L’éruption du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha’apai vue par le satellite météorologique japonais Himawari-8
le 15 janvier 2022. Séquence d’images acquises entre 3h50 UTC et 7h00 UTC. Cliquer sur l'image pour voir
l'animation. Crédit image : Japan Aerospace Exploration Agency, Earth Observation Research Center

Une éruption volcanique vue depuis l’espace

En dehors des cyclones, des ouragans et de panaches de fumée de grands incendies, il est assez rare que des catastrophes naturelles soient visibles depuis l’espace par des satellites météorologiques en orbite géostationnaire à près de 36000 km d’altitude.

Ce fut le cas le 15 janvier 2022 au moment de l’éruption explosive du volcan Hunga Tonga dans les îles Tonga, un archipel situé dans le Pacifique sud. L’activité volcanique avait repris le 20 décembre, puis avait cessé début janvier avant l’éruption violente du 15 janvier, probablement la plus importante du 21^ème siècle.

Voici une version couvrant un champ plus large de la séquence d’images présentée au début de cet article. L'onde de choc est plus visible.

L’éruption du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha’apai vue par le satellite météorologique japonais Himawari-8
le 15 janvier 2022. Séquence d’images acquises entre 3h50 UTC et 7h00 UTC. Cliquer sur l'image pour voir
l'animation. Crédit image : Japan Aerospace Exploration Agency, Earth Observation Research Center

Le satellite est Himawari-8, un satellite météorologique japonais positionné au-dessus de l’équateur à la longitude 140,7° Est et exploité par la JMA (Japan Meteorological Agency). Son instrument prend une nouvelle image toutes les dix minutes.

Un volcan qui fait monter des cendres

Le panache du volcan atteint pratiquement 500 km de diamètre, comparable à celle du Pinatubo en juin 1991, parmi les plus importantes observées par un satellite, et plus de 15 km d’altitude le 15 janvier.

Selon des mesures réalisées par le satellite franco-américain CALIPSO (Cloud Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations), des cendres et des gaz auraient atteint 31km d’altitude, voire près de 40 km d’altitude.

Pour donner une idée de l’ampleur de l’explosion, voici une image en champ plus large couvrant une partie de l’Australie et une autre avec une indication d’échelle.

Volcan Hunga Tunga - Hunga Ha’apai - Satellite Himawari-8 - Volcano - 15 janvier 2022 - JMA - JAXA - Scale - Echelle - Australie

Volcan Hunga Tunga - Hunga Ha’apai - Satellite Himawari-8 - AHI - Volcano - 15 janvier 2022 - JMA - Scale - Echelle - Taille nuages

Eruption du volcan Hunga Tonga : deux images du satellite Himawari-8 donnant une idée de l’ampleur
de l’explosion. Crédit image : Japan Aerospace Exploration Agency, Earth Observation Research Center

Il s’agit ici d’une combinaison de trois bandes spectrales visibles (bande bleue centrée sur une longueur d’onde 0,47µm, bande verte sur 0,51 µm, bande rouge sur 0,64µm) produisant une image en couleurs naturelles, similaire à ce que verrait le passager d’un avion à haute altitude (survoler le volcan au moment de l’éruption n’est pas une excellente idée !)

Compte tenu du décalage horaire entre les îles Tonga, pratiquement située sur la ligne de changement de date (longitude 175°22’ ouest) et le méridien de Greenwich (13 heures toute l’année soit 12 heures avec la France), l’éruption a commencé à environ 17h15 en heure locale, un peu avant le coucher de soleil, bien visible sur la séquence d’images du satellite Himawari-8.

Pour pouvoir suivre l’éruption sur une plus longue durée, il faut utiliser des images dans l’infrarouge thermique : dans ce cas, l’instrument ne mesure pas la réflexion de la lumière solaire mais le rayonnement infrarouge émis par les surfaces observées, caractéristique de leur température. Ici, il s’agit de la température du sommet des nuages, liée directement à leur altitude.

L’instrument du satellite Himawari-8 a dix bandes spectrales dans l’infrarouge thermique (entre 3,9 µm et 13,3 µm). Voici une séquence d’images en infrarouge thermique qui permet de suivre l’explosion après le coucher du soleil.

