Wstrzykiwanie soli morskich do atmosfery podczas dużych eksplozywnych erupcji wulkanów podwodnych / Colombier, M., Ukstins, IA, Tegtmeier, S. i in. 

Wybuchowe podmorskie erupcje wulkaniczne na płytkich i średnich głębokościach (zwykle < 200–500 do 1000 m) mogą przebić się przez powierzchnię morza i utworzyć podpowietrzne kolumny erupcyjne ¹ . Największe z tych erupcji osiągnęły wysokie poziomy atmosfery i stratosfery i należą do nich wydarzenia z 2019 r., wybuch wulkanu Anak Krakatau (Indonezja) i ze stycznia 2022 r., wybuch wulkanu Hunga (Tonga) ^2 , 3 . Burzliwe mieszanie się magmy i wody morskiej podczas płytkich podmorskich erupcji powoduje błyskawiczne wrzenie i rozległe opady soli ⁴ . Tworzenie się soli w wyniku interakcji lawy z wodą morską opisano w różnych środowiskach wulkanicznych, w tym w głębokich (> 2500 m poniżej poziomu morza) podmorskich strumieniach lawy na grzbietach śródoceanicznych5 ^, wnikaniu lawy do oceanu podczas eksplozji przybrzeżnych6 ^{, 7}, podmorskich erupcjach wybuchowych bez wyłomów,⁸ oraz w erupcjach Surtsevan, gdzie występują jedne z najwyższych stężeń soli^{9, 10.} Podczas przełamywania wód morskich, podpowietrzne  kolumny erupcyjne wtryskują do atmosfery duże objętości tefry (głównie popiołu o średnicy cząstek < 2 mm), a także aerozole gazów wulkanicznych, soli i pary wodnej morskiej, co ma istotne konsekwencje meteorologiczne, hydrologiczne i środowiskowe.

Podczas szczytowej fazy klimatycznej erupcji wulkanu Hunga w 2022 r. górna część pióropusza osiągnęła 57 km3, wstrzykując aerozole do mezosfery. Wpływ tych aerozoli i soli przy tak wysokich poziomach atmosferycznych nie jest dobrze znany, ale postulowane efekty obejmują niszczenie ozonu11 ^, wymuszanie radiacyjne i ocieplenie klimatu12 ^, zmiany chmur mezosferycznych3 ^, a także wpływ na klimat regionalny i globalny13 ^. Erupcja Hunga zapewnia wyjątkową okazję do zrozumienia produkcji soli pochodzących z morza podczas erupcji podmorskich, a także wychwytywania jonów w kolumnie erupcyjnej. Kwantyfikacja tych procesów może z kolei poinformować o modelach obciążenia solą atmosferyczną i jego konsekwencjach. W niniejszym artykule przedstawiamy dane dotyczące specjacji i stężenia soli znalezionych jako osady na popiele z 15 stycznia i omawiamy ich wpływ na procesy atmosferyczne.

Erupcja wulkanu Hunga z 15 stycznia 2022 r. miała miejsce w porze deszczowej w Królestwie Tonga ¹⁴ . Rok 2022 charakteryzował się zjawiskiem La Niña, a opady deszczu były bardzo zmienne w porównaniu do wartości średnich. Po erupcji nastąpił okres około dwóch tygodni z niewielkim lub żadnym deszczem. Pobrano dziesięć próbek na wyspach Tonga po osadzeniu (rys.  1 ). Próbki popiołu z grupy 1 pobrano jeden do dwóch tygodni po erupcji przy ograniczonej ekspozycji na deszcz (HT1, 3, 6, 7, 8 i 9), a próbki z grupy 2 pobrano trzy miesiące później przy dłuższej ekspozycji na środowisko i większej interakcji z opadami deszczu (HT118, 129A i 129B). Próbka HT2 pochodzi z grupy 1, ale została umyta przed analizą, a zatem odpowiada próbce bez soli. Próbka HT9 jest największą próbką zbiorczą i została starannie pobrana przez pracowników Tonga Geoscience Services z górnej części pomalowanego kontenera transportowego w ich siedzibie w Nukualofa.

( a ) Mapa pokazująca miejsce pobierania próbek. ( b ) Średnie miesięczne opady deszczu w Tonga w pierwszym czteromiesięcznym okresie 2022 r., zmodyfikowane z ^40. Linia ciągła przedstawia skumulowane średnie opady deszczu, zacieniony obszar przedstawia pasma od 25 ^do 75 ^percentyla . Podano datę pobrania próbek, aby można było ocenić wpływ deszczu na osady w porównaniu z wynikami.

