Wulkan to nie tylko lawa, popiół i fragmenty skał. Z jego wnętrza wydostają się również ogromne ilości gazów. To właśnie one są jednym z głównych „napędów” erupcji, a jednocześnie mogą stanowić poważne zagrożenie dla ludzi, zwierząt i środowiska.
Gazy uwalniają się z magmy już podczas jej wznoszenia ku powierzchni. Mogą wydostawać się przez krater i szczeliny, przenikać przez grunt, a także uwalniać się z lawy i innych gorących produktów erupcji. Co ważne, emisja nie kończy się wraz z wybuchem – niektóre wulkany odgazowują przez wiele lat, a nawet wtedy, gdy nie obserwujemy żadnej erupcji.
Takie miejsca stałego wydobywania się gazów i par nazywamy fumarolami, a samo wydzielanie gazów – ekshalacjami wulkanicznymi.
Skąd biorą się gazy w magmie?
Głęboko pod powierzchnią, gdzie panuje wysokie ciśnienie, gazy są rozpuszczone w magmie. Gdy magma przemieszcza się ku górze, ciśnienie spada i składniki lotne zaczynają tworzyć pęcherzyki. Proces przypomina trochę otwieranie butelki napoju gazowanego. Dopóki butelka jest zamknięta, gaz pozostaje rozpuszczony w cieczy. Po spadku ciśnienia zaczyna się z niej gwałtownie wydzielać.
W wulkanie zjawisko to może mieć znacznie bardziej dramatyczny przebieg. Rosnące i łączące się pęcherzyki mogą zwiększać ciśnienie w magmie i prowadzić do jej fragmentacji. Dlatego właśnie gazy odgrywają tak ważną rolę w erupcjach eksplozywnych.
Podczas największych wybuchów mieszanina gazów, popiołu i fragmentów magmy może utworzyć kolumnę erupcyjną sięgającą kilkunastu lub kilkudziesięciu kilometrów wysokości. Gazy i drobne cząstki mogą następnie rozprzestrzeniać się na ogromne odległości.
Co właściwie wydobywa się z wulkanu?
Najważniejszym składnikiem gazów wulkanicznych jest zazwyczaj para wodna. Towarzyszą jej przede wszystkim:
- dwutlenek węgla – CO₂,
- dwutlenek siarki – SO₂,
- siarkowodór – H₂S,
- chlorowodór – HCl,
- fluorowodór – HF,
- wodór – H₂,
- tlenek węgla – CO,
oraz wiele innych składników występujących w niewielkich ilościach. Proporcje mogą bardzo różnić się między poszczególnymi wulkanami, a nawet zmieniać w czasie na tym samym wulkanie.
Dla ludzi i środowiska szczególnie istotne są SO₂, CO₂, H₂S oraz związki fluoru i chloru.
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.
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.
Przykłady katastrof wywołanych przez gazy
W 1986 roku z jeziora Nyos w Kamerunie gwałtownie wydostała się ogromna ilość dwutlenku węgla nagromadzonego w głębokiej wodzie. Gaz spłynął dolinami wokół jeziora i wyparł z nich powietrze. Zginęło ponad 1700 osób oraz tysiące zwierząt.
Jednym z najbardziej dramatycznych przykładów była erupcja szczelinowa Laki na Islandii w latach 1783–1784. W ciągu około ośmiu miesięcy do atmosfery dostało się około 122 mln ton SO₂ oraz około 8 mln ton fluoru.
Fluor osadzał się na popiele i roślinności. Zwierzęta pasące się na skażonych terenach zaczęły chorować i masowo padać. Szacuje się, że utracono około 60% islandzkiego pogłowia zwierząt gospodarskich.
Katastrofa doprowadziła do głodu i gwałtownego wzrostu śmiertelności. Nowsze analizy wskazują, że w latach 1784–1785 nadmiarowa śmiertelność mogła sięgnąć około jednej szóstej ówczesnej populacji Islandii. Przyczyną nie było jednak po prostu bezpośrednie „zatrucie mieszkańców fluorem”, lecz przede wszystkim głód po utracie zwierząt i żywności oraz choroby.
Erupcja Laki wytworzyła ponadto słynną suchą mgłę siarkową, obserwowaną nad dużą częścią Europy.
