I gas vulcanici sono sostanze volatili rilasciate da un vulcano o da una zona vulcanicamente attiva. I gas vulcanici sono sempre coinvolti nelle eruzioni vulcaniche, ma sono spesso emessi anche da vulcani in degassamento passivo (dormienti). Le sostanze volatili sono elementi chimici o composti disciolti nel magma che formano un gas a pressione e temperatura relativamente basse3.
L’area geotermica in Islanda vicino al lago Myvatn è un bel posto con odore sgradevole di idrogeno solforato.
Una volta si credeva che ogni vulcano avesse il suo particolare tipo di gas: anidride solforosa all’Etna, cloruro di idrogeno al Vesuvio, anidride carbonica a Puracé (Colombia), ecc. Negli anni 1850 fu dimostrato da un mineralogista francese Charles Sainte-Claire Deville che non era vero3. Ma ogni vulcano ha comunque il proprio carattere (miscela media di diverse specie di gas) che è il risultato della composizione del magma, dell’impostazione tettonica, della profondità di degassamento, delle interazioni con le acque sotterranee e i sistemi idrotermali, della composizione crostale, ecc.
Il costituente più importante dei gas vulcanici è il vapore acqueo (forma circa il 90% di tutti i gas1) sebbene la concentrazione sia inferiore (circa il 60%) nei gas provenienti direttamente dai crateri3. La prossima specie di gas più importante è l’anidride carbonica (CO2) che costituisce circa il 10…40% dei gas. Anche i composti dello zolfo biossido di zolfo (SO2) e solfuro di idrogeno (H2S) sono molto importanti. Gli elementi chimici Cl, F e Br si presentano come acidi (combinati con l’idrogeno dell’acqua per formare acido cloridrico, fluoridrico e idrobromico). Sono anche costituenti molto comuni anche se la loro composizione è molto variabile. Idrogeno (H2), monossido di carbonio (CO), metano (CH4), zolfo (S2), azoto (N2), ammoniaca (NH3), ossigeno (O2) e gas rari sono presenti in quantità minori. Numerosi metalli sono anche presenti (Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Bi, Na, K) a livelli di traccia. Sono per lo più trasportati come cloruri e fluoruri2.
I gas vulcanici alle Hawaii sono ricchi di anidride carbonica e anidride solforosa. Fianco del Kilauea tra Pu’u O’o e la costa.
Magma in degassamento nel cratere Halema’uma’u pit (collasso) all’interno della caldera sommitale del Kilauea alle Hawaii.
Paesaggio islandese vicino al vulcano Krafla. Le rocce in primo piano sono coperte da minerali (zolfo, gesso) precipitati dai gas vulcanici.
Le fonti dei gas vulcanici
Ci sono tre serbatoi principali che forniscono componenti volatili per formare il gas vulcanico.
- Il mantello
- La crosta
- L’atmosfera & idrosfera
Il materiale del mantello domina se il vulcano stesso è alimentato da un materiale proveniente dalle profondità. Questo è il caso del vulcanismo hot spot sotto la crosta oceanica. Un buon esempio sono le Hawaii. Questi vulcani emettono miscele di gas che sono relativamente ricchi di composti di zolfo e carbonio ma, cosa importante, contengono poca acqua. Questa è la stessa ragione che spiega perché le Hawaii e simili vulcani insulari lontani dai margini continentali non sono molto esplosivi – non emettono molto vapore acqueo. È l’accumulo di gas all’interno dell’edificio vulcanico che determina il comportamento esplosivo.
I gas vulcanici dei vulcani sui margini continentali (i vulcani dell’Anello di Fuoco che circondano il Bacino del Pacifico, per esempio) sono compositivamente più versatili e variabili perché incorporano anche il materiale crostale che può avere una composizione molto variabile. Questi vulcani sono generalmente di natura esplosiva perché il loro magma è spesso (la composizione più silicea ostacola il rilascio di sostanze volatili) e contiene anche molta acqua che si espande più di 1000 volte quando passa dallo stato disciolto (dentro il magma) alla fase gassosa separata.