Obraz w pełnym rozmiarze

Analiza BSE/EDX

Sole (głównie NaCl i CaSO4 ₎ są obecne w różnych stężeniach w analizowanych tutaj próbkach. Najbardziej nieskazitelne próbki z Grupy 1 są bogate w sól, w porównaniu do później pobranego zestawu z Grupy 2. Cząsteczki popiołu ze wszystkich osadów wykazują oznaki powlekania i agregacji. Rozpuszczalne sole są obserwowane we wszystkich próbkach z Grupy 1 i składają się głównie z chlorku sodu i siarczanu wapnia na podstawie korelacji Na-Cl i Ca-S na mapach EDX (rys.  2 ). Sole z Grupy 1 są prawie zawsze związane z cząstkami popiołu i powszechnie występują w obrzeżach drobnego popiołu otaczającego grubszy popiół (rys.  2 ). Sole są również obserwowane jako pojedyncze wolne kryształy, które są z kolei pokryte drobniejszymi cząstkami popiołu. Pokrycie solą powierzchni ziaren znacznie różni się między cząstkami, od 0,2% do prawie 100%. Poprzez analizę obrazu oszacowaliśmy średnie pokrycie solą na poziomie 7% we frakcji 710 µm–1 mm w reprezentatywnej próbce Grupy 1 (HT7), przy czym > 80% tych soli to chlorek sodu. Zarówno chlorek, jak i siarczan występują w dużej gęstości liczbowej, często występują jako skupiska i wykazują szereg morfologii (rys.  2 ). Chlorek występuje jako (1) euedryczne kryształy sześcienne (rys.  2 ), (2) agregaty subokrągłych kryształów i (3) gładkie powłoki, prawdopodobnie będące wynikiem rozpuszczenia i redystrybucji soli15 ^. Pokrój soli krystalicznych nie jest charakterystyczny dla siarczanu wapnia. W próbkach Grupy 2 nie zaobserwowano soli NaCl i CaSO4 _, ale mimo to mogą one występować w bardzo niskich stężeniach lub w jamach. Zaobserwowaliśmy również korelacje między mapami EDX Br i Al, co sugeruje obecność bromku glinu we wszystkich próbkach. Wreszcie w obu grupach próbek zaobserwowano także fazy Fe-S, prawdopodobnie siarczek żelaza lub siarczan żelaza.

Analiza SEM łącząca obrazy BSE i mapy EDX próbek z grupy 1 (bogatych w sól) z erupcji 15 stycznia 2022 r. ( a – c ) Obraz BSE, mapy Cl i S dla próbki HT7 o wielkości ziarna 250–355 µm, pokazujące, że wszystkie cząstki są częściowo pokryte fazami solnymi. Należy zauważyć, że Cl i S wykazują systematyczną korelację z mapami Na i Ca (nieprzedstawionymi tutaj). ( d – h ) Mapy BSE i EDX dla Ca-SO4 ₍ e , f ) i Na-Cl ( g , h ) ilustrujące pokrycie solą w drobnej obręczy popiołu powlekanej grubej cząstki popiołu. ( i , j ) Klaster siarczanu wapnia w próbce HT6, z siarczanami zaznaczonymi na pomarańczowo na obrazie ( j ). ( k , l ) Klaster kryształów halitu sześciennego (zaznaczonych na zielono w l ) i jeden kryształ Ca-SO4 (zaznaczony na pomarańczowo w _l ) w drobnej otoczce popiołu grubej cząstki popiołu z próbki HT1.

Obraz w pełnym rozmiarze

Analiza wydzielanych gazów (EGA)

Cząsteczkowe H ₂ O, CO ₂ , HCl, SO ₂ i H ₂ S są wykrywalne jako unikalne sygnatury widmowe podczas indukowanego ogrzewaniem rozpadu próbek popiołu Hunga. Skupiamy się tutaj na sygnałach SO ₂ , H ₂ O i HCl, które są związane z obecnością soli i siarczków. Sygnał SO ₂ dla próbek popiołu różni się od sygnału czystego anhydrytu lub gipsu, ale jest podobny do mieszanki czystego, przemytego szklistego popiołu Hunga (HT10) z ręcznie dodanym siarczanem wapnia i pirytem (rys.  3 a). Ta mieszanka ma główne uwalnianie SO ₂ wykrywane w temperaturze od 600 do 1100 °C. Maksymalny sygnał SO ₂ w próbkach naturalnego popiołu jest wysoce zmienny i koreluje z niskotemperaturowym pikiem H ₂ O (rys.  3 b), który jest związany z obecnością gipsu (rys.  3 b) i/lub basanitu (2CaSO ₄ · H ₂ O), który wykazuje podobne zachowanie w analizie termicznej ¹⁶ . Główny pik H ₂ O przy ~700 °C jest związany z odgazowywaniem wody magmowej z cząstek popiołu (rys.  3 b).

