Volcanisme stratosphérique et isotopes du sulfate // Stratospheric volcanism and sulphate isotopes

Dans les archives glaciaires, les éruptions volcaniques du passé sont associées à des pics de concentration de sulfate. Pour estimer la contribution volcanique aux variations climatiques passées, il est nécessaire de pouvoir faire la différence, dans ces enregistrements, entre les éruptions stratosphériques, à fort impact climatique, et les éruptions troposphériques, d’impact faible et local. L’étude des isotopes du sulfate (soufre et oxygène), permet de faire cette distinction et d’établir un inventaire des éruptions stratosphériques enregistrées à Dôme C, Antarctique, sur les 2600 dernières années. Cette étude a été réalisée par l’Institut des géosciences de l’environnement de l’Université de Grenoble et le Laboratoire de géologie de Lyon.

La glace polaire est la meilleure archive en terme de paléovolcanisme. Les reconstructions du volcanisme passé se basant sur l’analyse des carottes de glace sont nombreuses. Elles permettent d’estimer l’effet refroidissant du volcanisme et ses conséquences climatiques, dû aux interactions entre aérosols d’acide sulfurique d’origine volcanique, et le rayonnement solaire incident.

Différencier, dans les enregistrements volcaniques polaires, les éruptions troposphériques des éruptions stratosphériques (à forte conséquence climatique) est crucial pour estimer l’impact climatique naturel exercé par le volcanisme dans le passé. La découverte d’une signature isotopique particulière sur le sulfate volcanique formé dans la stratosphère a permis d’établir une reconstruction des éruptions stratosphériques enregistrées à Dôme C, Antarctique, sur les 2600 dernières années.

Jusqu’alors, les reconstructions volcaniques ont été faites à partir d’enregistrements volcaniques bipolaires (carottes de glace issues d’Antarctique et du Groenland), et reposent sur le principe qu’une éruption stratosphérique, à fort impact climatique, entraîne un dépôt global de sulfate, mis en évidence par comparaison de carottes de glace de pôles opposés. Les émissions soufrées issues d’une éruption dite troposphérique ont, quant à elles, une faible durée de vie dans cette basse couche de l’atmosphère, et leur incidence climatique reste négligeable. Cette approche, dite bipolaire, nécessite une excellente synchronisation et datation des carottes de glace entre elles.

En 2010-2011, 5 carottes de glace de 100 mètres de long ont été collectées à Dôme C en Antarctique et ensuite rapatriées à Grenoble. Ces carottes ont été analysées et échantillonnées dans le but de reconstruire une histoire du volcanisme stratosphérique des 2600 dernières années, par la méthode isotopique.

Cette première reconstruction des éruptions stratosphériques par la méthode isotopique fournit une validation indépendante des reconstructions antérieures. Elle met en évidence des évènements stratosphériques de hautes latitudes, non bipolaires mais néanmoins significatifs d’un point de vue climatique. Il arrive en effet que les aérosols issus d’une éruption stratosphérique localisée dans les hautes latitudes se cantonnent à un seul hémisphère. L’analyse isotopique révèle également, en profondeur, des signaux troposphériques jusqu’alors considérés comme bipolaires. Elle permet donc d’affiner les précédentes reconstructions.

Tandis que l’analyse isotopique du soufre renseigne sur la nature de l’éruption, l’analyse isotopique de l’oxygène révèle un effondrement du traceur suite à deux éruptions majeures. Cette évolution du signal isotopique reflète soit une altitude d’injection particulièrement importante, soit un épuisement de l’ozone atmosphérique, provoqué par une large injection de composés halogénés.

Etendue à d’autres régions et d’autres types de sites, cette approche isotopique constitue un outil intéressant pour affiner et compléter les reconstructions du volcanisme passé, et à terme, pour mieux quantifier l’impact du volcanisme sur le climat.

Source : Observatoire des Sciences de l’Univers de Grenoble (OSUG).