Mudpot è un tipo di fumarola. I gas vulcanici acidi corrodono le rocce circostanti, trasformandole in un fango acquoso che sembra bollire a causa delle bolle. Questo mudpot si trova in Islanda vicino al vulcano Krafla.
Da dove viene quell’acqua? Ci sono due fonti principali. Questo tipo di vulcanismo è associato alle zone di subduzione. Le lastre di crosta oceanica in subduzione portano i minerali idratati sotto la crosta continentale, dove iniziano a rilasciare acqua a causa dell’immensa pressione. Quest’acqua aiuta inoltre a fondere le rocce che iniziano a salire come magma liquido e alla fine creeranno una catena di vulcani sul margine continentale (come le Cascate, per esempio). Quest’acqua faceva originariamente parte del sistema idrosfera-atmosfera, ma poiché è passata attraverso il processo di subduzione non è più considerata parte di esso. Un’altra fonte importante di acqua nei gas vulcanici è l’acqua meteorica. Questa è fondamentalmente acqua piovana direttamente o indirettamente attraverso corpi idrici contenenti acqua piovana. Il sistema idrosfera-atmosfera non fornisce solo acqua, ma anche sostanze che sono dissolte nell’acqua (ossigeno e altri gas atmosferici). La particolare miscela di gas vulcanici è quindi altamente dipendente dalle condizioni locali.
Va anche detto che il gas vulcanico (o parte di esso) non deve necessariamente essere il risultato della degassificazione del magma. Può essere solo acqua freatica riscaldata dal vulcanismo vicino. I gas vulcanici possono essere rilasciati dai crateri sommitali ma anche dalle fessure sui fianchi (fumarole) o possono essere rilasciati in modo diffuso attraverso il terreno (specialmente specie non reattive come CO2 e He3).
Sulphur Springs, Saint Lucia. Santa Lucia è un’isola vulcanica situata sopra una zona di subduzione.
L’influenza dei gas vulcanici sul clima e l’ambiente
Gli scienziati stanno ovviamente studiando i gas vulcanici per avere una visione del funzionamento interno di un vulcano per essere meglio preparati a future eruzioni. Ma è anche molto interessante studiare i gas perché hanno immensamente influenzato la composizione dell’atmosfera terrestre (e anche dell’idrosfera) in passato e continuano a farlo anche in futuro.
L’atmosfera terrestre e l’idrosfera influenzano la composizione dei gas vulcanici in larga misura, ma è interessante notare che sia l’atmosfera che l’idrosfera sono i risultati della degassificazione del magma. Tutti i principali costituenti (azoto, anidride carbonica, acqua) di queste geosfere sono di origine vulcanica (notevole eccezione è l’ossigeno). La Terra primordiale era probabilmente interamente fusa. Non appena si raffreddò, l’acqua cominciò ad accumularsi nelle zone più basse come acqua piovana condensata dalle nubi vulcaniche di vapore. L’atmosfera primordiale era anche molto ricca di anidride carbonica. Il livello attuale dello 0,04% può sembrarci molto perché solo pochi decenni fa era lo 0,035%. Si tratta di un cambiamento importante e molto rapido, molto probabilmente causato dall’attività umana. Ma la Terra ha visto tempi in cui il livello di CO2 è stato molte decine di volte più alto. Anche durante la storia relativamente recente (recente se paragonata agli interi 4,5 miliardi di anni della storia della Terra) quando i dinosauri dominavano la Terra c’era almeno cinque volte più CO2 nell’aria. Di conseguenza la temperatura media dell’aria era anche significativamente più alta (circa 22 °C) a causa dell’effetto serra più intenso.
Lo zolfo precipitato dai gas vulcanici in Islanda, Vulcano Krafla. I composti dello zolfo (specialmente l’anidride solforosa) sono potenzialmente in grado di influenzare gravemente il clima e l’ambiente.