Sygnał analizy gazów wydzielonych (EGA) dla próbek naturalnych (krzywe kolorowe) i preparatów czystego szkła, czystych soli i siarczków oraz ich mieszanin (krzywe czarne). ( a ) Sygnał SO ₂ podczas ogrzewania termicznego z szybkością 30 K/min. ( b ) Sygnał H ₂ O z pikiem związanym z gipsem w niskiej temperaturze (< 100 °C) i pikiem wody magmowej ze szkła po przekroczeniu T _g . Mały sygnał pomiędzy tymi dwoma epizodami utraty wody może być artefaktem lub pewną utratą wody meteorytowej (niemagmowej) ze szkła. ( c ) Sygnał HCl podczas ogrzewania termicznego z szybkością 30 K/min. *Próbka HT2 została przesiana na mokro przed analizą i dlatego jest wolna od soli.

Obraz w pełnym rozmiarze

Sygnał HCl w naturalnych próbkach pojawia się w temperaturze około 530 °C, aż do maksymalnej temperatury 1300 °C i wykazuje wyraźny pik w temperaturze 600–800 °C (rys.  3 c). Sygnał ten przypomina sygnał mieszanki szkła (HT10) i ręcznie dodawanego halitu, z utworzeniem sygnatury widmowej HCl w temperaturze niższej niż temperatura topnienia czystego halitu (~800 °C; rys.  3 c). Łącznie te dane sugerują, że HCl, SO2 _i niski T H2O _są związane z obecnością halitu, siarczanu wapnia (gipsu i/lub basanitu, a prawdopodobnie także anhydrytu) i siarczków żelaza, co jest zgodne z analizą EDX. Obserwujemy ogólne korelacje między obliczonymi obszarami sygnałów HCl, niskiego T H2O _i SO2 _w próbkach, co sugeruje podobne względne proporcje halitu i siarczanów wapnia (rys.  3 i 4 ). Metoda ta umożliwia nam także rozróżnianie próbek bogatych w sól (grupa 1) i ubogich w sól (grupa 2), w których sygnał dla SO2 _, H2O o niskiej zawartości T i HCl jest słaby lub nieobecny (rys. 3 i 4 ).

Porównanie wyników EGA i wypłukiwania. ( a – c ) Porównanie obszarów sygnału dla SO ₂ , HCl i H ₂ O o niskiej temperaturze z analizy EGA. ( d ) Wyniki chromatografii jonowej ze stężeniami Cl i SO ₄ . Niebieska linia odpowiada linii mieszania wody morskiej z popiołem. ( e , f ) Stężenia molowe pokazujące stechiometryczny związek 1:1 (czarna przerywana linia) między Na-Cl i Ca-SO ₄ . Niebieskie kółka i czerwone romby to odpowiednio próbki z Grupy 1 i Grupy 2. Czarny trójkąt odpowiada próbce HT2, która została przesiana na mokro przed analizą i jest zatem wolna od soli. Niebieski kwadrat odpowiada stężeniom wody morskiej.

Obraz w pełnym rozmiarze

Niższe temperatury rozkładu siarczanów wapnia (rys.  3 a) i topnienia halitu (rys.  3 c) obserwowane w obecności szkła (HT10) w porównaniu do czystych składników są spowodowane parcjalnym ciśnieniem wody magmowej uwalnianej przez cząstki popiołu powyżej temperatury zeszklenia wynoszącej ~ 535–584 °C ¹⁷ .

Wypłukiwanie

Stężenia molowe Ca-SO4 _i Na-Cl wykazują stosunek stechiometryczny 1:1 (rys.  4 e, f), co wskazuje na rozpuszczenie NaCl (halitu) i CaSO4 ₍ gipsu/basanitu ± anhydrytu) z odcieków ^18 , 19 , co również widać w analizach EDX i EGA. Ilość Cl i SO4 _zmierzona metodą chromatografii jonowej koreluje z danymi analizy wydzielonych gazów dla HCl i SO2 _, odpowiednio (rys.  4 ). Stężenia jonów pozwalają nam również odróżnić próbki z Grupy 1 (bogate w sól) od próbek z Grupy 2 (ubogie w sól). W szczególności próbki ubogie w sól z Grupy 2 (HT118, 129A i B) charakteryzują się niskimi wartościami Cl, SO4 _, Br, Mn, Ca, K, Mg i Na oraz wysokimi wartościami F (tylko w HT118, prawdopodobnie z powodu obecności węglanów w tej próbce), azotanów, Fe i Si w porównaniu z bogatymi w sól próbkami z Grupy 1 (Tabela 1 ).

