Tulivuorikaasut

Tulivuorikaasut ovat haihtuvia aineita, jotka vapautuvat tulivuoresta tai vulkaanisesti aktiiviselta alueelta. Tuliperäiset kaasut ovat aina mukana tulivuorenpurkauksissa, mutta niitä vapautuu usein myös passiivisesti kaasunsa poistavista (lepotilassa olevista) tulivuorista. Haihtuvat aineet ovat magmaan liuenneita kemiallisia alkuaineita tai yhdisteitä, jotka muodostavat kaasua suhteellisen alhaisessa paineessa ja lämpötilassa3.

Geoterminen alue Islannissa lähellä Myvatn-järveä on kaunis paikka, jossa on epämiellyttävä rikkivedyn haju.

Aiemmin uskottiin, että jokaisella tulivuorella on oma erityinen kaasutyyppinsä: Etnalla rikkidioksidia, Vesuviuksella kloorivetyä, Puracessa (Kolumbia) hiilidioksidia jne. Ranskalainen mineralogi Charles Sainte-Claire Deville osoitti 1850-luvulla, että se ei pidä paikkaansa3. Kullakin tulivuorella on kuitenkin oma luonteensa (eri kaasulajien keskimääräinen sekoitus), joka on seurausta magman koostumuksesta, tektonisista olosuhteista, kaasunpoiston syvyydestä, vuorovaikutuksesta pohjaveden ja hydrotermisten järjestelmien kanssa, maankuoren koostumuksesta jne.

Tulivuorikaasun tärkein ainesosa on vesihöyry (se muodostaa noin 90 % kaikista kaasuista1), joskin sen pitoisuus on alhaisempi (noin 60 %) kaasuissa, jotka tulevat suoraan kraatterista3. Seuraavaksi tärkein kaasulaji on hiilidioksidi (CO2), joka muodostaa noin 10…40 % kaasuista. Rikkiyhdisteet rikkidioksidi (SO2) ja rikkivety (H2S) ovat myös hyvin tärkeitä. Kemialliset alkuaineet Cl, F ja Br esiintyvät happoina (yhdistettynä vedestä peräisin olevan vedyn kanssa muodostaen suolahappoa, fluorivetyhappoa ja bromivetyhappoa). Ne ovat myös hyvin yleisiä ainesosia, vaikka niiden koostumus vaihtelee suuresti. Vetyä (H2), hiilimonoksidia (CO), metaania (CH4), rikkiä (S2), typpeä (N2), ammoniakkia (NH3), happea (O2) ja harvinaisia kaasuja esiintyy pienempiä määriä. Myös lukuisia metalleja (Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Bi, Na, K) esiintyy pieniä määriä. Ne kulkeutuvat enimmäkseen klorideina ja fluorideina2.

Vulkaaniset kaasut Havaijilla sisältävät runsaasti hiilidioksidia ja rikkidioksidia. Kilauean kylki Pu’u O’o:n ja rannikon välissä.

Magman kaasuuntuminen Halema’uma’u-kuopan (romahdus) kraatterissa Kilauean huippukalderassa Havaijilla.

Islantilainen maisema Krafla-tulivuoren lähellä. Etualalla olevia kallioita peittävät tuliperäisistä kaasuista saostuneet mineraalit (rikki, kipsi).

Tuliperäisten kaasujen lähteet

Tuliperäisten kaasujen lähteitä

Tuliperäisen kaasun muodostamiseen tarvittavia haihtuvia komponentteja on kolme päävarastoa.

• Vaippa
• Kuori
• Atmosfääri &Hydrosfääri

Vaipasta tuleva aines on hallitsevassa asemassa, jos itse tulivuori saa ravintonsa syvältä alhaalta. Näin on esimerkiksi valtameren kuoren alla tapahtuvassa hot spot -vulkanismissa. Hyvä esimerkki on Havaiji. Nämä tulivuoret päästävät kaasuseoksia, jotka sisältävät suhteellisen runsaasti rikki- ja hiiliyhdisteitä, mutta mikä tärkeintä, ne sisältävät vain vähän vettä. Tämä on juuri se syy, joka selittää, miksi Havaijin ja vastaavien kaukana mannerlaidoista sijaitsevien saarien tulivuoret eivät ole kovin räjähdysalttiita – ne eivät päästä paljon vesihöyryä. Räjähdysmäiseen käyttäytymiseen johtaa kaasujen kertyminen tulivuoren rakennelman sisälle.

