Vulkanische Gase, die während des Ausbruchs des Ätna im Jahr 2002 in die Atmosphäre gelangten

Vulkanische Gase sind Gase, die von aktiven (und mitunter auch von ruhenden) Vulkanen freigesetzt werden . Dazu gehören Gase, die in Hohlräumen ( Vesikeln ) vulkanischen Gesteins eingeschlossen sind , gelöste oder dissoziierte Gase in Magma und Lava sowie Gase, die aus Lava, Vulkankratern oder -spalten austreten. Vulkanische Gase können auch durch Grundwasser freigesetzt werden, das durch vulkanische Aktivität erhitzt wurde .

Zu den Quellen vulkanischer Gase auf der Erde gehören:

Stoffe, die beim Erhitzen gasförmig werden oder Gase abgeben können, werden als flüchtige Stoffe bezeichnet.

Vulkanische Gase werden nicht nur bei einem Ausbruch freigesetzt; sie können auch langsam austreten, wenn ein Vulkan inaktiv ist. Dieser kontinuierliche Prozess, die sogenannte passive Entgasung, kann über Jahre andauern. Selbst geringe Emissionen können die Umgebung beeinflussen, indem sie die Boden- und Wasserchemie verändern und Pflanzen und Tiere beeinträchtigen. Durch die Untersuchung von Veränderungen in der Gaszusammensetzung und den Emissionsraten können Wissenschaftler die vulkanische Aktivität überwachen und potenzielle Gefahren vor einem Ausbruch einschätzen.

Zusammensetzung

Skizze mit typischen Kohlendioxid-Emissionsmustern aus vulkanischen und magmatischen Systemen
Durchschnittliche Kohlendioxidemissionen (CO2 ) von subaerischen Vulkanen weltweit im Zeitraum von 2005 bis 2017
Entgasung im Gipfelkrater des Villarrica, Chile

Die Hauptbestandteile vulkanischer Gase sind Wasserdampf (H₂O ) , Kohlendioxid (CO₂ ) , Schwefel entweder als Schwefeldioxid (SO₂ ) (bei Hochtemperatur-Vulkangasen) oder Schwefelwasserstoff (H₂S ) (bei Niedertemperatur-Vulkangasen), Stickstoff , Argon , Helium , Neon , Methan , Kohlenmonoxid und Wasserstoff . Weitere in vulkanischen Gasen nachgewiesene Verbindungen sind Sauerstoff (meteorischen Ursprungs), Chlorwasserstoff , Fluorwasserstoff , Bromwasserstoff , Schwefelhexafluorid , Carbonylsulfid und organische Verbindungen . Exotische Spurenstoffe umfassen Quecksilber [ 1 ] , Halogenkohlenwasserstoffe ( einschließlich FCKW ) [ 2 ] und Halogenoxidradikale [ 3 ] .

Die Gaskonzentrationen variieren erheblich von Vulkan zu Vulkan, abhängig von der vulkanischen Aktivität und der tektonischen Lage . Wasserdampf ist stets das am häufigsten vorkommende vulkanische Gas und macht normalerweise mehr als 60 % der Gesamtemissionen aus. Kohlendioxid trägt typischerweise 10 bis 40 % zu den Emissionen bei. [ 4 ]

Vulkane an konvergenten Plattengrenzen emittieren mehr Wasserdampf und Chlor als Vulkane an Hotspots oder divergenten Plattengrenzen. Dies ist auf die Beimischung von Meerwasser zu Magmen zurückzuführen, die in Subduktionszonen entstehen . Vulkane an konvergenten Plattengrenzen weisen zudem höhere Verhältnisse von H₂O / H₂ , H₂O / CO₂ , CO₂ / He und N₂ / He auf als Vulkane an Hotspots oder divergenten Plattengrenzen. [ 4 ]

Magmatische Gase und Hochtemperatur-Vulkangase

Magma enthält, wie oben beschrieben, gelöste flüchtige Bestandteile . Die Löslichkeit dieser verschiedenen flüchtigen Bestandteile hängt von Druck, Temperatur und der Zusammensetzung des Magmas ab. Beim Aufstieg des Magmas sinkt der Umgebungsdruck , wodurch die Löslichkeit der gelösten flüchtigen Bestandteile abnimmt. Sinkt die Löslichkeit unter die Konzentration der flüchtigen Bestandteile, entweichen Gase und bilden eine separate Gasphase. Das Magma wird dadurch mit flüchtigen Bestandteilen übersättigt .

