Podczas wznoszenia się magmy ku powierzchni ziemi oraz podczas erupcji gazy wydobywają się z kanału wulkanicznego, a także z powierzchniowej warstwy ziemi, do której przeniknęły systemem spękań otaczających kanał. Uwalniają się one także w trakcie transportu i depozycji z ciekłych i stałych produktów erupcji.
Główną fazą wydobywania się gazów są erupcje wulkaniczne, a ich ilość i rodzaj zależy od składu magmy, reakcji gazów ze skałami otoczenia podczas ich migracji przez kanał wulkaniczny oraz od stadium erupcji. Największe ilości gazów uwalniają się podczas erupcji silnie eksplozywnych. Tworzą one wraz z drobną tefrą i wchłoniętym powietrzem kolumnę erupcyjną, wznoszącą się konwekcyjnie w atmosferze do wysokości nawet kilkudziesięciu kilometrów, a następnie rozprzestrzeniającą się lateralnie za pomocą wiatrów na odległość setek lub tysięcy kilometrów. Gazy wulkaniczne ulegają kondensacji, tworząc aerozole kwasów, które wskutek reakcji z otaczającymi produktami erupcji lub zanieczyszczeniami powietrza przechodzą w aerozole soli.
Wyziewy gazów z kraterów oraz ze szczelin w pokrywach wulkanicznych, trwające niekiedy wiele lat po zakończeniu działalności wulkanicznej, nazywane są ekshalacjami wulkanicznymi.
Chmura dwutlenku siarki wydobywającego się z krateru wulkanu Kilauea podczas wielofazowej, lecz słabej działalności eksplozywnej w 2008 r. Źródło: Wikimedia Commons
Skład chemiczny
Dominującym składnikiem gazów wulkanicznych jest para wodna. Jej udział waha się od 30 do ponad 97% objętościowych. Na kolejnych miejscach lokują się dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, siarkowodór, wodór, tlenek węgla, chlorowodór, fluorowodór i hel. Największe zagrożenie dla ludzi, zwierząt i rolnictwa stanowi dwutlenek siarki, dwutlenek węgla i fluorowodór.
Dwutlenek siarki
Ilość dwutlenku siarki wydobywającego się dziennie podczas erupcji wynosi od < 20 ton do > 10 mln ton, w zależności od stylu erupcji oraz od typu i objętości magmy. Dwutlenek siarki działa drażniąco na skórę, oczy, nos, gardło i oskrzela już przy zawartości w powietrzu na poziomie kilku ppm. Według Światowej Organizacji Zdrowia bezpieczna zawartość SO2 wynosi do 0,5 ppm przy ponad dobowej ekspozycji ciała. Oddziaływanie dwutlenku siarki na ludzi i środowisko zależy od jego objętości i pułapu kolumny erupcyjnej, od działalności wiatrów i prądów atmosferycznych oraz od warunków pogodowych na obszarze rozproszenia gazu. Wyrzucony do atmosfery dwutlenek siarki przechodzi w aerozole kwasu siarkowego, a następnie aerozole siarczanów, a mieszanina wyżej wymienionych związków powoduje zanieczyszczenia powietrza, gleby i wód. Efektem erupcji słabo eksplozywnych lub efuzywnych są chmury gazowe rozprzestrzeniające się kilkaset metrów nad ziemią i opadające z nich kwaśne deszcze bądź też stykający się z powierzchnią ziemi smog wulkaniczny, przenoszony, podobnie jak chmury, za pośrednictwem wiatrów.
Dwuwarstwowa chmura aerozoli siarczanów (ciemne paski) nad obszarem Ameryki Południowej po erupcji wulkanu Pinatubo (Filipiny, 1991). Źródło: Wikimedia Commons
Dwutlenek węgla
Wulkany uwalniają rocznie ponad 130 mln ton dwutlenku węgla, który nie jest w zasadzie niebezpieczny dla życia i zdrowia, ponieważ szybko ulega rozcieńczeniu do niskich koncentracji, chociaż jego zawartość w gazach wulkanicznych może dochodzić niekiedy do 50%. W pewnych warunkach dwutlenek węgla, jako cięższy od powietrza, może gromadzić się w obniżeniach terenu, gdzie przy zawartości >30% w powietrzu powoduje śmierć ludzi i zwierząt. Zawartość 6-10% powoduje skrócenie oddechu, bóle i zawroty głowy, poty i niepokój, zawartość 10-15% - zaburzenia koordynacji ruchów i skurcze mięśni, 20-30% - utratę świadomości i konwulsje.
