Vulkanické plyny

Vulkanické plyny jsou těkavé látky uvolňované ze sopky nebo vulkanicky aktivní oblasti. Sopečné plyny se vždy podílejí na sopečných erupcích, ale často je uvolňují i pasivně degazující (spící) sopky. Těkavé látky jsou chemické prvky nebo sloučeniny rozpuštěné v magmatu, které při relativně nízkém tlaku a teplotě tvoří plyn3.

Geotermální oblast na Islandu u jezera Myvatn je krásné místo s nepříjemným zápachem sirovodíku.

Kdysi se věřilo, že každá sopka má svůj zvláštní druh plynu: oxid siřičitý u Etny, chlorovodík u Vesuvu, oxid uhličitý u Puracé (Kolumbie) atd. V 50. letech 19. století prokázal francouzský mineralog Charles Sainte-Claire Deville, že to není pravda3. Každá sopka má však přesto svůj vlastní charakter (průměrnou směs různých druhů plynů), který je výsledkem složení magmatu, tektonického prostředí, hloubky degazace, interakce s podzemními vodami a hydrotermálními systémy, složení kůry atd.

Nejdůležitější složkou sopečného plynu je vodní pára (tvoří asi 90 % všech plynů1), i když její koncentrace je nižší (asi 60 %) v plynech pocházejících přímo z kráterů3. Dalším nejdůležitějším druhem plynu je oxid uhličitý (CO2), který tvoří asi 10…40 % plynů. Velmi důležité jsou také sloučeniny síry oxid siřičitý (SO2) a sirovodík (H2S). Chemické prvky Cl, F a Br se vyskytují jako kyseliny (ve spojení s vodíkem z vody tvoří kyselinu chlorovodíkovou, fluorovodíkovou a bromovodíkovou). Jsou rovněž velmi častými složkami, i když jejich složení je velmi proměnlivé. V menším množství se vyskytují vodík (H2), oxid uhelnatý (CO), metan (CH4), síra (S2), dusík (N2), amoniak (NH3), kyslík (O2) a vzácné plyny. Ve stopových množstvích jsou přítomny také četné kovy (Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Bi, Na, K). Většinou jsou transportovány jako chloridy a fluoridy2.

Sopečné plyny na Havaji jsou bohaté na oxid uhličitý a oxid siřičitý. Bok sopky Kilauea mezi Pu’u O’o a pobřežím.

Degazující magma v jámovém (kolapsovém) kráteru Halema’uma’u v kaldeře vrcholu sopky Kilauea na Havaji.

Islandská krajina v blízkosti sopky Krafla. Skály v popředí jsou pokryty minerály (síra, sádrovec) vysráženými ze sopečných plynů.

Zdroje sopečných plynů

Existují tři hlavní rezervoáry, které poskytují těkavé složky pro tvorbu sopečných plynů.

• Plášť
• Kůra
• Amosféra &hydrosféra

Materiál z pláště dominuje, pokud je samotná sopka napájena materiálem z hlubin. To je případ vulkanismu horkých míst pod oceánskou kůrou. Dobrým příkladem je Havaj. Tyto sopky vypouštějí směsi plynů, které jsou poměrně bohaté na sloučeniny síry a uhlíku, ale co je důležité, obsahují málo vody. Právě to je důvod, který vysvětluje, proč Havaj a podobné ostrovní sopky vzdálené od kontinentálních okrajů nejsou příliš explozivní – nevypouštějí mnoho vodní páry. Právě nahromadění plynů uvnitř sopečné stavby vede k explozivnímu chování.

Vulkanické plyny sopek na kontinentálních okrajích (například sopky Ohnivého kruhu obklopující Pacifickou pánev) jsou složením univerzálnější a proměnlivější, protože zahrnují i materiál zemské kůry, který může mít velmi proměnlivé složení. Tyto sopky mají zpravidla explozivní charakter, protože jejich magma je husté (křemičitější složení brání uvolňování těkavých látek) a obsahuje také velké množství vody, která se při přechodu z rozpuštěného stavu (v magmatu) do samostatné plynné fáze rozpíná více než 1000krát.

