Vulkaniske gasser er flygtige stoffer, der frigives fra en vulkan eller et vulkansk aktivt område. Vulkaniske gasser er altid involveret i vulkanudbrud, men de afgives også ofte fra passivt afgasende (hvilende) vulkaner. Flygtige stoffer er kemiske elementer eller forbindelser opløst i magma, der danner en gas ved relativt lavt tryk og temperatur3.
Geotermisk område i Island nær Myvatn-søen er et smukt sted med en ubehagelig lugt af svovlbrinte.
Det blev engang antaget, at hver vulkan har sin egen særlige type gas: svovldioxid ved Etna, hydrogenklorid ved Vesuv, kuldioxid ved Puracé (Colombia) osv. I 1850’erne blev det påvist af den franske mineralog Charles Sainte-Claire Deville, at det ikke var sandt3. Men hver vulkan har ikke desto mindre sin egen karakter (gennemsnitlig blanding af forskellige gasarter), som er et resultat af magmasammensætning, tektoniske omgivelser, afgasningsdybde, interaktioner med grundvand og hydrotermiske systemer, skorpeens sammensætning osv.
Den vigtigste bestanddel af vulkangas er vanddamp (udgør ca. 90 % af alle gasser1), selv om koncentrationen er lavere (ca. 60 %) i gasser, der kommer direkte fra kratere3. Den næstvigtigste gasart er kuldioxid (CO2), som udgør ca. 10…40% af gasserne. Svovlforbindelser svovldioxid (SO2) og svovlbrinte (H2S) er også meget vigtige. De kemiske grundstoffer Cl, F og Br forekommer som syrer (kombineret med hydrogen fra vand for at danne saltsyre, flussyre og bromhvedsyre). De er også meget almindelige bestanddele, selv om deres sammensætning er meget varierende. Hydrogen (H2), carbonmonoxid (CO), methan (CH4), svovl (S2), nitrogen (N2), ammoniak (NH3), oxygen (O2) og sjældne gasser forekommer i mindre mængder. Talrige metaller er også til stede (Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Bi, Na, K) i spormængder. De transporteres for det meste som chlorider og fluorider2.
Vulkaniske gasser på Hawaii er rige på kuldioxid og svovldioxid. Flanke af Kilauea mellem Pu’u O’o og kysten.
Afgasning af magma i Halema’uma’u-krateret (kollaps) i Kilauea-topcalderaen i Hawaii.
Islandskab nær Krafla-vulkanen. Klipper i forgrunden er dækket af mineraler (svovl, gips), der er udfældet fra vulkangasser.
Kilderne til vulkangasser
Der er tre hovedreservoirer, som leverer flygtige komponenter, der danner vulkangas.
- Mantlen
- Korpen
- Atmosfæren &Hydrosfæren
Materialet fra kappen dominerer, hvis selve vulkanen bliver fodret af et materiale fra dybt nedefra. Dette er tilfældet ved hot spot-vulkanisme under den oceaniske skorpe. Et godt eksempel er Hawaii. Disse vulkaner udsender blandinger af gasser, der er relativt rige på svovl- og kulstofforbindelser, men som vigtigst indeholder meget lidt vand. Det er netop denne grund, der forklarer, hvorfor Hawaii og lignende øvulkaner langt væk fra kontinentalranden ikke er særlig eksplosive – de udsender ikke meget vanddamp. Det er opbygningen af gasser i det vulkanske bygningsværk, der resulterer i eksplosiv adfærd.
Vulkaniske gasser fra vulkaner på kontinentalranden (f.eks. ildringens vulkaner omkring Stillehavsbækkenet) har en mere alsidig og variabel sammensætning, fordi de også inkorporerer skorpe-materialet, som kan have en meget varierende sammensætning. Disse vulkaner er generelt eksplosive af natur, fordi deres magma er tyk (den mere kiselholdige sammensætning hindrer frigivelsen af flygtige stoffer), og fordi den også indeholder masser af vand, som udvider sig mere end 1000 gange, når det går fra opløst tilstand (i magma) til separat gasformig fase.