Manneralueiden reunamilla sijaitsevien tulivuorten (esimerkiksi Tyynenmeren allasta ympäröivien Ring of Fire -tulivuorten) vulkaaniset kaasut ovat koostumukseltaan monipuolisempia ja vaihtelevampia, koska ne sisältävät myös maankuoren materiaalia, jonka koostumus voi olla hyvin vaihteleva. Nämä tulivuoret ovat yleensä luonteeltaan räjähdysalttiita, koska niiden magma on paksua (piipitoisempi koostumus estää haihtuvien aineiden vapautumisen) ja se sisältää myös paljon vettä, joka laajenee yli 1000-kertaiseksi siirtyessään liuenneesta tilasta (magmassa) erilliseen kaasumaiseen vaiheeseen.

Mudpot on eräänlainen fumaroli. Happamat vulkaaniset kaasut syövyttävät ympäröiviä kiviä, jolloin ne muuttuvat vetiseksi lietteeksi, joka näyttää kiehuvan kuplimisen vuoksi. Tämä mutapotti on Islannissa lähellä Krafla-tulivuorta.

Mistä tuo vesi tulee? On olemassa kaksi päälähdettä. Tämäntyyppinen vulkanismi liittyy subduktiovyöhykkeisiin. Merenkuoren subduktoituneet laatat kuljettavat hydratoituneita mineraaleja mantereisen kuoren alle, jossa ne alkavat vapauttaa vettä valtavan paineen vuoksi. Tämä vesi auttaa lisäksi sulattamaan kiviä, jotka alkavat nousta nestemäisenä magmana ja synnyttävät lopulta tulivuoriketjun mantereen reunalle (kuten esimerkiksi Kaskadit). Tämä vesi oli alun perin osa hydrosfääri-ilmakehä-järjestelmää, mutta koska se kävi läpi subduktioprosessin, sitä ei enää pidetä sen osana. Toinen merkittävä vulkaanisten kaasujen sisältämän veden lähde on meteorivesi. Tämä on periaatteessa sadevettä joko suoraan tai epäsuorasti sadevettä sisältävien vesistöjen kautta. Hydrosfääri-ilmakehä-järjestelmä ei tuota ainoastaan vettä vaan myös veteen liuenneita aineita (happea ja muita ilmakehän kaasuja). Tuliperäisten kaasujen erityinen seos riippuu siis suuresti paikallisista olosuhteista.

On myös syytä mainita, että tuliperäisen kaasun (tai osan siitä) ei tarvitse olla seurausta magman kaasunpoistosta. Se voi olla vain läheisen vulkanismin lämmittämää pohjavettä. Tuliperäisiä kaasuja voi vapautua huippukraattereista, mutta myös kyljissä olevista halkeamista (fumaroleista), tai niitä voi vapautua diffuusiomaisesti maan läpi (erityisesti ei-reaktiivisia lajeja, kuten CO2 ja He3).

Sulphur Springs, Saint Lucia. Saint Lucia on tuliperäinen saari, joka sijaitsee subduktiovyöhykkeen päällä.

Tuliperäisten kaasujen vaikutus ilmastoon ja ympäristöön

Tutkijat selvästikin tutkivat tuliperäisiä kaasuja saadakseen käsityksen tulivuoren sisäisestä toiminnasta, jotta he voisivat paremmin valmistautua tuleviin purkauksiin. Kaasujen tutkiminen on kuitenkin erittäin mielenkiintoista myös siksi, että ne ovat vaikuttaneet valtavasti maapallon ilmakehän (ja myös hydrosfäärin) koostumukseen menneisyydessä ja vaikuttavat niin myös tulevaisuudessa.

