Sciences

Pourquoi certains volcans crachent-ils des ronds de fumée ?

Ces halos fantomatiques ont été observés au-dessus des régions volcaniques du monde entier mais jusqu'à présent, personne n'avait percé le secret de leur formation.mardi 27 août 2019

De Robin George Andrews
Un halo de fumée s'élève au-dessus de la bouche du volcan Yasur au Vanuatu. Cette image a été obtenue à l'aide d'une caméra infrarouge placée au sommet du volcan par des chercheurs de l'université d'Auckland, en Nouvelle Zélande. Des cercles de fumée similaires ont déjà été observés au sommet de volcans du monde entier mais leur formation a toujours été un mystère.

Des nuées ardentes dévalant leurs pentes aux rivières de lave incandescente, les volcans sont célèbres pour l'incroyable spectacle pyrotechnique qu'ils donnent à voir. Cela ne signifie pas pour autant qu'ils sont dénués d'intérêt dans leurs moments d'apaisement, comme le montrent les étranges anneaux de fumée qui s'élèvent dans le ciel de certains volcans encore frémissants.

De telles apparitions éphémères ont été détectées au sommet de multiples volcans à travers le monde mais le processus qui mène à leur éclosion reste encore trouble. Même si leur diamètre peut atteindre plusieurs dizaines de mètres, ils ne persistent pas longtemps et sont imprévisibles, ce qui rend leur étude particulièrement difficile. C'est pourquoi une équipe de scientifiques dirigée par Fabio Pulvirenti, directeur de recherche au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, a décidé de s'intéresser à la question et de les simuler sur ordinateur.

Une cheminée du volcan Yasur recrache des cercles de fumées dans cette animation créée à partir d'images infrarouges.

Présenté à une réunion de l'Asia Oceania Geosciences Society qui s'est tenue à Singapour il y a quelques semaines, leur volcan virtuel montre que « le processus à l'œuvre dans la bouche d'un fumeur est plus ou moins le même dans volcan, » explique le coauteur de l'étude Carmelo Ferlito, volcanologue à l'université de Catane en Italie.

 

DES ANNEAUX CAPRICIEUX

Malgré leur nom, ces cercles de fumée ne sont pas composés de fumée, indique Boris Behncke, volcanologue à l'Institut national de géophysique et de volcanologie en Italie, non impliqué dans l'étude. La version volcanique des anneaux de fumées est en fait principalement constituée de gaz condensés, en majeure partie de la vapeur d'eau, qui s'échappent du magma avant d'être propulsés par la cheminée du volcan.

Des vents forts peuvent empêcher les anneaux de se former ou de durer dans le temps. Dans le cas contraire, les anneaux formés à partir d'un volume suffisant de vapeur volcanique (plus chaude et moins dense que l'air ambiant) dérivent à la verticale en s'élargissant peu à peu. À mesure qu'ils s'élèvent, ils perdent de la vapeur et finissent par ne plus être visibles.

Cependant, seuls certains volcans semblent capables de souffler ces cercles de fumée et seulement à certains moments qui plus est. Lorsque Pulvirenti avait entendu parler d'eux pour la première fois en 2013, il avait remarqué que la littérature scientifique n'offrait aucune réponse substantive à leur sujet. Lorsqu'il ne put plus contenir sa curiosité, il décida de recruter des collègues pour se lancer à l'assaut de ce mystère volcanique.

Par la suite, l'équipe s'est intéressée aux nombreuses observations de ces anneaux de fumée pour voir comment ils s'élevaient, à quelle vitesse ils se déplaçaient, à quel rythme ils refroidissaient, à quel point leur composition variait et à quelle fréquence ils contenaient de la centre. Les scientifiques se sont également penchés sur la façon dont les gaz magmatiques migrent à travers les conduits volcaniques pour s'en échapper et se sont plongés dans les lois complexes de la physique des fluides qui régissent la formation des tourbillons par le biais d'expériences en laboratoire.

Une série d'images infrarouges montre la formation et la dissipation d'un cercle de fumée au-dessus du volcan Yasur.