Mudpot je typ fumaroly. Kyselé sopečné plyny rozežírají okolní horniny a mění je na vodnatou kaši, která se díky bublání jeví jako vroucí. Tato bahenní skvrna se nachází na Islandu poblíž sopky Krafla.

Kde se bere ta voda? Existují dva hlavní zdroje. Tento typ vulkanismu je spojen se subdukčními zónami. Subdukované desky oceánské kůry nesou hydratované minerály pod kontinentální kůru, kde se z nich kvůli obrovskému tlaku začne uvolňovat voda. Tato voda navíc pomáhá tavit horniny, které začnou stoupat jako tekuté magma a nakonec vytvoří řetězec sopek na okraji kontinentu (jako například Kaskády). Tato voda byla původně součástí systému hydrosféra-atmosféra, ale protože prošla procesem subdukce, není již považována za jeho součást. Dalším významným zdrojem vody ve vulkanických plynech je meteorická voda. Jedná se v podstatě o dešťovou vodu, a to buď přímo, nebo nepřímo prostřednictvím vodních ploch obsahujících dešťovou vodu. Systém hydrosféra-atmosféra neposkytuje pouze vodu, ale také látky, které jsou ve vodě rozpuštěné (kyslík a další atmosférické plyny). Konkrétní směs sopečných plynů je tedy velmi závislá na místních podmínkách.

Je třeba také zmínit, že sopečný plyn (nebo jeho část) nemusí být výsledkem degazace magmatu. Může jít jen o podzemní vodu ohřátou blízkým vulkanismem. Sopečné plyny se mohou uvolňovat z vrcholových kráterů, ale také z puklin na bocích (fumaroly), nebo se mohou uvolňovat difuzně skrze půdu (zejména nereaktivní druhy jako CO2 a He3).

Sulphur Springs, Svatá Lucie. Svatá Lucie je sopečný ostrov ležící na vrcholu subdukční zóny.

Vliv sopečných plynů na klima a životní prostředí

Vědci samozřejmě studují sopečné plyny, aby získali představu o vnitřním fungování sopky a mohli se lépe připravit na budoucí erupce. Studium plynů je však velmi zajímavé také proto, že v minulosti nesmírně ovlivňovaly složení zemské atmosféry (a také hydrosféry) a budou tak činit i v budoucnosti.

Zemská atmosféra a hydrosféra do značné míry ovlivňují složení sopečných plynů, je však zajímavé, že atmosféra i hydrosféra jsou výsledkem odplyňování magmatu. Všechny hlavní složky (dusík, oxid uhličitý, voda) těchto geosfér jsou vulkanického původu (pozoruhodnou výjimkou je kyslík). Prvotní Země byla pravděpodobně celá roztavená. Jakmile se ochladila, začala se voda hromadit v nižších oblastech jako dešťová voda kondenzovaná ze sopečných oblaků páry. Prvotní atmosféra byla také velmi bohatá na oxid uhličitý. Současná hladina 0,04 % se nám může zdát hodně, protože ještě před několika desítkami let činila 0,035 %. Jedná se o velkou a velmi rychlou změnu, kterou s největší pravděpodobností způsobila lidská činnost. Země však zažila i doby, kdy byla hladina CO2 mnohdy desítkykrát vyšší. Dokonce i v relativně nedávné historii (nedávné ve srovnání s celými 4,5 miliardami let historie Země), kdy Zemi vládli dinosauři, bylo ve vzduchu nejméně pětkrát více CO2. V důsledku toho byla i průměrná teplota vzduchu výrazně vyšší (asi o 22 °C), a to kvůli intenzivnějšímu skleníkovému efektu.

Síra vysrážená ze sopečných plynů na Islandu, sopka Krafla. Sloučeniny síry (zejména oxid siřičitý) mají potenciál vážně ovlivňovat klima a životní prostředí.

