JCU Vulkanisch Gas

Naast de
“gewone”
vulkanische
gevaren …
Vulkaanuitbarsting op IJsland:
zure ervaring in Nederland?
JCU module – Dynamische Aarde
Het sluipende gevaar:
Onderzeese kraters
“vervuilen” de oceanen
Vulkanische
chemicaliën
Gas
Hydrothermaal
water
Ondanks lage
concentraties in de
mantel …
As
S
F
Cl
250 ppm
25 ppm
17 ppm
Br
0.05 ppm
Se 0.075 ppm
As 0.05 ppm
… produceren vulkanen veel potentieel toxische
elementen
Elementen die door vulkanen in
grote concentraties
geproduceerd worden
H
Te
Hg
Pb
12
10
150
ppb
ppb
ppb
Cr 2625 ppm
Ni 1960 ppm
Cu
30 ppm
Zn
55 ppm
Co
105 ppm
He
Toxische elementen
H
He
Li Be
B
C
N
O
F
Ne
Li Be
B
C
N
O
F
Na Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
Na Mg
Al
Si
P
S
Cl
K
Ca
Sc Ti
Rb Sr
Cs Ba
Y
*
Fr Ra **
*
V
Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Lu Hf Ta W Re Os
Lr
Ir
Ca
Rb Sr
Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Cs Ba
Rf Db Sg Bh Hs Mt
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb
** Ac Th Pa
K
Xe
Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te
U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No
I
Sc Ti
Y
*
Fr Ra **
*
V
Lu Hf Ta W Re Os
Lr
Ne
Ar
Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te
Ir
I
Xe
Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Rf Db Sg Bh Hs Mt
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb
** Ac Th Pa
U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No
Belangrijkste gasbestanddelen
1
Overheersende
windrichting
Vulkanisch gas en zure regen
Poas – Costa Rica
USGS
Vulkanische
luchtvervuiling op
Hawaii
Uitbarsting van de Etna gezien vanuit de ruimte
CO2
Mammoth Mountain
USGS
29 October 2002: Pictures taken by the crew aboard the International Space Station.
De Pinatubo uitbarsting
0530 15 June 1991
Etna: de grootste vulkanische CO22 producent
~ 50.000 ton per dag
2
De Pinatubo uitbarsting
0630 15 June 1991
De Pinatubo uitbarsting
0730 15 June 1991
Samenstelling van de atmosfeer
Stratosfeer
Sulfaat aerosols
(%volume)
N2
O2
CO2
Ar
Ne
He
Kr
Xe
H2
CH4
N 2O
78.08 %
20.95 %
0.033 %
0.934 %
1.82 x 10-3 %
5.24 x 10-4 %
1.14 x 10-4 %
8.7 x 10-6 %
5.0 x 10-5 %
2.0 x 10-4 %
5.0 x 10-5 %
Een wolk vol
vulkanische
chemicaliën
Zwavel
Water
Chloor
As
Regen
Troposfeer
asregen
Vulkanische gassen
Water H2O
Koolstofdioxide CO2
Zwaveldioxide SO2
Gevolgen van vulkanische
gassen in de atmosfeer
Waterstofsulfide H2S
Waterstofchloride HCl
Waterstoffluoride HF
Gevolgen van gassen:
CO2: opwarming
SO2: afkoeling
zure regen
HCl: zure regen
3
Stratosphere
Zonnestraling
Aerosols reflecteren zonnestraling:
netto afkoeling
Photochemistry
Injection
SO
SO2 oxideert tot H2SO4 aerosol:
Verblijfstijd ~jaar (midden-stratosfeer)
weken-maanden (grenslaag)
dagen-weken (troposfeer)
2
Ash
hv
OH
Albedo
Ozone Destruction
HNO3
N2O5
ClONO2
HCl
Dispersion
CO
2
HF
SO
2
ClO O3
H2SO4
HCl
Condensation,
Coagulation
Nucleation
Sedimentation,
Circulation
Cirrus Cloud
Nucleation
As regent snel uit (uren-dagen)
Acid Rain
Troposphere
De Pinatubo eruptie van
15 Juni 1991
Pinatubo aerosol vanuit de Space Shuttle
Injectie van 20 megaton
SO2 in de atmosfeer
Aerosol laag ~20-25 km
Tropopause ~15 km
Zwavelwolk gevolgd met de satelliet 15-18 juni
Pinatubo zorgt voor (extra) gat in de ozonlaag
16-22 juni
Instrument: Nimbus-7/TOMS
4
60
Pluimen tot in de stratosfeer
40
km
20
De Vulkanische
Explosiviteit
Index (VEI)
Ta
m
bo
r
T a
No au 181
v a po 5
ru ~1
K pt 8 0
Sa ra k a 1
nt at o 91
a
2
M a1
Pi ari 883
na a
1
tu 90
b
2
Be Ve o 1
zy su 99
m vi 1
i
u
Au St ann s 7
9
gu . H y
st ele 195
in n
s 6
e
31 19
8
/0
3/ 0
19
86
0
een schaal
van 0 tot 8
Rabaul, Papua New Guineal
Redoubt, Alaska
Verder terug in de tijd:
Vulkanische
uitstoot van
zwaveldioxide
volgens
satellietmetingen
1979-2002
Vulkanisch zwavelzuur in het poolijs
Dome C (Antarctica)
Crête (Greenland)
Diepte (m)
Agung
Agung
Jaar (AD)
1950
Katmai
5
1900
Santa Maria
Krakatoa
Tarawera
Krakatoa
1850
10
Tambora
Tambora
Unknown
1800
Laki
[SO4-] µ Eq l-1
Bron:
NASA
[H+] µ Eq l-1
Delmas, 1992,
Rev. Geophys, 30, 10
Vulkanische en antropogene gasemissies
1012 mol/jaar
Gas
Vulkanisch
SO2
0.21
Antropogeen
1.1
CO2
2.0 – 2.5
550
HCl
0.1 (?)
