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