Silnie wybuchowa podwodna erupcja andezytowej magmy wchodzącej w interakcję z wodą morską podczas epizodu 15 stycznia 2022 r. spowodowała skuteczną fragmentację i powstawanie popiołu, wrzenie wody morskiej i rozległe wytrącanie soli morskiej. Woda morska jest głównym źródłem soli obserwowanych w osadach (halitu, siarczanów wapnia i bromków), chociaż niektóre z nich mogą mieć również pochodzenie magmowe w wyniku procesu wychwytu SO2 ₍ ±HCl) ²⁰ . Wszystkie próbki popiołu z Grupy 1 wykazują podobne wahania stężeń i proporcji jonów w stosunku do tych występujących w wodzie morskiej (rys.  5a ; Tabela 1 ). Tak więc, skuteczne mieszanie i przenoszenie pierwiastków między wodą morską a popiołem było dominującym mechanizmem generującym obserwowane osady soli9 ^. Ilość halitu w odcieku HT9 należy do maksymalnych zaobserwowanych wartości i jest większa jedynie w danych dotyczących poprzedniej aktywności Surtseyan na wulkanie Hunga z erupcji w latach ^{2014–201510} . Wartości bezwzględne stężeń zbliżają się do stężeń wody morskiej (rys.  4 i 5 ). Wnioskujemy, że sole obserwowane w osadach pochodzą głównie z parowania wody morskiej i powstawania soli morskiej w wyniku interakcji magmy z wodą morską.

( a ) Proporcje stężeń jonów w odciekach. Włączono tutaj tylko jony o wysokim stężeniu w wodzie morskiej (wartości pokazane jako niebieska linia przerywana). ( b ) Stosunek stężeń odcieków C _l znormalizowanych do stężeń wody morskiej C _sw dla próbek z Grupy 1.

Obraz w pełnym rozmiarze

Chociaż duża ilość tych soli została zdeponowana na lądzie, fizycznie związana z popiołem z pióropusza, prawdopodobne jest również, że duża objętość soli i aerozoli bez popiołu pozostała w atmosferze po erupcji. Poprzednie badanie zakwestionowało pochodzenie mglistej substancji widocznej na szczycie pióropusza ³ . Podobna mgła jest związana z erupcjami litoralnymi wulkanu Kilauea (Hawaje) i jest przypisywana solom morskim ⁶ . Niedawno zasugerowano również, że brom i chlor mogły zostać wstrzyknięte do stratosfery w znacznych ilościach przez pióropusz Hunga ²¹ .

Duże ilości soli morskich przenoszone przez pióropusze wulkaniczne do znacznie wyższych poziomów atmosfery niż zwykle podczas takich erupcji magmy i wody morskiej mogą powodować długotrwałe zmiany atmosferyczne i pogodowe ⁶ . Uważa się, że dehalogenacja aerozoli soli morskiej, która zwykle pochodzi z rozbijania się fal i pęcherzyków powierzchniowych, jest największym źródłem gazów Cl i Br w troposferze ¹¹ . Podczas erupcji 15 stycznia 2022 r. dichlorowanie i debromowanie aerozoli przenoszonych przez pióropusz wulkaniczny mogło uwolnić Cl i Br do stratosfery i mezosfery. Takie halogeny osiągające duże wysokości mogą prowadzić do zniszczenia ozonu i wpływać na globalny budżet radiacyjny ^11 , 22 . Ponadto duże ilości HCl powstające w wyniku wrzenia wody morskiej i/lub ponownego podgrzewania NaCl (rys.  3 ) przez gorące piroklasty lub interakcję z kwasem siarkowym ²³ mogą również mieć wpływ na ozon atmosferyczny ²⁴ .

Wzbogacenia w HCL w stratosferze zostały potwierdzone, ale są one porównywalne do tych obserwowanych w poprzedniej, niepodwodnej aktywności wulkanicznej25 . Obserwacje całkowitych kolumn BrO z GOME-2 na pokładzie satelity Metop-C pokazują dwa odrębne sygnały wzbogacenia (rys.  6 ). Podczas gdy sygnał wschodni pokazuje troposferyczne obciążenie BrO26 ^, nieco mniejszy sygnał zachodni ma pochodzenie stratosferyczne, pokrywając się z trajektorią stratosferyczną pióropusza wulkanicznego i lokalizacją wzbogaceń H2O _w dniach następujących po erupcji25 ^. To, wraz ze stosunkami Br/Na w naszych odciekach, które są średnio niższe (0,0053) niż w wodzie morskiej (0,0065), sugeruje pewne uwolnienie Br do atmosfery poprzez debromację. Pióropusz stratosferyczny był również związany z ubytkiem ozonu²¹; nie jest jednak jasne, jaka część tego sygnału jest napędzana przez obciążenie halogenowe.