Das Gas verteilt sich zunächst als kleine Bläschen im gesamten Magma, die nicht schnell aufsteigen können. Mit dem Aufstieg des Magmas wachsen die Bläschen aufgrund von Dekompression und weiterer Entmischung durch abnehmende Löslichkeit flüchtiger Bestandteile. Abhängig von der Viskosität des Magmas können die Bläschen entweder aufsteigen und verschmelzen oder relativ ortsfest bleiben, bis sie ein zusammenhängendes Netzwerk bilden. Im ersten Fall können sich die Bläschen an vertikalen Flächen, wie beispielsweise der Decke einer Magmakammer, ansammeln. Bei Vulkanen mit einem offenen Weg zur Oberfläche, wie etwa Stromboli in Italien , können die Bläschen die Oberfläche erreichen und beim Platzen kleine Explosionen verursachen. Im zweiten Fall kann das Gas schnell durch das durchlässige Netzwerk zur Oberfläche strömen. Dieser Mechanismus wurde beim Vulkan Santiaguito ( Vulkan Santa Maria , Guatemala) [ 5 ] und beim Vulkan Soufrière Hills ( Montserrat ) [ 6 ] beobachtet .

Kann das Gas nicht schnell genug entweichen, zerfällt das Magma in feine Asche. Die verflüssigte Asche bietet einen deutlich geringeren Bewegungswiderstand als zähflüssiges Magma und beschleunigt daher, was zu einer weiteren Gasausdehnung und einer raschen Bewegung des Gemisches führt. Diese Abfolge treibt explosiven Vulkanismus an. Ob das Gas sanft (passive Eruptionen) oder heftig (explosive Eruptionen) entweicht, hängt vom Gesamtgehalt an flüchtigen Bestandteilen im Magma und seiner Viskosität ab , die wiederum von seiner Zusammensetzung bestimmt wird.

Der Begriff „Entgasung in einem geschlossenen System“ beschreibt einen Prozess, bei dem Gas und das zugehörige Magma gemeinsam aufsteigen und dabei im Gleichgewicht bleiben. Die Zusammensetzung des austretenden Gases spiegelt das Gleichgewicht mit dem Magma bei dem Druck und der Temperatur wider, bei denen das Gas das System verlässt. Bei der Entgasung in einem offenen System trennt sich das Gas vom Magma und steigt durch das darüberliegende Magma auf, ohne im Gleichgewicht zu bleiben. Folglich stellt das an der Oberfläche freigesetzte Gas einen Massenstrommittelwert des in verschiedenen Tiefen entmischten Magmas dar und entspricht nicht den Magmabedingungen in einer bestimmten Tiefe.

Geschmolzenes Gestein (Magma oder Lava) in der Nähe der Atmosphäre setzt heiße vulkanische Gase (>400 °C) frei. Bei explosiven Eruptionen kann die plötzliche Freisetzung von Gasen aus dem Magma zu schnellen Bewegungen des geschmolzenen Gesteins führen. Trifft das Magma auf Wasser, wie beispielsweise Meerwasser, Seewasser oder Grundwasser, kann es rasch zerfallen. Die schnelle Gasausdehnung ist der Hauptantriebsmechanismus der meisten explosiven Vulkanausbrüche. Ein erheblicher Anteil vulkanischer Gase wird jedoch auch während quasi-kontinuierlicher, ruhiger Phasen aktiven Vulkanismus freigesetzt.

