Pour combler le fossé des connaissances entre les volcanologues et les scientifiques de l’atmosphère travaillant sur le changement climatique et observant les systèmes mondiaux, les chercheurs de Cornell ont caractérisé des échantillons de cendres volcaniques provenant de nombreuses éruptions explosives d’une large gamme de composition. Ces travaux aident les scientifiques à découvrir comment ce minuscule matériau, mesuré en microns et en nanomètres, joue un rôle important dans l’atmosphère.

Les cendres volcaniques sont formées de minéraux piégés dans un verre de silicate, comme le montre ici au microscope. Les réactions avec les gaz du panache volcanique et de l’atmosphère forment également des cristaux de sel à la surface des cendres, comme ces sels en forme d’astérisque sur une particule de cendres provenant de l’éruption du Tajogaite en 2021 à La Palma, dans les îles Canaries, en Espagne.

L’ouvrage intitulé « Phases in Fine Volcanic Ash » a été publié le 21 septembre dans Rapports scientifiques.

« Les grandes éruptions volcaniques peuvent avoir des impacts mesurables sur le climat qui durent des années, voire des décennies », a déclaré le premier auteur Adrian Hornby, chercheur postdoctoral au Département des sciences de la Terre et de l’atmosphère. « La dispersion et le transport des fines cendres volcaniques et leur interaction avec la Terre touchent diverses disciplines – de la science atmosphérique et de la modélisation climatique aux études environnementales et même à la santé publique. »

Les volcans peuvent être créés par des points chauds situés au plus profond du manteau terrestre, comme ceux d’Hawaï, ou ils peuvent se former dans des zones de subduction, où deux plaques tectoniques entrent en collision. Mais chacun a des compositions distinctes, semblables à des empreintes digitales, qui peuvent déclencher divers problèmes environnementaux posant des complications pour la planète.

Les cendres des volcans sont une matière particulaire complexe formée par la fragmentation du magma et injectée dans l’atmosphère lors d’éruptions volcaniques explosives, a déclaré Hornby.

« Les cendres contiennent des fractions de minéraux, du verre silicaté et des pores, mais la composition attendue et les propriétés produites lors des éruptions sont mal définies », a déclaré Hornby. « Cela est vrai pour les fines cendres volcaniques qui sont largement transportées dans l’atmosphère, créant un large éventail d’impacts sur le système terrestre, les infrastructures et la santé humaine. »

En raison du manque de données, la communauté scientifique s’est appuyée sur des approximations grossières ou sur des modèles médiocres de la composition des cendres. Désormais, le groupe Cornell a collecté des échantillons de 40 éruptions, caractérisées par leur taille et leur contexte tectonique, pour fournir un ensemble de données plus complet et plus complet. Ils se sont concentrés sur les grains de cendres volcaniques inférieurs à 45 microns, ce qui est pertinent car les vents atmosphériques peuvent les transporter et provoquer un impact plus large.

Ils ont découvert que la composition des cendres volcaniques varie considérablement en fonction de la taille des grains, du contexte tectonique et de la chimie. À mesure que la taille des grains devenait plus fine, les fractions de silice cristalline (qui, si vous la respirez, peuvent provoquer des problèmes de santé et un cancer du poumon) et de sels ont augmenté, tandis que les composants du verre et de l’oxyde de fer ont diminué.

Dans leurs échantillons tamisés – allant d’endroits comme le mont Pinatubo, aux Philippines (1991), le mont St. Helens, Washington (1980) et le mont Etna, en Italie (122 avant JC) et La Palma, aux îles Canaries, en Espagne (2021) — de Sur 23 volcans, le groupe a utilisé la diffraction des rayons X pour détecter la structure atomique des matériaux, identifier et mesurer les proportions de minéraux et de verre avec des méthodes améliorées, et le microscope électronique à balayage pour confirmer les phases, évaluer la morphologie et les textures.

Les échantillons variaient considérablement dans leur teneur en minéraux : Pinatubo produisait beaucoup de feldspath (un groupe abondant de minéraux aluminosilicates de la croûte terrestre) et d’amphibole (un minéral important dans l’explosivité volcanique), et des preuves de quartz d’une évolution significative de la fusion par cristallisation fractionnée et autres processus avant l’éruption.

À l’autre extrême, lors des éruptions du Tajogaite de 2021 à La Palma, sur les îles Canaries, en Espagne, la charge minérale était principalement composée de feldspath, de clinopyroxène et d’olivine – cette dernière étant un minéral caractéristique des fontes primitives avec peu d’évolution depuis leur source mantellique.

Hornby a déclaré que pour les échantillons collectés lors du Tajogaite 2021, la quantité moyenne de verre a diminué de 50 % à 35 % tandis que les fractions de minéraux denses contenant du fer ont augmenté de 35 % à 50 %. Les sels ont augmenté pour les particules plus fines dans tous les cas.

« Dans les cendres à grains plus fins, nous avons constaté une augmentation significative de la teneur en sel », a déclaré l’auteur principal Esteban Gazel, professeur d’ingénierie Charles N. Mellowes. « C’est important parce que les sels sont faciles à dissoudre. Le sel sera la première chose qui sera dissoute lorsque les fines cendres atteindront l’océan. Vous ne voulez pas l’inhaler, car il réagira avec vos poumons. »

Les cendres volcaniques, de par la nature de leur production volumineuse, de leur transport atmosphérique et de leur dépôt dans tous les écosystèmes connus, constituent l’aspect le plus interdisciplinaire du volcanisme. « Notre étude fournit la première ressource basée sur des données permettant de mieux limiter la composition et la densité des minéraux et du verre des cendres volcaniques, nécessaires aux scientifiques de l’atmosphère pour examiner le transport des cendres et mieux comprendre leurs effets sur le système Terre », a déclaré Gazel, qui est également professeur à le Centre Cornell Atkinson pour le développement durable.

La densité des cendres est contrôlée par la teneur en minéraux. « Indépendamment de la taille et de l’origine du magma », a déclaré Hornby, « nous avons pu obtenir une estimation raisonnablement bonne de la densité des minéraux et des oxydes de fer ».

Ces cendres atmosphériques peuvent parcourir de longues distances et avoir un impact sur le climat et les écosystèmes, même sur d’autres continents, loin du volcan. « Les scientifiques de l’atmosphère ont ignoré l’impact des cendres sur le climat et la biogéochimie », a déclaré Natalie Mahowald, co-auteure principale et professeure d’ingénierie à Irving Porter Church. « Grâce à cette recherche, nous disposons enfin des données nécessaires pour estimer l’impact. »

Outre Hornby, Gazel et Mahowald, professeur principal à Cornell Atkinson, les co-auteurs sont Kyle Dayton, doctorant ; et Claire Bush ’22. Le travail a été financé par une subvention scientifique interdisciplinaire de la NASA, la National Science Foundation et Cornell Atkinson.