Vulkanické plyny jsou tedy velmi vlivnými veličinami modifikujícími zemské klima, ale způsob jejich ovlivňování není nikterak jednoduchý a přímočarý. Oxid uhličitý a mnoho dalších těkavých sloučenin uvolňovaných ze sopek (například vodní pára a oxid siřičitý) jsou silnými skleníkovými plyny, ale některé látky mají opačný ochlazující účinek. Zejména SO2 je pozoruhodný jak chladicí, tak oteplovací úlohou. Otepluje atmosféru jako skleníkový plyn, ale zároveň tvoří aerosoly kyseliny sírové, které mohou zůstat ve stratosféře několik let a mají jednoznačně ochlazující účinek jako opar, který zpětně rozptyluje dopadající sluneční záření.

Velká většina sopečných erupcí má velmi omezený a lokální vliv na klima a životní prostředí. Je to proto, že (1) množství uvolněných plynů je malé, (2) erupce netrvá dostatečně dlouho, (3) erupční mrak nedosahuje dostatečně vysoko, aby pronikl do stratosféry. Posledně jmenovaný faktor je velmi důležitý, protože troposférické aerosoly budou během týdne vyplaveny. Délka trvání je také velmi důležitá, protože aby měl klimatický systém oceán-atmosféra dlouhodobý vliv na životní prostředí, musí se dostat do rovnováhy s vulkanickými poruchami. To se nestane, pokud erupce trvá jen několik měsíců, i když je relativně silná.

Geotermální oblast u Strokkuru (nejznámějšího islandského gejzíru) na Islandu.

Nejvážnější vliv na klima mají velmi rozsáhlé a dlouhotrvající čedičové erupce, které jsou známé jako povodňové čedičové události. Proč musí být erupce čedičová? Neobsahuje běžná křemičitá erupce více sopečných plynů? Ano, to je pravda, ale tyto plyny, které způsobují silné silicitové erupce, jsou z velké části tvořeny vodní párou, která nezpůsobí zkázu zemského klimatu a životního prostředí. Naproti tomu bazaltové erupce obsahují více oxidu siřičitého, který má mnohem větší potenciál způsobit dlouhodobé škody na životním prostředí. Povodňové čedičové události jsou tak vlivné kvůli mohutnosti, dlouhému trvání a velkému množství síry.

V současné době vědci stále více spojují povodňové čedičové útvary s velkými událostmi vymírání v historii Země. Vymření dinosaurů před 65 miliony let je již dlouho spojováno s impaktní událostí na poloostrově Yucatán, která měla nepochybně negativní vliv na životní prostředí. Na druhou stranu je nepravděpodobné, že by byla jediným viníkem, protože šlo o okamžitou událost, která měla krátkodobé účinky. Zdá se pravděpodobnější, že potřebujeme stovky, ne-li tisíce let, abychom neustále měnili chemismus oceánu a atmosféry a způsobili masové vymírání. Další kredit této hypotéze dodává skutečnost, že zatímco událost vymírání na konci křídy, která ukončila vládu dinosaurů, je spojena s čedičovou povodní v Dekanu. Jiná a mnohem závažnější událost vymírání před 250 miliony let je rovněž souběžná s velkým povodňovým bazaltem na Sibiři.

Ačkoli sopky mohou být zodpovědné za velká vymírání, pravděpodobně také alespoň jednou zachránily život na Zemi. Asi před 650 miliony let. Toto období v historii Země je známé jako událost sněhové koule na Zemi. Většina Země byla pokryta ledem, který výrazně zvýšil odrazivost (albedo) Země, což přispělo k jejímu dalšímu ochlazení. Mělo by se jednat o situaci bez návratu k normálním podmínkám. Přesto k tomu nějakým způsobem došlo. Pravděpodobně kvůli zesílené sopečné činnosti, která do atmosféry napumpovala velké množství skleníkových plynů.

Zejména sopky a sopečné plyny hrají významnou a komplikovanou roli při změně klimatu a atmosféry. Víme, že současná úroveň vulkanismu na pozadí nepřispívá významně ke globálnímu oteplování ani ke změně životního prostředí Země. Historie Země však jasně ukázala, že mají takovou moc.

Fumarola na lávovém jezeře Kilauea Iki na Havaji.

