Vulkaniska gaser är flyktiga ämnen som frigörs från en vulkan eller ett vulkaniskt aktivt område. Vulkaniska gaser är alltid inblandade i vulkanutbrott, men de avges ofta även av passivt avgasande (vilande) vulkaner. Flyktiga ämnen är kemiska element eller föreningar som är lösta i magma och som bildar en gas vid relativt lågt tryck och temperatur3.
Geotermiskt område på Island nära sjön Myvatn är en vacker plats med en obehaglig lukt av vätesulfid.
En gång trodde man att varje vulkan har sin egen typ av gas: svaveldioxid vid Etna, väteklorid vid Vesuvius, koldioxid vid Puracé (Colombia) osv. På 1850-talet visade den franske mineralogen Charles Sainte-Claire Deville att detta inte var sant3. Men varje vulkan har ändå sin egen karaktär (genomsnittlig blandning av olika gasarter) som är ett resultat av magmasammansättning, tektonisk miljö, avgasningsdjup, interaktioner med grundvatten och hydrotermiska system, jordskorpans sammansättning osv.
Den viktigaste beståndsdelen i vulkaniska gaser är vattenånga (bildar cirka 90 % av alla gaser1) även om koncentrationen är lägre (cirka 60 %) i gaser som kommer direkt från kratrar3. Den näst viktigaste gasarten är koldioxid (CO2) som utgör ca 10…40 % av gaserna. Svavelföreningarna svaveldioxid (SO2) och vätesulfid (H2S) är också mycket viktiga. De kemiska grundämnena Cl, F och Br förekommer som syror (kombinerade med väte från vatten för att bilda saltsyra, fluorvätesyra och bromvätesyra). De är också mycket vanliga beståndsdelar även om deras sammansättning är mycket varierande. Väte (H2), kolmonoxid (CO), metan (CH4), svavel (S2), kväve (N2), ammoniak (NH3), syre (O2) och sällsynta gaser förekommer i mindre mängder. Många metaller (Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Bi, Na, K) förekommer också i spår av spårämnen. De transporteras oftast som klorider och fluorider2.
Vulkaniska gaser på Hawaii är rika på koldioxid och svaveldioxid. Kilaueas flank mellan Pu’u O’o och kusten.
Avgasande magma vid Halema’uma’u gropkrater (kollaps) i Kilaueas toppkaldera i Hawaii.
Isländskt landskap nära vulkanen Krafla. Klipporna i förgrunden är täckta av mineraler (svavel, gips) som fällts ut från vulkaniska gaser.
Källorna till vulkaniska gaser
Det finns tre huvudsakliga reservoarer som tillhandahåller flyktiga komponenter för att bilda vulkanisk gas.
- Manteln
- Korpan
- Atmosfären &Hydrosfären
Materialet från manteln dominerar om själva vulkanen matas av ett material från djupt under jord. Detta är fallet med hot spot-vulkanism under den oceaniska jordskorpan. Ett bra exempel är Hawaii. Dessa vulkaner avger blandningar av gaser som är relativt rika på svavel- och kolföreningar men som, vilket är viktigt, innehåller lite vatten. Det är just detta som förklarar varför Hawaii och liknande övulkaner långt från kontinentalmarginalerna inte är särskilt explosiva – de avger inte mycket vattenånga. Det är uppbyggnaden av gaser inom den vulkaniska byggnaden som resulterar i explosivt beteende.
Vulkaniska gaser från vulkaner på kontinentalranden (exempelvis eldringens vulkaner som omger Stillahavsbäckenet) har en mångsidigare och mer varierande sammansättning, eftersom de också innehåller material från jordskorpan som kan ha en mycket varierande sammansättning. Dessa vulkaner är i allmänhet explosiva till sin natur eftersom deras magma är tjock (en mer kiselhaltig sammansättning hindrar frigörandet av flyktiga ämnen) och den innehåller också mycket vatten som expanderar mer än 1 000 gånger när det övergår från löst tillstånd (i magma) till separat gasformig fas.
Mudpot är en typ av fumarole. Sura vulkaniska gaser fräter på de omgivande stenarna och förvandlar dem till en vattnig slam som ser ut att koka på grund av bubblande. Den här lerpotten finns på Island nära vulkanen Krafla.