L’éruption du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha’apai vue par le satellite météorologique japonais
Himawari-8 le 15 janvier 2022. Séquence d’images en infrarouge thermique (bande 13) acquises
entre 4h00 UTC et 9h50 UTC. Cliquer sur l'image pour voir l'animation en plein écran.
Crédit image : Japan Aerospace Exploration Agency, Earth Observation Research Center

Parallaxe mais presque

Un autre satellite météorologique a également été témoin de l’explosion du volcan. Il s’agit de GOES-17 alias GOES West, positionné à une longitude de 137,2°O, un des deux satellites qui assure la veille météorologique au-dessus des Etats-Unis depuis l’orbite géostationnaire.
Voilà une séquence en couleurs naturelles combinant des images acquises à 10 minutes d’intervalle :

Volcan Hunga Tunga - Hunga Ha’apai - Satellite GOES West - GOES-17 - ABI - Volcano - 15 janvier 2022 - NOAA

L’éruption du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha’apai vue par le satellite météorologique américain
GOES West (GOES-17) le 15 janvier 2022. Séquence d’images acquises entre 3h50 UTC et 5h40 UTC.
Crédit image : Japan Aerospace Exploration Agency, Earth Observation Research Center

On pourrait presque s’amuser à produire une représentation 3 D du panache de cendres et de fumées en utilisant les deux séquences d’images de l’explosion du volcan vue depuis deux points de vue assez éloignés (environ 50000 km à 36000 km de la surface de la Terre). Je n’ai pas essayé...

Par contre, si vous êtes enseignant, cet événement est une bonne opportunité de proposer à vos élèves un petit exercice combinant géographie, mathématiques et géométrie dans l’espace : les saisons (c’est l’été dans l’hémisphère sud qui permet l’observation de l’éruption sur plusieurs heures), la rotation de la Terre sur elle-même, le décalage horaire et la ligne de changement de date, longitude et latitude, orbite géostationnaire, etc.

Voici une petite illustration pour fixer les idées. La Terre est vue de l’espace à la verticale du pôle sud. Les altitudes et les positions angulaires des deux satellites sont approximatives mais les ordres de grandeurs sont bons.

Volcan Hunga Tunga - Hunga Ha’apai - Satellite Himawari-8 et GOES West - AHI - ABI - Volcano - 15 janvier 2022 - Japan Meteorological Agency - JAXA - NOAA - Eruption en relief vue de l'espace - positions sur l'orbite géostationnaire

Schéma montrant la position des satellites GOES West et Himawari-8 observant l’éruption du volcan Hunga Tonga.
Le plan de la « feuille de dessin » est l’équateur terrestre. L’observateur est à la verticale du pôle sud.
Infographie : Gédéon. Crédit images : NOAA et Japan Meteorological Agency

L’orbite géostationnaire : le perchoir idéal pour tout voir, en permanence…

A ma connaissance, seuls des satellites géostationnaires ont pu observer le moment de l’éruption explosive du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha’apai.

C’est l’avantage principal de leur orbite : à la verticale de l’équateur, ils tournent à la même vitesse que la Terre sur son axe et, pour un observateur au sol, ils semblent immobiles, un comme s’ils étaient postés au sommet d’une très haute montagne. L’endroit idéal pour surveiller en permanence tout ce qui se passe en bas dans la vallée et autour.

C’est particulièrement intéressant pour la météorologie (suivre les déplacements des nuages et mesurer leur altitude) ou les télécommunications et la télédiffusion (établir une liaison permanente entre deux points au sol qui communiquent entre eux par l’intermédiaire du satellite.

Pour la météo, l’observation permanente suppose aussi d’avoir des instruments qui fonctionnent de jour comme de nuit. C’est ce qui explique l’utilisation de l’infrarouge thermique : on n’observe pas la lumière du soleil réfléchie par les objets mais le rayonnement émis par les surfaces observées (le sommet des nuages par exemple) et dont la longueur d’onde principale est directement liée à la température de surface (loi de Planck, loi de Wien).

Un seul satellite en orbite géostationnaire peut couvrir presque un hémisphère. En pratique, il en faut au moins 3 pour assurer une couverture globale de la Terre. C’est la raison pour laquelle la veille météorologique globale repose sur une coopération entre états possédant leurs propres satellites et mettant en commun les informations collectées.

Un point faible commun à tous les usages : les satellites géostationnaires, à la verticale de l’équateur, ne sont pas idéaux pour les régions polaires et les très hautes latitudes.

