Description

Les panaches de cendres volcaniques représentent des menaces sociétales directes pour les populations, le trafic aérien et l'économie. Les principaux défis pour prévoir leur impact et atténuer les risques associés à la dispersion et aux chutes de cendres sont : (i) quantifier les paramètres éruptifs à la source contrôlant le comportement des panaches et essentiels pour initialiser les modèles prévisionnistes (hauteur, flux, concentrations particulaires, distribution granulométrique, champ de vitesse) ; (ii) comprendre la structuration spatio-temporelle des différentes régions du panache (colonne, zone de transition, ombrelle, nuage) sous l’effet du vent ; (iii) établir les interactions entre dynamique interne du panache et les mécanismes déclenchant la sédimentation (i.e., collective, en-masse ou individuelle). L’objectif est d’améliorer les modèles prévisionnistes d’ascension, dispersion, et d’accumulation au sol, en particulier pour les régimes éruptifs transitoires peu étudiés.
Pour répondre à ces objectifs scientifiques aux forts enjeux opérationnels et sociétaux, de puissants instruments d’investigation sont disponibles à l'OPGC-LMV (Université Clermont Auvergne). En particulier, un parc multifréquence de radars Doppler transportables bien adaptés au sondage des colonnes éruptives et panaches/nuages/retombées de cendres1-4, et plusieurs disdromètres éprouvés pour la mesure continue des chutes de cendres5-7 (https://opgc.uca.fr/volcanologie/voldorad), ainsi que différents imageurs infrarouges8 et un parc d’analyse microphysique des produits échantillonnés. Le cadre de la thèse comprend notamment un financement pluriannuel (projet ClerVolc Ambition) et des collaborations internationales bien établies (INGV, CNR, Univ. Catania, Trento, UnivPM, Oregon) en surveillance volcanologique, modélisation et dynamique des fluides.
Le travail de thèse comprendra le traitement des mesures déjà acquises avec deux radars dans la colonne (λ=23.5 cm) et le panache (λ=3.2 mm) et de nouvelles observations à acquérir selon l’activité éruptive (e.g. Etna). Il visera à quantifier les paramètres éruptifs (paramétrage) puis à interpréter les processus à l’œuvre (paramétrisation) à l’aide de modèles disponibles d’ascension-sédimentation. Les résultats seront corrélés à l’analyse et la modélisation de la dynamique temporelle et du taux de sédimentation observés par disdromètre, en lien avec les échantillons collectés. Selon les opportunités, des mesures novatrices ou de l’échantillonnage in situ par drone (UAR OPGC) ainsi que des modélisations de la dispersion atmosphérique des produits et de l’impact sur le trafic aérien, l’environnement et le climat complèteront utilement l’étude9-10 (CNR, UnivPM, LaMP).
En pratique, nous poursuivrons d’une part nos efforts pour évaluer l’impact des variations des paramètres éruptifs mesurés en base de colonne sur la dynamique du panache, notamment à l’Etna avec notre radar de surveillance : corrélation du flux éruptif obtenu par radar avec la hauteur et l’évolution de l’ombrelle11, inter-comparaison multi-capteur, hétérogénéité spatio-temporelle de la charge particulaire, impact sur la dispersion atmosphérique des aérosols12.
Nous utiliserons d’autre part les capacités de scan radar à onde millimétrique en 2D et 3D pour caractériser l'évolution des paramètres dynamiques de la colonne et du panache à haute résolution spatio-temporelle, en déterminant pour la première fois la structuration des concentrations particulaires et des vitesses internes2. La charge en cendres peut être déduite en comparant les réflectivités radars et celles calculées à partir des mesures par disdromètre2. Ces observations fines in situ directement comparées aux modèles d'ascension/dispersion, aux taux de sédimentation5 et aux dépôts au sol permettent d’appréhender les processus internes du panache et leurs relations avec le déclenchement de la sédimentation.

Compétences requises

cursus scientifique Intérêt pour les aspects techniques instrumentaux, l'inter-comparaison de capteurs curiosité, autonomie, capacité de travail connaissance de base en programmation python souhaitable (traitement de données) volonté de s'impliquer dans la modélisation Niveau d'anglais B1

Bibliographie

1 Donnadieu F., et al., 2005. Remotely monitoring volcanic activity with ground-based Doppler radar. E.O.S. Trans., 86(21), p.201-204. https://doi.org/10.1029/2005EO210001
2 Donnadieu F., et al., 2023. Millimeter-wave Doppler radar and disdrometer measurements of ash plumes and fallout: examples from Stromboli and Sabancaya volcanoes. R4AsH V-PLUS Workshop – Volcanic Plumes: Science to Services. 11–12 Juy 2023 Lancaster, UK
3 Donnadieu F., et al., 2016. Near-source Doppler radar monitoring of tephra plumes at Etna. J. Volcanol. Geotherm. Res. 312:26-39. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2016.01.009.
4 Freret-Lorgeril V., Donnadieu F., et al., 2018. Mass eruption rates of tephra plumes during the 2011–2015 lava fountain paroxysms at Mt. Etna from Doppler radar retrievals. Front. Earth Sci. 6:73. https://doi.org/10.3389/feart.2018.00073
5 Donnadieu F., et al., 2022. Ash fallout during the Cumbre Vieja 2021 eruption: insight from disdrometer measurements and particle microphysical properties. 5e Conf. Ritmann, Catania.
6 Freret-Lorgeril V., Donnadieu F., et al., 2019. In situ terminal settling velocity measurements at Stromboli volcano: Input from physical characterization of ash. J. Volcanol. Geotherm. Res. 374, 62-79. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2019.02.005
7 Freret-Lorgeril V., Gilchrist J., Donnadieu F. et al., 2020. Ash sedimentation by fingering and sediment thermals from wind-advected volcanic plumes. Earth Planet. Sc. Lett. 534, 116072. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2020.116072
8 Chevalier L., Donnadieu F., 2015. Considerations on ejection velocity estimation from infrared radiometer data: a case study at Stromboli volcano. J. Volcanol. Geotherm. Res., 302:130-140. http://dx.doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2015.06.022.
9 Rizza U., Donnadieu F., et al., 2021. Effects of Variable Eruption Source Parameters on Volcanic Plume Transport: Example of the 23 November 2013 Paroxysm of Etna. Remote Sens. 13, 4037. https://doi.org/10.3390/rs13204037
10 Tadini A., Gouhier M., Donnadieu F., et al., 2022. Particle sedimentation in numerical modelling: a case study from the Puyehue-Cordón Caulle 2011 eruption with the PLUME-MoM/HYSPLIT models. Atmosphere 13, 784. https://doi.org/10.3390/atmos13050784
11 Michaud‐Dubuy A., & Gouhier M. (2025). Validation of near real‐time retrieval of plume mass eruption rates: The case of the 2021 eruption of La Soufriere, St Vincent. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 26, e2025GC012498. https://doi.org/10.1029/2025GC012498
12 Di Nisio S., Donnadieu F., Rizza U. et al, 2026. Coupling WRF-Chem v4.8 with Near-Source L-Band Radar Observations for High-Resolution Simulation of Volcanic Emissions at Mt. Etna. European WRF-Chem Workshop, Rijeka, Croatia.

Mots clés

radar Doppler, panache de cendres, sédimentation, modélisation, risques volcaniques, applications sociétales