Μια σύνθετη μελέτη της ηφαιστειακής τέφρας της Αίτνας από επίγειες, επί τόπου και διαστημικές παρατηρήσεις

Από RemoteSensing Wiki

Πηγή: A complex study of Etna's volcanic plume from ground‐based, in situ and space‐borne observations [1]

Συγγραφείς: C. Zerefos , P. Nastos , D. Balis , A. Papayannis , A. Kelepertsis , E. Kannelopoulou , D. Nikolakis , C. Eleftheratos , W. Thomas & C. Varotsos

Εισαγωγή

Η Αίτνα βρίσκεται στην ανατολική Σικελία, καλύπτει μια περιοχή περίπου 1200 τετραγωνικών χιλιομέτρων και έχει ύψος περίπου 3350 μέτρα. Αυτό το ηφαίστειο είναι ένας σημαντικός πομπός αερίων, αντιπροσωπεύοντας περίπου το 10% των παγκόσμιων ηφαιστειακών εκπομπών CO2 και SO2. Μια σχετικά σιωπηλή φάση του ηφαιστείου της Αίτνας τέλειωσε το Νοέμβρη του 1999 και από τότε αρκετές εκρήξεις έχουν καταγραφεί. Οι εκρήξεις τον Ιούλιο/Αύγουστο του 2001 και τον Οκτώβριο/Νοέμβριο του 2002 είναι οι σημαντικότερες που έχουν καταγραφεί και παρατηρήθηκαν από διαφορετικούς δορυφορικούς αισθητήρες, οι οποίοι παρείχαν λεπτομερείς οπτικές πληροφορίες για τη χωρική κατανομή του καπνού και των σύννεφων τέφρας. Η εργασία αυτή επικεντρώνεται στις εκπομπές της Αίτνας για τις δύο προαναφερθείσες περιόδους χρησιμοποιώντας δεδομένα από φωτοφασματόμετρο Brewer, από LIDAR και από μετρήσεις φίλτρων αερολυμάτων σε Αθήνα και Θεσσαλονίκη, μαζί με δεδομένα από δορυφορικές καλύψεις και ανυψώσεις μπαλονιών, καθώς και δεδομένα από μια χημική ανάλυση της πτώσης των ομβρίων στην Αθήνα τον Νοέμβριο του 2002.

Ανάλυση Δεδομένων και Αποτελέσματα

Ένα πολύπλοκο παρατηρητικό πείραμα σχεδιάστηκε για να μελετήσει τη χημική σύνθεση και τις φυσικές ιδιότητες των ηφαιστειακών αερολυμάτων μετά από μεταφορές μεγάλης εμβέλειας. Αναλύθηκαν δύο γεγονότα: στην πρώτη περίπτωση (Ιούλιος 2001) εντοπίστηκε ένα ηφαιστειακό νέφος με ένα σύστημα LiDAR καθώς περνούσε πάνω από την Αθήνα. Bολιδοσκοπήσεις εκτελέστηκαν για την λήψη διαγραμμάτων των φυσικών χαρακτηριστικών του αερολύματος σε μήκος κύματος 532nm. Η ανάλυση πίσω τροχιάς επιβεβαίωσε την ηφαιστειακή προέλευση του στρώματος του αερολύματος. Στη δεύτερη περίπτωση (Οκτώβριος – Νοέμβριος 2002) οι ηφαιστειακές εκπομπές πέρασαν πάνω από τη Βόρεια Ελλάδα. Με βάση την εμπειρία που αποκτήθηκε από το πρώτο γεγονός, μια εκστρατεία συγκέντρωσης παρατηρήσεων οργανώθηκε στην Ελλάδα, η οποία περιελάμβανε φασματοσκοπικές παρατηρήσεις από το έδαφος και το διάστημα, βολιδοσκοπήσεις από LIDAR και χημικές μετρήσεις της σύνθεσης των ηφαιστειακών υπολειμμάτων στο νερό της βροχής και στην ηφαιστειακή τέφρα σε επίπεδο εδάφους στην Ανατολική Ελλάδα.

