CO2 z wulkanów – jak to się mierzy? (część 1)

Temat wulkanicznych emisji dwutlenku węgla często pojawia się w dyskusjach na temat klimatu. Laicy, zapewne pozostający pod wrażeniem zdjęć towarzyszących erupcjom kłębów dymu, często przeceniają możliwości wulkanów – w rzeczywistości nie dorastają one ludziom do pięt. Zaraz, zaraz, ale skąd to wiemy? W tym artykule wyjaśniamy, jak właściwie mierzy się emisje CO₂ z wulkanów.

Co wypluwa z siebie wulkan?

Dla wielu czytelników to z pewnością oczywiste, ale i tak warto podkreślić, że czarne kłęby dymu wydobywające się z wulkanów to nie dwutlenek węgla. To przede wszystkim pył i popiół – drobne okruchy skalne, krzemiany, tlenki krzemu, glinu i żelaza. Towarzyszące im gazy – przede wszystkim para wodna, dwutlenek siarki i dwutlenek węgla – są przezroczyste. Skąd to wszystko się bierze?

Dopóki magma przebywa na dużych głębokościach, cząsteczki CO₂ czy SO₂ są z nią dobrze wymieszane. Jednak wędrówka magmy do góry, w pobliże powierzchni Ziemi, oznacza spadek ciśnienia, jakiemu podlega. Daje to pojedynczym molekułom gazów możliwość łączenia się w pęcherzyki. Obecność pęcherzyków sprawia, że wypełniająca się nimi magma staje się lżejsza od otaczających ją skał, co pozwala na jej dalsze przemieszczanie się ku górze. Im bliżej powierzchni Ziemi, tym większe i liczniejsze stają się bąble gazu. Ich szybkie narastanie to jedna z przyczyn erupcji wulkanicznych, podczas których na powierzchnię Ziemi wylewa się lawa, a gazy są uwalniane do atmosfery.

Erupcja wulkaniczna nie jest jednak konieczna, aby wulkaniczne wyziewy przedostały się do powietrza. Jeśli magma jest wystarczająco blisko powierzchni Ziemi, gazy mogą przesączać się przez glebę lub wydobywać przez szczeliny zwane fumarolami i kominy hydrotermalne. W pomiarach wulkanicznych emisji CO₂ nie chodzi więc tylko o obserwowanie wielkich wybuchów, ale także powolnego uwalniania gazów w rejonach aktywności wulkanicznej. Jak widać na zdjęciu poniżej, obecność strug gazu można zidentyfikować gołym okiem dzięki skraplaniu się pary wodnej – kropelki wody tworzą białe tumany.

Zacznijmy przyziemnie

Najbardziej niebezpieczną, ale i najbardziej bezpośrednią metodą badania wulkanicznych wyziewów jest ręczne pobieranie próbek w rejonie aktywności wulkanicznej. Jak można zobaczyć na zdjęciu poniżej, naukowcy wtłaczają w głąb fumaroli wytrzymałą i niereaktywną rurkę (zrobioną np. z tytanu lub aluminium). Gdy rurka się rozgrzeje i panujące w niej warunki będą zbliżone do tych panujących w samej fumaroli, do jej ujścia podłącza się specjalną kolbę, częściowo wypełnioną roztworem wodorotlenku sodu. Dwutlenki węgla i siarki, siarkowodór i chlorowodór rozpuszczają się w cieczy, a tlen, azot, wodór, tlenek węgla i hel – koncentrują w pozostałej części kolby. Zebraną próbkę analizuje się następnie w laboratorium. Mniej dokładną, ale szybszą metodą, jest zastąpienie kolby z wodorotlenkiem sodu pustym zbiorniczkiem, do którego zasysa się gaz za pomocą ręcznej pompki. Więcej informacji na ten temat można znaleźć na stronie USGS.

Jak łatwo się domyślić, pobieranie próbek i badanie ich w laboratorium nie jest szczególnie praktyczną metodą, jeśli chcemy na bieżąco obserwować co i w jakich ilościach emituje wulkan. Oczekiwanie na analizę laboratoryjną może bowiem trwać nawet kilka tygodni. Dlatego, oraz ze względu na łatwość użytkowania, popularność zyskują urządzenia, które natychmiast analizują zasysane przez siebie powietrze (Shinohara, 2005, Aiuppa i in., 2006), a wyniki zapisują we wbudowanej pamięci lub przesyłają drogą radiową na serwer danych.

Istnieje wiele takich instrumentów, różniących się rozmiarami i źródłami energii, zależnie od sposobu użycia (mogą być dostosowane do ustawienia na stałe w konkretnym miejscu, przewożenia samochodem lub przenoszenia na plecach). Na ogół wyposażone są w cały zestaw czujników, pozwalających na ustalenie stężeń całego szeregu gazów.

Para wodna, dwutlenek węgla i ewentualnie węglowodory badane są metodą spektroskopową: wciągane przez instrument powietrze jest prześwietlane falami podczerwonymi o odpowiednio dobranych długościach. Kiedy długość fali jest dopasowania do struktury widmowej danego gazu wtedy wiemy, że tylko interesujący nas związek zareaguje na nią w konkretny sposób – np. zaabsorbuje. Mierząc stopień osłabienia promieniowanie przechodzącego przez próbkę gazu możemy dzięki temu obliczyć koncentracje interesującego nas składnika. Oczywiście producent urządzenia wyposaża je na ogół w oprogramowanie, które tych obliczeń dokonuje za nas.