Gęstość pionowa kolumny tlenku bromu (BrO) z eksperymentu Global Ozone Monitoring Experiment-2 (GOME-2) na pokładzie meteorologicznego satelity operacyjnego C (Metop-C) w dniach 14–17 stycznia 2022 r.

Obraz w pełnym rozmiarze

Wnioskujemy, że nastąpił większy niż zwykle wtrysk chlorków i bromków (częściowo przekształconych w HCl i BrO) do stratosfery i mezosfery ze względu na podwodny charakter erupcji. Jednak efekt ten został w dużej mierze skompensowany przez skuteczne wiązanie między solami morskimi i cząsteczkami popiołu w agregatach27 ^, powodując osadzanie się tych soli w połączeniu z popiołem w morzu lub na lądzie. Erupcja Hunga z 15 stycznia 2022 r. kontrastuje z erupcjami przybrzeżnymi, gdzie strumienie lawy wnikają do morza i generują bogate w sól chmury pary, które są w większości wolne od popiołu, a gdzie produkcja soli i jej transfer do atmosfery są miliony razy większe niż w przypadku przeciętnych procesów na powierzchni ^morza6 .

Stosunek stężeń jonów chlorkowych i bromkowych (Na, Cl, Br, Mg i K) w stosunku do wody morskiej w odciekach z Grupy 1 waha się od 0,08 do 0,58 (rys.  5 b). Gdyby wszystkie jony zostały przeniesione z wody morskiej do popiołu podczas całkowitego odparowania, wartości te odpowiadają początkowemu stosunkowi wody morskiej do magmy. Różne stosunki w próbkach z Grupy 1 mogą być spowodowane zmiennym mieszaniem w pióropuszu. Ten zakres wody morskiej w stosunku do magmy odpowiada typowym wartościom oczekiwanym przy wysokiej wydajności konwersji energii cieplnej na pracę mechaniczną, używanej jako przybliżenie energii wybuchu płytkich erupcji podwodnych ²⁸ . Wartości te mogą jednak stanowić minimalne oszacowanie stosunku wody morskiej do magmy ze względu na (i) utratę pewnej ilości chlorków i bromków podczas dehalogenacji, (ii) umiarkowaną interakcję z wodą deszczową w dniach po osadzeniu (rys.  1 ) oraz (iii) część soli powstających w wyniku parowania wody morskiej, która prawdopodobnie uwalnia się do atmosfery i nie włącza się do agregatów popiołu.

Aerozole SO ₂ i siarczanowe wstrzykiwane do troposfery, stratosfery i mezosfery mogą przyczyniać się do zmiany klimatu ³ . Naszych stężeń Ca i SO ₄ nie można wyjaśnić wyłącznie mieszaniem wody morskiej i popiołu. Proporcje _próbki Ca / _{wody morskiej} Ca i próbki SO ₄ / _{wody morskiej SO 4} zmieniają się w podobny sposób w próbkach z Grupy 1, ale z wyraźną tendencją w porównaniu do innych jonów i ze znacznie wyższymi wartościami (Rys.  5 b; Tabela 1 ). Oznacza to dodatkowe tworzenie się siarczanu Ca poprzez wychwytywanie SO ₂ i dyfuzję Ca ze szkła wulkanicznego na powierzchni cząstek popiołu ^20 , 29 . Jeśli chodzi o chlorki i bromki, skuteczne wychwytywanie w agregatach popiołu siarczanów Ca, zarówno pochodzących z wrzenia wody morskiej, jak i z wychwytywania, sprzyjało depozycji i ograniczało ich wpływ na atmosferę. W przeciwieństwie do rozmiaru erupcji, w wyniku pióropusza z 15 stycznia w stratosferze wykryto jedynie niewielkie masy SO _{2 (~ 0,4–0,5 Tg} ³⁰ ). Rozbieżność między SO ₂ zmierzonymi przez satelity a wartościami oczekiwanymi z odgazowania (~ 24 Tg ³¹ ) można wyjaśnić wychwytywaniem gazowym SO ₂ i tworzeniem siarczanów wapnia oraz osadzaniem się takiego CaSO ₄ w agregatach popiołu lub uwalnianiem w postaci wolnych cząstek soli do atmosfery. Ponadto duża ilość SO ₂ mogła zostać uwolniona do morza poprzez pasywne odgazowanie przed erupcją lub wraz z wyrzutem w podwodnych prądach grawitacyjnych.

