1Equipo original García, 1E. Cuevas, 1PÁGINAS. Rivas, 1C. Torres, 2SF León Luis, y 3Noémie Taquet
1Izaña Centro de Investigaciones Atmosféricas (IARC), Agencia Estatal de Meteorología de España (AEMET), España
2TRAGSATEC, España
3Instituto de Productos Naturales y Agrobiología (IPNA), Consejo Nacional de Investigaciones Científicas (CSIC), España
Contacto: ogarciar@aemet.es
Después de una semana de intensa actividad sísmica y deformación del suelo, el 19 de septiembre de 2021 se inició una erupción volcánica en Cumbre Vieja, en Cabeza de Vaca, El Paso en la isla de La Palma. (Islas Canarias, España) [1]. Esta erupción volcánica, que finalizó el 15 de diciembre de 2021, se caracterizó por combinar fases explosivas, durante las cuales se expulsaron principalmente cenizas y piroclastos, con fases efusivas, cuando se liberaron grandes volúmenes de gases que fueron inyectados directamente en las capas medias de la troposfera.
Figura 1. Imágenes captadas por el sensor MODIS a bordo del satélite Terra de la NASA, donde se observa la expansión de la pluma sobre el archipiélago canario (el punto rojo indica la ubicación del volcán) (https://worldview.earthdata.nasa.gov/). La imagen superior, correspondiente al 19 de noviembre, muestra el impacto de la pluma en la isla de Tenerife, donde se detectaron concentraciones gaseosas asociadas en el Observatorio Izaña. En la imagen inferior, correspondiente al 9 de octubre, se observa que la columna no afecta a Tenerife, sino que fue monitorizada con instrumentos de teledetección basados en espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), que sólo requieren que la columna esté en el camino directo entre el Sol y el instrumento. Para ambos días se muestra el perfil vertical de los aerosoles presentes desde el nivel del mar en Tenerife (estación Lidar), y se puede observar que la pluma volcánica se detecta a la misma altura que el Observatorio Izaña. MBL significa capa mixta marítima y FT significa troposfera libre.
La circulación atmosférica en las capas inferior y media provocó que nubes de cenizas y gases volcánicos se dispersaran sobre el archipiélago canario y el océano Atlántico, como se muestra en el diagrama de la Figura 1. Esto permitió que la estación de Vigilancia Atmosférica Global (GAW) de Izaña (IZO), situada en la isla de Tenerife a 2,4 km s.n.m. y a una distancia de 140 km del volcán, para registrar el impacto directo de la nube de dispersión volcánica que provocó que las concentraciones de gases medidas superaran, en varios órdenes de magnitud, los valores de estos gases en las condiciones de fondo habituales en este observatorio [2].
Figura 2. Serie temporal de concentraciones superficiales de SO2, CO2 y CO registrado en el Observatorio Izaña entre el 19 de septiembre y el 19 de diciembre de 2021 en el marco del programa VAG-Organización Meteorológica Mundial (OMM). Las concentraciones medidas se muestran en una escala logarítmica para una mejor visualización. Los eventos seleccionados para estudiar la relación entre las concentraciones registradas se indican con un asterisco (*) (ver explicación en el texto).
Durante estos eventos, las concentraciones superficiales de dióxido de azufre (SO2), uno de los principales trazadores de emisiones volcánicas [3], superó con frecuencia los 1000 ppb (Figura 2), con concentraciones de fondo inferiores a 1 ppb. Paralelamente, estos episodios estuvieron acompañados de aumentos significativos de otros gases secundarios emitidos, como el dióxido de carbono (CO2) y monóxido de carbono (CO). El evento más intenso se registró el 12 de octubre con una duración de 8 horas, durante el cual incluso el rango de detección del SO2 analizador, fijado en 3000 ppb, fue excedido. En el mismo episodio, CO2 alcanzó una concentración de 490 ppm (es decir, un aumento de 80 ppm con respecto al valor estacional) y el CO aumentó a 1.600 ppb (es decir, un aumento de 1.500 ppb con respecto al valor estacional). En general, los eventos registrados duraron varias horas y ocurrieron principalmente durante la noche, debido a que durante esa parte del día se favorece la circulación de subsidencia desde los niveles medios y superiores de la atmósfera, propia de zonas subtropicales, lo que arrastra la nube de dispersión volcánica hacia el observatorio (Figura 1). Tras los episodios, las concentraciones de estos gases recuperan sus condiciones de fondo (SO2) o su tendencia estacional (CO2 y CO).
