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.

Zdjęcie przedstawia obficie dymiący wulkan na wyspie.
Rysunek 1. Dymiący wulkan Anak Krakatau. Zdjęcie: Byelikova, Dreamstime.com.

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.

Dymiące jasnym dymem skały
Rysunek 2. Fumarole na północnym stoku wulkanu Chignagak. Zdjęcie
autorstwa Janet Schaefer, Alaska Volcano Observatory / Alaska Division
of Geological & Geophysical Surveys.

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.

Zdjęcie przedstawia człowieka ubranego w kombinezon, wiercącego w skale
Rysunek 3. Pobieranie próbek gazu wulkanicznego, wulkan Mageik na Alasce. Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości Volcano Hazards Team/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.

Rysunek 4. Na górzewnętrze urządzenia analizującego skład zasysanego
gazu na podstawie jego oddziaływania z promieniowaniem lasera
podczerwonego, na dole – to samo urządzenie zainstalowane w
samochodzie, podczas pomiarów w rejonie wulkanu Kilauea na Hawajach.
Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości Volcano Hazards Team/USGS.

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.

Zdjęcie przedstawia naukowców z kamerami i laptopami siedzących na zboczu wulkanu.
Rysunek 5. Pomiary z użyciem kamery UV na stoku wulkanu Stromboli, 2013. Zdjęcie: Tom Pering, Volcano Blog.

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.

Rysunek 6. Emisje SO2 z wulkanu Turrialba w Kostaryce, 18
stycznia 2011, zmierzone z użyciem kamery UV (EnviCam). Na osi pionowej
wysokość, na poziomej – odległość w poziomie. Ilustrację zamieszczamy
dzięki uprzejmości dr. Freda Praty (NILU).

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.

Rysunek 7. Obrazy gazów wulkanicznych z wulkanu Merapi zarejestrowane w
czterech długościach fal podczerwonych (cztery panele górne),
koncentracje SO2 (lewy dolny panel, barwy czerwone –
najwyższe wartości, niebieskie – najniższe), „zwykłe” zdjęcie
obserwowanego strumienia (prawy dolny panel). Ilustrację zamieszczamy
dzięki uprzejmości dr. Freda Praty.

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).

Opublikowano: 27 maja 2015

Zasady komentowania na Nauka o klimacie

Nasza strona służy popularyzacji nauki. Chętnie odpowiadamy na pytania, ale nie akceptujemy spamu i dezinformacji.