Łącząc stężenia wody morskiej i szacunki pary wodnej w atmosferze (~ 50–140 Tg ^21 , 22 ) i zakładając, że para wodna pochodzi głównie z wtryskiwania wody morskiej, możemy obliczyć zakres całkowitego budżetu jonów wtryskiwanych do atmosfery poprzez parowanie wody morskiej. Daje to 0,95–2,66 Tg Cl, 0,14–0,38 Tg SO ₄ i 0,003–0,01 Tg Br (możliwe, że podzielone zarówno na cząstki stałe, jak i gaz), przy czym górne wartości dla Cl i Br są porównywalne z całkowitymi rocznymi emisjami gazów z globalnej aktywności wulkanicznej ³² . Łącząc ten sam zakres szacunków pary wodnej z naszym obliczonym stosunkiem wody morskiej do magmy, szacujemy masę magmy wtryskiwanej do atmosfery, co daje 86–1750 Tg. Wartości te są znacznie niższe od masy magmy obliczonej na podstawie zmiany objętości związanej z zapadnięciem się kaldery o 7,9 km3 ^Dense Rock Equivalent ³³ , tj. 22 000 Tg, jednak większość tej objętości wydaje się być zdeponowana w postaci piroklastycznych prądów gęstości na dnie morskim. Oszacowania opadu tephry z regresji zmierzonych wartości sugerują objętość ~ 1,5 km3 ⁽ Cronin i in., pers comm.), co odpowiada ~ 0,6 km3 ^DRE lub ~ 1700 Tg.

Wysokie stężenie soli w pióropuszu wulkanicznym zwiększa stabilność agregatów ²⁷, co ma wpływ na czas przebywania popiołu w atmosferze, rozprzestrzenianie się pióropusza, miejsce depozycji i powiązane zagrożenia. Skuteczne cementowanie agregatów popiołu za pomocą soli morskich zostało omówione w przypadku erupcji freatomagmowych na Stromboli ³⁴ i w przypadku aktywności Surtseyan w latach 2014–2015 na wulkanie Hunga ¹⁰ . Dokładna rola soli w osadzaniu się popiołu podczas erupcji 15 stycznia 2022 r. wymaga dalszych badań, ponieważ agregacja może sprzyjać lub opóźniać sedymentację w zależności od porowatości i stosunku wielkości agregatu do rdzenia ³⁵ . Sole mogą mieć również wpływ na procesy piorunów wulkanicznych, ponieważ połączenie wrzenia wody morskiej i intensywnego tworzenia się soli prowadzi do tworzenia naładowanych elektrycznie aerozoli ^{36 , 37 , 38} . Dokładny wpływ tworzenia się soli na pioruny wulkaniczne podczas erupcji Hunga jest nieznany, co, wraz z wnioskowaną wysoką zawartością wody/lodu, może wyjaśniać ekstremalne zagęszczenie piorunów odnotowane podczas tej erupcji ³⁹ .

Dane z trzech niezależnych metod potwierdzają obecność dużej ilości soli morskich w osadach tephry z erupcji wulkanu Hunga z 15 stycznia 2022 r. Analiza wydzielanego gazu (EGA) to nowatorskie podejście, które dostarcza półilościowych danych na temat stężenia rozpuszczalnych soli w popiele wulkanicznym, zapewniając uzupełniające podejście do badań wypłukiwania. Próbki z Grupy 2, które były wystawione na działanie deszczu przez kilka miesięcy, charakteryzują się niską ilością soli, co odzwierciedla późniejsze rozpuszczenie soli wystawionych na działanie wody deszczowej, co podkreśla znaczenie szybkiego pobierania próbek w tego typu osadach. Próbki z Grupy 1, które zostały szybko zebrane po erupcji, wykazują najwyższą zawartość soli. Wiele chlorków w próbkach z Grupy 1 zachowało swoją morfologię kryształów (rys.  2 ) w przeciwieństwie do osadów z erupcji wulkanu Hunga z lat 2014–2015 , w których dominowały gładkie morfologie10 przypominające tekstury rozpuszczenia5 ^. Sugeruje to, że pierwotne rozpuszczenie w pióropuszu było ograniczone podczas erupcji 15 stycznia 2022 r., pomimo możliwej interakcji z lodem. Wysokie stężenie czystej soli w osadach popiołu jest dowodem na masowe wstrzykiwanie soli morskich do mezosfery. Duża część tych soli nie pozostała w atmosferze i została osadzona w agregatach, prawdopodobnie ze względu na skuteczne wiązanie między solami i cząsteczkami popiołu. Równowaga między wolnymi solami pozostającymi w atmosferze a tymi, które zostały osadzone w agregatach popiołu na lądzie lub w morzu, jest kluczową kontrolą nad budżetem soli atmosferycznej i powiązanymi z tym wpływami klimatycznymi podczas podwodnej erupcji naruszającej.