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In glacial records, volcanic eruptions of the past are associated with peaks of sulphate concentration. To estimate the volcanic contribution to past climatic variations, it is necessary to be able to make a diffrence, in these recordings, between stratospheric eruptions, with high climatic impact, and tropospheric eruptions, of weak and local impact. The study of sulphate isotopes (sulphur and oxygen) makes it possible to make this distinction and to establish an inventory of the stratospheric eruptions recorded at Dome C, Antarctica, over the last 2600 years. This study was carried out by the Institute of Environmental Geosciences of Grenoble University and the Geology Laboratory of Lyon.
Polar ice is the best archive in terms of paleovolcanism. The reconstructions of past volcanism based on the analysis of ice cores are numerous. They make it possible to estimate the cooling effect of volcanism and its climatic consequences, due to the interactions between sulphuric acid aerosols of volcanic origin, and the incident solar radiation.
Differentiating in polar volcanic recordings tropospheric eruptions from stratospheric (high climatic) eruptions is crucial for estimating the natural climatic impact of volcanism in the past. The discovery of a particular isotopic signature on the volcanic sulphate formed in the stratosphere has made it possible to establish a reconstruction of the stratospheric eruptions recorded at Dome C, Antarctic, over the last 2600 years.
Up to now, volcanic reconstructions have been made from bipolar volcanic records (ice cores from Antarctica and Greenland), and are based on the premise that a stratospheric, climate-impacting eruption results in a global sulphate deposition, highlighted by comparison of ice cores from opposite poles. The sulphur emissions resulting from a so-called tropospheric eruption have, for their part, a short life in this low layer of the atmosphere, and their climatic incidence remains negligible. This so-called bipolar approach requires excellent synchronization and dating of the ice cores.
In 2010-2011, five 100-meter-long ice cores were collected at Dome C in Antarctica and then repatriated to Grenoble. These cores were analyzed and sampled with the aim of reconstructing a history of stratospheric volcanism of the last 2600 years by the isotopic method.
This first reconstruction of stratospheric eruptions by the isotopic method provides an independent validation of previous reconstructions. It highlights stratospheric events of high latitudes, non-bipolar but nevertheless significant from a climatic point of view. Aerosols from a stratospheric eruption located in high latitudes may be confined to a single hemisphere. Isotopic analysis also reveals, in depth, tropospheric signals previously considered as bipolar. It allows to refine previous reconstructions.
While isotopic analysis of sulphur provides information on the nature of the eruption, isotopic analysis of oxygen reveals a collapse of the tracer after two major eruptions. This evolution of the isotopic signal reflects either a particularly high injection altitude, or a depletion of atmospheric ozone, caused by a large injection of halogenated compounds.
Extended to other regions and other types of sites, this isotopic approach is an interesting tool to refine and complete reconstructions of past volcanism, and ultimately to better quantify the impact of volcanism on the climate.
Source: Observatoire des Sciences de l’Univers de Grenoble (OSUG).

L’analyse isotopique des sulfates volcaniques permet de différencier les éruptions stratosphériques (en rouge), à fort impact climatique, des éruptions troposphériques (en bleu), d’incidence climatique négligeable et locale. Les éruptions enregistrées à Dôme C (Antarctique) sur les 2600 dernières années sont majoritairement d’origine stratosphérique.

Volcans extratropicaux et refroidissement de l’atmosphère:// Extratropical volcanoes and atmospheric cooling

Selon une étude effectuée par des chercheurs de plusieurs pays et publiée dans la revue Nature Geoscience, les éruptions volcaniques extratropicales qui se produisent dans les moyennes et les hautes latitudes ont une influence beaucoup plus forte sur le climat qu’on ne le pensait auparavant. [NDLR : A noter que les chercheurs appliquent à la volcanologie l’adjectif « extratropical » qui est davantage utilisé à propos des cyclones].
Au cours des dernières décennies, des éruptions extratropicales telles que celles du Kasatochi (Alaska, 2008) et du Sarychev (Russie, 2009) ont injecté du soufre dans les basses couches de la stratosphère. L’influence climatique de ces éruptions a toutefois été faible et de courte durée.