Maailman ilmakehä ja hydrosfääri vaikuttavat suuressa määrin vulkaanisten kaasujen koostumukseen, mutta on mielenkiintoista huomata, että sekä ilmakehä että hydrosfääri ovat magman kaasunpoiston tulosta. Kaikki näiden geosfäärien tärkeimmät ainesosat (typpi, hiilidioksidi, vesi) ovat vulkaanista alkuperää (huomattava poikkeus on happi). Alkuaikojen maapallo oli todennäköisesti täysin sulaa. Heti kun se jäähtyi, vesi alkoi kerääntyä alempiin alueisiin vulkaanisista höyrypilvistä tiivistyneenä sadevetenä. Alkuaikojen ilmakehässä oli myös runsaasti hiilidioksidia. Nykyinen hiilidioksidipitoisuus 0,04 % voi tuntua meistä paljolta, koska vain muutama vuosikymmen sitten se oli 0,035 %. Kyseessä on merkittävä ja hyvin nopea muutos, joka johtuu todennäköisesti ihmisen toiminnasta. Maapallolla on kuitenkin ollut aikoja, jolloin hiilidioksidipitoisuus on ollut kymmeniä kertoja korkeampi. Jopa suhteellisen lähihistorian aikana (lähihistoriaa, kun sitä verrataan maapallon koko 4,5 miljardin vuoden mittaiseen historiaan), kun dinosaurukset hallitsivat maapalloa, ilmassa oli vähintään viisi kertaa enemmän hiilidioksidia. Näin ollen myös ilman keskilämpötila oli huomattavasti korkeampi (noin 22 °C) voimakkaamman kasvihuoneilmiön vuoksi.

Tulivuorikaasuista saostunut rikki Islannissa, Kraflan tulivuorella. Rikkiyhdisteet (erityisesti rikkidioksidi) voivat vaikuttaa vakavasti ilmastoon ja ympäristöön.

Vulkaaniset kaasut ovat siis erittäin vaikutusvaltaisia maapallon ilmastoa muokkaavia muuttujia, mutta tapa, jolla ne vaikuttavat, ei ole mitenkään yksinkertainen ja suoraviivainen. Hiilidioksidi ja monet muut tulivuorista vapautuvat haihtuvat yhdisteet (kuten vesihöyry ja rikkidioksidi) ovat voimakkaita kasvihuonekaasuja, mutta joillakin aineilla on päinvastainen jäähdyttävä vaikutus. Erityisesti SO2:lla on sekä viilentävä että lämmittävä vaikutus. Se lämmittää ilmakehää kasvihuonekaasuna, mutta se myös muodostaa rikkihappoaerosoleja, jotka voivat jäädä stratosfääriin useiksi vuosiksi ja joilla on selvästi viilentävä vaikutus sumuna, joka heijastaa takaisin tulevaa auringonsäteilyä.

Valtaosalla tulivuorenpurkauksista on hyvin rajallinen ja paikallinen vaikutus ilmastoon ja ympäristöön. Tämä johtuu siitä, että (1) vapautuvien kaasujen määrä on pieni, (2) purkaus ei kestä tarpeeksi kauan, (3) purkauspilvi ei yllä tarpeeksi korkealle tunkeutuakseen stratosfääriin. Jälkimmäinen on hyvin tärkeää, koska troposfäärin aerosolit huuhtoutuvat pois viikon kuluessa. Kesto on erittäin tärkeä myös siksi, että valtameri-ilmakehä-ilmastojärjestelmän on päästävä tasapainoon tulivuoren aiheuttamien häiriöiden kanssa, jotta sillä olisi pitkäaikainen vaikutus ympäristöön. Näin ei tapahdu, jos purkaus kestää vain muutaman kuukauden, vaikka se olisikin suhteellisen voimakas.

Geoterminen alue lähellä Strokkuria (Islannin tunnetuin geysiiri) Islannissa.

Vaikein vaikutus ilmastoon syntyy hyvin laajamittaisista ja pitkäkestoisista basalttipurkauksista, joita kutsutaan tulvaperäisiksi basalttitapahtumiksi. Miksi purkauksen on oltava basalttinen? Eikö tavallinen piipitoinen purkaus sisällä enemmän vulkaanisia kaasuja? Kyllä, se on totta, mutta nämä voimakkaita silikaasupurkauksia aiheuttavat kaasut koostuvat suurelta osin vesihöyrystä, joka ei aiheuta tuhoa maapallon ilmastolle ja ympäristölle. Basalttipurkaukset sen sijaan sisältävät enemmän rikkidioksidia, joka voi aiheuttaa paljon enemmän pitkän aikavälin ympäristöhaittoja. Tulvaperäiset basalttitapahtumat ovat niin vaikutusvaltaisia, koska ne ovat voimakkaita, kestävät pitkään ja sisältävät paljon rikkiä.