Varifrån kommer vattnet? Det finns två huvudsakliga källor. Den här typen av vulkanism är förknippad med subduktionszoner. Subducerade plattor av oceanisk skorpa för med sig hydratiserade mineraler under kontinentalskorpan där de börjar släppa ut vatten på grund av det enorma trycket. Detta vatten bidrar dessutom till att smälta stenarna som börjar stiga upp som flytande magma och så småningom kommer att skapa en kedja av vulkaner på kontinentalsidan (som till exempel The Cascades). Detta vatten var ursprungligen en del av hydrosfär-atmosfärsystemet, men eftersom det genomgick subduktionsprocessen anses det inte längre vara en del av det. En annan viktig källa till vatten i vulkaniska gaser är meteorvatten. Detta är i princip regnvatten, antingen direkt eller indirekt genom vattenförekomster som innehåller regnvatten. Systemet hydrosfär-atmosfär ger inte bara vatten utan även ämnen som är lösta i vatten (syre och andra atmosfäriska gaser). Den särskilda blandningen av vulkaniska gaser är därför starkt beroende av lokala förhållanden.
Det är också värt att nämna att vulkanisk gas (eller en del av den) inte behöver vara ett resultat av magmaavgasning. Det kan bara vara grundvatten som värms upp av närliggande vulkanism. Vulkaniska gaser kan frigöras från toppkratrar men också från sprickor på flankerna (fumaroler) eller så kan de frigöras diffust genom marken (särskilt icke-reaktiva arter som CO2 och He3).
Sulphur Springs, Saint Lucia. Saint Lucia är en vulkanisk ö som ligger ovanpå en subduktionszon.
Vulkaniska gasers påverkan på klimat och miljö
Vetenskapsmän studerar uppenbarligen vulkaniska gaser för att få en inblick i hur en vulkan fungerar i sitt inre för att vara bättre förberedda på framtida utbrott. Men det är också mycket intressant att studera gaserna eftersom de har påverkat sammansättningen av jordens atmosfär (och även hydrosfären) oerhört mycket i det förflutna och fortsätter att göra det även i framtiden.
Jordatmosfären och hydrosfären påverkar sammansättningen av vulkaniska gaser i stor utsträckning, men det är intressant att notera att både atmosfären och hydrosfären är resultatet av magmaavgasning. Alla de viktigaste beståndsdelarna (kväve, koldioxid, vatten) i dessa geosfärer har vulkaniskt ursprung (anmärkningsvärt undantag är syre). Den ursprungliga jorden var förmodligen helt och hållet smält. Så snart den svalnade började vattnet ansamlas i lägre områden som regnvatten som kondenserades från vulkaniska ångmoln. Den ursprungliga atmosfären var också mycket rik på koldioxid. Den nuvarande nivån 0,04 % kan tyckas vara mycket för oss eftersom den för bara några decennier sedan var 0,035 %. Det är en stor och mycket snabb förändring som sannolikt är orsakad av mänsklig aktivitet. Men jorden har upplevt tider då koldioxidhalten har varit tiotals gånger högre. Till och med under den relativt senaste tiden (nyligen jämfört med hela jordens 4,5 miljarder år) när dinosaurierna härskade på jorden fanns det minst fem gånger så mycket koldioxid i luften. Följaktligen var den genomsnittliga lufttemperaturen också betydligt högre (cirka 22 °C) på grund av den mer intensiva växthuseffekten.
Svavelsutfällning från vulkaniska gaser på Island, vulkanen Krafla. Svavelföreningar (särskilt svaveldioxid) har potential att allvarligt påverka klimatet och miljön.
Vulkaniska gaser är därför mycket inflytelserika variabler som modifierar jordens klimat, men hur de påverkar det är på intet sätt enkelt och okomplicerat. Koldioxid och många andra flyktiga föreningar som frigörs från vulkaner (som vattenånga och svaveldioxid) är potenta växthusgaser, men vissa ämnen har den motsatta kylande effekten. Särskilt SO2 är anmärkningsvärd för sin både kylande och värmande roll. Det värmer upp atmosfären som växthusgas men bildar också svavelsyraaerosoler som kan stanna i stratosfären i flera år och som har en klart kylande effekt som en dimma som återstrålar inkommande solstrålning.
Den stora majoriteten av vulkanutbrotten har en mycket begränsad och lokal effekt på klimatet och miljön. Detta beror på att (1) mängden gaser som frigörs är liten, (2) utbrottet inte varar tillräckligt länge, (3) utbrottsmolnet når inte tillräckligt högt för att tränga in i stratosfären. Det sistnämnda är mycket viktigt eftersom troposfäriska aerosoler tvättas bort inom en vecka. Varaktigheten är också mycket viktig eftersom klimatsystemet mellan hav och atmosfär måste komma i jämvikt med de vulkaniska störningarna för att ha en långvarig effekt på miljön. Detta kommer inte att ske om utbrottet bara varar några månader, även om det är relativt kraftfullt.
Geotermiskt område nära Strokkur (den mest kända gejsern på Island) på Island.