Nebezpečí spojená s vulkanickými plyny

Vulkanické plyny se zdají být relativně malým nebezpečím, pokud počítáme oběti, zatímco smrtelné úrazy způsobené pyroklastickými hustými proudy (PDC) necháváme stranou. PDC jsou velmi smrtelné, ale tento jev se obvykle řeší samostatně, protože se nejedná pouze o ohnivý oblak plynů, ale také o směs různě velkého kamenného materiálu. Přestože celkový počet úmrtí způsobených sopečnými plyny je poměrně skromný, udušení rozhodně není příjemný způsob smrti. Jaká jsou tedy nebezpečí a co lze udělat, abychom se jim vyhnuli?“

Většina běžných složek sopečných plynů je ve zvýšené koncentraci nebezpečná pro člověka i jiné živé formy. Hlavními viníky, kteří způsobují smrt nebo zdravotní problémy, jsou oxid uhličitý, oxid siřičitý, sirovodík, kyselina chlorovodíková, kyselina fluorovodíková a kyselina sírová.

Sopečné plyny stoupající z vrcholové kaldery sopky Kilauea na Havaji.

Oxid uhličitý

Oxid uhličitý je v malém množství neškodný (0,04 % vzduchu tvoří CO2), ale při dostatečné koncentraci může způsobit téměř okamžité kóma. CO2 je bez zápachu a barvy a je hustší než vzduch. To znamená, že nebezpečí je těžko zjistitelné, ale musíme se ujistit, že ve vulkanicky aktivních oblastech si dvakrát rozmyslíme, než se vydáme zkoumat jakékoliv díry, krátery nebo prohlubně, protože mohou být plné tohoto plynu. Oxid uhličitý má na svědomí velké množství obětí spojených se sopečnými plyny. Známá je zejména událost u jezera Nyos, při níž v Kamerunu zahynulo 1700 lidí. Nebudu zabíhat do podrobností, protože tato událost je již dobře popsána jinde, a za druhé proto, že se jedná o pozoruhodnou, ale nikterak rozšířenou událost. Jsou doloženy pouze dva případy (události u jezera Nyos v roce 1986 a u nedalekého jezera Monoun v roce 1984), kdy došlo k tak rychlému uvolnění oxidu uhličitého z jezer ve velkém měřítku4.

Oxid uhličitý je smrtící také pro vegetaci, i když v menším množství ho všechny zelené rostliny potřebují k fotosyntéze. Dokonce i velké stromy mohou být usmrceny, pokud je v půdě tolik CO2, že kořeny stromů již nemohou přijímat kyslík. Nejznámější taková oblast je v národním lese Inyo v Kalifornii. Moje osobní veselá a smutná historka spojená s tímto místem je, že ačkoli se považuji za hobby fotografa všeho geologického, zřejmě se mi nepodařilo toto místo vyfotit, ačkoli jsem tam tyto uschlé stromy viděl na vlastní oči. To se asi stává, zvlášť když jste natolik hloupí, že si myslíte, že mrtvé stromy nemají s geologií nic společného.

Dioxid siřičitý

Dioxid siřičitý má výrazný ostře pronikavý zápach, který je zjistitelný už v koncentraci 1 ppm (jedna část na milion). Vzpomínám si na jeden nádech na úbočí Kilauey v blízkosti proudící lávy, který mě tak ostře dráždil v nose, že jsem se okamžitě otočil a utekl. Byl to zápach SO2 v koncentraci vysoko nad 1 ppm. Možná jste to pocítili také. Při zapálení zápalky příliš blízko nosu můžete pocítit pálení a nepříjemný pocit, který je způsoben stejnou sloučeninou síry. Oxid siřičitý reaguje s vodou ve vzduchu za vzniku kyseliny sírové, která se sráží jako kyselý déšť a také zpětně rozptyluje sluneční záření, čímž snižuje průměrnou teplotu.

Vulkanické plyny jsou často bohaté na síru, zejména lávy mafického složení. Jasně žlutý minerál je elementární síra. Sirná fumarola je známá jako solfatara. Sulphur Banks, Havaj.