Mudpot er en type fumarol. Sure vulkanske gasser ætser de omkringliggende klipper og forvandler dem til en vandig slam, som ser ud til at koge på grund af bobler. Denne mudderpotte er i Island nær vulkanen Krafla.
Hvor kommer det vand fra? Der er to hovedkilder. Denne type vulkanisme er forbundet med subduktionszoner. Subducerede plader af oceanisk skorpe bærer hydrerede mineraler ned under den kontinentale skorpe, hvor de begynder at frigive vand på grund af det enorme tryk. Dette vand er desuden med til at smelte stenene, som begynder at stige op som flydende magma og i sidste ende vil skabe en kæde af vulkaner på kontinentalranden (som f.eks. Cascaderne). Dette vand var oprindeligt en del af hydrosfære-atmosfære-systemet, men fordi det gennemgik subduktionsprocessen, anses det ikke længere for at være en del af det. En anden vigtig kilde til vand i vulkanske gasser er meteorisk vand. Dette er grundlæggende regnvand enten direkte eller indirekte gennem vandområder, der indeholder regnvand. Systemet hydrosfære-atmosfære leverer ikke kun vand, men også stoffer, der er opløst i vand (ilt og andre atmosfæriske gasser). Den særlige blanding af vulkangasser er derfor i høj grad afhængig af de lokale forhold.
Det er også værd at nævne, at vulkangas (eller en del af den) ikke nødvendigvis behøver at være et resultat af magmaafgasning. Det kan blot være grundvand, der er opvarmet af nærliggende vulkanisme. Vulkaniske gasser kan frigives fra topkratere, men også fra sprækker på flankerne (fumaroler), eller de kan frigives diffust gennem jorden (især ikke-reaktive arter som CO2 og He3).
Sulphur Springs, Saint Lucia. Saint Lucia er en vulkanø, der ligger på toppen af en subduktionszone.
Vulkaniske gassers indflydelse på klima og miljø
Videnskabsfolk studerer naturligvis vulkangasser for at få indsigt i en vulkaners indre arbejde for at være bedre forberedt på fremtidige udbrud. Men det er også meget interessant at studere gasserne, fordi de har haft en enorm indflydelse på sammensætningen af Jordens atmosfære (og også hydrosfæren) i fortiden og fortsat vil gøre det i fremtiden også.
Jorden atmosfære og hydrosfære påvirker sammensætningen af vulkangasser i høj grad, men det er interessant at bemærke, at både atmosfæren og hydrosfæren er resultatet af magmaafgasning. Alle de vigtigste bestanddele (kvælstof, kuldioxid, vand) i disse geosfærer er af vulkansk oprindelse (bemærkelsesværdig undtagelse er ilt). Den oprindelige jord var sandsynligvis helt smeltet. Så snart den blev afkølet, begyndte vandet at samle sig i de lavere områder som regnvand, der kondenserede fra vulkanske dampskyer. Den primordiale atmosfære var også meget rig på kuldioxid. Det nuværende niveau på 0,04 % kan virke meget for os, fordi det for kun få årtier siden var 0,035 %. Det er en stor og meget hurtig ændring, der højst sandsynligt skyldes menneskelig aktivitet. Men Jorden har oplevet tider, hvor CO2-niveauet har været mange snesevis af gange højere. Selv i den relativt nyere historie (nyere sammenlignet med hele Jordens 4,5 milliarder år lange historie), da dinosaurerne herskede på Jorden, var der mindst fem gange så meget CO2 i luften. Som følge heraf var den gennemsnitlige lufttemperatur også betydeligt højere (ca. 22 °C) på grund af den mere intense drivhuseffekt.
Svovl udfældet fra vulkangasser i Island, Krafla-vulkanen. Svovlforbindelser (især svovldioxid) har potentiale til at påvirke klimaet og miljøet alvorligt.