Tänä päivänä tutkijat yhdistävät yhä useammin tulvabasaltin muodostumat maapallon historian suuriin sukupuuttotapahtumiin. Dinosaurusten sukupuuttoon kuoleminen 65 miljoonaa vuotta sitten on jo pitkään yhdistetty Jukatanin niemimaalla tapahtunut törmäystapahtuma, jolla oli epäilemättä kielteinen vaikutus ympäristöön. Toisaalta on epätodennäköistä, että se olisi ainoa syyllinen, koska kyseessä oli hetkellinen tapahtuma, jonka vaikutukset olivat lyhytaikaisia. Vaikuttaa todennäköisemmältä, että tarvitaan satoja, ellei tuhansia vuosia, jotta valtameren ja ilmakehän kemia muuttuisi jatkuvasti ja aiheuttaisi joukkokuolemia. Lisäluottoa tälle hypoteesille antaa se, että vaikka liitukauden lopun sukupuuttoon kuoleminen, joka lopetti dinosaurusten valtakauden, liittyy Dekaanin tulvabasaltti-ilmiöön. Toinen ja paljon vakavampi sukupuuttotapahtuma 250 miljoonaa vuotta sitten ajoittuu myös samaan aikaan Siperiassa tapahtuneen suuren tulvaperäisen basalttimuodostuman kanssa.

Vaikka tulivuoret saattavat olla vastuussa suurista sukupuuttotapahtumista, ne ovat luultavasti myös pelastaneet elämää maapallolla ainakin kerran. Noin 650 miljoonaa vuotta sitten. Tämä aika maapallon historiassa tunnetaan nimellä Lumipallo Earth -tapahtuma. Suurin osa maapallosta oli jään peitossa, mikä lisäsi merkittävästi maapallon heijastuskykyä (albedo), mikä auttoi jäähdyttämään maapalloa entisestään. Kyseessä pitäisi olla tilanne, jossa ei ole paluuta normaalioloihin. Jotenkin se kuitenkin tapahtui. Todennäköisesti tehostuneen tulivuoritoiminnan vuoksi, joka pumppasi ilmakehään suuren määrän kasvihuonekaasuja.

Tulivuorilla ja erityisesti tuliperäisillä kaasuilla on merkittävä ja monimutkainen rooli ilmaston ja ilmakehän muokkaamisessa. Tiedämme, että nykyinen vulkaanisen toiminnan taustataso ei vaikuta merkittävästi ilmaston lämpenemiseen tai muuta maapallon ympäristöä. Maapallon historia on kuitenkin osoittanut selvästi, että niillä on voimaa tehdä niin.

Fumaroli Kilauea Iki -laavajärvellä Havaijilla.

Tulivuoren kaasuihin liittyvät vaarat

Tulivuoren kaasut näyttäisivät olevan suhteellisen vähäinen vaaratekijä, jos laskemme kuolonuhrit jättäen kuitenkin huomiotta pyroklastisten tiheysvirtojen (Pyroclastic Density Currents, PDC) aiheuttamat kuolonuhrit. PDC:t ovat hyvin tappavia, mutta tätä ilmiötä käsitellään yleensä erikseen, koska se ei ole vain tulinen kaasupilvi vaan myös erikokoisen kiviaineksen seos. Vaikka vulkaanisten kaasujen aiheuttamien kuolemantapausten kokonaismäärä on suhteellisen vaatimaton, tukehtuminen ei todellakaan ole miellyttävä tapa kuolla. Mitkä sitten ovat vaarat ja mitä niiden välttämiseksi voidaan tehdä?

Tulivuorikaasujen yleisistä ainesosista useimmat ovat vaarallisia ihmisille ja muille elollisille olentoille suurina pitoisuuksina. Tärkeimmät kuolemantapauksia tai terveysongelmia aiheuttavat aiheuttajat ovat hiilidioksidi, rikkidioksidi, rikkivety, suolahappo, fluorivetyhappo ja rikkihappo.