Jusqu’à présent, la plupart des scientifiques pensaient que les éruptions extratropicales avaient des effets plus faibles que les événements tropicaux. Cependant, des chercheurs appartenant à plusieurs institutions allemande, norvégienne, britannique, suisse et américaine ne sont pas d’accord avec cette hypothèse. Ils expliquent que de nombreuses éruptions volcaniques extratropicales observées au cours des 1 250 dernières années ont provoqué un refroidissement de surface prononcé dans l’hémisphère Nord. En fait, les éruptions extratropicales ont un impact plus prononcé que les éruptions tropicales en ce qui concerne le refroidissement de l’hémisphère par rapport aux quantités de soufre émises.
Un refroidissement à grande échelle se produit lorsque les volcans injectent de grandes quantités de gaz soufrés dans la stratosphère, la couche de l’atmosphère qui commence à environ 10 à 15 km d’altitude. Une fois dans la stratosphère, les gaz soufrés génèrent des aérosols sulfuriques qui persistent pendant des mois ou des années. Ces aérosols renvoient une partie du rayonnement solaire qui ne peut plus atteindre les couches inférieures de l’atmosphère, ni la surface de la Terre.
Jusqu’à présent, on supposait que les aérosols provenant d’éruptions volcaniques sous les tropiques avaient une durée de vie stratosphérique plus longue, car ils devaient migrer vers des latitudes moyennes ou des hautes latitudes avant de pouvoir être éliminés. En conséquence, on pensait qu’ils auraient un impact plus important sur le climat. Au contraire, les aérosols provenant d’éruptions à des latitudes plus élevées étaient censés disparaître de l’atmosphère plus rapidement. Les récentes éruptions extratropicales, avec des effets minimes mais mesurables sur le climat, correspondent à cette image. Cependant, ces éruptions étaient beaucoup plus faibles que celle du Pinatubo, par exemple.
Pour quantifier l’impact sur le climat des éruptions extratropicales par rapport aux éruptions tropicales, les chercheurs ont comparé des reconstitutions avec injection de soufre stratosphérique volcanique à partir de carottes de glace, avec trois reconstitutions avec une température estivale dans l’hémisphère Nord à partir de cernes d’arbres remontant à 750 après J.C. A leur surprise, les chercheurs ont constaté que les éruptions extratropicales produisaient un refroidissement de l’hémisphère beaucoup plus important que les éruptions tropicales proportionnellement à la quantité de soufre rejeté.
Pour mieux apprécier ces résultats, les chercheurs ont simulé des éruptions volcaniques à des latitudes moyennes à élevées avec des quantités de soufre et des niveaux d’injection correspondant à l’éruption du Pinatubo. Ils ont constaté que la durée de vie des aérosols résultant de ces éruptions extratropicales n’était que légèrement inférieure à celle des éruptions tropicales. En outre, les aérosols se concentraient essentiellement dans l’hémisphère de l’éruption plutôt que sur l’ensemble du globe, ce qui renforçait l’impact climatique dans l’hémisphère où avait eu lieu l’éruption.
L’étude montre aussi l’importance de la hauteur d’injection du soufre dans la stratosphère sur l’impact des éruptions extratropicales sur le climat. Les injections dans la stratosphère extratropicale la plus basse font naître des aérosols de courte durée, tandis que les injections dont la hauteur stratosphérique est semblable à celle du Pinatubo et des autres grandes éruptions tropicales peuvent entraîner une durée de vie des aérosols plus ou moins semblable à celle des éruptions tropicales.
Les résultats de cette étude permettront aux chercheurs de mieux quantifier l’impact des éruptions volcaniques sur la variabilité climatique du passé. Cela montre également que le climat des prochaines années sera affecté par des éruptions extratropicales.
Source: The Watchers.
Référence: « Disproportionately strong climate forcing from extratropical explosive volcanic eruptions »  – Toohey, M., K. Kruger, H. Schmidt, C. Timmreck, M. Sigl, M. Stoffel, R. Wilson (2019).