0.082
HF
0.01 (?)
0.015 (?)
(op land)
Wereldwijde zwaveluitstoot
Global sulfur emissions latitude emissions.gif
Bluth et al 1993; Graedel & Crutzen 1993, 1995; Andres & Kasgnoc 1998; Kerrick 2001; Marland et al 2001
5
Relatie tussen de hoeveelheid zwaveluitstoot
en de temperatuurafname
Wolk met weinig druppels:
druppels:
reflecteert minder zonlicht
(donkere wolk)
wolk)
Wolk met meer kleine
druppeltjes:
druppeltjes:
reflecteert meer zonlicht
(lichtere wolk)
wolk)
Temperatuurafname (oC)
Zwaveluitstoot (gram)
De natuurlijke zwavelcyclus
De antropogene zwavelcyclus
Huidige zwavelcyclus in de troposfeer
Burden
Tg(S)
Lifetime
Days
OH
0.29
6.3
Hoeveelheid oxidanten gewoonlijk bepaald door achtergrondphotochemie – maar zeer hoge SO2 concentraties hebben invloed
0.81
SO2
SO4
1.1
30
H2O2
O3
32
5.3
+OH
49
17
uitstoot
SO2
gas
SO4
+H2O2(aq)
aerosol
(in wolken)
9.2
7.1
9
71
Deposition 1.4
Dry Wet
Zwaveldioxide chemie
Fluxes in Tg(S)/yr
12
DMS
4
MSA
Deposition
1
Biomass Anthro- Volcanic Soil
burning pogenic
15
Dry Wet
Oxidatie- en
neerslagsnelheden
bepalen de
levensduur van SO2
+O3(aq)
droge(natte) neerslag
Alleen de
neerslagsnelheden
bepalen de
levensduur van SO4
natte(droge) neerslag
Oceanic
6
Zwaveldioxide chemie
Oplosbaarheid van water (en CO2) in
magma neemt af met afnemende druk
(=afnemende diepte)
Gas
SO2 + OH → H2O2
HOSO2 + O2 → SO3 + HO2
SO3 + H2O → H2SO4
Magma is
onderverzadigd
Diepte (km)
Druk (Kb)
In oplossing
SO2 + H2O → HSO3- + H+ → SO32- + H+
HSO3- + H2O2 → SO42- + H+ + H2O
SO32- + O3 → SO42- + O2
Magma is
Verzadigd
(gasbellen)
Concentratie opgelost water (gew.%)
From Moore et al., 1998
Wanneer magma opstijgt komen
water en andere gassen vrij
Verschillende soorten
uitbarstingen
gas outflux
LAVA
DOME
Qout
Explosief
1783-1784 Laki uitbarsting
Qin
Rustig
Lavafonteinen (Etna, 2002)
www.decadevolcano.net
7
1783-1784 Laki uitbarsting
Oorspronkelijke
concentraties opgelost
gas in het magma
Lava
• 8 Juni 1783: 27 km lange spleet opent zich
• 15 km3 bazalt kwam in 8 maanden naar buiten
Olivijn
• Lavafonteinen tot ~800 - 1450 m hoog
• Eruptiepluimen tot ~6 - 13 km hoog
• Tropopause op ~10 km (~250 hPa)
• ‘Droge mist’ of nevel waargenomen in Europa,
Azië, N. Amerika, N. Atlantische Oceaan,
Noordpool
Smeltinsluitsels
Laki zwaveluitstoot
• ~60 Tg zwavel (Thordarson et al., 1996)
• Vergelijk Pinatubo: ~20 Tg
1 Teragram (Tg) = 1012 gram = 1 miljoen ton
Vergelijking met de wereldwijde antropogene
SO2 emissie in het hele jaar 1990
Laki
waarde 61
Piekwaarde ~2
Totaal 72
0.1
Milieu-effecten
• 20% van de IJslandse bevolking kwam om
• Zure neerslag vernietigde oogst &
weidevelden
1
10
Tg(S)/jaar/5x5
100
Verspreiding van
vulkanen en de grens
tussen de troposfeer en
statosfeer
• Gelijksoortige effecten in grote delen van
Europa
• Afkoeling op het noordelijk halfrond
(plaatselijk extreem)
• Afkoeling gedurende een paar jaar
• Hongersnood
8
Het weer op
23 juni 1783
Verhoogde
sterftecijfers in
Engeland en
Frankrijk
Wat waren de precieze
oorzaken van de sterfte op
IJsland als gevolg van de
uitbarsting?
9