CO2 z wulkanów - jak to się mierzy? (część 2)

W pierwszej części naszego tekstu o pomiarach wulkanicznych emisji CO2 opisaliśmy pomiary naziemne, polegające na pobieraniu próbek gazu i analizowaniu ich składu oraz pomiary zdalne z wykorzystaniem analizy widm promieniowania ultrafioletowego. Dziś spojrzymy na problem z góry. A jakby tego było mało, zagłębimy się w wody oceanu.

Zdjęcie przedstawia widziany z powietrza szczyt wulkanu, wypusszczający kłęby ciemnego dymu nad chmurami

Rysunek 1. Zdjęcie wulkanu Pawłowa na Alasce wykonane z pokładu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, 18 maja 2013. Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA’s Earth Observatory.

Samolotem przez smugę

Wybuch wulkanu (zwłaszcza po pamiętnej erupcji Eyjafjallajokull w roku 2010) kojarzy nam się z zagrożeniami dla lotnictwa i wstrzymywaniem lotów. Dla działania samolotów niebezpieczne są wyrzucane wysoko w powietrze pyły wulkaniczne – mogą one między innymi zakłócić pracę silników oraz zadziałać na śmigła lub szyby jak piaskarka, uszkadzając je oraz ograniczając widoczność. Jak to więc możliwe, że prowadzi się pomiary emisji wulkanicznych z powietrza? Tu należy przypomnieć sobie o tym, co pisaliśmy w poprzednim tekście: wulkaniczne emisje gazów niekoniecznie związane są z erupcjami! Z użyciem samolotu lub helikoptera możemy obserwować „spokojne” emisje z fumaroli, a w dużej odległości od wulkanu - tam, gdzie dotrze już tylko część najdrobniejszych pyłów (np. nad Szwajcarią po wybuchu Eyjafjallajokull) – także produkty erupcji.

Pomiary lotnicze – oprócz komplikacji związanych z bezpiecznym przeprowadzeniem lotu – nie różnią się znacząco od obserwacji naziemnych. Na pokładzie samolotu instaluje się podobne (a czasem nawet takie same) urządzenia, jak te, które opisywaliśmy poprzednio: zasysające powietrze i analizujące jego skład (mierząc koncentracje jednego lub wielu składników chemicznych) oraz mierzące promieniowanie emitowane lub absorbowane przez dwutlenek siarki. Pobieranie próbek wymaga oczywiście przelecenia przez smugę wyziewów wulkanicznych (zwykle robi się to kilkukrotnie, aby uzyskać szereg przekrojów), zaś pomiary promieniowania – przelotów poniżej smugi oraz pod różnymi kątami. Dzięki prędkościom uzyskiwanym przez samolot, można we względnie krótkim czasie przeskanować duży obszar, nie można za to umieścić przyrządu na stałe w konkretnym położeniu (nawet helikopter nie może unosić się nad konkretnym miejscem przez 24 godziny) – jeśli potrzebujemy pomiarów tego typu, jesteśmy skazani na pomiary naziemne lub… satelitarne.

COSPECLI-COR

Rysunek 2. Po lewej wysunięty przez burtę samolotu peryskop urządzenia do pomiarów zawartości SO2 w powietrzu z wykorzystaniem promieniowania ultrafioletowego (COSPEC), obok peryskopu widoczny jest także wlot powietrza do instrumentu wykonującego na bieżąco analizę chemiczną powietrzna. Sam przyrząd (tu konkretnie analizator CO2, LI-COR), widoczny jest na zdjęciu po prawej. Zdjęcia zamieszczamy dzięki uprzejmości Volcano Hazards Team/USGS.