Vulkaniske gasser er derfor meget indflydelsesrige variabler, der ændrer Jordens klima, men den måde, de påvirker det på, er på ingen måde enkel og ligetil. Kuldioxid og mange andre flygtige forbindelser, der frigives fra vulkaner (som f.eks. vanddamp og svovldioxid), er potente drivhusgasser, men nogle stoffer har den modsatte kølende virkning. Især SO2 er bemærkelsesværdig for sin både kølende og opvarmende rolle. Det opvarmer atmosfæren som drivhusgas, men det danner også svovlsyreaerosoler, som kan blive i stratosfæren i flere år og har en klart kølende virkning som en tåge, der tilbagekaster indkommende solstråling.
De allerfleste vulkanudbrud har en meget begrænset og lokal virkning på klimaet og miljøet. Det skyldes, at (1) mængden af frigivne gasser er lille, (2) udbruddet ikke varer længe nok, (3) udbrudsskyen når ikke højt nok op til at trænge ind i stratosfæren. Sidstnævnte er meget vigtigt, fordi troposfæriske aerosoler vil blive skyllet ud i løbet af en uge. Varigheden er også meget vigtig, for for at have en langvarig virkning på miljøet skal hav-atmosfære-klimasystemet komme i ligevægt med de vulkanske forstyrrelser for at kunne påvirke miljøet. Det vil ikke ske, hvis udbruddet kun varer få måneder, selv om det er relativt kraftigt.
Geotermisk område nær Strokkur (den mest berømte gejser i Island) i Island.
Den mest alvorlige effekt på klimaet kommer fra meget store og langvarige basaltiske udbrud, som er kendt som oversvømmelsesbasaltbegivenheder. Hvorfor behøver udbruddet at være basaltisk? Indeholder almindelige kiseludbrud ikke flere vulkanske gasser? Jo, det er rigtigt, men disse gasser, der forårsager kraftige siliciumudbrud, består i vid udstrækning af vanddamp, som ikke vil forvolde ravage på jordens klima og miljø. Basaltiske udbrud indeholder derimod mere svovldioxid, som har langt større potentiale til at forårsage langsigtede miljøskader. Oversvømmelsesbasaltudbrud er så indflydelsesrige, fordi de er kraftige, langvarige og indeholder meget svovl.
I dag kæder forskere i stigende grad oversvømmelsesbasaltformationer sammen med store udryddelsesbegivenheder i Jordens historie. Dinosaurernes uddøen for 65 millioner år siden er længe blevet forbundet med nedslagshændelsen på Yucatán-halvøen, som utvivlsomt havde en negativ indvirkning på miljøet. På den anden side er det usandsynligt, at det er den eneste skyldige, fordi det var en øjeblikkelig begivenhed, som havde kortvarige virkninger. Det forekommer mere sandsynligt, at der skal hundreder, hvis ikke tusinder af år til konstant at ændre hav-atmosfærekemien for at forårsage masseudryddelser. Denne hypotese får yderligere kredit af den kendsgerning, at mens udryddelsen i slutningen af kridttiden, som gjorde en ende på dinosaurernes herredømme, er forbundet med basaltfloden fra Deccan. En anden og langt mere alvorlig udryddelseshændelse for 250 millioner år siden er også sammenfaldende med en stor oversvømmelsesbasaltdannelse i Sibirien.
Mens vulkaner kan være ansvarlige for store udryddelseshændelser, har de sandsynligvis også reddet livet på Jorden i det mindste én gang. For omkring 650 millioner år siden. Denne tid i Jordens historie er kendt som Snowball Earth-hændelsen. Det meste af Jorden var dækket af is, hvilket i høj grad øgede Jordens refleksionsevne (albedo), hvilket bidrog til at afkøle Jorden endnu mere. Det skulle være en situation, hvor man ikke kan vende tilbage til normale forhold. Men på en eller anden måde skete det alligevel. Sandsynligvis på grund af intensiveret vulkansk aktivitet, som pumpede store mængder drivhusgasser ud i atmosfæren.