Plus particulièrement en observation de la Terre, le prix à payer est aussi la résolution modeste. Les instruments des satellites météorologiques voient au mieux des détails de quelques centaines de mètres : 500 mètres à 2 kilomètres pour l’instrument ABI (Advanced Baseline Imager) de GOES West (alias GOES-17) ou pour l’instrument AHI (Advanced Himawari Imager) du satellite Himawari-8.

Les conséquences de l’éruption vues depuis l’orbite basse

Si aucun satellite d’observation à haute résolution n’a été témoin de l’éruption proprement dite (un des satellites Skysat de la société Planet a acquis une image le jour même, le 15 janvier, moins de deux heures avant l’éruption), ils en ont vu les conséquences.
Juste après l’éruption, c’est d’abord la propagation de l’onde de gravité dans l’atmosphère qui a été suivie.

Voici une animation qui m’a été aimablement communiquée par Thomas August, chargé des applications hyperpectrales chez Eumetsat, montrant les informations collectées par l’instrument IASI au cours d’une série de passages successifs des satellites Metop-B et Metop-C.

IASI n’est pas un instrument imageur mais un sondeur spectromètre infrarouge. Néanmoins, les résultats du sondage issus du balayage sur la largeur de la fauchée sont présentés ici sous forme d’image. Les variations de couleur représentent les différentes températures dans les hautes couches de la stratosphère (de -30°C à -10°C environ)

Volcan Hunga Tonga - IASI - MetOp - Shock wave - Température stratosphère - Eumetsat - Onde de choc - Eruption

Après l’éruption du volcan Hunga Tonga, la variation de température mesurée par l’instrument IASI des
deux satellites MetOp-B et MetOp-C au cours de plusieurs orbites dans la journée du 15 janvier 2022.
Crédit image : Eumetsat

Les deux satellites MetOp sont également des satellites météorologiques mais qui opèrent sur une orbite basse (820 km d’altitude) quasi-polaire (l’inclinaison par rapport à l’équateur est de 98,7°).
Les deux satellites font le tour de la Terre en 101,3 minutes et sont décalés de 180° pour optimiser la fréquence de passage. L’animation précédente montre six passages de chacun des deux satellites, soit une durée totale d’une dizaine d’heures. Chaque passage couvre une bande d’environ 2200 kilomètres au niveau de l’équateur.

L’onde de choc a également été détectée sur forme de variation de pression atmosphérique partout dans le monde et notamment en France par les stations du réseau StatIC de l’association Infoclimat (variation de 1 à 3 hpa en métropole).

Au niveau de la mer, une alerte au tsunami est émise par le service météorologique des Tonga : une vague submerge des zones côtières aux Tonga, atteignant 120 cm à Nukuʻalofa, la capitale tongane, et 60 cm dans les Samoa américaines. D’autres vagues de tsunami ont touché les îles Vanuatu, la Nouvelle-Zélande, l’Australie, Hawaï, les îles Fidji, le Japon, les îles Kourles, la Californie, le Pérou et le Chili. La NOAA a même signalé une augmentation du niveau de l’eau à Porto Rico. Cinq personnes seraient décédées.

Les conséquences de l’éruption au sol

D’autres satellites d’observation en orbite basse ont survolé la région du volcan dans les jours qui ont suivi l’éruption.

La première image exploitable que j’ai repérée a été acquise le 17 janvier 2022 par Sentinel-2B, un des deux satellites européens Sentinel-2. L’illustration suivante est une comparaison avec une autre image prise un mois plus tôt le 18 décembre 2021. Les deux images séparées sont disponible ici et là. La résolution des images est de 10 mètres au sol. L’image complète couvre une largeur de terrain (swath) de 290 km. Pour fixer les idées, avant l’éruption, la longueur de l’île est d’un peu plus de 3 kilomètres.

Volcan Hunga Tunga - Hunga Ha’apai - Satellite Sentinel-2 - Volcano - 17 janvier 2022 - ESA - Copernicus - European Commission

L’île Hunga Tonga-Hunga Ha’apai vue par le satellite européen Sentinel-2 le 17 janvier 2022 comparée
à une image acquise le 18 décembre 2021. Images en couleurs naturelles.
Crédit image : Copernicus / ESA / Commission européenne.