Rysunek 3. Przykład wyników pomiarów lotniczych dwutlenku węgla emitowanego przez Mammoth Mountain w Kalifornii. Pomiary wykonano 13 listopada 1998r, z użyciem analizatora LI-COR. Samolot wykonał wokół wulkanu jedenaście kręgów o średnicach ok.6-7km, na różnych wysokościach. Pozwala to wykreślić koncentracje dwutlenku węgla obserwowane na cylindrycznej powierzchni przypominającej klosz lampy. Rysunek po prawej przedstawia stężenia CO2 we fragmencie tego „klosza”. Ilustracje zamieszczamy dzięki uprzejmości USGS.

Kosmiczna perspektywa

Satelity doskonale sprawdzają się w obserwacjach popiołów wulkanicznych: przy odpowiednio dużych koncentracjach, nawet niefachowiec dostrzeże je na zdjęciach w naturalnych kolorach (patrz rysunek 4). Zachęcamy do obejrzenia pięknej, trójwymiarowej wizualizacji rozprzestrzeniania się popiołów z wulkanu Eyjafjallajokull w roku 2010, stworzonej na podstawie zdjęć satelitarnych w różnych długościach fali, wykonanych przez europejskiego satelitę geostacjonarnego (Meteosat Second Generation) oraz sygnałów zebranych przez satelitarny lidar, czyli urządzenie sondujące atmosferę za pomocą światła laserowego (amerykański satelita CALIPSO).

Śledzeniu przez satelity świetnie poddaje się także dwutlenek siarki: jak pisaliśmy w poprzednim tekście, w wyziewach wulkanicznych jest go dużo więcej niż w „czystej atmosferze”, a w dodatku absorbuje bardzo charakterystyczny zestaw długości fal ultrafioletowych i podczerwonych (Theys i in., 2013). Aktualne pomiary zawartości dwutlenku siarki w kolumnie powietrza w rejonach wulkanicznych znajdziecie na stronie NASA.

Zdjęcie satelitarne fragmentu Atlantyku z widoczną Islandią i dymiącym wulkanem Rysunek 4: Popioły z wulkanu , 11 maja 2010. Ilustracja stworzona przez Jeffa Schmaltza (MODIS Rapid Response Team, NASA GSFC).

Rysunek 5: Erupcja Wulkanu Saryczewa, czerwiec 2009 - zawartość dwutlenku siarki w kolumnie powietrza na podstawie pomiarów satelitarnych. Źródło.

Z dwutlenkiem węgla nie jest niestety tak łatwo. Ze względu na to, że erupcje wulkaniczne w niewielkim stopniu zmieniają jego stężenie w powietrzu, najzwyczajniej w świecie trudno go z satelity wypatrzeć i odróżnić od tła atmosferycznego. Nie znaczy to jednak, że nie da się tego robić! Dwa najważniejsze satelity skonstruowane specjalnie z myślą o obserwacjach dwutlenku węgla to amerykański OCO-2 (OCO-1 uległ zniszczeniu podczas startu) oraz japoński GOSAT (znany też jako IBUKI). Oba okrążają Ziemię od bieguna do bieguna (OCO-2 na wysokości ok. 710 km, a GOSAT ok. 675 km) i obserwują atmosferę, rejestrując (między innymi) fale podczerwone o długościach należących do pasma absorpcji dwutlenku węgla: im więcej CO2, tym silniejsza absorpcja i mniej promieniowania dociera do satelity.

Dwa zdjęcia satelitów

Rysunek 6: Z lewej strony: satelita OCO-2 (ilustracja zamieszczona dzięki uprzejmości NASA), z prawej: satelita GOSAT (ilustracja zamieszczona dzięki uprzejmości JAXA).

OCO-2 i GOSAT uzupełniają się, jeśli chodzi o tryb prowadzenia pomiarów. Japoński instrument to satelitarny snajper: ma wąskie pole widzenia (koło o średnicy 10 km na powierzchni Ziemi), które obejmuje w trakcie jednego, czterosekundowego „spojrzenia”. Szybko reagujący system celowania pozwala dobrze uchwycić emisje CO2 z punktowego źródła zanieczyszczeń (np. wulkanu).

