System

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Chapter 4 Gateway Configuration

4.7 System

Le facteur de réflectivité fourni par les radars Doppler est un paramètre crucial étant donné qu'il renseigne sur la quantité de téphras contenue dans les panaches volcaniques. Cependant, l'avantage qu'ont les radars à pouvoir sonder l'intérieur des colonnes peut s'avérer limité dès lors qu'aucune information sur la distribution de taille des téphras (PSD) n'est disponible en temps réel. A la manière des campagnes météorologiques, l'utilisation de radars de suivi des téphras peut être couplée avec celle de disdromètres. Dans ce but, nous avons testé l’application d’un disdromètre météorologique optique Parsivel2 développé par OTT (Figure

II.5A) pour échantillonner les chutes de cendres associées à l'émission de panaches faibles lors

de la campagne de mesures à Stromboli.

Le principe du Parsivel2 est simple : un émetteur (i.e. une diode) envoie un laser (λ = 780 nm) d'une surface de 54 cm2 et d'une hauteur de 1 mm vers un récepteur qui convertit le

signal lumineux en tension électrique (Figure II.5B). Le passage d'une ou plusieurs particules au travers du laser provoque une extinction partielle qui est mesurée par le récepteur. Ce dernier convertit et traite en temps réel le signal lumineux en tension, permettant ainsi de mesurer l'amplitude de l'extinction ainsi que sa durée (Figure II.C). L'amplitude permet d'estimer le diamètre de la particule en chute et la durée de passage détermine sa vitesse de chute (Figure

II.C). A la base, le Parsivel était conçu pour détecter des flocons de neige dont la durée de

passage dans le faisceau ne descendait pas en dessous de 2 ms (Löffler-Mang & Joss, 2000). L'amplitude d'extinction du faisceau associée à des particules chutant plus rapidement (e.g. des gouttes de pluies, de la grêle ou des cendres) a été calibrée par Löffler-Mang & Joss (2000). Ces auteurs ont donc fait chuter des particules de diamètres connus en laboratoire pour calibrer les mesures faites par disdromètre.

Figure II.5 : A) Photographie d'un Parsivel2 localisé à Stromboli durant la campagne de mesure en 2015 où les capteurs sont protégés par des cartons (Photo : Thierry Latchimy). B) Représentation schématique d'une particule chutant au travers du faisceau laser du disdromètre. C) Tension du signal du disdromètre traitée en fonction du temps. La courbe rouge correspond au passage d'une particule au sein du faisceau : sa durée et son amplitude permettent d'estimer la vitesse de chute vi et le diamètre Di de cette particule. D) Nombres de particules (échelle de couleurs) en fonction de leurs tailles et de leurs vitesses de chute mesurées par le Parsivel2 à Stromboli le 3 Octobre 2015 entre 14:05:02 et 14:07:12 (TU).

Ainsi, le Parsivel2 classe les particules qui chutent dans 32 intervalles de tailles et de vitesses prédéfinis, définissant les résolutions variables en vitesse et en taille (voir Annexe A). Les vitesses minimales et maximales mesurables vont de 0 à 22.4 m s-1 avec des résolutions

allant de 0.250 mm à 26 mm avec des résolutions décroissante de ± 0,063 à ± 1,5 mm. Les données du disdromètre se présente sous la forme de graphiques du nombre de particules détecté en fonction de leur taille et de leur vitesse de chute (Figure II.5D). Ce capteur est donc parfaitement dédié à la détection de cendre grossières et de lapilli fins. Il est important de noter que les deux premières classes de tailles (0- 0,125 et 0,125-0.250 mm) définies par OTT, ne sont pas utilisées et fixent une limite inférieure de détection du Parsivel2 à 0.250 mm (voir

Figure II.5D).

En plus de ces paramètres, le disdromètre calcule la densité numérique de particules par classe de taille N(D) (m-3 m-1) au cours du temps grâce à l'équation suivante :

( ) ( ) d n N D v D S t D   , (II.18)

avec n, le nombre de particules détectées dans la classe de taille considérée pendant la durée d’acquisition t (=10 s), de vitesse v(D) et de diamètre compris dans l’intervalle dD (résolution de la classe de diamètre). S est la surface du faisceau laser égale à 0.0054 m2 (18 × 30 cm).

Par définition, le nombre total de particules par unité de volume traversant le faisceau laser pendant un temps d’acquisition s'écrit :

max min

( )d

D t D

N

N D D

. (II.19)

D'après l'Equation II.18, on peut écrire :

( ) t n N v D S t   . (II.20)

Or, en approximant à des particules sphériques, on peut définir la masse M (kg) de particules détectées à chaque pas de temps comme :

3

6 ash

avec ρash la densité des cendres.

A partir de cette dernière équation, M devient :

3

( )

6 t ash

M  D Nv D S t (II.22)

Par conséquent, les mesures par disdromètre permettent de fournir la masse totale Mtot(kg)

des cendres détectées avec :

max min 3 ( ) d ( ) 6 D ash tot D M  S t

N D D Dv D . (II.23)

A partir de cette équation, le flux de sédimentation FS (kg m2 s-1) peut se calculer avec :

max min 3 ( ) d ( ) 6 D tot ash S D M F N D D Dv D S t    

. (II.24)

Finalement, une concentration de cendres Cash (kg m-3) en fonction du temps peut être

déterminée avec l'équation suivante :

max min 3 ( ) d ( ) 6 D tot ash ash D M C N D D D Sv D t    

. (II.25)

Ainsi, l'utilisation du disdromètre sur le terrain permet de fournir des informations quantitatives sur la sédimentation issue des panaches de cendres avec une résolution temporelle relativement fine, i.e. Δt = 10 s. Puisque l'appareil mesure la taille et le nombre des particules qui chutent, il permet alors d'obtenir directement un facteur de réflectivité radar Zash. En

émettant l'hypothèse que le disdromètre observe une distribution de taille de cendres au sol équivalente à celle observée dans les airs par Mini-BASTA, alors les Zashdérivés du Parsivel2,

associés aux concentrations calculées (Equation II.25), peuvent être confrontés aux Z du radar. Cette comparaison permet d’estimer les concentrations de cendres à partir des données mesurées in situ dans les panaches ou les retombées par le Mini-BASTA. Ce sujet est évoqué dans le Chapitre IV.

Enfin, les vitesses de chute des cendres fournies par le disdromètre sont une autre information essentielle. Comme mentionné dans le Chapitre I, la vitesse de chute terminale

des cendres est un paramètre clé pour modéliser la perte de masse des panaches lors de leur dispersion via l'utilisation des VATDMs (Bonadonna & Phillips, 2003 ; Pfeiffer, et al., 2005 ; Costa et al., 2006, 2009 ; Folch, 2012). Des échantillons de retombées ont été prélevés au sol à côté de la position du disdromètre afin de caractériser leur forme, leur densité, et leur taille pour modéliser les valeurs individuelles de vitesse de chute terminale (voir Chapitre III et IV), les comparer avec les mesures du disdromètre, et s'assurer que les cendres détectées tombaient bel et bien à leur vitesse terminale sur le terrain.

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