Trouver une image exploitable ? un satellite optique doit remplir les trois conditions suivantes :

1) Le satellite passe à proximité de la zone d’intérêt. Ici, les deux satellites Sentinel-2 assurent un passage tous les 5 jours : il y a une image acquise le 12 janvier, avant l’éruption et une autre le 17 janvier, 2 jours après. Dans les deux cas, l’heure d’acquisition est 21:59 UTC.

2) Le satellite acquiert une image. Dans le cas des satellites à très haute résolution et à fauchée relativement réduite comme Pléiades, Pléiades Neo, Worldview-3 ou la famille des satellites Skysat, il faut que le satellite soit programmé pour s’orienter et viser la cible. Ce n’est pas le cas pour Sentinel-2 qui vise toujours au nadir (à la verticale vers la Terre)

3) La couverture nuageuse ne masque pas la zone d’intérêt. L’image Sentinel-2 du 17 janvier est relativement correcte (40% de couverture nuageuse) et permet de voir clairement l’impact de l’éruption.

Un des deux satellites Pléiades Neo a également a également été programmé pour acquérir des images à très haute résolution (30cm). Voici une image datée du 18 janvier 2022.

Volcan Hunga Tunga - Hunga Ha’apai - Satellite Pleiades Neo - Volcano - 17 janvier 2022 - Airbus Defence and Space

Volcan Hunga Tunga - Hunga Ha’apai - Satellite Pleiades Neo - Volcano - 17 janvier 2022 - Airbus Defence and Space

L’île Hunga Tonga-Hunga Ha’apai vue par le satellite Pléiades Neo le 17 janvier 2022 après l’éruption
du 15 janvier 2022. Images en couleurs naturelles. En haut, l’île « complète » en résolution réduite.
En bas, Hunga Ha’apai, la partie ouest en très haute résolution. Cliquer sur les images pour
les voir en grand format. Copyright Airbus DS 2022

L’isthme qui reliait les deux parties de l’île (Hunga Tonga et Hunga Ha’apai) depuis l’éruption survenue entre décembre 2014 et janvier 2015 a disparu… On retrouve presque la configuration antérieure à cette éruption quand les deux îles étaient séparées. Les deux images suivantes acquises par le satellite Landsat-8 le montrent bien.

Volcan Hunga Tunga - Satellite Landsat 8 - Volcano - 2014

Volcan Hunga Tunga - Satellite Landsat 8 - Volcano - 2015

La configuration des îles Hunga Tonga et Hunga Ha’apai en 2014 et 2015. Deux extraits d’images acquises
par le satellite américain Landsat 8 le 31 août 2014 et le 28 avril 2015. Crédit image : USGS

D’autres images à très haute résolution ont également été acquises pour le service Copernicus de cartographie rapide (Copernicus Emergency Mapping Service). La première image Pléiades date du 16 janvier (21 :52 UTC), le lendemain de l’éruption. D’autres images ont suivi le 17, le 18 et le 20 janvier pour couvrir les deux zones d’intérêt (Nuku Alofa et Lifuka).

Activées le 15 janvier à 16 :45 UTC, les équipe du service d’urgence de Copernicus ont été chargées de cartographier les dégâts causés par les vagues de tsunami et les abondantes pluies de cendres sur les surfaces agricoles, les voies de circulation, les habitations et les cours d’eau.

Volcan Hunga Tonga - Copernicus - Emergency Mapping Service - EMSR558 - Areas of interest

Vue d’ensemble des zones d’intérêt de l’activation EMSR558 du service européen de cartographie rapide.
Crédit image : Copernicus EMS / Union Européenne

Le beurre et l’argent du beurre en observation de la Terre ?

La séquence d’images des satellites GOES ou Himawari-8, les passages successifs de l’instrument IASI, les images Sentinel-2 ou Pléiades Neo illustrent bien une question récurrente en observation de la Terre.

Comment avoir le meilleur des deux mondes ? D’une part voir en permanence ou très fréquemment la totalité de la surface de la Terre ou au moins des surfaces émergées, d’autre part voir les détails les plus fins…

Cela reste un grand défi et cela devrait rassurer ceux qui craignent un Big Brother en orbite.
Selon les applications et les missions, différents compromis sont faits : pour la météorologie, les satellites en orbite géostationnaire reste la solution phare pour assurer la veille permanente à résolution moyenne, complétée par des satellites en orbite polaire pour surveiller les latitudes élevées et effectuer des mesures à hautes résolution. On privilégie ici le champ de vue à la résolution : la fauchée est très large (3000 km pour AVHRR-3, plus de 2000 km pour MODIS ou IASI) pour assurer une couverture globale deux fois par jour.