Sírovodík

Sírovodík je další toxický plyn, který má také výrazný a poměrně nepříjemný zápach často spojovaný se zkaženými vejci. To, obávám se, většině lidí příliš nepomůže, protože zkažená vejce se v dnešní době zdají být těžko dostupnou kuriozitou. Každopádně tato sloučenina síry a její zápach jsou snadno patrné a velmi časté ve vulkanicky aktivních oblastech. Tento plyn je také těžší než vzduch a má tendenci se koncentrovat v nižších oblastech. V roce 1971 zemřelo téměř na místě šest sjezdařů v Japonsku, když projížděli prohlubní naplněnou tímto plynem4. S touto sloučeninou síry je přímo spojeno i mnoho dalších úmrtí souvisejících se sopečnými plyny.

HCl a HF

Dýmy vycházející ze sopečných oblastí jsou kyselé nejen kvůli kyselině sírové, ale také kvůli chlorovodíku a fluorovodíku. První z nich je hlavní složkou žaludeční kyseliny a nosí ji s sebou v malé lahvičce také každý seriózní terénní geolog, protože umožňuje snadný test karbonátových hornin (k určení, zda jde o vápenec nebo doloston). HCl ve skutečnosti není příliš vážnou hrozbou pro naše životy (i když samozřejmě způsobila smrtelné případy), ale přispívá ke vzniku kyselých dešťů, způsobuje dýchací potíže a dráždí oči. Na Havaji vzniká lávový opar (neboli laz), když roztavená láva stékající do moře iniciuje chemickou reakci mezi ionty soli rozpuštěnými v mořské vodě a vodou, jejímž výsledkem je kyselina chlorovodíková. Kyselinu fluorovodíkovou (HF) používají také geologové, ale tentokrát v laboratořích za pečlivě kontrolovaných podmínek, protože tato látka je opravdu odporná. Je extrémně dráždivá pro kůži a popáleniny se hojí pomalu. Při kontaktu s očima způsobí vážné popáleniny a oslepnutí, pokud se okamžitě neodstraní tekoucí vodou.

Lávové jezero (láva + opar) na Havaji. Tento oblak kouře se skládá z vodní páry, ale obsahuje také velké množství kyseliny chlorovodíkové. Stoupá z místa, kde láva vytéká na moře z lávového tunelu.

Kyselina chlorovodíková vzniká reakcí mořské vody se solí (chloridem sodným) v ní rozpuštěnou.

Co tedy můžeme dělat, abychom se vyhnuli nebezpečí spojenému se sopečnými plyny. Je to opravdu snadné. Držte se dál od sopek a nic zlého se nestane. Pokud to však není to, co jste chtěli slyšet, pak doporučuji rozhodně se vyhýbat nižším oblastem, kde se husté plyny mohou hromadit, a také se snažit dávat pozor na směr větru. Snažte se držet na návětrné straně (proti větru) od zdrojů sopečných plynů a pokud se opravdu musíte vydat na opravdu nebezpečná místa, pak už snad víte, co děláte, protože jste profesionální vulkanolog s dobrou plynovou maskou a ochranným oděvem.

Geotermální oblast na Islandu poblíž Viti Maar s bahenními skvrnami a žlutou sírou.

Bahenní fumarola (bahenní kotel) na Islandu.

Další bahenní kotel na Islandu.

1. Bahenní kotel na Islandu. Jackson, J. A. (1997). Slovník geologie, 4. vydání. American Geological Institute.
2. Gerlach, T. M. (1999). Vulkanické plyny. In: Vulkánské sopky: Vulkánské sopky: Vulkanické sopky: Encyclopedia of Geochemistry (Encyclopedia of Earth Sciences Series) (Ed. Marshall, Clare P. & Fairbridge, Rhodes W.). Springer. 656-657.
3. Delmelle, Pierre & Stix, John (1999). Sopečné plyny. In: Encyclopedia of Volcanoes (Ed. Sigurdsson, H.). Academic Press. 803-815.
4. Williams-Jones, Glyn & Rymer, Hazel (1999). Hazards of Volcanic Gases [Nebezpečí sopečných plynů]. In: Encyclopedia of Volcanoes (Ed. Sigurdsson, H.). Academic Press. 997-1004.