I gas vulcanici sono quindi variabili molto influenti che modificano il clima della Terra, ma il modo in cui lo influenzano non è affatto semplice e diretto. L’anidride carbonica e molti altri composti volatili rilasciati dai vulcani (come il vapore acqueo e l’anidride solforosa) sono potenti gas serra, ma alcune sostanze hanno un effetto di raffreddamento opposto. La SO2 in particolare è degna di nota sia per il ruolo di raffreddamento che di riscaldamento. Riscalda l’atmosfera come gas serra, ma forma anche aerosol di acido solforico che possono rimanere nella stratosfera per diversi anni e hanno un chiaro effetto di raffreddamento come foschia che respinge la radiazione solare in arrivo.
La grande maggioranza delle eruzioni vulcaniche ha un effetto molto limitato e locale sul clima e sull’ambiente. Questo perché (1) la quantità di gas rilasciati è piccola, (2) l’eruzione non dura abbastanza a lungo, (3) la nube dell’eruzione non arriva abbastanza in alto da penetrare nella stratosfera. Quest’ultimo è molto importante perché gli aerosol troposferici saranno lavati via entro una settimana. La durata è anche molto importante perché per avere un effetto duraturo sull’ambiente il sistema climatico oceano-atmosfera deve raggiungere l’equilibrio con le perturbazioni vulcaniche. Questo non accadrà se l’eruzione dura solo pochi mesi, anche se è relativamente potente.
Area geotermica vicino a Strokkur (il geyser più famoso d’Islanda) in Islanda.
L’effetto più grave sul clima viene da eruzioni basaltiche molto grandi e di lunga durata che sono conosciute come eventi basaltici di piena. Perché l’eruzione deve essere basaltica? L’eruzione silicica comune non contiene più gas vulcanici? Sì, è vero, ma questi gas che causano potenti eruzioni siliciche sono in gran parte composti da vapore acqueo che non causano danni al clima e all’ambiente della Terra. Le eruzioni basaltiche invece contengono più anidride solforosa che ha molto più potenziale di causare danni ambientali a lungo termine. Gli eventi basaltici alluvionali sono così influenti a causa della potenza, della lunga durata e di molto zolfo.
Oggi gli scienziati stanno sempre più collegando le formazioni di basalto alluvionale con i principali eventi di estinzione nella storia della Terra. L’estinzione dei dinosauri 65 milioni di anni fa è stata a lungo associata all’evento di impatto sulla penisola dello Yucatán, che senza dubbio ha avuto un effetto negativo sull’ambiente. D’altra parte, è improbabile che sia l’unico colpevole perché fu un evento istantaneo che ebbe effetti di breve durata. Sembra più probabile che ci vogliano centinaia se non migliaia di anni per alterare costantemente la chimica oceano-atmosfera per causare estinzioni di massa. Un ulteriore credito a questa ipotesi viene dal fatto che mentre l’evento estintivo del Cretaceo finale che pose fine al dominio dei dinosauri è associato all’evento del basalto del Deccan. Un altro e molto più grave evento estintivo di 250 milioni di anni fa è anche coevo a una grande formazione di basalto alluvionale in Siberia.
Se i vulcani possono essere responsabili di grandi eventi estintivi, probabilmente hanno anche salvato la vita sulla Terra almeno una volta. Circa 650 milioni di anni fa. Questo periodo della storia della Terra è noto come l’evento Snowball Earth. La maggior parte della Terra era coperta di ghiaccio che aumentava significativamente la riflettività (albedo) della Terra, il che aiutava a raffreddare ulteriormente la Terra. Dovrebbe essere una situazione senza ritorno alle condizioni normali. Tuttavia, in qualche modo è successo. Probabilmente a causa dell’intensificazione dell’attività vulcanica che ha pompato una grande quantità di gas serra nell’atmosfera.