Satelita amerykański z kolei zbiera dane w sposób ciągły (24 próbki na sekundę), obserwując obszar o szerokości ok. 10,6 km, z „pikselami” o powierzchni ok. 3 km2. Uzyskujemy więc nie tyle pomiar z konkretnego miejsca, ile mapkę koncentracji dwutlenku węgla w okolicy – a przynajmniej wzdłuż toru lotu satelity. Czujnik można wycelować w konkretnym kierunku, jednak nie działa to tak sprawnie jak w Ibukim: zmiana kąta widzenia zajmuje 10-20 minut, a w tym czasie satelita pokonuje 20-40% odległości pomiędzy biegunami. W praktyce aby zarejestrować koncentracje dwutlenku węgla pochodzącego z konkretnego wulkanu, OCO-2 powinien po prostu nad nim przelatywać, co jest rzadkim wydarzeniem. Jak już pisaliśmy w pierwszej części tekstu, w miarę oddalania się wyziewów wulkanicznych od źródła, koncentracje dwutlenku węgla błyskawicznie spadają, dlatego przelot w pobliżu wulkanu zwykle nie wystarcza do tego, by zaobserwować smugę wydostającego się z niego CO2 (źródło). Jak jednak obliczają Burton i in. 2013, OCO-2 może ułatwić monitoring najaktywniejszych wulkanów.

W głąb głębi

Ponad 70% powierzchni Ziemi pokrywają oceany. Nic więc dziwnego, że duża część procesów wulkanicznych na naszej planecie rozgrywa się pod wodą. Do ich badania wykorzystuje się załogowe i bezzałogowe pojazdy podwodne wyposażone w aparaturę do pobierania próbek, takie jak widoczny na poniższym zdjęciu robot Jason eksploatowany przez Woods Hole Oceanographic Institution. Zebrane próbki gazów lub wody analizuje się w laboratorium, podobnie jak te pobierane na lądzie. Obserwuje się zarówno erupcje wulkaniczne jak i emisje z kominów geotermalnych w rejonie grzbietów śródoceanicznych i ich zboczy.

Oprócz bezpośredniego określania koncentracji CO2 w emitowanej mieszaninie gazów, określa się też względną zawartość dwutlenku węgla w zależności od koncentracji helu-3 (3He) i innych rzadko występujących w środowisku izotopów. Pamiętacie określanie emisji CO2 na podstawie emisji SO2 – metodę, którą opisywaliśmy w poprzednim artykule? Tu stosuje się podobną zasadę: dwutlenku węgla jest w wodzie i powietrzu stosunkowo dużo, natomiast pojawienie się charakterystycznego zestawu rzadkich izotopów łatwo jest powiązać z podwodną aktywnością wulkaniczną. Obserwując skład wód geotermalnych można więc oszacować związane z podwodnym wulkanizmem emisje CO2. Dodatkowym źródłem informacji jest tu skład chemiczny płaszcza Ziemi i powstających na dnie morza skał bazaltowych (Marty i Tolstikhin, 1998).

Zdjęcie przedstawia fragment statku i ludzi opuszzających do wody za pomoca dźwigu duże urządzenie Rysunek 7: Jason – zdalnie sterowany, podwodny robot badawczy opuszczany do wody podczas ekspedycji naukowej OASES 2012 na Kajmanach. Zdjęcie: Julia DeMarines, Woods Hole Oceanographic Institution.

Zdjęcie przedstawia pobieranie próbek przez pojazd podwodny, widać mnóstwo bąbelków i robotyczne ramię

Rysunek 8: Pobieranie próbek gazu wydobywającego się z komina aktywnego wulkanu NW Rota-1 w rejonie Grzbietu Mariańskiego w marcu 2010. Zdjęcie wykonane przez zdalnie sterowanego, podwodnego robota badawczego Jason-2 zamieszczamy dzięki uprzejmości Jamesa F. Holdena, UMass Amherst oraz NOAA/PMEL Vents Program.