Το σύστημα αερολυμάτων LΙDAR του ΕΜΠ λειτουργούσε στα 532 nm στην ευρύτερη περιοχή της Αθήνας την περίοδο 2000-2003, με στόχο την συνεχής παρακολούθηση των αερολυμάτων ηφαιστειακής σκόνης που προέρχονται από την έκρηξη της Αίτνας στο πλαίσιο του παρατηρησιακού πειράματος EARLINET. Μια ξεχωριστή στρώση αερολύματος εντοπίστηκε στην Αθήνα κατά την περίοδο 23-26 Ιουλίου 2001. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα των μετρήσεων LIDAR δίνεται στο σχήμα 1 για τις 26 Ιουλίου 2001.

Το στρώμα του αερολύματος βρίσκεται περίπου 3,5-3,8 χλμ. πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας και είναι σταθερό σε όλη τη διάρκεια της περιόδου μέτρησης. Υπολογίζεται μια μέση τιμή του οπτικού πάχους του στρώματος ηφαιστειακής σκόνης της τάξεως των 3x10-3 στα 532 nm. Αυτό το οπτικό πάχος αερολύματος του στρώματος σκόνης φαίνεται μικρό, αλλά υπάρχουν δύο εύλογοι λόγοι γι 'αυτό. Πρώτον, η Αίτνα απέχει περίπου 750 χιλιόμετρα από το σταθμό LIDAR της Αθήνας, με αποτέλεσμα την υγρή και ξηρή απελευθέρωση μεγάλων σωματιδίων. Δεύτερον, λόγω της μεγάλης απόστασης μεταξύ της Αίτνας και της Αθήνας, το σύννεφο του αερολύματος δεν θα είναι πλέον μικρό, αλλά θα διασκορπιστεί σε πολύ μεγαλύτερη περιοχή.

Για να επαληθευτεί η προέλευση αυτού του ενισχυμένου στρώματος σκόνης, πραγματοποιήθηκε μια ανάλυση πίσω τροχιάς, χρησιμοποιώντας το μοντέλο HYSPLIT του NOAA για τις αέριες μάζες που κατέληξαν πάνω από την Αθήνα στις 26 Ιουλίου 2001 και ώρα 11:00 (UT) (σχήμα 2). Αυτή η ανάλυση δείχνει ότι οι μάζες αέρα μεταξύ 3,5 και 4 χιλιομέτρων, είχαν πέρασαν το ηφαίστειο της Αίτνας 24 ώρες νωρίτερα σε υψόμετρο περίπου 4,5-5,5 χλμ. Όλα τα δεδομένα που συλλέχθηκαν δείχνουν ότι δεν υπήρξε μεταφορά ηφαιστειακών εκπομπών σε επίπεδα της στρατόσφαιρας.

Στις 26 Ιουλίου 2001 πραγματοποιήθηκαν επίσης μετρήσεις του όζοντος από μπαλόνι στην περιοχή της Αθήνας στις 12:00 (UT) (σχήμα 3). Το σχήμα 3 δείχνει αξιοσημείωτη μείωση της μερικής πίεσης του όζοντος στο επίπεδο ύψους μεταξύ 650 και 700 hPa που συμπίπτει σχεδόν με το ύψος του στρώματος του αερολύματος (περίπου 4 χλμ.) το οποίο απεικονίζεται στο σχήμα 2. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό γιατί μπορεί να δείχνει ότι οι διεργασίες που παράγουν αντιδραστικά αλογόνα μπορεί να συμβάλλουν σημαντικά στην καταστροφή του όζοντος σε στρώματα ηφαιστειακής σκόνης. Επίσης τα ενισχυμένα επίπεδα HOx και NOx στις ηφαιστειακές εκπομπές ενδέχεται να ενεργοποιήσουν καταλυτικούς κύκλους μη αλογόνων, που καταστρέφουν το όζον στα τροποσφαιρικά ηφαιστειακά στρώματα.