El análisis de las relaciones entre las diferentes concentraciones observadas puede permitir caracterizar el propio proceso eruptivo y evaluar sus diferentes fases. Así, la Figura 3 representa la evolución temporal de las variaciones relativas de los aumentos de CO2 y entonces2, así como en CO y SO2, para los episodios identificados en la Figura 2. Una disminución gradual en la proporción de SO2 Se observa un cambio de tendencia o fase del proceso eruptivo a principios de noviembre. Este resultado es consistente con observaciones realizadas por varios satélites de la NASA, que muestran una reducción en SO2 emisiones a partir de noviembre (https://so2.gsfc.nasa.gov/), coincidiendo con una disminución en el pico de inversión de temperatura asociado con el régimen de vientos alisios (registrado por radiosondas), que confina la pluma a niveles bajos, alterando su mezcla y difusión en la atmósfera (resultados no mostrados aquí). Aunque se trata de un resultado preliminar, todo parece indicar que fue posible monitorizar, de forma oportuna, la disminución de la actividad volcánica en La Palma desde el Observatorio Izaña, situado a 140 km de la erupción volcánica.
Figura 3. Evolución temporal de la relación entre las variaciones de CO2 y concentraciones de CO respecto a la de SO2.
Además de pertenecer al programa GAW-OMM desde 1984, la estación IZO, gestionada por el Centro de Investigaciones Atmosféricas Izaña (IARC, Agencia Estatal de Meteorología de España, AEMET), ejecuta un complejo y completo programa de observación para el seguimiento e investigación de la composición gaseosa atmosférica [2]. Entre estas aportaciones destaca el programa de medidas basado en espectrometría infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), que se desarrolla en el marco de las redes internacionales NDACC (Network for theDetection of Atmospheric Composition Change), TCCON (Total Carbon Column Observation Network) y COCCON (Collaborative Carbon Column Observing Network) [4].
La Figura 4 muestra las concentraciones totales en la columna atmosférica de SO2, CO2 y CO entre el 24 de septiembre y el 6 de octubre de 2021, obtenidos de dos espectrómetros FTIR, el IFS 120/5HR y el EM27/SUN pertenecientes a NDACC y COCCON, respectivamente. La mayoría de los días estos gases sufren variaciones de concentración propias de su ciclo diario. Sin embargo, los días 24 y 28 de septiembre y 3 de octubre se identifican claramente alteraciones en su evolución, observándose aumentos asociados a la nube de dispersión volcánica. Destaca especialmente el aumento de SO2 concentraciones, que van desde valores casi cero hasta más de 100 ppb en la columna atmosférica total. Tenga en cuenta que los espectrómetros FTIR miden los espectros de absorción solar, registrando así la huella de absorción de los gases presentes en toda la columna atmosférica, a diferencia de los analizadores in situ operados en el programa GAW-WMO, que registran concentraciones a nivel de la superficie. Ambas técnicas de medición, útiles en la caracterización de la composición gaseosa de la pluma volcánica, sólo darán valores simultáneamente en una estación si hay un impacto directo de la pluma volcánica sobre la estación. Cuando este escenario no se da, sólo la técnica FTIR puede monitorear la concentración de gas de la pluma volcánica, que puede encontrarse incluso a decenas de kilómetros de la vertical del observatorio, con condiciones de fondo de SO.2 in situ y concentraciones de CO2 y CO in situ registrado en el observatorio típico de su tendencia estacional (Figura 1).
Paralelamente al programa de mediciones de IZO, el 20 de septiembre de 2021, el IARC-AEMET coordinó el despliegue de instrumentación científica en La Palma con el objetivo de seguir en detalle el proceso eruptivo. Además de la instrumentación dedicada a la medición de la altura de la nube de dispersión volcánica y la caracterización de los aerosoles emitidos que se está desplegando en el contexto de la infraestructura europea ACTRIS (Aerosol, Clouds and Trace Gases Research Infrastructure) [5], en el sur de la isla, en el municipio de Fuencaliente, se instaló otro espectrómetro COCCON EM27/SUN FTIR, que permite un mejor seguimiento de las emisiones del volcán en función de su trayectoria. Como se puede observar en la Figura 4, en el caso de La Palma, los impactos de las emisiones volcánicas se registran claramente los días 2 y 3 de octubre, cuando la columna volcánica se desplazó hacia el sur de la isla. En estos días, los valores en la columna atmosférica total aumentan en 2 ppm de CO2 y 25 ppb para el CO respecto a sus respectivas oscilaciones diarias.
Figura 4. Concentraciones de SO2, CO2 y CO medido por los espectrómetros FTIR IFS120/5HR y EM27/SUN, pertenecientes a las redes NDACC y COCCON respectivamente, instalados en el IZO y en el sur de la isla de La Palma (Fuencaliente) en el periodo comprendido entre el 24 de septiembre y el 6 de octubre de 2021.