I vulcani e i gas vulcanici in particolare hanno un ruolo significativo e complicato nel modificare il clima e l’atmosfera. Sappiamo che l’attuale livello di fondo del vulcanismo non contribuisce significativamente al riscaldamento globale o all’alterazione dell’ambiente terrestre. Ma la storia della Terra ha dimostrato chiaramente che hanno il potere di farlo.
Fumarola sul lago di lava Kilauea Iki alle Hawaii.
Pericoli associati ai gas vulcanici
I gas vulcanici sembrano essere un pericolo relativamente minore se contiamo le vittime, tenendo da parte le morti causate dalle correnti piroclastiche di densità (PDC). Le PDC sono molto mortali, ma questo fenomeno è di solito trattato separatamente perché non è solo una nube di gas infuocato, ma anche una miscela di materiale roccioso di varie dimensioni. Anche se il numero complessivo di morti causate dai gas vulcanici è relativamente modesto, l’asfissia non è sicuramente un modo piacevole di morire. Quali sono allora i pericoli e cosa si può fare per evitarli?
La maggior parte dei costituenti comuni dei gas vulcanici sono pericolosi per gli esseri umani e altre forme viventi in concentrazioni elevate. I principali colpevoli che causano morti o problemi di salute sono l’anidride carbonica, l’anidride solforosa, il solfuro di idrogeno, l’acido cloridrico, l’acido fluoridrico e l’acido solforico.
Gas vulcanici che salgono dalla caldera sommitale del vulcano Kilauea nelle Hawaii.
Diossido di carbonio
Il diossido di carbonio è innocuo in piccole quantità (lo 0,04% dell’aria è CO2) ma può causare un coma quasi istantaneo se concentrato abbastanza. Il CO2 è inodore e incolore e più denso dell’aria. Ciò significa che il pericolo è difficile da rilevare, ma dobbiamo assicurarci che nelle zone vulcanicamente attive ci penseremo due volte prima di andare ad esplorare qualsiasi tipo di buchi, crateri o depressioni perché potrebbero essere pieni di questo gas. L’anidride carbonica ha causato un gran numero di vittime associate ai gas vulcanici. Particolarmente famoso è l’evento del Lago Nyos che ha ucciso 1700 persone in Camerun. Non entrerò nei dettagli perché questo evento è già ben descritto altrove e in secondo luogo perché si tratta di un evento notevole ma per nulla diffuso. Ci sono solo due casi (gli eventi del lago Nyos e del vicino Monoun nel 1986 e nel 1984, rispettivamente) in cui è documentato un rilascio così rapido e su larga scala di anidride carbonica dai laghi4.
L’anidride carbonica è anche letale per la vegetazione, sebbene in quantità minori tutte le piante verdi ne abbiano bisogno per la fotosintesi. Anche i grandi alberi possono essere uccisi se c’è così tanta CO2 nel suolo che le radici degli alberi non possono più assorbire ossigeno. La zona più famosa di questo tipo è la Inyo National Forest in California. La mia personale storia divertente e triste associata a questo luogo è che anche se mi considero un fotografo per hobby di tutto ciò che è geologico, apparentemente non sono riuscito a scattare una foto di questo luogo, anche se ho visto questi alberi secchi lì con i miei occhi. Succede, suppongo, soprattutto se sei abbastanza stupido da pensare che gli alberi morti non hanno nulla a che fare con la geologia.
Il biossido di zolfo
Il biossido di zolfo ha un odore netto e penetrante che è rilevabile già in concentrazioni di 1 ppm (una parte per milione). Ricordo un respiro sui fianchi del Kilauea, vicino alla lava che scorreva, che era così fortemente irritante per il mio naso che mi ha fatto immediatamente girare e correre. Era l’odore della SO2 in concentrazione ben superiore a 1 ppm. Forse l’avete sentito anche voi. Quando si accende un fiammifero troppo vicino al naso si può sentire una sensazione di bruciore e sgradevolezza che è causata dallo stesso composto dello zolfo. L’anidride solforosa reagisce con l’acqua nell’aria per formare acido solforico che precipita come pioggia acida e inoltre retrodiffonde le radiazioni del sole, abbassando così la temperatura media.
