Sulfur dioxide (SO2) is a gas typical of high temperature magmatic degassing, being its<p>third most abundant constituent after water vapor and carbon dioxide. SO2 flux measurements<p>are used to characterized and monitor volcanic degassing. This thesis presents advanced<p>methods for measuring the SO2 emitted in the troposphere by passive degassing volcanoes.<p>These methods are based on the absorption of infrared (IR) and ultraviolet (UV) light by SO2<p>molecules. They make use of the data acquired by satellite borne sensors (ASTER, OMI and<p>MODIS), and collected in the field using a UV camera equipped with filters<p>ASTER is a multispectral sensor observing the Earth in the thermal IR with a 90 m<p>ground resolution. The developed retrieval algorithm works with band ratios<p>(B10+B12)/2B11 and B14/B11, to avoid spectral interference from other variables than SO2.<p>With this algorithm, the impact of interferers such as atmospheric water vapor, sulfate<p>aerosols and ground emissivity is minimal, as demonstrated by radiative transfer simulations<p>by applying of the algorithm to real ASTER images and by comparing the results with ground<p>based data. ASTER is a kind of unifying thread for this thesis because its high ground<p>resolution fills the gap existing between highly localized ground based SO2 measurements and<p>the global coverage of other satellites with coarser pixels such as OMI and MODIS.<p>OMI is an imaging spectrometer operating in the UV, with a daily global coverage, a<p>high sensitivity to SO2 and a ground resolution of 13x24km. The OMI-ASTER comparison<p>shows that the SO2 columns measured on OMI pixels are two orders of magnitude smaller<p>than those of ASTER, because of the huge difference in the pixel size of the two satellites.<p>The flux measurements however are generally in good agreement. The analysis of a large<p>number of images shows that ASTER is better for cloud free scenes while OMI has an<p>optimal signal to noise ratio when the plume is lying above a low cloud cover. A practical<p>detection limit for SO2 flux measurements in tropospheric plumes has also been established:<p>5kg/s.<p>The comparison between ASTER measurements of SO2 column amounts with those of<p>MODIS (a multispectral IR imager with 1km ground resolution) shed light on systematic<p>errors in MODIS measurements. These errors were quantified and their origins were separated<p>and identified. This work demonstrates the limitations of MODIS for SO2 measurements.<p>A UV camera equipped with filters has also been developed to achieve 2D SO2 from the<p>ground at a high spatial and temporal resolution. The potential provided by this new type of<p>instruments has been demonstrated during a field campaign on Turrialba Volcano (Costa<p>Rica). The integration of measurements obtained using the camera, ASTER and OMI revealed<p>a high and sustained SO2 flux, which can be explained only by the degassing of a recently<p>intruded magma body. The slow decrease of SO2 flux since January 2010 suggests a<p>progressive exhaustion of the volatile content of the magma.<p>Finally, we applied the band ratio algorithm to a series of ASTER images of the recent<p>eruption of Eyjafjallajökull in April-May 2010. The SO2 measurements provide interesting<p>insights into the complex eruptive dynamics and into the control of hydromagmatic<p>interactions on eruptive gas release into the atmosphere. /<p><p>Le dioxyde de soufre (SO2) est un gaz typique du dégazage magmatique de haute<p>température, dont il est le troisième composant le plus abondant derrière H2O et CO2. Le flux<p>de SO2 est un excellent paramètre pour caractériser le dégazage volcanique et surveiller son<p>évolution dans le temps. Cette thèse présente de nouvelles méthodes de mesures des flux de<p>SO2 émis par l’activité volcanique. Ces méthodes se basent sur l’absorption de la molécule de<p>SO2 dans l’infrarouge (IR) et l’ultraviolet (UV). Elles utilisent les données prises par des<p>senseurs embarqués sur des satellites (ASTER, OMI et MODIS) ou opérés depuis le sol<p>(caméra UV munie de filtres).<p>Le senseur ASTER opère dans l’IR thermique avec une résolution spatiale de 90 m par<p>pixel. L’algorithme de mesure développé pour ce satellite n’est sensible qu’à la concentration<p>en SO2 et pratiquement pas aux paramètres interférents qui posaient problèmes aux méthodes<p>existantes :la vapeur d’eau atmosphérique, les aérosols de sulfate dans le panache et<p>l’émissivité de la surface sous-jacente. ASTER est un peu le fil conducteur de cette thèse, car<p>sa haute résolution spatiale lui permet de faire le lien entre des mesures au sol et les mesures<p>faites par d’autres satellites comme OMI et MODIS.<p>Le satellite OMI est un spectromètre imageant qui opère dans l’UV, avec une<p>couverture globale journalière, une haute sensitivité au SO2 et une résolution spatiale de<p>13x24km. La comparaison OMI-ASTER montre que les colonnes mesurées sur les pixels<p>d’OMI sont de deux ordres de grandeur inférieurs à celles d’ASTER, à cause de la différence<p>de résolution spatiale entre les deux satellites. Les mesures de flux, par contre, montrent une<p>très bonne concordance. L’analyse d’un grand nombre d’images a permis d’établir qu’ASTER<p>est meilleur pour des scènes sans nuages tandis qu’OMI est meilleur quand une couverture<p>nuageuse présente sous le panache augmente son rapport signal sur bruit. Une limite de<p>détection pratique a aussi été établie pour les flux de SO2 dans les panaches volcaniques dans<p>la basse troposphère :5kg/s.<p>La comparaison des mesures d’ASTER avec celle de MODIS a permis de démontrer les<p>limites de MODIS pour la mesure du SO2. Des erreurs systématiques sur les mesures de<p>MODIS on été mises en évidence et quantifiées. Ces erreurs sont dues aux interférents<p>spectraux que sont la vapeur d’eau atmosphérique et les aérosols sulfatés. L’émissivité est<p>aussi un important facteur d’erreur pour MODIS.<p>Une caméra UV équipée d’un système de filtres a également été développée pour<p>mesurer le SO2 en 2D, à haute résolution spatiale et temporelle. Le potentiel offert par ce<p>nouveau type d’instrument a été démontré lors d’une campagne de mesures sur le volcan<p>Turrialba (Costa Rica). La combinaison de mesures de SO2 réalisée avec la caméra, ASTER<p>et OMI a permis de mettre en évidence des flux très élevés (30-50kg/s) qui ne peuvent<p>s’expliquer que par une intrusion récente de magma juvénile en cours de dégazage.<p>Enfin, les mesures de SO2 ont réalisées à partir des images ASTER pendant l’éruption<p>du volcan Eyjafjallajökull en avril-mai 2010. Ces mesures fournissent des informations<p>intéressantes sur les dynamismes éruptifs qui se sont succédé et sur le contrôle des émissions<p>de SO2 dans l’atmosphère par les interactions magma-eau. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished
| Identifer | oai:union.ndltd.org:ulb.ac.be/oai:dipot.ulb.ac.be:2013/209886 |
| Date | 17 June 2011 |
| Creators | Campion, Robin |
| Contributors | Bernard, Alain, Coheur, Pierre-François, Chou, Lei, Prata, Fred, Mattielli, Nadine, Van Roozendael, Michel |
| Publisher | Universite Libre de Bruxelles, Université libre de Bruxelles, Faculté des Sciences – Sciences de la Terre et de l'Environnement, Bruxelles |
| Source Sets | Université libre de Bruxelles |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:ulb-repo/semantics/doctoralThesis, info:ulb-repo/semantics/openurl/vlink-dissertation |
| Format | 1 v. (viii, 187 p.), No full-text files |
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