El gran potencial de las mediciones en columna para la vigilancia y seguimiento de la composición atmosférica, y en particular, de los procesos eruptivos, ha quedado demostrado con éxito en el caso del volcán de La Palma y en otros casos recientes como el del Etna (Italia) o el Popocatépetl (México) [6,7], mostrando importantes sinergias y complementariedad con las mediciones en superficie realizadas en el contexto del programa GAW-OMM e infraestructuras europeas de referencia como ICOS (Integrated Carbon Observation). Sistema). La incorporación de España a ICOS en 2021, con la estación atmosférica IZO y la estación oceánica CanOA-VOS, ambas actualmente en fase de certificación, supone una marcada mejora en el sistema de observación de la composición atmosférica a nivel nacional y europeo. En 2022, con el objetivo de incrementar la red de observación, se ha iniciado el proceso de incorporación de la estación atmosférica El Arenosillo de Huelva, Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), a ICOS.
Referencias
[1] https://www.ign.es/web/vlc-serie-palma.
[2] Cuevas, E., Milford, C., Bustos, J. J., R., García, O. E., García, R. D., Gómez-Peláez, A. J., Guirado-Fuentes, C., Marrero, C., Prats, N., Ramos, R., Redondas, A., Reyes, E., Rivas-Soriano, P. P., Rodríguez, S., Romero-Campos, P. M., Torres, C. J., Schneider, M., Yela, M., Belmonte, J., del Campo-Hernández, R., Almansa, F., Barreto, A., López-Solano, C., Basart, S., Terradellas, E., Werner, E., Afonso, S., Bayo, C., Berjón, A., Carreño, V., Castro, N. J., Chinea, N., Cruz, A. M., Damas, M., De Ory-Ajamil, F., García, M.I., Gómez-Trueba, V., Hernández, C., Hernández, Y., Hernández-Cruz, B., León-Luís, S. F., López-Fernández, R., López-Solano, J., Parra, F., Rodríguez, E., Rodríguez-Valido, M., Sálamo, C., Sanromá, E., Santana, D., Santo Tomás, F., Sepúlveda, E., y Sosa, E.: Izaña Informe de actividades del Centro de Investigaciones Atmosféricas 2017-2018. (Eds. Cuevas, E., Milford, C. y Tarasova, O.), Agencia Meteorológica Estatal (AEMET), Madrid, España y Organización Meteorológica Mundial, Ginebra, Suiza, Informe OMM/GAW n.º 247, 2019.
[3] Oppenheimer, C., P.Kyle, F. Eisele, J. Crawford, G. Huey, D. Tanner, S. Kim, L. Mauldin, D. Blake, A. Beyersdorf, M. Buhr, y D. Davis: Química atmosférica de una pluma volcánica antártica, J. Geophys. Res.-Atmos., 115 D04303, doi:10.1029/2009JD011910, 2009.
[4] García, O. E., Schneider, M., Sepúlveda, E., Hase, F., Blumenstock, T., Cuevas, E., Ramos, R., Gross, J., Barthlott, S., Röhling, A. N., Sanromá, E., González, Y., Gómez-Peláez, Á. J., Navarro-Comas, M., Puentedura, O., Yela, M., Redondas, A., Carreño, V., León-Luis, S. F., Reyes, E., García, R. D., Rivas, P. P., Romero-Campos, P. M., Torres, C., Prats, N., Hernández, M. y López, C.: Veinte años de espectrometría NDACC FTIR terrestre en Izaña Observatorio: descripción general y comparación a largo plazo con otras técnicas, Atmos. Química. Phys., 21, 15519–15554, https://doi.org/10.5194/acp-21-15519-2021, 2021.
[5] https://www.actris.eu/news-events/news/actris-spain-coordinating-unprecedented-actions-cumbre-vieja-volcanic-emergency.
[6] Taquet, N., Meza Hernandez, I., Stremme, W., Bezanilla, A., Grutter, M., Campion, R., Palm, M., Boulesteix, T.: Mediciones continuas de SiF4 y SO2 mediante espectroscopia de emisión térmica: información de un estudio de 6 meses en el volcán Popocatépetl, J. Volcan. Geoter. Res., 341, págs.255-268. ISSN 0377-0273. (9), 2017.
[7] Butz, A., Dinger, A. S., Bobrowski, N., Kostinek, J., Fieber, L., Fischerkeller, C., Giuffrida, G. B., Hase, F., Klappenbach, F., Kuhn, J., Lübcke, P., Tirpitz, L. y Tu, Q.: Teledetección de volcánicos CO2, HF, HCl, SO2 y BrO en la columna a favor del viento del Monte Etna, Atmos. Medidas. Tecnología, 10, 1–14, https://doi.org/10.5194/amt-10-1-2017, 2017