Den allvarligaste effekten på klimatet kommer från mycket storskaliga och långvariga basaltiska utbrott som kallas för översvämningsbasalthändelser. Varför måste utbrottet vara basaltiskt? Innehåller inte vanliga kiselalgsutbrott mer vulkaniska gaser? Jo, det stämmer, men dessa gaser som orsakar kraftiga kiselalgsutbrott består till stor del av vattenånga som inte kommer att orsaka förödelse för jordens klimat och miljö. Basaltiska utbrott innehåller däremot mer svaveldioxid som har mycket större potential att orsaka långsiktiga miljöskador. Översvämningsbasaltutbrott är så inflytelserika på grund av att de är kraftfulla, långvariga och innehåller mycket svavel.
Nuförtiden kopplar forskare mer och mer samman översvämningsbasaltformationer med stora utdöende händelser i jordens historia. Dinosauriernas utdöende för 65 miljoner år sedan har länge förknippats med nedslagshändelsen på Yucatánhalvön som utan tvekan hade en negativ inverkan på miljön. Å andra sidan är det osannolikt att det är den enda skyldiga eftersom det var en ögonblicklig händelse som hade kortvariga effekter. Det verkar mer troligt att det krävs hundratals, om inte tusentals år för att ständigt förändra kemin mellan hav och atmosfär för att orsaka massutdöenden. Denna hypotes får ytterligare stöd av det faktum att utdöendet i slutet av kritaperioden, som avslutade dinosauriernas herravälde, är förknippat med basaltfloden från Deccan. En annan och mycket allvarligare utdöende händelse för 250 miljoner år sedan är också samtida med en stor översvämningsbasaltbildning i Sibirien.
Vulkaner kan visserligen vara ansvariga för stora utdöendehändelser, men de har förmodligen också räddat livet på jorden åtminstone en gång. För cirka 650 miljoner år sedan. Denna tid i jordens historia är känd som händelsen snöbollsjord. Större delen av jorden var täckt av is, vilket avsevärt ökade jordens reflektionsförmåga (albedo), vilket bidrog till att kyla jorden ännu mer. Det borde vara en situation utan återgång till normala förhållanden. Men på något sätt hände det ändå. Förmodligen på grund av intensifierad vulkanisk aktivitet som pumpade ut stora mängder växthusgaser i atmosfären.
Vulkaner och i synnerhet vulkaniska gaser har en betydande och komplicerad roll när det gäller att förändra klimatet och atmosfären. Vi vet att den nuvarande bakgrundsnivån av vulkanism inte i någon större utsträckning bidrar till den globala uppvärmningen eller förändrar jordens miljö. Men jordens historia har tydligt visat att de har en förmåga att göra det.
Fumarole på lavasjön Kilauea Iki i Hawaii.
Faror i samband med vulkaniska gaser
Vulkaniska gaser tycks vara en relativt liten fara om vi räknar antalet dödsoffer samtidigt som vi håller de dödsfall som orsakas av de pyroklastiska densitetsströmmarna (PDC) åt sidan. PDC är mycket dödliga men detta fenomen brukar behandlas separat eftersom det inte bara är ett eldigt gasmoln utan också en blandning av stenmaterial av olika storlek. Även om det totala antalet dödsfall som orsakas av vulkaniska gaser är relativt blygsamt är kvävning definitivt inget trevligt sätt att dö på. Vilka är då farorna och vad kan man göra för att undvika dem?
De flesta av de vanligaste beståndsdelarna i vulkaniska gaser är farliga för människor och andra levande former i förhöjda koncentrationer. De största bovarna som orsakar dödsfall eller hälsoproblem är koldioxid, svaveldioxid, svavelväte, saltsyra, fluorvätesyra och svavelsyra.
Vulkaniska gaser som stiger upp från toppkaldera av vulkanen Kilauea på Hawaii.
Koldioxid
Koldioxid är ofarlig i små mängder (0,04 % av luften består av koldioxid) men kan orsaka nästan omedelbar koma om den är tillräckligt koncentrerad. CO2 är lukt- och färglös och tätare än luft. Det innebär att faran är svår att upptäcka, men vi måste se till att vi i vulkaniskt aktiva områden tänker oss för två gånger innan vi utforskar några slags hål, kratrar eller fördjupningar eftersom de kan vara fulla av denna gas. Koldioxid har orsakat ett stort antal dödsfall i samband med vulkaniska gaser. Särskilt känd är händelsen vid Nyos Lake som dödade 1 700 människor i Kamerun. Jag går inte in på detaljer eftersom denna händelse redan är väl beskriven på andra ställen och för det andra eftersom det är en anmärkningsvärd men ingalunda utbredd händelse. Det finns bara två fall (Nyos Lake och den närliggande Monoun Lake 1986 respektive 1984) där ett så snabbt och storskaligt utsläpp av koldioxid från sjöar har dokumenterats4.
