Vulkanische gassen ontstaan onder het aardoppervlak, in de aardmantel en aardkorst, en ontsnappen vervolgens via actieve en soms slapende vulkanen. Deze gassen zitten opgesloten in holtes in vulkanisch gesteente of zijn opgelost in magma en lava. Tijdens het opstijgen van magma daalt de druk, waardoor vulkanische gassen vrijkomen en bellen vormen die explosieve uitbarstingen kunnen veroorzaken. Soms komen deze gassen ook naar buiten via vulkanische kraters, ventilatieopeningen of verwarmd grondwater.
Samenstelling vulkanische gassen
De samenstelling van vulkanische gassen is heel divers, maar waterdamp (H2O) maakt daarvan het grootste deel uit, meestal meer dan 60%.
Daarnaast zijn koolstofdioxide (CO2) en zwavelverbindingen zoals zwaveldioxide (SO2) bij hoge temperaturen en waterstofsulfide (H2S) bij lagere temperaturen belangrijke componenten, die samen tot wel 40% van de uitstoot kunnen vormen.
Verder bevatten vulkanische gassen vaak stikstof (N2), argon (Ar), helium (He), neon (Ne), radon (Rn), methaan (CH4), koolstofmonoxide (CO), waterstof (H2), maar ook zeldzamere stoffen zoals waterstofchloride (HCl), waterstoffluoride (HF), zwavelhexafluoride (SF6), carbonylsulfide (COS) en zelfs sporenelementen als kwik (Hg) en halogeenkoolwaterstoffen.
Passieve ontgassing
Passieve ontgassing van vulkanische gassen gebeurt wanneer gassen langzaam ontsnappen uit het magma zonder dat er een explosieve uitbarsting plaatsvindt. Deze vorm van gasvrijgave wordt beïnvloed door de viscositeit van het magma en het gasgehalte. Hoe hoger de viscositeit en gasinhoud, hoe groter de kans op explosieve erupties. Minder viskeuze magma’s daarentegen, laten vulkanisch gas meer geleidelijk ontsnappen. Wereldwijd komt het merendeel van de uitstoot van zwaveldioxide (SO2) en koolstofdioxide (CO2) uit vulkanen voort uit deze passieve ontgassing die plaatsvindt tijdens de niet-eruptieve fase. Tijdens erupties is de CO2-uitstoot doorgaans minder dan 10% van wat via passieve ontgassing vrijkomt. Hierdoor is passieve ontgassing een belangrijke bron van vulkanische gasemissie.
Tektonische omgeving
De tectonische omgeving van een vulkaan speelt een grote rol in welke gassen er vrijkomen. Vulkanen op convergente plaatgrenzen, waar een tektonische plaat onder een andere duikt (subductiezone), stoten relatief meer waterdamp en chloor uit dan vulkanen op divergente plaatgrenzen of hotspots. Dit komt doordat zeewater in subductiezones betrokken raakt bij de vorming van magma, wat de samenstelling van de gassen beïnvloedt.
De rol van vulkanische gassen bij eruptiegedrag
Vulkanische gassen zijn bepalend voor hoe explosief een vulkaanuitbarsting verloopt. Wanneer magma vanuit dieper in de aarde omhoog komt, neemt de druk af. Waardoor de in het magma opgeloste gassen vrijkomen en kleine belletjes vormen. Dit proces lijkt op het openen van een bruiswaterfles: zodra de druk vermindert, ontsnappen de gassen en ontstaan er bubbels. Als het magma relatief vloeibaar is, kunnen deze gasbellen langzaam en geleidelijk ontsnappen uit de magma. Wat meestal leidt tot rustige, stromende (effusieve) erupties. Bij taaiere, stroperige magma blijft het gas echter beter opgesloten, waardoor de druk ondergronds verder oploopt.
Als het gas te lang opgesloten blijft, doordat de uitweg afgesloten is, bouwt zich enorme druk op in het magmareservoir. Op een gegeven moment kan deze druk zo hoog worden dat het magma explosief wordt afgevoerd, waarbij het magma uiteenvalt in vulkanische as en gaswolken. Dit explosieve eruptiegedrag hangt sterk af van de hoeveelheid opgeloste gassen en de viscositeit van het magma: hoe meer gas en hoe visceuser (minder vloeibaar) het magma, hoe heviger en explosiever de uitbarsting.
Naast explosieve erupties spelen vulkanische gassen ook een rol bij passieve ontgassing via fumarolen en hydrothermale systemen. Deze gasstromen die vaak bij lagere temperaturen plaatsvinden wijzen op magmadynamiek en veranderingen in de vulkaanactiviteit.