Pomiary satelitarne gazów w pióropuszach wulkanicznych są obecnie wykorzystywane jako wskaźnik szybkiego ograniczania rozmiaru erupcji i wpływu klimatycznego, a także są dostępne znacznie wcześniej niż pomiary naziemne, zwłaszcza w odległych obszarach, takich jak wyspy oceaniczne. Zaproponowano, że głównym efektem klimatycznym erupcji wulkanu Hunga z 15 stycznia 2022 r. była bezprecedensowa objętość zaobserwowanego wtrysku H ₂ O, podczas gdy SO ₂ i HCl zostały omówione jako niewyjątkowe25 ^. Nasze badanie pokazuje, że w celu interpretacji pomiarów satelitarnych należy wziąć pod uwagę kilka złożonych procesów wynikających ze środowiska podwodnego. Przy obliczaniu budżetu lotnych substancji w atmosferze należy wziąć pod uwagę, że głównym źródłem HCl, BrO, H ₂ O i w mniejszym stopniu SO ₄ jest woda morska, a nie lotne substancje wulkaniczne w przypadku tego typu erupcji. W przypadku wszystkich wytworzonych gatunków zawierających Cl-Br- i SO2 _/ SO4- _, podział między morzem, agregatami popiołu i wolnymi substancjami lotnymi lub cząstkami soli uwalnianymi do atmosfery musi zostać uwzględniony w przyszłych badaniach. Dlatego zalecamy, aby w celu określenia wielkości erupcji podwodnych i ich wpływu na atmosferę, konieczne było wieloaspektowe podejście. Połączyłoby ono szybkie pobieranie próbek i analizę dziewiczego tephry z technikami teledetekcji pióropusza erupcji dla szerokiego zakresu pierwiastków lotnych i cząstek soli.

Próbowanie

Próbki z Grupy 1 pobrano w ciągu pierwszych dwóch tygodni po wybuchu. Pierwszy zestaw (HT1, HT2, HT3 i HT9) został zebrany przez personel wojskowy ze stosów popiołu zmiecionego z pasa startowego lotniska Fu’uamoto tydzień po wybuchu (22 stycznia 2022 r.), w trzech czystych pojemnikach z polietylenu (ok. 80 km na południowy wschód od Hunga), na wyspie Tongatapu. W tym miejscu grubość popiołu została zapisana na mapie jako 1,8–2 cm. Próbkę HT9 pobrano w biurze Tonga Geoscience Services w Nuku’alofa (ok. 67,9 km na południe od Hunga) na wyspie Tongatapu, zgodnie z instrukcjami telefonicznymi SJC, a następnie wrzucono do zamkniętych plastikowych torebek strunowych. HT9 to gruboziarnisty lub drobnoziarnisty, słabo posortowany popiół, w tym bardzo drobny popiół i lapilli o grubości do 4 mm. W tym miejscu grubość popiołu została zapisana na mapie jako 2,7–3 cm. HT9 jest uważana za najbardziej nieskazitelną próbkę ze względu na miejsce pobrania próbki, duży rozmiar próbki zbiorczej (~ 20 kg) i niewielki deszcz w okolicy przed pobraniem próbki. Próbka HT2 została przesiana na mokro przed analizą i dlatego jest próbką wolną od soli. Wszystkie próbki są drobnoziarniste i niezanieczyszczone. Dwa tygodnie później, 28 stycznia, pobrano kolejny zestaw próbek z Grupy 1 (HT6, HT7 i HT8) (rys.  1 ). Praktycznie nie było deszczu w ciągu dwóch tygodni po wybuchu, z wyjątkiem odosobnionych przelotnych opadów lekkiego deszczu, ale nie zaobserwowano żadnych silnych lub uporczywych opadów. HT6 pobrano na wyspie Nomuka (ok. 69,5 km na wschód-północny wschód od Hunga), jest to drobny popiół, umiarkowanie posortowany i zawiera pewne obce materiały, w tym skały, żwir i piasek wapienny. Pozostałe próbki z Grupy 1 nie wykazywały tego składnika biologicznego. HT7 pobrano na wyspie Fonoifua (ok. 84,2 km na wschód-północny-wschód od Hunga) i składa się z wilgotnego i średnio posortowanego drobnego popiołu. HT8 pobrano na wyspie Tungua (ok. 88,6 km na północny-wschód od Hunga) i wykazuje takie same cechy jak HT7.

Ostatni zestaw próbek (Grupa 2), który obejmuje HT118 i HT129A-B, został pobrany ostrożnie, próbując podpróbkować przekroje głębokości reprezentujące stratygrafię osadu. Pobrano go w kwietniu z nowych stanowisk na północny wschód od Hunga. Jednak w lutym odnotowano wzrost opadów, które pozostały stałe w marcu, około 159 mm przez cały czas i rzadko przekraczały 298 mm (Rys.  1 ) ⁴⁰ . Próbkę HT118 pobrano 18 kwietnia na wyspie Nomuka-iki (ok. 68 km na wschód-północny wschód od Hunga) i odpowiada ona najnowszemu stadium popiołu po tsunami, zebranego na osadach tsunami w pobliżu wybrzeża. Zawiera on liczne muszle węglanowe z powodu skażenia po osadzeniu. Próbki HT129A-B pobrano 19 kwietnia, ~63,4 km na wschód od Hunga, z drugiej i ostatniej jesieni, odpowiednio przed i po osadach tsunami (popiołu bazowego i wierzchołkowego). Opady deszczu i wypłukiwanie mogły również silnie zmienić stratygrafię osadu, np. poprzez wypłukiwanie drobnych cząstek do niższych poziomów i koncentrację cząstek na powierzchni górnych osadów.

