissout). Pour cela ils ont analysé la fluorescence de la chlorphylle a induite par le rayonnement solaire et le résultat confirme que l'essentiel de la tâche colorée est dû à un bloom.

En haut : comparaison des zones riches en chlorophylle a en janvier 2015, janvier 2017 et janvier 2022: on passe d'une estimation de la concentration toujours comprise aux alentours de 0.1 mg/m3 à environ 1 mg/m3 le 16 janvier, une évolution jamais observée dans ce secteur. En bas, évolution de l'extension de la tâche colorée du 16 au 28 janvier. Image : B.Barone & al (Geophysical Research Letters; 2022)

Dans cette étude les chercheurs ont donc tenté d'identifier le mécanisme le plus probable d'acheminement de ces nutriments, avec deux possibilités principales:

- par les retombées du panache et/ou 

- par des remontées liés à une activité sous-marine (dégazage) dans la nouvelle caldera. 

En tentant de répondre à cette question les chercheurs ont analysé la température de surface de l'océan dans le secteur, révélant une anomalie thermique importante, d'environ 3°C au-dessus de la température moyenne. Localisée au large du versant sud-ouest de l'édifice sous-marin, elle marquait la présence d'un imposant panache d'eau chaude, à même d'apporter des nutriments à proximité de la surface et donc d'alimenter le bloom, en plus des cendres retombées dans l'eau depuis le panache.

Eau nettement plus chaude à proximité de l’édifice (le triangle rouge) dans les jours qui ont suivi l'éruption du 15 janvier. Image : B.Barone & al (Geophysical Research Letters; 2022)

Pour tenter de voir si l'un ou l'autre des apports en nutriment dominait ou non, les chercheurs ont quantifié l'évolution de la concentration de la biomasse pour la comparer avec les résultats obtenus en laboratoire, en situation contrôlée et optimisée. Ainsi pour passer de 0.1 à 1 mg/m3 de chlorophylle a en l’espace de 1,06 jours****  il faut un taux de croissance extrêmement élevé, proche des valeurs obtenues en situation de laboratoire. Les conditions naturelles étant loin des conditions optimales les chercheurs supposent donc que le bloom avait déjà commencé avant, grâce à l'apport de nutriments par  le paroxysme du 13 janvier (et il y avait une tâche colorée le 14 janvier, effectivement). Or, pas de colonne d'eau chaude après le 13 janvier pour faire remonter des nutriments et les chercheurs supposent donc que ce sont les cendres retombées des panaches des 13 et 15 janvier qui ont été la source principale de nutriments pour ce fantastique bloom phytoplanctonique. 

 

La quatrième info concerne l’impact du panache sur l'atmosphère. Car assez rapidement après l'éruption les données satellites ont permis de constater que non seulement la panache avait traversé la troposphère (et à quelle vitesse!) mais aussi la stratosphère et même qu'une fraction du panache était parvenu à s'injecter dans la Mésosphère, franchissant la stratopause, vers 50 km d'altitude, puisque le point le plus haut du panache est parvenu à 57 km d'altitude.

De fait la composition de la Mésosphère a été modifiée par cet apport de gaz en provenance à la fois de la croûte et de l'hydrosphère terrestre. Plusieurs gaz ont été détectés mais entonnement les concentrations en SO2 (Dioxyde de Soufre) et HCl (acide chlorhydrique) ne se sont pas révélées exceptionnelles. Contrairement à l'eau qui a été injectée en très grande quantité. Les données satellites indiquent qu'environ 146 millions de tonnes d'eau se sont retrouvées dans la stratosphère et plusieurs mois plus tard (en juillet) la quantité d'eau était encore deux fois supérieure à celle qu'elle est habituellement dans l'hémisphère sud.

 

Concentration anormale en H2O après l'éruption, dans la stratosphère. Image : L.Millàn & al, 2022

Le fait que de l'eau soit injectée dans la stratosphère par des éruptions n'est, en soit, pas nouveau. Mais jamais aucune quantité de cette ampleur n'avait été mesurée depuis que les mesures existent et la plupart des éruptions intenses qui ont eu lieu depuis que ce type de mesure existe n'ont permis de détecter que des anomalies faibles, trop faibles pour pouvoir estimer la masse d'eau injectée. Ici, le signal est clair : c'est donc une première.

L'une des conséquences possibles de cette injection massive d'eau dans la stratosphère pourrait être un réchauffement dans la troposphère qui mettrait plusieurs années à se dissiper.

Sources :

Shane Cronin & al; BBC 2022

Mohammad Heidarzadeh & al : "Estimating the eruption-induced water displacement source of the 15 January 2022 Tonga volcanic tsunami from tsunami spectra and numerical modelling" ; Elserver Ocean Engeneering, 2022

B.Barone & al : "Satellite Detection of a Massive Phytoplankton Bloom Following the 2022 Submarine Eruption of the Hunga Tonga‐Hunga Haʻapai Volcano" (Geophysical Research Letters; 2022)

L.Millàn & al : "The Hunga Tonga-Hunga Ha apai Hydration of the Stratosphere"; Geophysical Research Letters - 2022

 * syn= en même temps; post = après. Seule la bathymétrie haute résolution du fond de la caldera permettrait de trancher : soit les dépôts s'y trouvent et alors c'est "post", soit ils ne s'y trouvent pas, donc il ont été expulsés par l'activité explosive et les effondrements sont "syn").

** rien de méchant là-dedans : juste pour dire "autres sources que les deux principales", comme des tempêtes lointaines par exemple, capables de générer des vagues à des longueurs d'ondes similaires. Mais aussi le fait que les marégraphes sont souvent placés dans des zones portuaires où des vagues produites par les infrastructures et le passage des navires viennent parasiter le signal aussi. Sans compter que les appareils enregistrent non seulement les ondes principales produites par la source mais aussi les ondes secondaires produites par la réflexion, la réfraction et la diffraction des ondes principales sur les îles, les côtes etc. Voyez le bazar à trier....

*** les chercheurs assument le fait que le modèle soit simple et que la réalité soit plus complexe. Toutefois le détail de la forme de la source n'est pas l'essentiel dans leur étude: quelle que soit les variations autour de cette forme initiale, l'objectif de l'étude était de voir quelles étaient les dimensions globales de la source pour générer les trains de vagues enregistrées, donc fournir une estimation de la masse d'eau mise en mouvement.

****durée d'ensoleillement (pour la photosynthèse) de la zone entre le départ de l'éruption et le passage du satellite : le paroxysme a lieu le 15, la tâche colorée est observée le 16.