Niedrigtemperierte vulkanische Gase und hydrothermale Systeme

Wenn magmatisches Gas aufsteigt und in einem Grundwasserleiter auf meteorisches Wasser trifft , entsteht Dampf. Auch latente magmatische Wärme kann dazu führen, dass meteorisches Wasser als Dampfphase aufsteigt. Die anhaltende Wechselwirkung dieses heißen Gemisches mit dem Gestein kann Bestandteile aus dem abkühlenden magmatischen Gestein und dem umgebenden Gestein herauslösen . Dies führt zu Volumenänderungen, Phasenübergängen, Reaktionen und somit zu einer Erhöhung der Ionenstärke des aufsteigenden Fluids. Dieser Prozess senkt auch den pH-Wert des Fluids . Die Abkühlung kann Phasentrennung und Mineralablagerungen verursachen , begleitet von einer Verschiebung hin zu reduzierenderen Bedingungen. An der Oberfläche solcher hydrothermaler Systeme treten niedrigtemperierte vulkanische Gase (<400 °C) entweder als Dampf-Gas-Gemische oder gelöst in heißen Quellen aus . Am Meeresboden bilden diese heißen, übersättigten hydrothermalen Fluide gigantische Kaminstrukturen, sogenannte Schwarze Raucher , an der Austrittsstelle in das kalte Meerwasser .

Über geologische Zeiträume hinweg ist dieser Prozess der hydrothermalen Auslaugung, Umwandlung und/oder Wiederablagerung von Mineralien im Nebengestein ein effektiver Konzentrationsprozess, der bestimmte Arten von wirtschaftlich wertvollen Erzlagerstätten erzeugt .

Freisetzung von nicht-explosivem vulkanischem Gas

Die Gasfreisetzung kann durch Advektion durch Klüfte oder durch diffuse Entgasung in großflächigen, durchlässigen Bodenschichten (diffuse Entgasungsstrukturen, DDS) erfolgen. An Stellen advektiven Gasverlusts bilden Schwefel und seltene Mineralien durch Ausfällung Schwefellagerstätten und kleine Schwefelkamine, sogenannte Fumarolen . [ 7 ] Fumarolen mit sehr niedrigen Temperaturen (unter 100 °C) werden auch als Solfataren bezeichnet . Kalte Entgasungsstellen, die hauptsächlich Kohlendioxid freisetzen, heißen Mofetten . Heiße Quellen an Vulkanen weisen häufig messbare Mengen an gelöstem magmatischem Gas auf.

Aktuelle Emissionen vulkanischer Gase in die Atmosphäre

Die heutigen globalen Emissionen vulkanischer Gase in die Atmosphäre werden üblicherweise in eruptive und nicht-eruptive Emissionen unterteilt. Obwohl Vulkane viele verschiedene Gase ausstoßen, wurden die Emissionen von CO₂ ( einem Treibhausgas ) und SO₂ aufgrund ihrer Auswirkungen auf die Atmosphäre, das Klima und die lokalen Ökosysteme am intensivsten untersucht. [ 8 ]

Es ist seit Langem bekannt, dass Vulkanausbrüche deutlich weniger zu den gesamten SO₂-Emissionen beitragen als die passive Entgasung. [ 9 ] [ 10 ] Fischer et al. (2019) schätzten, dass die SO₂- Emissionen während Vulkanausbrüchen zwischen 2005 und 2015 durchschnittlich 2,6 Teragramm (Tg oder 10¹² g) pro Jahr betrugen [ 11 ] , verglichen mit 23,2 ± 2 Tg pro Jahr in nicht-eruptiven Perioden mit passiver Entgasung. [ 11 ] Im gleichen Zeitraum wurden die vulkanischen CO₂- Emissionen auf 1,8 ± 0,9 Tg pro Jahr durch Vulkanausbrüche und 51,3 ± 5,7 Tg pro Jahr durch nicht-eruptive Aktivität geschätzt. [ 11 ] Diese Schätzungen zeigen, dass die CO₂ -Emissionen durch Vulkanausbrüche weniger als 10 % der gesamten jährlichen vulkanischen CO₂- Emissionen ausmachen .