Analiza SEM

Obrazy elektronów rozproszonych wstecznie (BSE) oraz spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii (EDX) zostały połączone przy użyciu mikroskopu Schottky FE-SEM firmy HITACHI SU 5000 w LMU, aby określić charakter, wielkość i morfologię soli oraz półilościową ocenę pokrycia solą cząstek popiołu29 ^. Pokrycie solą oszacowano poprzez binaryzację map chemicznych Cl i S, a następnie 1-pikselowy etap erozji i dylatacji w celu usunięcia szumu.

Analiza cieplna

Wykonaliśmy analizę gazów wydzielonych (EGA) na spektrometrze masowym Mettler-Toledo TGA–DSC 3 + podłączonym do spektrometru masowego gazów Pfeiffer Vacuum GSD 32041 ^, co pozwoliło nam określić naturę lotnych gatunków meteorytowych, magmowych i związanych z solą podczas obróbki cieplnej. Próbki ogrzewano w azocie z szybkością 5 °C/min od 30 do 150 °C w celu odwodnienia, a następnie z szybkością 30 °C/min od 150 °C do 1300 °C przechodząc przez zakres temperatur zeszklenia (T _g ). Spekulujemy, że wartości T _g wynoszą ~ 535–585 °C, chociaż wartości te odpowiadają szklistym próbkom z erupcji w latach 2014-2015¹⁷. Podczas ogrzewania względna ilość różnych lotnych gatunków (H ₂ O, CO ₂ , SO ₂ , HCl i H ₂ S, które są ekstrahowane ze stosunków masy do ładunku odpowiednio 18, 44, 64, 36 i 34) została zarejestrowana przez spektrometr masowy gazu. Naturalne próbki zebrane do analizy były materiałem popiołu luzem lub odpowiadały danej frakcji popiołu. Cząstki nie były myte i suszone w temperaturze 40 °C przed analizą. Porównaliśmy sygnały dla naturalnych próbek z (i) mieszanką bezsolnych gęstych szklistych cząstek, białego i ciemnego pumeksu, (ii) czystego halitu, anhydrytu, gipsu, kalcytu i pirytu, (iii) mieszanką czystych cząstek magmowych z (i) i składników z (ii). Mieszanie i stopniowe ogrzewanie próbek pozwoliło nam oddzielić sygnały (i) lotnych substancji meteorycznych utworzonych przez rehydratację (utrata substancji lotnych w temperaturach poniżej T _g ), (ii) zawartości lotnych substancji magmowych (utrata substancji lotnych powyżej T _g w szklistych, bezsolnych próbkach) i (iii) reakcji rozkładu/topnienia soli. Sygnały dla każdej naturalnej próbki zostały skorygowane o początkową masę próbki (która waha się od 16 do 29 mg).

Procedura ługowania

Odcieki z tego samego zestawu próbek analizowanych pod kątem analizy BSE/EDX i EGA przygotowano ze współczynnikiem rozcieńczenia 1:20. Próbki popiołu mieszano z wodą dejonizowaną przez jedną godzinę, a następnie filtrowano przy stężeniu mniejszym niż 2 µm na filtrze celulozowym. Odcieki analizowano w LMU metodą chromatografii jonowej w celu określenia zawartości anionów (Cl, Br, F, azotan, SO4 ₎ , natomiast stężenia kationów określano metodą spektroskopii emisyjnej ze wzbudzeniem plazmą indukcyjnie sprzężoną (ICP-OES).

Pomiary satelitarne

Wykorzystujemy pionowe gęstości kolumn BrO z Global Ozone Monitoring Experiment-2 (GOME-2) na pokładzie meteorologicznego satelity operacyjnego C (Metop-C) z okresu od 14 stycznia 2022 r. do 17 stycznia 2022 r. Dane opierają się na algorytmie operacyjnym GOME Data Processor (GDP) w wersji 4.9, który wykorzystuje zoptymalizowany algorytm różnicowej spektroskopii absorpcji optycznej (DOAS) do określania skośnych kolumn gazów śladowych, a następnie konwersji współczynnika masy powietrza w celu wygenerowania pionowych kolumn.