Ils ont ensuite intégré tous leurs résultats à un modèle informatique. En jouant avec l'accumulation de pression à l'intérieur du conduit et la géométrie de la cheminée volcanique virtuelle, l'équipe de scientifiques a pu définir les paramètres nécessaires à la formation d'anneaux de fumée.

À mesure que le magma s'élève dans le conduit, la pression environnante chute, ce qui permet aux gaz dissous d'émerger sous forme de bulles. Si le magma n'est pas trop visqueux, ces bulles peuvent fusionner en différentes poches de gaz pressurisé. À l'approche de la cheminée, ces poches de gaz peuvent subir une violente dépressurisation et exploser en projetant de la vapeur chaude vers le haut, parfois à des vitesses proche de celle du son.

Dans cette étude, les volcans sont assimilés à des canons-jouets à fumée qui rejettent de la vapeur à travers une ouverture circulaire étroite. Dans les deux cas, le volume de vapeur accumulé doit être conséquent et son expulsion suffisamment rapide pour former un anneau digne de ce nom.

Dans le volcan simulé, la vapeur éjectée de la cheminée interagissait avec les parois rocheuses, la boule de gaz s'enroulait autour des bords. On constate exactement le même phénomène sur les vidéos des canons à fumée au ralenti, indique Pulvirenti. Puis, lorsque le cercle enroulé de fumée entre en contact avec l'atmosphère plus froide, il refroidit, ralentit, se condense et devient visible, un peu comme les traînées de condensation laissées par les avions.

Bien que les cercles de fumées puissent s'étendre sur plusieurs dizaines de mètre, ils n'apparaissent que brièvement et sont imprévisibles, ce qui rend leur étude difficile.

Pour créer ces anneaux, il est primordial que la cheminée du volcan soit suffisamment circulaire et que ses parois soient de la même hauteur. Si la forme de la cheminée est trop irrégulière ou si celle-ci est fracturée, le cercle sera altéré, instable ou ne se formera pas du tout.

 

LA COMMUNAUTÉ DES ANNEAUX

En tant que doctorant en volcanologie à l'université d'Auckland, Benjamin Simons a observé ces cercles de fumée sur plusieurs volcans toujours en activité, notamment celui du mont Yasur au Vanuatu. La plupart des cercles qu'il a eu l'occasion d'apercevoir émanaient de lucarnes, des ouvertures naturelles en forme de cercle situées au-dessus de fissures volcaniques qui « offrent une vue imprenable sur l'envoûtante lueur nocturne du magma. »

Lorsque de petites bouffées de gaz volcaniques étaient recrachées à travers ces ouvertures étroites, des cercles de fumée se formaient. Ils s'élevaient lentement, dit-il, et n'avaient que très rarement la puissance nécessaire pour dépasser le sommet du cratère avant de s'évanouir. Les résultats apportés par le nouveau modèle informatique correspondent aux observations faites par Simons ; plus l'ouverture est circulaire, « plus il y a de chances qu'elle produise un anneau de fumée, » indique-t-il.

Bien que ce travail n'ait pas encore été évalué par des pairs, il semble expliquer pourquoi ces halos de fumée ne sont pas observables sur tous les volcans à n'importe quel moment, puisque leur formation nécessite des conditions très précises.

Et même lorsque ces conditions sont réunies, les anneaux de fumée n'apparaissent pas systématiquement, ce qui suggère que nos connaissances sur le désordre gazeux qui règne à l'intérieur des volcans présentent encore quelques lacunes. Par chance, l'équipe de scientifiques poursuit ses recherches et espère apporter de nouvelles réponses.

Tout l'objectif de cette étude n'était pas uniquement de satisfaire une curiosité scientifique. Les cercles de fumée volcaniques se forment en suivant le même parcours rocheux qui achemine le magma à la surface pendant les éruptions, il est donc possible que leur étude puisse aider les géologues à mieux comprendre les forces à l'œuvre dans les gorges enfumées des volcans.

Enfin, bien que ces travaux ne se soient pas intéressés au problème le plus urgent en volcanologie, conclut Ferlito, il est tout de même satisfaisant d'essayer de percer un mystère qui soit à la fois divertissant et élégant à observer.

 

Cet article a initialement paru sur le site nationalgeographic.com en langue anglaise.

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