Vulkaner og især vulkangasser spiller en betydelig og kompliceret rolle i forbindelse med ændringen af klimaet og atmosfæren. Vi ved, at det nuværende baggrundsniveau af vulkanisme ikke bidrager væsentligt til den globale opvarmning eller ændrer Jordens miljø. Men Jordens historie har klart vist, at de har en evne til at gøre det.
Fumarol på lavasøen Kilauea Iki i Hawaii.
Farer forbundet med vulkanske gasser
Vulkaniske gasser synes at være en relativt lille fare, hvis vi tæller de tilskadekomne, mens vi holder de dødsfald, der forårsages af pyroklastiske tæthedsstrømme (PDC), ude af betragtning. PDC’er er meget dødbringende, men dette fænomen behandles normalt særskilt, fordi det ikke kun er en brændende gassky, men også en blanding af klippemateriale af forskellig størrelse. Selv om det samlede antal dødsfald forårsaget af vulkanske gasser er relativt beskedent, er kvælning bestemt ikke en behagelig måde at dø på. Hvilke farer er der så, og hvad kan man gøre for at undgå dem?
De fleste af de almindelige bestanddele i vulkaniske gasser er farlige for mennesker og andre levende former i forhøjede koncentrationer. De største syndere, der forårsager dødsfald eller helbredsproblemer, er kuldioxid, svovldioxid, svovlbrinte, saltsyre, flussyre og svovlsyre.
Vulkaniske gasser, der stiger op fra topkalderaen på vulkanen Kilauea på Hawaii.
Koldioxid
Koldioxid er uskadeligt i små mængder (0,04 % af luften er CO2), men kan forårsage næsten øjeblikkelig koma, hvis det er koncentreret nok. CO2 er lugt- og farveløst og er tættere end luft. Det betyder, at faren er vanskelig at opdage, men vi skal sørge for, at vi i vulkansk aktive områder tænker os om to gange, før vi går ud og udforsker nogen form for huller, kratere eller fordybninger, fordi de kan være fulde af denne gas. Kuldioxid har forårsaget et stort antal dødsfald i forbindelse med vulkanske gasser. Særligt berømt er begivenheden ved Nyos-søen, som dræbte 1 700 mennesker i Cameroun. Jeg vil ikke gå i detaljer, dels fordi denne hændelse allerede er velbeskrevet andetsteds, dels fordi der er tale om en bemærkelsesværdig, men på ingen måde udbredt hændelse. Der er kun to tilfælde (Nyos-søen og den nærliggende Monoun-sø i henholdsvis 1986 og 1984), hvor der er dokumenteret en så hurtig og omfattende frigivelse af kuldioxid fra søer4.
Kuldioxid er også dødbringende for vegetationen, selv om det i mindre mængder er nødvendigt for alle grønne planter til fotosyntese. Selv store træer kan blive dræbt, hvis der er så meget CO2 i jorden, at træernes rødder ikke længere kan optage ilt. Det mest berømte område af denne art ligger i Inyo National Forest i Californien. Min personlige sjove og triste historie i forbindelse med dette sted er, at selv om jeg betragter mig selv som en hobbyfotograf af alt geologisk materiale, undlod jeg tilsyneladende at tage et billede af dette sted, selv om jeg så de tørrede træer der med mine egne øjne. Det sker vel, især hvis man er dum nok til at tro, at døde træer ikke har noget med geologi at gøre.
Svovldioxid
Svovldioxid har en tydelig, skarpt gennemtrængende lugt, som kan spores allerede i koncentrationer så lave som 1 ppm (en del pr. million). Jeg husker en indånding på flankerne af Kilauea i nærheden af flydende lava, som var så stærkt irriterende for min næse, at jeg straks vendte mig om og løb. Det var lugten af SO2 i en koncentration langt over 1 ppm. Måske har du også mærket det. Når du tænder en tændstik for tæt på din næse, kan du føle en brændende og ubehagelig fornemmelse, som skyldes den samme svovlforbindelse. Svovldioxid reagerer med vand i luften og danner svovlsyre, der udfældes som sur regn og også tilbagekaster stråling fra solen og derved sænker gennemsnitstemperaturen.