Στη Θεσσαλονίκη εκτελούνται ανά τακτά χρονικά διαστήματα μετρήσεις SO2 με ένα φασματοφωτόμετρο Brewer. Μετά την έκρηξη της Αίτνας τον Οκτώβριο του 2002, σχετικά υψηλές τιμές SO2 της τάξης των 6-7 μονάδων Dobson (DU) εντοπίστηκαν στη Θεσσαλονίκη. Το σχήμα 4 δείχνει τις μετρήσεις του Brewer για την περίοδο Οκτωβρίου-Νοεμβρίου 2002. Οι παρατηρούμενες υψηλές τιμές είναι πολύ πάνω από τις συνηθισμένες για την περιοχή της Θεσσαλονίκης, οι οποίες κυμαίνονται μεταξύ 2 και 4 DU. Η σχετική αύξηση των επιπέδων SO2 είναι της τάξης των 3 DU.

Η παρουσία υψηλών τιμών SO2 στην Αθήνα είναι επίσης εμφανής από δορυφορικές μετρήσεις. Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονται από το Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS/Earth-Probe) και τον αισθητήρα του Global Ozone Monitoring Experiment (GOME) που βρίσκεται στο δορυφόρο ERS-2. Τα διακριτά φασματικά κανάλια του TOMS με πλάτος ζώνης περίπου 1 nm είναι εν μέρει ευαίσθητα στο SO2, επιτρέποντας τον υπολογισμό του λεγόμενου δείκτη θείου (S.I.). Το σχήμα 5 δείχνει τις τιμές του δείκτη S.I. για την περίοδο Οκτωβρίου - Νοεμβρίου 2002. Οι τιμές που παρατηρήθηκαν στα τέλη του 2002 φθάνουν σε κορύφωση στον εποχιακό κύκλο του S.I., συμπίπτοντας με την περίοδο που η Αίτνα ήταν ενεργή. Οι μετρήσεις του δείκτη S.I. του TOMS συμπίπτουν με τις μετρήσεις εδάφους για το SO2.

Το φασματόμετρο GOME αναλύει την απορρόφηση SO2 και όζοντος στην περιοχή της υπεριώδους ακτινοβολίας μεταξύ 315 και 330 nm και σε φασματική ανάλυση περίπου 0,2 nm. Bέβαια προκύπτουν κάποιες αβεβαιότητες για τις ανακτημένες στήλες SO2, οι οποίες σχετίζονται με την άγνωστη κατάσταση του αερολύματος και του αερίου ιχνηλάτη, και ειδικότερα με το ύψος του στρώματος SO2. Επιπλέον, το GOME δεν είναι ευαίσθητο στο SO2 στα χαμηλότερα ατμοσφαιρικά στρώματα κάτω από χαμηλές συνθήκες λευκαύγειας. Ωστόσο, για τα κρούσματα του φθινοπώρου του 2002, αποδείχθηκε ότι η σχετική αύξηση των επιπέδων SO2 στην ατμόσφαιρα μετά τις εκρήξεις της Αίτνα για το GOME και το επίγειο όργανο Brewer είναι παρόμοιες.

Επίσης εξετάστηκε το δείγμα της βροχόπτωσης από δύο πρωτότυπους αυτόματους δειγματολήπτες για να μελετηθεί η υγρή εναπόθεση ηφαιστειακού υλικού στην περιοχή της Αθήνας. Η χημική σύνθεση, το pH και η αγωγιμότητα των ομβρίων υδάτων στις 14 Οκτωβρίου, 5 και 6 Νοεμβρίου 2002 από τον σταθμό Α της Αθήνας απεικονίζονται στο σχήμα 6. Είναι σαφές ότι στις 5 Νοεμβρίου 2002 (όταν η βροχόπτωση στον υπό εξέταση σταθμό ήταν η πρώτη μετά τις εκρήξεις της Αίτνας), οι συγκεντρώσεις του SO42- (39 mg /l) ήταν πολύ υψηλές σε σύγκριση με εκείνες της προηγούμενης υγρής εναπόθεσης στις 14 Οκτωβρίου (2,1 - 4,0 mg/l) και της επόμενης υγρής εναπόθεσης στις 6 Νοεμβρίου (1,0-2,0 mg/l). Η συγκέντρωση του Cl- κορυφώθηκε στις 5 Νοεμβρίου (8,1 mg/l), ενώ στις 14 Οκτωβρίου ήταν 3 mg/l και στις 6 Νοεμβρίου 1,5 mg/l.