Tulivuorikaasuja nousee Havaijilla sijaitsevan Kilauea-tulivuoren huipun kalderasta.

Hiilidioksidi

Hiilidioksidi on vaaratonta pieninä määrinä (0,04 % ilmasta on hiilidioksidia), mutta voi aiheuttaa lähes välittömän kooman, jos sitä on tarpeeksi paljon. Hiilidioksidi on hajutonta ja väritöntä ja tiheämpää kuin ilma. Se tarkoittaa, että vaaraa on vaikea havaita, mutta meidän on varmistettava, että vulkaanisesti aktiivisilla alueilla harkitsemme kahdesti ennen kuin menemme tutkimaan minkäänlaisia reikiä, kraattereita tai painaumia, koska ne voivat olla täynnä tätä kaasua. Hiilidioksidi on aiheuttanut suuren määrän tuliperäisiin kaasuihin liittyviä uhreja. Erityisen kuuluisa on Nyos-järven tapahtuma, jossa kuoli 1700 ihmistä Kamerunissa. En mene yksityiskohtiin, koska tämä tapahtuma on jo kuvattu hyvin muualla ja koska se on merkittävä, mutta ei suinkaan laajalle levinnyt tapahtuma. On olemassa vain kaksi tapausta (Nyos- ja Monoun-järven tapahtumat vuonna 1986 ja 1984), joissa hiilidioksidin nopea ja laajamittainen vapautuminen järvistä on dokumentoitu4.

Hiilidioksidi on tappavaa myös kasvillisuudelle, vaikka pienempinä määrinä kaikki vihreät kasvit tarvitsevat sitä fotosynteesiin. Jopa suuret puut voivat kuolla, jos maaperässä on niin paljon hiilidioksidia, että puiden juuret eivät enää pysty imemään happea. Tunnetuin tällainen alue on Inyon kansallismetsässä Kaliforniassa. Henkilökohtainen hauska ja surullinen tarinani tähän paikkaan liittyen on se, että vaikka pidän itseäni kaiken geologisen harrastelijavalokuvaajana, en ilmeisesti onnistunut ottamaan kuvaa tästä paikasta, vaikka näin nämä kuivuneet puut siellä omin silmin. Niin kai käy, varsinkin jos on tarpeeksi tyhmä luullakseen, ettei kuolleilla puilla ole mitään tekemistä geologian kanssa.

Rikkidioksidi

Rikkidioksidilla on selvä, terävästi tunkeutuva haju, joka on havaittavissa jo niinkin alhaisissa pitoisuuksissa kuin 1 ppm (yksi miljoonasosa). Muistan yhden hengenvedon Kilauean kyljessä lähellä virtaavaa laavaa, joka ärsytti nenääni niin terävästi, että käännyin välittömästi juoksemaan. Se oli SO2:n haju, jonka pitoisuus oli selvästi yli 1 ppm. Ehkä sinäkin olet tuntenut sen. Kun sytytät tulitikun liian lähellä nenääsi, saatat tuntea polttavaa ja epämiellyttävää tunnetta, joka johtuu samasta rikkiyhdisteestä. Rikkidioksidi reagoi ilmassa olevan veden kanssa muodostaen rikkihappoa, joka saostuu happamana sateena ja myös heijastaa auringon säteilyä takaisin, mikä alentaa keskilämpötilaa.

Vulkaniset kaasut sisältävät usein runsaasti rikkiä, erityisesti koostumukseltaan mafiset laavat. Kirkkaan keltainen mineraali on alkuainerikkiä. Rikkipitoinen fumaroli tunnetaan nimellä solfatara. Sulphur Banks, Havaiji.