En observation de la Terre, la tendance est l’augmentation de la résolution avec deux grandes catégories de satellites :

Ceux qui assurent la surveillance globale de l’environnement et des terres émergées, avec une résolution de l’ordre de 10 à 20 mètres, une visée au nadir (le satellite ne s’oriente pas vers la zone d’intérêt) et une fauchée assez large (185 km pour Landsat-8 et Landsat-9, 290 km pour Sentinel-2) pour permettre un passage assez fréquent au-dessus de tout point du globe : les deux satellites Sentinel-2 assurent ainsi un passage tous les cinq jours.

Ceux qui visent la haute ou très haute résolution, pour la cartographie ou le renseignement par exemple. Selon la résolution souhaitée, leurs opérateurs peuvent choisir entre deux grandes solutions :

Si on vise une résolution meilleure qu’un mètre (jusqu’à 30 cm pour les satellites commerciaux aujourd’hui), de très gros instruments d’observation (diamètre du miroir principal supérieur à 1 mètre) sont installés sur des plateformes capables de les pointer finement. Le champ d’observation est beaucoup plus réduit (10 à 20 km). Si le satellite ne visait qu’à la verticale, il faudrait un temps très long pour couvrir toute la Terre avec une fauchée aussi petite. Pour élargir le « corridor d’accès », les constructeurs rendent les satellites agiles : ils peuvent pivoter à gauche ou à droite pour viser une zone qui n’est pas à la verticale du satellite. On ne peut pas voir tous les points du globe chaque jour mais on peut voir tous les points d’intérêts assez fréquemment. Airbus Defence and Space, Maxar ou Planet utilisent l’agilité pour leurs satellites à très haute résolution. Ils augmentent la fréquence de prise de vue en mettant en services une flotte de quelques satellites (par exemple 4 satellites pour Pléiades Neo). Abaisser l’altitude du satellite est possible mais cela aggrave encore le problème de la fauchée réduite…
Pour des résolutions plus modestes (quelques mètres), l’instrument est plus petit (moins de 10 cm d’ouverture) et on peut le mettre à bord d’un satellite beaucoup moins coûteux. La visée est alors souvent verticale et c’est en multipliant le nombre de satellites dans une constellation large qu’on assure une fréquence d’observation qu’a fait la société Planet avec ses satellites Dove et Superdove : des centaines de cubesats 3U (30 cm x 10 cm x 10 cm) pesant environ 5 kg.

Entre les deux scénarios extrêmes, toutes les variantes sont possibles selon le compromis recherché entre résolution et fréquence d’observation. Créée en 2015, la société Blacksky Global, par exemple, visait initialement le déploiement d’une constellation de 60 petits satellites de 56 kg offrant une résolution de l’ordre du mètre (ouverture de l’instrument de 24 cm à 500 km d’altitude) et « the highest revisit rate in the word » selon un communiqué de la société. 12 satellites étaient en orbite à la fin de l’année 2021. La société travaille aujourd’hui sur une nouvelle génération de 30 satellites (Gen-3) offrant une résolution de 50 cm.

Résolution ou revisite, entre les deux mon cœur balance…

On dirait quand même que proposer une résolution élevée reste le premier critère sur le marché commercial.

En savoir plus :

Les autres articles du blog Un autre regard sur la Terre sur les risques et catastrophes naturelles.
Sur le site de l’Institut national des sciences de l'Univers (CNRS), "Éruption du Hunga Tonga : quel panache !", une page sur les observations scientifiques de l'éruption.
Sur le site d'Eumetsat, une page (en anglais) avec d'autres séquences images fournies par les satellites météorologiques au moment de l'éruption du volcan Hunga Tonga, montrant notamment la propagation de l'onde de choc dans l'atmosphère.
Sur le site de la NASA, des explications (en anglais) et des illustrations montrant l'évolution de l'île Hunga Tonga-Hunga Ha‘apai.
Sur le site space.com, le nuage de cendres photographié par les astronautes de la Station Spatiale Internationale.
Une reconstruction 3D du panache de fumée et de cendres, réalisée par Simeon Smauß à partir d'images des satellites GOES West, Himawari-8 et GEO-Kompsat-2A (GK2A, Corée). Si vous préférez, les lunettes colorées, un anaglyphe animé est disponible ici.