Ważnymi składnikami gazów wulkanicznych są związki siarki – przede wszystkim tlenki oraz siarkowodór. W ich przypadku lepiej sprawdzają się czujniki elektrochemiczne. Sercem takiego czujnika jest element półprzewodnikowy, który zmienia swoje własności elektryczne (np. opór), gdy cząsteczki wybranego gazu reagują z nim lub osiadają na jego powierzchni. Układ elektroniczny rejestruje te zmiany, a odpowiednie oprogramowanie przelicza je na koncentracje SO₂ czy H₂S.

Współczesne instrumenty są w stanie mierzyć zmiany koncentracji CO₂ z sekundy na sekundę, a związków siarki – z rozdzielczością kilkunastu, kilkudziesięciu sekund.

Spójrzmy na wyziewy w innym świetle

Opisane wyżej metody pomiarowe pozwalają nam sprawdzić skład powietrza w konkretnym miejscu, ale nie da się tego prosto przełożyć na informację „ile CO₂ emituje wulkan”. Do tego przydałoby nam się spojrzenie z większej perspektywy – przynajmniej na całą smugę gazu przez jakiś dłuższy czas. Tu jednak pojawia się problem: przeciętna koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze jest tak wysoka, że jeśli tylko oddalimy się od źródła emisji (co oznacza wymieszanie się gazów wulkanicznych z powietrzem), trudno nam będzie w ogóle wykryć obecność wypuszczanego przez wulkan CO₂.

Przykład: Koncentracje wulkanicznego CO₂ w odległości 1km (z wiatrem) od Etny są rzędu 4 ppm, gdy tymczasem przeciętna koncentracja CO₂
w atmosferze to niemal 400 ppm. Jeśli więc chcielibyśmy obserwować
dwutlenek węgla wypuszczany do atmosfery przez Etnę z takiej odległości,
musielibyśmy wykrywać jednoprocentowe odchylenia koncentracji gazu od
średniej (Burton i in. 2013).

Jak poradzić sobie z tym wyzwaniem? Wulkanolodzy znaleźli na to sposób. Zamiast próbować obserwować dwutlenek węgla, mierzą koncentracje dwutlenku siarki. SO₂ jest w atmosferycznym tle dużo mniej i dzięki temu dużo łatwiej go wykryć. A jak z pomiarów dwutlenku siarki wysnuć wnioski na temat emisji dwutlenku węgla? Wystarczy zacząć obserwacje od sprawdzenia stosunku koncentracji CO₂ do koncentracji SO₂ w gazach emitowanych przez badany wulkan. Służą do tego przede wszystkim metody opisane w pierwszym punkcie. Oczywiście w zależności od tego, czy proporcję CO₂/SO₂ będziemy sprawdzać na bieżąco, czy też przyjmiemy jakąś wartość średnią, uzyskamy wyniki obarczone mniejszą lub większą niepewnością pomiarową.

A teraz pora na wyjaśnienie, o jakie „inne światło” chodzi w nagłówku. Otóż do pomiarów zawartości SO₂ w powietrzu często wykorzystuje się jego oddziaływanie z promieniowaniem ultrafioletowym. Nasze oczy nie postrzegają ultrafioletu (stąd jego nazwa, oznaczająca fale o częstościach większych niż te, które jeszcze widzimy, czyli fioletowe), ale umiemy oczywiście skonstruować rejestrujące go czujniki, np. kamerę UV widoczną na zdjęciu poniżej.

Fotografując smugę dymu na tle czystego nieba, możemy stwierdzić, jaką część promieniowania ultrafioletowego jest absorbowana przez porcję wyziewów wulkanicznych (porównujemy, ile promieniowania słonecznego dociera od czystego nieba, a ile od tego przyćmionego dymem). Oczywiście długość fal rejestrowanych przez kamerę (290-310 nm) jest dobrana tak, żeby właśnie SO₂ intensywnie te fale absorbował.

Pomiary z użyciem kamer UV pozwalają obserwować jednocześnie większą porcję gazów wulkanicznych ze sporej odległości od wulkanu i z dużą rozdzielczością czasową – rzędu sekund (Pering i in. 2014, prezentacja). Jest to bardziej interesujące dla wulkanologów niż klimatologów, ponieważ pozwala lepiej badać dynamikę zjawisk zachodzących wewnątrz wulkanu. Klimatologom przydaje się raczej informacja na temat sumy emisji w dłuższym okresie. W dodatku metoda ma poważne ograniczenia – np. nie działa w nocy i nadaje się do mierzenia tylko wystarczająco przejrzystych strumieni gazów wulkanicznych (czyli takich, w których nie występuje za dużo skondensowanej wody – kropelki działają jak dodatkowa zasłona dla promieniowania). Dlatego pomiary w ultrafiolecie uzupełnia się pomiarami w innych długościach fal (zwłaszcza podczerwieni), co ułatwia odróżnienie gazów wulkanicznych od tła (m.in. chmur) oraz pomiary nocą.

Tekst zrobił się już bardzo długi, a my wciąż nie dotarliśmy do pomiarów lotniczych ani najbardziej nowoczesnych i najbardziej globalnych pomiarów satelitarnych. O tym napiszemy więc w kolejnej części!

Aleksandra Kardaś, konsultacja merytoryczna: dr hab. Krzysztof Markowicz

Redakcja dziękuje za pomoc w przygotowaniu artykułu dr Fredowi Pracie i Tomowi Peringowi (Volcano Blog).