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According to an international study published in Nature Geoscience, explosive extratropical volcanic eruptions taking place in mid and high latitudes, have a much stronger influence on climate than was previously thought.

In recent decades, extratropical eruptions like those of Kasatochi (Alaska, 2008) and Sarychev Peak (Russia, 2009) have injected sulphur into the lower stratosphere. The climatic influence of these eruptions has however been weak and short-lived. So far, scientists have largely assumed that extratropical eruptions lead to weaker effects than their tropical counterparts.

However, researchers from several German, Norwegian, British, Ewiss and U.S institutions now contradict this assumption. They affirm that many extratropical volcanic eruptions in the past 1,250 years have caused pronounced surface cooling over the Northern Hemisphere, and in fact, extratropical eruptions are actually more efficient than tropical eruptions in terms of the amount of hemispheric cooling in relation to the amount of emitted sulphur.

Large-scale cooling after volcanic eruptions occurs when volcanoes inject large quantities of sulphur gases into the stratosphere, the layer of the atmosphere which starts at about 10 – 15 km high. Once in the stratosphere, the sulphur gases produce a sulphuric aerosol haze that persists for months or years. The aerosols reflect a portion of incoming solar radiation, which can no longer reach the lower layers of the atmosphere and the Earth’s surface.

Until now, the assumption was that aerosols from volcanic eruptions in the tropics have a longer stratospheric lifetime because they have to migrate to mid or high latitudes before they can be removed. As a result, they would have a greater effect on the climate. On the contrary, aerosols from eruptions at higher latitudes would be removed from the atmosphere more quickly. The recent extratropical eruptions, which had minimal but measurable effects on the climate, fit this picture. However, these eruptions were much weaker than that of Pinatubo, for instance.

To quantify the climate impact of extratropical vs. tropical eruptions, the researchers compared new long-term reconstructions of volcanic stratospheric sulphur injection from ice cores with three reconstructions of Northern Hemisphere summer temperature from tree rings extending back to 750 CE. Surprisingly, the authors found that extratropical explosive eruptions produced much stronger hemispheric cooling in proportion to their estimated sulphur release than tropical eruptions.

To help understand these results, the researchers performed simulations of volcanic eruptions in the mid to high latitudes with sulphur amounts and injection heights equal to that of Pinatubo. They found that the lifetime of the aerosol from these extratropical explosive eruptions was only marginally smaller than for tropical eruptions. Furthermore, the aerosol was mostly contained within the hemisphere of eruption rather than globally, which enhanced the climate impact within the hemisphere of eruption.

The study goes on to show the importance of injection height within the stratosphere on the climate impact of extratropical eruptions. Injections into the lowermost extratropical stratosphere lead to short-lived aerosol, while those with stratospheric heights similar to Pinatubo and the other large tropical eruptions can lead to aerosol lifetimes roughly similar to the tropical eruptions.

The results of this study will help researchers better quantify the degree to which volcanic eruptions have impacted past climate variability. It also suggests that future climate will be affected by explosive extratropical eruptions.

Source : The Watchers.

Reference: « Disproportionately strong climate forcing from extratropical explosive volcanic eruptions » – Toohey, M., K. Kruger, H. Schmidt, C. Timmreck, M. Sigl, M. Stoffel, R. Wilson (2019).