Koldioxid är också dödlig för växtlighet, även om den i mindre mängder är livsfarlig för alla gröna växter som behöver den för fotosyntesen. Även stora träd kan dödas om det finns så mycket koldioxid i marken att trädens rötter inte längre kan ta upp syre. Det mest kända området av detta slag finns i Inyo National Forest i Kalifornien. Min personliga roliga och sorgliga historia i samband med denna plats är att även om jag anser mig vara en hobbyfotograf av allt geologiskt så misslyckades jag tydligen med att ta en bild av denna plats trots att jag såg dessa torkade träd där med mina egna ögon. Det händer, antar jag, särskilt om man är dum nog att tro att döda träd inte har något med geologi att göra.
Svaveldioxid
Svaveldioxid har en distinkt skarpt genomträngande lukt som kan påvisas redan i koncentrationer så låga som 1 ppm (en del per miljon). Jag minns ett andetag på Kilaueas flanker nära flödande lava som var så starkt irriterande för min näsa att jag genast vände mig om och sprang. Det var lukten av SO2 i en koncentration långt över 1 ppm. Kanske har du också känt den. När du tänder en tändsticka för nära näsan kan du känna en brännande och obehaglig känsla som orsakas av samma svavelförening. Svaveldioxid reagerar med vatten i luften för att bilda svavelsyra som fälls ut som surt regn och som också återstrålar solens strålning, vilket sänker medeltemperaturen.
Vulkaniska gaser är ofta rika på svavel, särskilt lava av mafisk sammansättning. Ljusgult mineral är elementärt svavel. Svavelhaltig fumarole är känd som solfatara. Sulphur Banks, Hawaii.
Vätesulfid
Vätesulfid är en annan giftig gas som också har distinkt och ganska obehaglig lukt som ofta förknippas med ruttna ägg. Det är tyvärr inte till någon större hjälp för de flesta människor eftersom ruttna ägg verkar vara en svårfångad kuriositet nuförtiden. Hur som helst är denna svavelförening och dess lukt lätt märkbara och mycket vanliga i vulkaniskt aktiva områden. Gasen är också tyngre än luft och tenderar att koncentreras i lägre belägna områden. År 1971 dog sex utförsåkare i Japan nästan omedelbart när de passerade genom en sänka fylld med den4. Många andra dödsfall i samband med vulkanisk gas är också direkt förknippade med denna svavelförening.
HCl och HF
Rök som kommer från vulkaniska områden är sura, inte bara på grund av svavelsyra utan också på grund av väteklorid och vätefluorid. Den förstnämnda är huvudbeståndsdelen i magsyra och bärs också med i en liten flaska av alla seriösa fältgeologer eftersom den utgör ett enkelt test för karbonatstenar (för att avgöra om det är kalksten eller doloston). HCl är egentligen inget allvarligt hot mot våra liv (även om det naturligtvis har orsakat dödsfall), men det bidrar till surt regn, orsakar andningsproblem och är irriterande för ögonen. På Hawaii bildas lavadimma (eller laze) när smält lava som rinner ut i havet startar en kemisk reaktion mellan saltjoner som är lösta i havsvatten och vatten, vilket resulterar i saltsyra. Fluorvätesyra (HF) används också av geologer, men denna gång i laboratorier under noggrant kontrollerade förhållanden eftersom detta ämne är riktigt otäckt. Det är extremt irriterande för huden och brännskador läker långsamt. Kontakt med ögonen orsakar allvarliga brännskador och blindhet om den inte omedelbart avlägsnas med rinnande vatten.
Lava laze (lava + haze) på Hawaii. Detta rökmoln består av vattenånga men innehåller också mycket saltsyra. Det stiger upp från den plats där lava strömmar ut i havet från en lavatunnel.
Hydrochlorsyra bildas när havsvatten reagerar med salt (natriumklorid) som är löst i det.
Så vad kan vi göra för att undvika faror i samband med vulkaniska gaser. Det är väldigt enkelt. Håll dig borta från vulkaner och inget dåligt händer. Men om detta inte är vad du ville höra så rekommenderar jag att du definitivt undviker lägre områden där täta gaser kan ansamlas och även försöker vara uppmärksam på vindriktningen. Försök att hålla dig i vindriktningen från källorna till vulkaniska gaser och om du verkligen måste bege dig till riktigt farliga platser så vet du förhoppningsvis redan vad du gör eftersom du är en professionell vulkanolog med en bra gasmask och skyddskläder.
Geotermiskt område på Island nära Viti Maar med lerfläckar och gul svavel.
Muddig fumarole (gyttjepanna) på Island.
En annan gyttjepanna på Island.
1. Jackson, J. A. (1997). Glossary of Geology
2. Gerlach, T. M. (1999). Vulkaniska gaser. 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). Risker med vulkaniska gaser. In: Encyclopedia of Volcanoes