Geur
De geur van vulkanische gassen kan variëren: zwaveldioxide (SO2) ruikt naar verbrande lucifers, terwijl waterstofsulfide (H2S) herkenbaar is aan de karakteristieke geur van rotte eieren. Sommige gassen, zoals koolstofdioxide (CO2) en radon, zijn geurloos maar bijzonder gevaarlijk omdat ze zich door hun hogere dichtheid kunnen ophopen in laaggelegen of slecht geventileerde gebieden. Dit verhoogt het risico van verstikking, vooral voor mensen, dieren en planten in de buurt van vulkanen. Ook waterstofsulfide (H2S) heeft een hogere dichtheid dan lucht en kan zich daardoor ophopen in laaggelegen gebieden. Maar deze blijft niet onopgemerkt door de geur.
Gevaren
Vulkanische gassen brengen aanzienlijke gevaren met zich mee. Zo veroorzaken ze direct ongeveer 3% van alle vulkaangerelateerde sterfgevallen tussen 1900 en 1986. Ze kunnen levensgevaarlijk zijn door verstikking, vooral door koolstofdioxide dat onzichtbaar en geurloos is. Daarnaast zorgen zwaveldioxide, waterstofchloride, waterstoffluoride en waterstofsulfide voor zure corrosie en irritatie van de luchtwegen, ogen en huid. Dit kan variëren van lichte irritaties tot ernstige ademnoodsituaties en zelfs de dood. In gebieden waar lava de oceaan raakt, ontstaat door het contact met water zure stoom die zeer schadelijk is.
Vulkanische uitstoot vormt ook een bedreiging voor dieren en planten. Dieren kunnen fluorose krijgen door het inademen van gassen of het opnemen van besmet water en voedsel. Dit leidt tot ernstige gezondheidsproblemen zoals neurologische schade en skeletafwijkingen. Planten lijden onder zure gassen en aërosolen die het blad beschadigen en de groei sterk kunnen remmen. Daarnaast tast zure regen die ontstaat door vulkanische emissies gebouwen, machines en infrastructuur aan, wat kostbare reparaties en onderhoud oplevert.
Klimaat
Bovendien kunnen vulkaanuitbarstingen een invloed op het klimaat hebben. Zwavelaerosolen die bij grootschalige erupties vrijkomen reflecteren zonlicht, wat tijdelijk kan leiden tot een wereldwijde afkoeling. Zo hebben grote explosieve vulkaanuitbarstingen in het verleden, vooral wanneer deze in de tropen plaatsvonden, regelmatig een vulkanische winter veroorzaakt. Dit gebeurde bijvoorbeeld bij uitbarsting van de Tambora-vulkaan in Indonesië in 1815, die een enorme hoeveelheid zwaveldioxide in de stratosfeer bracht. Deze zwavelaerosolen verspreidden zich over de hele aarde en verminderden de hoeveelheid zonlicht die het aardoppervlak bereikte. Dit leidde tot een daling van de gemiddelde wereldtemperatuur van ongeveer 0,5 tot 1 graad Celsius gedurende het jaar 1816, dat bekendstaat als het “jaar zonder zomer”. Dit had wereldwijd dramatische gevolgen voor landbouw, weerpatronen en voedselvoorziening.
Een tegenovergesteld effect wordt bereikt door koolstofdioxide (CO2), wat een broeikasgas is en daarmee een opwarmend effect heeft. In vergelijking met de hedendaagse CO2-uitstoot door menselijke activiteiten is de uitstoot van vulkanen erg laag. Echter gedurende de gehele geologische geschiedenis van de aarde hebben vulkanen CO2 en andere vulkanische gassen uitgestoten. Daarmee hebben zij een atmosfeer gevormd en instand gehouden, waardoor leven mogelijk werd. Ook maken vulkanen een essentieel onderdeel uit van de koolstof en stikstof kringloop. Vulkanen hebben dus een cruciale rol gespeeld in het mogelijk maken en instand houden van het leven op aarde.
Monitoring
De monitoring van vulkanische gassen is cruciaal om uitbarstingen te voorspellen en gevaar te beperken. Dit gebeurt met directe monstername en geavanceerde teledetectie, waarmee veranderingen in gasconcentraties en verhoudingen nauwkeurig worden gevolgd. Plotselinge veranderingen kunnen wijzen op opkomende vulkanische activiteit. Monitoring kan zo helpen om tijdig veiligheidsmaatregelen te nemen en evacuaties op te starten.
Veiligheidsmaatregelen zijn belangrijk om de risico’s te minimaliseren. Mensen wordt aangeraden om laaggelegen gebieden en slecht geventileerde plekken te mijden tijdens verhoogde gasemissies. Ook het gebruik van geschikte filters in afgesloten ruimtes en goede ventilatie is van belang, zeker in gebieden met geothermische activiteit. Voor boeren en veehouders is het essentieel om het voer en water van dieren schoon te houden en dieren te beschermen tegen giftige gassen.