Obwohl große Eruptionen selten sind, können sie innerhalb kurzer Zeit erhebliche Gasmengen freisetzen. Die Eruption des Mount Pinatubo ( VEI 6) auf den Philippinen am 15. Juni 1991 setzte etwa 18 ± 4 Tg SO₂ frei . [ 12 ] Derart große VEI-6-Eruptionen sind selten und ereignen sich nur alle 50 bis 100 Jahre. Ähnlich verhielt es sich mit den Eruptionen des Eyjafjallajökull (VEI 4) in Island im Jahr 2010, bei denen insgesamt 5,1 Tg CO₂ freigesetzt wurden . [ 13 ] VEI -4-Eruptionen ereignen sich etwa einmal jährlich. Trotz dieser beträchtlichen Freisetzungen sind die langfristigen Gesamtemissionen durch passive Entgasung höher als die Emissionen einzelner Eruptionsereignisse. [ 11 ]

Zum Vergleich: Le Quéré et al. schätzen, dass die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Zementproduktion von 2006 bis 2015 jährlich 9,3 Gt Kohlenstoff freisetzten [ 14 ] , was 34,1 Gt CO₂ pro Jahr entspricht . Vulkane sind zwar eine bedeutende natürliche Kohlendioxidquelle, doch der Großteil des atmosphärischen CO₂-Anstiegs ist derzeit auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen. [ 8 ] [ 11 ]

Neuere Schätzungen der vulkanischen CO₂ - Emissionen liegen teilweise über den von Fischer et al . (2019) berichteten Werten. [ 11 ] Die Schätzungen von Burton et al. (2013) mit 540 Tg CO₂ / Jahr [ 15 ] und von Werner et al. (2019) mit 220–300 Tg CO₂ pro Jahr [ 13 ] berücksichtigen die diffuse Bodenentgasung aus vulkanischen Regionen, was zu höheren globalen Gesamtwerten führt.

Erfassung, Sammlung und Messung

Vulkanische Gase wurden bereits 1790 von Scipione Breislak in Italien gesammelt und analysiert. [ 16 ] Die Zusammensetzung vulkanischer Gase hängt von der Magmabewegung im Vulkan ab. Daher kündigen plötzliche Veränderungen der Gaszusammensetzung häufig eine Veränderung der vulkanischen Aktivität an. Aus diesem Grund umfasst ein Großteil der Gefahrenüberwachung von Vulkanen die regelmäßige Messung von Gasemissionen. So wurde beispielsweise ein Anstieg des CO₂- Gehalts in den Gasen des Stromboli auf das Eindringen von frischem, flüchtigenreichem Magma in tiefere Schichten des Vulkansystems zurückgeführt. [ 17 ]

Vulkanische Gase können detektiert (vor Ort gemessen) oder für weitere Analysen beprobt werden. Die Detektion vulkanischer Gase kann erfolgen durch:

Schwefeldioxid (SO₂ ) absorbiert stark im ultravioletten Bereich und kommt in der Atmosphäre in geringen Hintergrundkonzentrationen vor. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet es sich gut zur Überwachung vulkanischer Gase. Es kann sowohl mit satellitengestützten Instrumenten, die eine globale Überwachung ermöglichen, als auch mit bodengestützten Instrumenten wie DOAS detektiert werden. DOAS-Arrays sind in der Nähe einiger gut überwachter Vulkane installiert und dienen der Abschätzung des emittierten SO₂-Flusses . Das Multi-Komponenten-Gasanalysesystem (Multi-GAS) wird auch zur Fernerkundung von CO₂, SO₂ und H₂S eingesetzt. [ 18 ] Die Flüsse anderer Gase werden üblicherweise durch Messung der Verhältnisse verschiedener Gase innerhalb der vulkanischen Eruptionswolke abgeschätzt, beispielsweise mittels FTIR, elektrochemischer Sensoren am Kraterrand oder durch direkte Probenahme. Dabei wird das Verhältnis des jeweiligen Gases zu SO₂ mit dem SO₂ - Fluss multipliziert.

Die direkte Probenahme vulkanischer Gase erfolgt häufig mithilfe einer evakuierten Flasche mit Natronlauge . Diese Methode wurde erstmals von Robert W. Bunsen (1811–1899) verwendet und später von dem deutschen Chemiker Werner F. Giggenbach (1937–1997) weiterentwickelt und ist als Giggenbach-Flasche bekannt . Weitere Methoden umfassen die Sammlung in evakuierten, leeren Behältern, in Durchflussglasrohren, in Gaswaschflaschen (Kryowäschern), auf imprägnierten Filterpackungen und auf Feststoffadsorptionsröhrchen.