Rikkivety

Rikkivety on toinen myrkyllinen kaasu, jolla on myös selvä ja melko epämiellyttävä haju, joka usein yhdistetään mätämuniin. Siitä ei valitettavasti ole suurimmalle osalle ihmisistä kovinkaan paljon apua, koska mädät kananmunat tuntuvat olevan nykyään vaikeasti löydettävissä oleva kuriositeetti. Joka tapauksessa tämä rikkiyhdiste ja sen haju ovat helposti havaittavissa ja hyvin yleisiä vulkaanisesti aktiivisilla alueilla. Kyseinen kaasu on myös ilmaa raskaampaa, ja sillä on taipumus keskittyä matalammille alueille. Vuonna 1971 kuusi lasketteluhiihtäjää kuoli Japanissa lähes välittömästi kulkiessaan sen täyttämän painanteen läpi4. Myös monet muut tuliperäisiin kaasuihin liittyvät kuolemantapaukset liittyvät suoraan tähän rikkiyhdisteeseen.

HCl ja HF

Tuliperäisiltä alueilta tulevat höyryt ovat happamia paitsi rikkihapon myös vetykloridin ja fluorivedyn vuoksi. Ensin mainittu on mahahapon pääasiallinen ainesosa, ja jokainen vakavasti otettava kenttägeologi kantaa sitä mukanaan pienessä pullossa, koska se on helppo testi karbonaattikiville (sen määrittämiseksi, onko kyseessä kalkkikivi vai dolokivi). HCl ei oikeastaan ole kovin vakava uhka elämällemme (vaikka se on tietysti aiheuttanut kuolemantapauksia), mutta se vaikuttaa happosateeseen, aiheuttaa hengitysvaikeuksia ja ärsyttää silmiä. Havaijilla muodostuu laavasumua (tai laakeutta), kun mereen virtaava sula laava käynnistää kemiallisen reaktion meriveteen liuenneiden suolaionien ja veden välillä, jolloin syntyy suolahappoa. Geologit käyttävät myös fluorivetyhappoa (HF), mutta tällä kertaa laboratorioissa tarkoin valvotuissa olosuhteissa, koska tämä aine on todella ikävää ainetta. Se on erittäin ärsyttävää iholle, ja palovammat paranevat hitaasti. Kosketus silmiin aiheuttaa vakavia palovammoja ja sokeutta, jos sitä ei poisteta välittömästi juoksevalla vedellä.

Lava laze (laava + usva) Havaijilla. Tämä savupilvi koostuu vesihöyrystä, mutta se sisältää myös paljon suolahappoa. Se nousee paikasta, jossa laava virtaa mereen laavatunnelista.

Kloorivetyhappo muodostuu, kun merivesi reagoi siihen liuenneen suolan (natriumkloridi) kanssa.

Mitä voimme siis tehdä välttääksemme tulivuorikaasuihin liittyvät vaarat. Se on todella helppoa. Pysy kaukana tulivuorista, niin mitään pahaa ei tapahdu. Jos tämä ei kuitenkaan ole sitä, mitä halusit kuulla, niin suosittelen ehdottomasti välttämään alempia alueita, joihin tiheät kaasut voivat kerääntyä ja yritä myös kiinnittää huomiota tuulen suuntaan. Yritä pysytellä tuulen suunnassa (tuulen yläpuolella) vulkaanisten kaasujen lähteistä, ja jos sinun on todella mentävä todella vaarallisiin paikkoihin, niin toivottavasti tiedät jo, mitä teet, koska olet ammattimainen vulkanologi, jolla on hyvä kaasunaamari ja suojavaatetus.

Geoterminen alue Islannissa lähellä Viti Maaria, jossa on mutapotteja ja keltaista rikkiä.

Mutainen fumaroli (mutapotti) Islannissa.

Toinen mutapotti Islannissa.

1. Jackson, J. A. (1997). Glossary of Geology, 4. painos. American Geological Institute.
2. Gerlach, T. M. (1999). Volcanic Gases. In: Encyclopedia of Geochemistry (Encyclopedia of Earth Sciences Series) (Ed. Marshall, Clare P. & Fairbridge, Rhodes W.). Springer. 656-657.
3. Delmelle, Pierre & Stix, John (1999). Volcanic Gases. In: Encyclopedia of Volcanoes (toim. Sigurdsson, H.). Academic Press. 803-815.
4. Williams-Jones, Glyn & Rymer, Hazel (1999). Tuliperäisten kaasujen aiheuttamat vaarat. In: Encyclopedia of Volcanoes (toim. Sigurdsson, H.). Academic Press. 997-1004.