Παρόμοια ήταν και τα αποτελέσματα που λήφθηκαν από τον Σταθμό Β της Αθήνας. Ειδικότερα, η χημική ανάλυση του περιεχομένου των ιόντων των ανόργανων ενώσεων αποκάλυψε ότι οι συγκεντρώσεις SO42-, ΝΟ3-, Cl-, Na +, Κ +, Ca2 + και Mg2 + ήταν υψηλότερες στις 5 Νοεμβρίου από τις αντίστοιχες στις 14 Οκτωβρίου και στις 6 Νοεμβρίου. Με βάση και τη χημική σύνθεση των ομβρίων υδάτων στις τροχιές στα 3 και 5 χλμ. πάνω από την στάθμη της θάλασσας (σχήμα 7), μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η σύνθεση του βρόχινου νερού έχει μεταβληθεί από την παρουσία ηφαιστειακού υλικού.

Συμπεράσματα

Η επίδραση των ηφαιστειακών εκρήξεων της Αίτνας στην ατμοσφαιρική σύνθεση και στο ευρύτερο περιβάλλον είναι πολλαπλή και μπορεί να παρακολουθείται ακόμη και σε απομακρυσμένες περιοχές. Η μελέτη μας επιβεβαίωσε τη μεταφορά μεγάλης εμβέλειας ηφαιστειακού SO2 και αερολυμάτων από την έκρηξη της Αίτνας το 2001 και το 2002 στην Ελλάδα. Αναλύθηκαν φασματοφωτομετρικές μετρήσεις από επίγειο εξοπλισμό και από εναέριους αισθητήρες καθώς και μετρήσεις LIDAR στην Αθήνα και τη Θεσσαλονίκη. Αποδείχθηκε ότι το γεωμετρικό πάχος του ηφαιστειακού πετρώματος ήταν της τάξης των 300 m, έχει οπτικό βάθος αερολύματος περίπου 3x10-3 στα 532 nm, και είναι περίπου 4km πάνω από τη στάθμη της θάλασσας. Παρατηρήθηκε σημαντική μείωση της μερικής πίεσης του όζοντος μεταξύ των επιπέδων ύψους 650 και 700 hPa πάνω από την Αθήνα, συμπίπτοντας με το υψόμετρο του στρώματος του αερολύματος (περίπου 4 km). Αυτό υπογραμμίζει τον σημαντικό ρόλο των καταλυτικών κύκλων αλογόνου και μη-αλογόνου που καταστρέφουν το όζον στα τροποσφαιρικά ηφαιστειακά στρώματα. Τα ενισχυμένα επίπεδα SO2 επιβεβαιώθηκαν επίσης από τους αισθητήρες εδάφους (Brewer) και διαστήματος (TOMS, GOME). Όλες οι καταγραφές SO2 από αυτή την περίοδο συμφωνούν μεταξύ τους, ενώ τα αποτελέσματα του GOME και τα δεδομένα του Brewer δείχνουν παρόμοια ποσοτική αύξηση των επιπέδων SO2 μετά τις εκρήξεις στα τέλη του 2002. Τέλος, η χημική ανάλυση δειγμάτων ομβρίων και τέφρας επιβεβαίωσε ότι υλικό ηφαιστειακής προέλευσης βρισκόταν πάνω από την Αθήνα.