Analytische Verfahren für Gasproben umfassen die Gaschromatographie mit Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD), Flammenionisationsdetektor (FID) und Massenspektrometrie (GC-MS) für Gase sowie verschiedene nasschemische Verfahren für gelöste Stoffe (z. B. acidimetrische Titration für gelöstes CO₂ und Ionenchromatographie für Sulfat , Chlorid und Fluorid ) . Die Spurenmetall-, Spurenorganik- und Isotopenzusammensetzung wird üblicherweise mit verschiedenen massenspektrometrischen Methoden bestimmt.

Vulkanische Gase und Vulkanüberwachung

Bestimmte Bestandteile vulkanischer Gase können sehr frühe Anzeichen von veränderten Bedingungen in der Tiefe aufzeigen und sind daher ein wertvolles Instrument zur Vorhersage bevorstehender Unruhen. In Verbindung mit Überwachungsdaten zu Seismizität und Deformationen erzielt die korrelative Überwachung eine deutlich höhere Effizienz. Die Überwachung vulkanischer Gase gehört zur Standardausrüstung jeder Vulkanwarte . Leider erfordern die präzisesten Daten zur Zusammensetzung nach wie vor gefährliche Probenahmen im Gelände. Fernerkundungstechniken haben sich jedoch in den 1990er Jahren enorm weiterentwickelt. Das Deep Earth Carbon Degassing Project nutzt Multi-GAS-Fernerkundung zur kontinuierlichen Überwachung von neun Vulkanen.

Gefahren

Vulkanische Gase waren zwischen 1900 und 1986 direkt für etwa 3 % aller vulkanbedingten Todesfälle verantwortlich. [ 4 ] Einige vulkanische Gase töten durch saure Korrosion , andere durch Ersticken . Manche vulkanische Gase, darunter Schwefeldioxid, Chlorwasserstoff, Schwefelwasserstoff und Fluorwasserstoff, reagieren mit anderen atmosphärischen Partikeln und bilden Aerosole . [ 4 ]

Zusätzlich zu diesen Gefahren können vulkanische Gase langsam in große Gebiete mit porösem Boden sickern; diese Gebiete werden als diffuse Entgasungszonen bezeichnet. [ 19 ] Selbst wenn ein Vulkan nicht aktiv ist, können sich Gase wie Kohlendioxid in tiefer gelegenen Gebieten anreichern und gefährliche Konzentrationen erreichen, wodurch Risiken für Menschen, Tiere und Vegetation entstehen. [ 19 ] Vulkanische Gase können außerdem Boden und Grundwasser verändern , den Säuregehalt erhöhen und umliegende Ökosysteme beeinträchtigen. [ 19 ] Da diese Gefahren weit entfernt vom Vulkanschlot auftreten können und nicht immer sichtbar sind, ist die Überwachung der Gaskonzentrationen ein wichtiger Bestandteil der vulkanischen Gefahrenanalyse. [ 20 ]

Siehe auch

  • Amygdula  – Mit Gas gefüllter Hohlraum in extrusivem magmatischem Gestein
  • Eruptionssäule  – Wolke aus heißer Asche und vulkanischen Gasen, die bei einem explosiven Vulkanausbruch ausgestoßen wird
  • Fumarole  – Vulkanische Öffnung, aus der heiße Gase austreten
  • Gasgesetze  – Physikalische Gesetze, die Gase beschreiben
  • Geysir  – Natürlicher explosiver Ausbruch von heißem Wasser
  • Nyos-See  – Kratersee in der Nordwestregion Kameruns
  • Mofette  – Punkt, an dem Kohlendioxid aus einem Vulkan austritt
  • Solfatara  – Vulkanische Öffnung, die heiße Gase ausstößt
  • Flüchtigkeit (Chemie)  – Tendenz eines Stoffes zu verdampfen
  • Flüchtig (Astrogeologie)  – Elemente und Verbindungen, die leicht verdampfen

Referenzen

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