Vulkaniske gasser er ofte rige på svovl, især lavaer af mafisk sammensætning. Lyst gult mineral er elementært svovl. Svovlholdig fumarol er kendt som solfatara. Sulphur Banks, Hawaii.
Sulfidbrinte
Sulfidbrinte er en anden giftig gas, som også har tydelig og ret ubehagelig lugt, der ofte forbindes med rådne æg. Det er desværre ikke særlig nyttigt for de fleste mennesker, for rådne æg synes at være en svær at finde kuriositet nu om dage. Under alle omstændigheder er denne svovlforbindelse og dens lugt let mærkbar og meget almindelig i vulkansk aktive områder. Denne gas er også tungere end luft og har en tendens til at koncentrere sig i lavere områder. I 1971 døde seks skiløbere i Japan næsten øjeblikkeligt, da de passerede gennem en lavning fyldt med den4. Mange andre dødsfald i forbindelse med vulkangas er også direkte forbundet med denne svovlforbindelse.
HCl og HF
Dampe, der kommer fra vulkanske områder, er sure, ikke kun på grund af svovlsyre, men også på grund af hydrogenchlorid og hydrogenfluorid. Det førstnævnte er den vigtigste bestanddel af mavesyre og medbringes også i en lille flaske af enhver seriøs feltgeolog, fordi det er en nem test for karbonatbjergarter (for at afgøre, om det er kalksten eller doloston). HCl er ikke en særlig alvorlig trussel mod vores liv (selv om det naturligvis har forårsaget dødsfald), men det bidrager til syreregn, forårsager åndedrætsbesvær og er irriterende for øjnene. På Hawaii dannes der lavahaze (eller laze), når smeltet lava, der flyder ud i havet, starter en kemisk reaktion mellem saltioner opløst i havvand og vand, som resulterer i saltsyre. Flussyre (HF) anvendes også af geologer, men denne gang i laboratorier under nøje kontrollerede forhold, for dette stof er virkelig ulækkert. Det er ekstremt irriterende for huden, og forbrændinger heler langsomt. Kontakt med øjnene vil forårsage alvorlige forbrændinger og blindhed, hvis det ikke straks fjernes med rindende vand.
Lava laze (lava + haze) på Hawaii. Denne røgsky består af vanddamp, men den indeholder også masser af saltsyre. Den stiger op fra det sted, hvor lava strømmer ud i havet fra en lavatunnel.
Hydrochlorsyre dannes, når havvand reagerer med salt (natriumklorid), der er opløst i det.
Så hvad kan vi gøre for at undgå farer forbundet med vulkanske gasser. Det er virkelig nemt. Hold dig væk fra vulkaner, og så sker der ikke noget slemt. Men hvis det ikke er det, du ønskede at høre, så anbefaler jeg, at du absolut undgår lavere områder, hvor tætte gasser kan ophobes, og prøv også at være opmærksom på vindretningen. Prøv at holde dig i vindretningen (op mod vinden) fra kilderne til de vulkanske gasser, og hvis du virkelig er nødt til at tage til virkelig farlige steder, så ved du forhåbentlig allerede, hvad du gør, fordi du er en professionel vulkanolog med en god gasmaske og beskyttelsesbeklædning.
Geotermisk område i Island nær Viti Maar med mudderpots og gul svovl.
Mudret fumarole (mudderpotte) i Island.
Endnu en mudderpotte i Island.
1. Jackson, J. A. (1997). Glossary of Geology
2. Gerlach, T. M. (1999). Vulkaniske gasser. In: Encyclopedia of Geochemistry (Encyclopedia of Earth Sciences Series)
3. Delmelle, Pierre & Stix, John (1999). Volcanic Gases. In: Encyclopedia of Volcanoes
4. Williams-Jones, Glyn & Rymer, Hazel (1999). Hazards of Volcanic Gases. In: Encyclopedia of Volcanoes