L’éruption du Pinatubo en 1991 et les aérosols qu’elle a générés servent de référence sur l’impact des éruptions volcaniques sur le climat (Crédit photo: Wikipedia)

Le soufre du Kilauea (Hawaii) // The sulfur of Kilauea Volcano (Hawaii)

Le soufre est un élément chimique très répandu sur les volcans actifs où on peut le trouver sous différentes formes.
Pour de nombreux Hawaiiens, le premier contact avec les éruptions du Kilauea se fait par le « vog », raccourci pour « volcanic fog », autrement dit « brouillard volcanique », un mélange de dioxyde de soufre et de particules de sulfates. Cependant, sur le Kilauea, le soufre ne se limite pas aux composants du « vog ».

Le dioxyde de soufre (SO2) et le «vog»: Le «vog» affecte les îles hawaïennes depuis la nuit des temps, depuis que les masses des îles ont percé la surface de l’océan, ce qui a permis aux gaz volcaniques de se répandre directement dans l’atmosphère. Lorsque le magma monte vers la surface, la diminution de la pression sur la roche fondue entraîne la dissolution de soufre et d’autres éléments volatils qui vont former divers gaz. Lorsque le magma atteint une faible profondeur, le soufre dissous forme principalement du SO2. Une fois émis dans l’air, le SO2 réagit avec l’oxygène, l’humidité atmosphérique, la lumière du soleil et d’autres gaz et particules pour créer le «vog» qui est emporté par les alizés.

Le dioxyde de soufre (SO2) et l’éruption: Avec l’éruption dans la Lower East Rift Zone (LERZ) et l’affaissement du sommet du Kilauea, les émissions de SO2 ont considérablement augmenté. Leurs niveaux sont maintenant trois à sept fois plus élevés qu’avant le début de l’éruption en cours. La plus grande partie du SO2 émis sur la LERZ est émise lorsque la lave sort des fractures actives, bien qu’une partie du SO2 soit également émise par les coulées de lave et l’entrée de cette dernière dans l’océan.
Les fortes émissions de gaz dans la LERZ, principalement au niveau de la Fracture n° 8, ont entraîné une augmentation du «vog» et une mauvaise qualité de l’air en aval des bouches actives. Lorsque soufflent les alizés, le ‘vog’ est envoyé vers le sud et l’ouest, d’abord à travers le district de Puna, puis vers le district de Ka’u et le long de la côte de Kona, avant d’être emporté vers le large. Sous certaines conditions de vent, le ‘vog’ peut atteindre le sommet du Mauna Kea et traverser l’Océan Pacifique jusqu’à Guam, à environ 6 500 kilomètres du Kilauea.

Le sulfure d’hydrogène (H2S): Lorsque SO2 provenant du magma peu profond interagit avec les eaux souterraines, le SO2 se dissout et peut être réémis sous forme de sulfure d’hydrogène (H2S). Ce processus produit l’odeur d’œuf pourri observée sur les sites hydrothermaux tels que les Sulfur Banks dans le Parc National des Volcans. Le nez de l’Homme est très sensible au H2S, et la plupart des gens détectent son odeur d’œuf pourri à des concentrations dix mille fois plus faibles que les niveaux considérés comme dangereux pour la santé.

Le soufre natif: Le soufre est également stable sous sa forme élémentaire, connue sous le nom de «soufre natif». Cette forme de soufre présente une structure cristalline de couleur jaune. Sur le Kilauea, on trouve du soufre natif auprès des fumerolles volcaniques, telles que les Sulfur Banks, où sont émis aussi bien du SO2 et que du H2S.
Le soufre natif, formé à partir d’une réaction chimique (SO2 + 2H2S = 3S + 2H2O), n’est stable à l’état solide qu’à des températures relativement basses en milieu volcanique et inférieures à 115° C. Au-dessus de cette température, le soufre fond, formant un liquide de couleur orange vif. Un bon endroit pour observer ce liquide orange est le cratère du volcan Kawah Ijen sur l’île de Java en Indonésie. À l’intérieur du cratère, le soufre natif est extrait dans des conditions très difficiles et malsaines. À des températures plus élevées (près de 200° C), le soufre fondu prend des nuances de rouge très spectaculaires. Si la température approche les 450° C et que l’oxygène atmosphérique est présent, le soufre natif brûle et forme du dioxyde de soufre (S + O2 = SO2).
Source: HVO.