Ilość dwutlenku węgla uwalnianego do atmosfery podczas erupcji jest zbyt mała, żeby mogła być przyczyną globalnego ocieplenia. Współczesne erupcje subaeralne i podmorskie dostarczają mniej niż 1% ilości CO2 produkowanego obecnie wskutek działalności człowieka, natomiast w odległej przeszłości geologicznej ilość dwutlenku węgla wydobywającego się podczas kolosalnych erupcji mogła być tak pokaźna, że wywołane nią globalne ocieplenie kończyło się masowym wymieraniem.
Fluorowodór
Zawartość fluorowodoru produkowanego przez zdecydowaną większość współczesnych erupcji jest na tyle mała (<1% obj. gazów wulkanicznych), że gaz ten, jak też powstałe z niego fluorki, pomimo silnie toksycznego działania nie są niebezpieczne dla zdrowia, środowiska i infrastruktury.
Jednak przy wyjątkowo dużych erupcjach emisja związków fluoru może być na tyle obfita, że będzie zagrażać zdrowiu i życiu zwierząt spożywających skażoną nimi trawę. Pasza staje się trująca przy zawartości fluoru powyżej 250 ppm, co następuje po pokryciu pastwiska 1-milimetrową warstwą skażonych popiołów. Nadmiar fluoru w pożywieniu wywołuje fluorozę, czyli śmiertelną chorobę uszkadzającą układ kostny. Fluorowodór i fluorki w formie aerozoli tworzą wraz z innymi gazami wulkanicznymi niebezpieczne dla środowiska i ludzi niskie chmury gazowe, będące źródłem kwaśnych deszczy, oraz smog wulkaniczny. Do największych szkód, związanych z tymi zjawiskami doprowadziła erupcja ze szczeliny Laki (Islandia, 1783), która uwolniła ok. 8 mln ton fluorowodoru i ok. 120 mln ton dwutlenku siarki. W wyniku głodu i zatrucia fluorem śmierć poniosło 25% mieszkańców Islandii, a wskutek samej fluorozy zginęło 80% owiec, 50% bydła i 50% koni.
Siarkowodór
Siarkowodór, podobnie jak fluorowodór, niezmiernie rzadko gromadzi się w ilościach niebezpiecznych dla zdrowia; jego typowa zawartość w kolumnie erupcyjnej wynosi 0,1-0,5 ppm, a czas pozostawania w dolnej atmosferze wynosi 24 godziny. Niebezpieczna koncentracja siarkowodoru może wystąpić w pobliżu ekshalacji wulkanicznych (np. w kraterach wulkanów) i gorących źródeł. Pomimo charakterystycznego zapachu gaz ten może być niewyczuwalny w mieszaninie innych gazów, tym bardziej że przy stężeniu przekraczającym 300 mg/m³ dochodzi do porażenia nerwu węchowego.
Gaz ten jest silnie toksyczny i już przy zawartości 20-50 ppm w powietrzu drażni oczy, a przy koncentracji powyżej 50 ppm powoduje podrażnienie gardła i górnych dróg oddechowych, a przy 250 ppm - obrzęk płuc z ryzykiem śmierci, zależnie od czasu wdychania. Zawartość 500 ppm jest niebezpieczna dla życia i wymaga natychmiastowej ewakuacji. Natychmiastowa utrata przytomności i duże prawdopodobieństwo śmierci występuje przy zawartości 2 tys. ppm.
W ciągu ostatniego stulecia w wyniku zatrucia siarkowodorem pochodzenia wulkanicznego i ekshalacyjnego zginęło 46 osób na terenie Japonii i Nowej Zelandii.
Chlorowodór
Zagrożenie chlorowodorem występuje w przypadku wpłynięcia lawy do morza, co powoduje gwałtowne wrzenie i parowanie wody, połączone z serią reakcji chemicznych. Produktem ich jest wtórny chlorowodór, który tworzy z parą wodną szeroki, biały pióropusz, zw. mgłą lawową, unoszącą się nad powierzchnią morza. Wprawdzie mgła lawowa jest zjawiskiem krótkotrwałym, lecz pod wpływem działalności wiatrów może zostać nawiana na wybrzeże i skroplić się jako kwaśny deszcz (pH = 1,5-2), o działaniu żrącym, wywołującym oparzenia skóry, podrażnienia oczu i układu oddechowego już przy zawartości powyżej 35 ppm.
dr Elżbieta Jackowicz
Państwowy Instytut Geologiczny
Mgła lawowa wywołana wpłynięciem do oceanu lawy z wulkanu Kilauea (Hawaje). Fot. T.J. Takahashi, 1988. Źródło: Wikimedia Commons