I gas vulcanici sono spesso ricchi di zolfo, specialmente le lave di composizione mafica. Il minerale giallo brillante è zolfo elementare. La fumarola solforosa è conosciuta come solfatara. Banche dello zolfo, Hawaii.
Solfuro di idrogeno
Il solfuro di idrogeno è un altro gas tossico che ha anche un odore distinto e piuttosto sgradevole spesso associato alle uova marce. Questo, temo, non è troppo utile per la maggior parte delle persone perché le uova marce sembrano essere una curiosità difficile da trovare al giorno d’oggi. Comunque, questo composto di zolfo e il suo odore sono facilmente percettibili e molto comuni nelle aree vulcanicamente attive. Questo gas è anche più pesante dell’aria e tende a concentrarsi nelle zone più basse. Nel 1971 sei sciatori in Giappone morirono quasi istantaneamente passando attraverso una depressione piena di questo gas4. Molti altri incidenti mortali legati ai gas vulcanici sono anche direttamente associati a questo composto dello zolfo.
HCl e HF
I fumi provenienti dalle aree vulcaniche sono acidi non solo a causa dell’acido solforico ma anche a causa del cloruro di idrogeno e del fluoruro di idrogeno. Il primo è il principale costituente dell’acido gastrico e portato anche in una bottiglietta da ogni serio geologo da campo perché fa un facile test per le rocce carbonatiche (per determinare se si tratta di calcare o dolostone). L’HCl non è una minaccia molto seria per le nostre vite (anche se ha causato vittime, ovviamente) ma contribuisce alle piogge acide, causa problemi respiratori ed è irritante per gli occhi. Alle Hawaii, la foschia di lava (o laze) si forma quando la lava fusa che scorre verso il mare inizia una reazione chimica tra gli ioni di sale disciolti nell’acqua di mare e l’acqua che dà luogo all’acido cloridrico. Anche l’acido fluoridrico (HF) è usato dai geologi, ma questa volta in laboratori in condizioni attentamente controllate, perché questa sostanza è davvero brutta. È estremamente irritante per la pelle e le ustioni guariscono lentamente. Il contatto con gli occhi causa gravi ustioni e cecità se non viene rimosso immediatamente con acqua corrente.
Lava laze (lava + haze) alle Hawaii. Questa nuvola di fumo è composta da vapore acqueo ma contiene anche molto acido cloridrico. Si alza dal luogo dove la lava scorre sul mare da un tunnel di lava.
L’acido cloridrico si forma quando l’acqua di mare reagisce con il sale (cloruro di sodio) disciolto al suo interno.
Quindi cosa possiamo fare per evitare i pericoli associati ai gas vulcanici. È molto semplice. State lontani dai vulcani e non succederà nulla di male. Tuttavia, se questo non è quello che volevi sentire, allora ti consiglio di evitare assolutamente le zone più basse dove i gas densi possono accumularsi e anche di fare attenzione alla direzione del vento. Cerca di stare sopravento (upwind) rispetto alle fonti di gas vulcanici e se proprio devi andare in posti davvero pericolosi allora si spera che tu sappia già cosa stai facendo perché sei un vulcanologo professionista con una buona maschera antigas e abbigliamento protettivo.
Area geotermica in Islanda vicino a Viti Maar con pozze di fango e zolfo giallo.
Fumarole fangose (mudpot) in Islanda.
Un altro mudpot in Islanda.
1. Jackson, J. A. (1997). Glossario di Geologia
2. Gerlach, T. M. (1999). Gas vulcanici. In: Encyclopedia of Geochemistry (Encyclopedia of Earth Sciences Series)
3. Delmelle, Pierre & Stix, John (1999). Gas vulcanici. In: Encyclopedia of Volcanoes
4. Williams-Jones, Glyn & Rymer, Hazel (1999). Pericoli dei gas vulcanici. In: Encyclopedia of Volcanoes