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Sulfur is a widespread chemical element on active volcanoes where it can be found in different forms.

For many Hawaii residents, interaction with Kilauea Volcano’s eruptions is through “vog” short for “volcanic fog” a hazy mixture of sulfur dioxide gas and sulfate particles. However, sulfur on Kilauea is not limited to vog components.

Sulfur is an exceptional element in that its atoms have a range of electron configurations (commonly referred to as oxidation states). This results in spectacularly diverse forms of sulfur, many of which are found on Kilauea, some of which are described here below.

Sulfur dioxide (SO2) and ‘vog’: ‘Vog’ has impacted the Hawaiian Islands ever since island landmasses rose above the ocean’s surface, which allowed volcanic gases to be released directly into the atmosphere. As magma rises toward the surface, decreasing pressure on the molten rock causes dissolved sulfur and other volatile elements to form various gases. When magma reaches shallow depths, dissolved sulfur primarily forms SO2 gas. Once emitted into the air, SO2 reacts with oxygen, atmospheric moisture, sunlight, and other gases and particles to create the ‘vog’ that is blown by thr trade winds.

Sulfur dioxide (SO2) and the eruption: With Kilauea’s ongoing eruption in the Lower East Rift Zone (LERZ) and continued summit subsidence, SO2 emissions from the volcano have increased substantially. Their levels are now three to seven times higher than before the current activity began. Most of the SO2 released on the LERZ is produced as lava is erupted from the active fissures, although some SO2 is also emitted from the lava flows and ocean entry.

High gas emissions from the LERZ, primarily Fissure 8, have resulted in increased ‘vog’ and poor air quality downwind of the active vents. During typical trade winds, ‘vog’ is carried south and west across the Puna District, then on toward Ka’u and along the Kona coast, before being blown farther offshore. During certain wind conditions, ‘vog’ has reached the summit of Mauna Kea and stretched across the Pacific as far away as Guam, about 6,500 kilometres from Kilauea.

Hydrogen sulfide (H2S): When SO2 gas from shallow magma interacts with groundwater, the SO2 dissolves and can be re-emitted as hydrogen sulfide gas (H2S). This process produces the rotten egg scent noted at hydrothermal features such as Sulphur Banks in Hawai‘i Volcanoes National Park. Human noses are highly sensitive to H2S, and most people can detect its rotten egg smell at concentrations about ten thousand times lower than levels considered to be hazardous to health.

Native Sulfur: Sulfur is also stable in its elemental form, known as “native sulfur.” This form of sulfur is a yellow crystalline solid. At Kīlauea, native sulfur is found at volcanic fumaroles, such as Sulphur Banks, where both SO2 and H2S gases are emitted.

Native sulfur, formed from a chemical reaction (SO2 + 2H2S = 3S + 2H2O), is stable in solid form only at relatively low volcanic temperatures of less than 115°C. Above this temperature, sulfur melts, forming a vivid orange liquid. A typical place to observe this orange liquid is the crater of Kawah Ijen Volcano on the island of Java in Indonesia. Inside the crater, native sulfur is extracted in very difficult and unhealthy conditions. At hotter temperatures (near 200°C), molten sulfur turns dramatic shades of red. If temperatures approach 450° C and atmospheric oxygen is present, native sulfur burns, forming sulfur dioxide (S + O2 = SO2).

Source: HVO.

Naissance du « vog » dans le cratère de l’Halema’uma’u

Soufre des Sulfur Banks dans le Parc National des Volcans d’Hawaii

Concrétion de soufre sur l’île de Vulcano (Sicile)

Draperie de soufre sur le Kawah Ijen (Indonésie)

Photos: C. Grandpey