De chemische samenstelling van gassen die worden uitgestoten door vulkanen - die worden gebruikt om veranderingen in vulkanische activiteit te volgen - kan veranderen afhankelijk van de grootte van gasbellen die naar de oppervlakte stijgen, en betrekking hebben op de manier waarop ze uitbarsten. De resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Geowetenschappen , kan worden gebruikt om de voorspelling van de bedreigingen van bepaalde vulkanen te verbeteren.

Een team van wetenschappers, waaronder een vulkanoloog en wiskundige van de Universiteit van Cambridge, ontdekte het fenomeen door gedetailleerde observaties van gasemissies van de vulkaan K?lauea op Hawaï.

Bij veel vulkanen over de hele wereld, gasemissies worden routinematig gecontroleerd om te helpen bij het voorspellen van uitbarstingen. Veranderingen in de output of verhoudingen van verschillende gassen, zoals koolstofdioxide en zwaveldioxide, kunnen verschuivingen in de activiteit van een vulkaan inluiden. Vulkanologen zijn van mening dat deze chemische veranderingen de opkomst en ondergang van magma in de aardkorst weerspiegelen, maar het nieuwe onderzoek onthult dat de samenstelling van vulkanische gassen ook afhangt van de grootte van de gasbellen die naar de oppervlakte stijgen.

Tot de laatste spectaculaire uitbarsting scheuren opende op de flank van de vulkaan, K?lauea hield een enorm lavameer in zijn topkrater. Het gedrag van dit lavameer wisselde tussen fasen van vurig 'spatten', aangedreven door grote gasbellen die door het magma barsten, en zachtere gasafgifte, vergezeld van langzame en gestage beweging van de lava.

Vroeger, vulkanische gassen zijn rechtstreeks bemonsterd uit stomende ventilatieopeningen en openingen die fumarolen worden genoemd. Maar dat kan niet voor de uitstoot van een lavameer, 200 meter breed, en op de bodem van een steile krater. In plaats daarvan, het team gebruikte een infraroodspectrometer, die wordt gebruikt voor routinematige vulkaanmonitoring door co-auteurs van de studie, Jeff Sutton en Tamar Elias van het Hawaiian Volcano Observatory (US Geological Survey).

Het apparaat bevond zich aan de rand van de krater, wees naar het lavameer, en registreerde om de paar seconden gassamenstellingen in de atmosfeer. De emissies van koolstof- en zwavelhoudende gassen werden gemeten tijdens zowel de krachtige als de milde fase van activiteit.

Elke afzonderlijke meting werd gebruikt om de temperatuur van het vulkanische gas te berekenen. Wat de wetenschappers meteen opviel, was dat de gastemperaturen varieerden van 1150 graden Celsius - de temperatuur van de lava - tot ongeveer 900 graden Celsius. "Bij deze temperatuur de lava zou bevriezen, " zei hoofdauteur Dr. Clive Oppenheimer, van de afdeling Geografie van Cambridge. "Aanvankelijk, we konden niet begrijpen hoe de gassen veel kouder naar buiten konden komen dan de gesmolten lava die in het meer klotste."

De aanwijzing voor deze puzzel kwam van de variatie in berekende gastemperaturen - ze waren hoog toen het lavameer kalm was, en laag toen het woedend borrelde. "We realiseerden ons dat dit kon komen door de grootte van de gasbellen, " zei co-auteur professor Andy Woods, Directeur van Cambridge's BP Institute. "Grotere bellen stijgen sneller door het magma en breiden snel uit naarmate de druk afneemt, net als bubbels die opstijgen in een glas koolzuurhoudende drank; door de uitzetting koelt het gas af." Grotere bellen ontstaan ​​wanneer kleinere bellen tegen elkaar aan botsen en samensmelten.

Woods en Oppenheimer ontwikkelden een wiskundig model om het proces te verklaren, die zeer goed bij de waarnemingen paste.

Maar er was nog een andere verrassende bevinding van de gaswaarnemingen uit Hawaï. Behalve dat het koeler is, de emissies van de grote gasbellen waren meer geoxideerd dan verwacht - ze hadden hogere verhoudingen van kooldioxide tot koolmonoxide.

Over het algemeen wordt aangenomen dat de chemische balans van vulkanische gassen zoals kooldioxide en koolmonoxide (of zwaveldioxide en waterstofsulfide) wordt gecontroleerd door de chemie van het omringende vloeibare magma, maar wat de nieuwe bevindingen aantoonden, is dat wanneer bellen groot genoeg worden, het grootste deel van het gas binnenin volgt zijn eigen chemische weg als het gas afkoelt.

De verhouding van kooldioxide tot koolmonoxide toen het lavameer in zijn meest energetische toestand was, was zes keer hoger dan tijdens de meest stabiele fase. De wetenschappers suggereren dat met dit effect rekening moet worden gehouden wanneer gasmetingen worden gebruikt om grote veranderingen in vulkanische activiteit te voorspellen.

"Gasmetingen zijn van cruciaal belang voor onze monitoring en risicobeoordeling; door ons begrip van hoe magma zich onder de vulkaan gedraagt ​​​​te verfijnen, kunnen we onze waarnemingen beter interpreteren, " zei co-auteur Tamar Elias van het Hawaiian Volcano Observatory.

En er is nog een implicatie van deze ontdekking - niet voor uitbarstingen van vandaag, maar voor de evolutie van de atmosfeer van de aarde miljarden jaren geleden. "Vulkanische emissies in het diepe verleden van de aarde hebben de atmosfeer mogelijk meer oxiderend gemaakt dan we dachten, " zei co-auteur Bruno Scaillet. "Een meer zuurstofrijke atmosfeer zou het ontstaan ​​en de levensvatbaarheid van het leven op het land hebben vergemakkelijkt, door het genereren van een ozonlaag, die beschermt tegen schadelijke ultraviolette stralen van de zon."