Detection from Space of Active Volcanism on Earth and, Potentially, on Venus and Rocky Exoplanets

Pete Mouginis‐MarkHawaii Institute Geophysics and Planetology

University of Hawaii

• Styles of Eruption on Earth• Lava flows• Explosive eruptions

• Detection of Terrestrial Eruptions from SpaceThermal features – Lava FlowsAsh and Gas – Explosive Eruptions

• Venus Eruptions?Radar and multi‐spectral

• Exoplanet Eruptions?Thermal detection ‐ Io analogExplosive eruptions ‐ planets with atmospheresExplosive eruptions ‐ planets without atmospheres

Overview

Thermal Detection from Weather Satellites

Detection of Active Lava flows from SpaceSpectral Radiance as a function of wavelength

Detection of Active Lava flows from SpaceSpectral Radiance as a function of wavelength

Kilauea, Hawaii – Greatest Thermal Flux 2000 ‐ 2014

Typical Io Lava Lake Compared to Kilauea

Radiant output of Earth’s volcanoes, 2000 ‐ 2014

Wright et al. (2015). Geophys. Res. Lttrs, vol. 42

The temperature distributionscan be explained in terms ofaverage age of the lava exposed(e.g., fountains have a hightemperature peak because ofcontinual exposure of new lava;domes do not)

Lava eruption style and composition from temperature data

Lava eruption style and composition from temperature data

Characteristics of Eruption Clouds

Movement of Mt. Spurr, Alaska, Ash Cloud

2nd Largest Eruption in 20th Century, Mount Pinatubo

UV Detection of Mt. Pinatubo SO2, June 16, 1991

Largest Historic Explosive Eruptions on Earth

The Economist, April 11th, 2015

What About Active Volcanism on Venus?

Previous Hints at Active Volcanism

Episodic Injection of Sulfur Dioxide into Atmosphere.  Esposito (1984), Science 223, 1072 – 1074.

High radar emissivity at high elevations, such as summit of the volcano Maat Mons.   Robinson and Wood (1993), Icarus 102, 26 – 39.

Thermal emissivity measurements of surface by the Venus Express Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer.  Smrekar et al., (2010) Science 328.605 – 608.

Enhanced microwave thermal emission, potentially due to very recent lava flow emplacement.  Bondarenko et al. (2010), Geophys. Res. Lttrs. 37. doi: 10.1029/2010GL045233. 

So, how might we really find current activity?

Anomalous spectralproperties at volcano summit

Insights into Heat Flow from Interior:Large Shield Volcanoes on Venus

Earth‐Based Radar Images of Venus: Eruption Detection

Arecibo Observatory

Campbell and Campbell continue to collect new radar images of Venus – suitable for change detection?

SIR‐C C‐Band  April 1994 RADARSAT C‐Band June 2010

20+ year Magellan vs. post‐Magellan Comparisons:Pu‘u ‘O’o Comparison

SIR‐C C‐Band  April 1994 RADARSAT C‐Band June 2010

20+ year Magellan vs. post‐Magellan Comparisons:Pu‘u ‘O’o Comparison

Can We Detect New Lava Flows from Time‐Series Data?

Geometry of repeat‐pass interferometry for coherent change detection: A measure of the path length difference.  Ideally, the baseline should be zero, so that path differences are only due to motion

Alternative Method:  Coherence Mapping Detects New lava flows at Kilauea Volcano, October 1994

Zebker et al., 1996. Geology vol. 24

Radar Interferometry can also detect small changes through repeat‐

pass radar measurements:

Volcano Deformation

InSAR detection of ground deformation:Example from Kilauea volcano, Hawaii

What is the Possibility of Detecting Exoplanet Active Volcanism?

Important to Consider Size of the Eruption

Power Detected for Volcanic Hot Spots on Io

Volcanic Eruptions on Io from Keck Telescope, Feb. 2001

Largest Lava Flows on Earth in Last 300 m yrs.

Deccan Traps, India. ~65 million years old

Exoplanet Explosive Eruptions – Atmosphere

Spectral detection of SO2 or ash?

Explosive Eruptions on ExoplanetsSimulation of Mt. Pinatubo‐class Explosive Eruptions

Issues:  • How to recognize silicate ash against a silicate surface?• Would atmospheric sulfur dioxide be a better identifier?  

Exoplanet Explosive Eruptions – No Atmosphere

Expect widespread new occurrence of plume deposits on surface.

Io shows us that deposits will merge with background.  Hinders spectral identification

Time‐Series Data Are Critical!

A single observation is not sufficient.  Look for changes on an Exoplanet• Thermal flux from lava flows is best detected at night, but day/night comparisons would be optimal

• Confident plume detection would require before/during/after data

Time‐Series Data Are Critical!

A single observation is not sufficient.  Look for changes on an Exoplanet• Thermal flux from lava flows is best detected at night, but day/night comparisons would be optimal

• Confident plume detection would require before/during/after data

Final Thought:  How do we distinguish an eruption from an impact event?

• Impact melt pond could produce a thermal anomaly could mimic a big lava flow

• Ejecta thrown into air could mimic the spectral properties of an ash cloud