To ile w końcu emitują te wulkany?

Jak widać, pomiary dwutlenku węgla emitowanego przez wulkany nie jest łatwą sprawą: jest go na tyle mało, że często pomiary bezpośrednie są niemożliwe i o emisjach CO2 wnioskować trzeba na podstawie emisji SO2 – gazu, który dużo łatwiej zaobserwować. Ze względu na wyjątkowo trudny (by nie powiedzieć „wybuchowy”) obiekt obserwacji, nie są możliwe stałe obserwacje dwutlenku węgla emitowanego przez wszystkie wulkany świata. Obecnie nie ma jednak ryzyka, że przegapimy jakąś erupcję: dadzą nam o niej znać choćby popioły wulkaniczne doskonale widoczne dla stale okrążających Ziemię satelitów. Gdyby jakiś wulkan zaczął emitować duże ilości dwutlenku węgla „po kryjomu”, to także zostałoby to wykryte: naukowców zaintrygowałby wzrost koncentracji dwutlenku węgla w jego okolicy, nieuzasadniony transportem CO2 ze znanych źródeł.

Oszacowanie całkowitych emisji dwutlenku węgla przez wulkany wymaga połączenia informacji zbieranych na całym świecie, różnymi metodami, w różnym trybie (pomiary regularne, planowe kampanie pomiarowe, obserwacje erupcji) i dokonania rozmaitych uśrednień. Nie jest to łatwe zadanie, nic dziwnego więc, że w wartości podawane w kolejnych pracach bywają różne (zwłaszcza, że także dane zmieniają się w naturalny sposób z roku na rok): od 0,13 aż do 0,44 Gt CO2. Jak podsumował w swoim krótkim artykule Terry Gerlach (2011), najbardziej prawdopodobny przedział (co do którego zgadzają się autorzy poszczególnych prac) to 0,15-0,26 GtCO2. Uważacie ten wynik za mało dokładny? Może zmienicie zdanie, gdy przypomnicie sobie, że antropogeniczne emisje dwutlenku węgla wynoszą aktualnie około 36 GtCO2, są więc ponad 100 razy większe. Nawet gdyby aktywność wulkaniczna wzrosła na tyle, by związane z nią emisje wzrosły dwukrotnie, wciąż byłoby to niewiele w porównaniu z naszymi emisjami.

Rysunek 9: Ile razy większe są emisje CO2 wynikające z działalności człowieka od tych związanych z aktywnością wulkanów? (Gerlach 2011).

Przy ocenie emisji wulkanicznych ważna jest także informacja, że w przeciwieństwie do nas litosfera swoje emisje… równoważy. Podstawowym zjawiskiem, w wyniku którego dwutlenek węgla przepływa z atmosfery do litosfery jest wietrzenie skał: woda opadowa i dwutlenek węgla łączą się tworząc kwas węglowy, który rozpuszcza skały wapienne. Węglan wapnia spływa z rzekami do oceanu, gdzie jony wapniowe i węglanowe są wbudowywane w skorupki morskich żyjątek, które ostatecznie osiadają na dnie, tworząc po latach skały osadowe i stopniowo wędrując coraz dalej w głąb Ziemi.

Ciekawe efekty występują także podczas emisji dwutlenku węgla z grzbietów śródoceanicznych: część uwalnianego dwutlenku węgla natychmiast reaguje z gorącymi skałami i jest przez nie ponownie wiązana. Dodatkowo, oceaniczna skorupa ziemska oddziałuje bezpośrednio z wodą morską, pobierając z niej jony węglanowe. Połączenie tych procesów powoduje, że dno oceaniczne pochłania więcej dwutlenku węgla niż jest z niego emitowane (Alt i Teagle, 1999).

Aleksandra Kardaś, konsultacja merytoryczna: dr hab. Krzysztof Markowicz

Opublikowano: 2015-05-27 18:03
Tagi

pomiary i obserwacje wulkany

Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.