Development and implementation of an algorithm for improved volcanic gas emission monitoring, geophysical research and volcano risk assessment

Research Project, 2017 – 2019

Mer än 1000 millioner människor lever under direkt hot från aktiva vulkaner. Gasemissionen från magman spelar en central roll både för igångsättandet och det fortsatta förloppet vid ett vulkanutbrott, och har därför blivit ett viktigt verktyg inom vulkanforskning och riskbedömning. Gasemissioner från vulkaner kan vara betydande och påverkar miljön på såväl lokal och regional som global skala.

Chalmers har, bland annat som koordinator av 2 EU-projekt, under de senaste 15 åren haft en ledande roll i utvecklingen av fjärranalysmetoder för mätning av vulkangaser. I projektet DORSIVA (Utveckling av Optiska Fjärranalysmetoder för Vulkanapplikationer, 2002-2005) utvecklades ett flertal olika instrumentkoncept. Ett av dessa koncept, Skannande mini-DOAS blev en succé, och i projektet NOVAC (Nätverk för Observation av Vulkanisk och Atmosfärisk Förändring, 2005-2010) demonstrerades användningen av detta instrument på 19 olika aktiva vulkaner. Idag omfattar NOVAC 85 instrument på 34 aktiva vulkaner runt om i världen. Instrumenten mäter, från ca 5 km avstånd, automatiskt den totala svaveldioxidemissionen från vulkanen, uttryckt i kg/s, med hög tidsupplösning.

En av de viktigaste gaserna att mäta är svaveldioxid (SO2). Dels är denna gas viktig för förståelsen av de geofysiska och geokemiska processerna, dels har den egenskaper som gör att den kan mätas med en optisk fjärranalysteknik som möjliggör mätning inte bara av koncentrationer utan av total emission från en vulkan. Kvantitativa mätningar av andra gaser, t.ex. CO2, görs ofta genom att först bestämma emissionen av SO2 med UV-spektroskopi och därefter mäta kvoten mellan koncentrationerna av den aktuella gasen och SO2. Därefter fås emissionen av den aktuella gasen genom skalning.

Ett exempel på detta är projektet DECADE. Ambitionen i detta projekt är att mäta inte bara koncentrationen, utan emissionen (kg/s) av bl.a. koldioxid. Då NOVAC-instrumenten har den unika egenskapen att de mäter emissionen av SO2, har man valt en mätstrategi som går ut på att kombinera "in-situ" mätning av koncentrationen av CO2 och SO2 i plymen, med emissionsmätning av SO2 från NOVAC-instrument. Således är ambitionen att inledningsvis komplettera samtliga 24 vulkaner i NOVAC-nätverket med ett "in-situ" instrument MULTIGAS (CO2, SO2, CO, CH4), under projektets senare del avser man utrusta ytterligare minst 20 vulkaner med NOVAC och MULTIGAS instrument.

Detta projekt syftar till att utveckla en ny algoritm som medger kvantitativ korrektion av fel som orsakas av ljusspridning i aerosoler och molekyler i atmosfären, den sannolikt största felkällan vid mätning av vulkaners gas emission användande UV-spektroskopi. Metoden kommer att testas och valideras i fält, samt med en strålningsmodell.

Den nya algoritmen kommer att distribueras till de 15 vulkanobservatorier som idag operativt använder Chalmersinstrument i sin vulkanövervakning.

Metoden kommer specifikt att användas i DECADE-projektet för att förbättra våra kunskaper om emissionen av CO2 från vulkaner

Metoden kommer också att appliceras på data från NOVAC arkivet, innehållande mer än 4 millioner emissionsmätningar från 34 vulkaner från de senaste 8-10 åren. Dessa data kommer sedan att göras tillgängliga för forskarsamhället och civilförsvarsmyndigheter via databasen WOVO-dat (World Organization of Volcano Observatories). Syftet med denna databas är att utgöra ett referensbibliotek för hur olika parametrar beter sig i samband med vulkankriser, och därmed ge vägledning i hantering av liknande vulkankriser.

Med dessa korrigerade data som grund kommer statistik att tas fram som möjliggör korrigering också av historiska data som utnyttjat liknande teknik, och därmed kommer en reviderad uppskattning av de globala emissionerna av SO2 att kunna tas fram. Detta är viktigt bland annat eftersom SO2 från vulkaner omvandlas till sulfatpartiklar som ingår som en viktig parameter i klimatmodeller.