Εκτός του οξυγόνου, το οποίο παράγεται από τη φωτοσύνθεση, όλα τα άλλα αέρια έχουν προέλθει από το εσωτερικό της Γης μέσω της ηφαιστειακής δραστηριότητας. Το ποσοστό των αερίων στο μάγμα κυμαίνεται από 1-5% του συνολικού του βάρους.

Οι υδρατμοί (H₂O) αποτελούν το 70-90% των αερίων. Τα υπόλοιπα είναι κυρίως το διοξείδιο του θείου (SO₂) και το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂), ενώ σε ιχνοποσότητες συμμετέχουν το άζωτο (N), το υδρογόνο (H), το μονοξείδιο του άνθρακα (CO), το θείο (S), το αργό (Ar), το χλώριο (Cl) και το φθόριο (F).

Αυτά τα αέρια ενώνονται με το υδρογόνο και σχηματίζουν διάφορες τοξικές ενώσεις όπως υδροχλώριο (HCl), υδροφθόριο (HF), θειικό οξύ (H₂SO₄), υδρόθειο (H₂S), τα οποία είναι χαρακτηριστικά προϊόντα της ατμιδικής δραστηριότητας (fumarolic activity).

Στις ατμίδες (fumaroles, solfatara) εξέρχονται κυρίως θειούχα αέρια, τα οποία αποθέτουν θείο γύρω από αυτές. Συχνά αυτές οι αποθέσεις θείου είναι οικονομικά εκμεταλλεύσιμες. Το θείο παράγεται από την ένωση H₂S και SO₂ τα οποία αντιδρούν και δίνουν θείο και υδρατμούς. Στις ατμίδες τα δύο αέρια αναγνωρίζονται εύκολα. Το υδρόθειο μυρίζει σαν κλούβιο αυγό, ενώ το διοξείδιο του θείου είναι αποπνικτικό.

Ατμιδική δραστηριότητα και αποθέσεις θείου. (Santa Ana, Ελ Σαλβαδόρ, 1994). Photo: Dorion K.

Αποθέσεις θείου σε ατμίδες (White Island, Νέα Ζηλανδία, 2005). Photo: Shook J.

Λάβα pahoehoe καλυμμένη με θείο. (Αίτνα, Ιταλία, 1999). Photo: Fulle M.

Κρύσταλλοι θείου σε ατμίδα (Νέα Καμένη, Σαντορίνη, 2005). Photo: Σολδάτος Τ.

Όταν η θερμοκρασία στις ατμίδες είναι αρκετά υψηλή το θείο τήκεται. (Βουλκάνο, Ιταλία). Photo: Fulle M.

Αποθέσεις θείου και γύψου σε ατμίδα (Βουλκάνο, Ιταλία). Photo: Fulle M.

Ενίοτε, όταν ο κρατήρας του ηφαιστείου έχει μετατραπεί σε λίμνη, οι αναθυμιάσεις από τις ατμίδες, κυρίως το SO₂ και το CO₂, αντιδρούν με το νερό και παράγουν θειικό και ανθρακικό οξύ αντίστοιχα. Το αποτέλεσμα είναι να προκύψει μία όξινη λίμνη, της οποίας το νερό είναι συχνά σκέτο οξύ (με pH<1!).

Ijen (Ινδονησία, 1987, 2005). Η ατμιδική δραστηριότητα του ηφαιστείου έχει μετατρέψει το νερό της λίμνης στον κρατήρα σε καθαρό οξύ (pH~0.4). Επίσης, έχει δημιουργήσει οικονομικά εκμεταλλεύσιμες αποθέσεις θείου, αν και η εκμετάλλευση είναι επικίνδυνη για τους εργάτες λόγω των ελλιπών μέτρων προστασίας. Photo: Casadevall T., Blethrow J.

Το είδος και η ποσόστητα των αερίων εξαρτάται από τη σύσταση του μάγματος, το οποίο έχει άμεση σχέση με το γεωτεκτονικό περιβάλλον στο οποίο δημιουργείται. Στον παρακάτω πίνακα φαίνεται η διαφορά στην ποσότητα των αερίων σε τρία χαρακτηριστικά ηφαίστεια από διαφορετικά γεωτεκτονικά περιβάλλοντα.

Αμεσες μετρήσεις

Τα αέρια από τις ατμίδες συλλέγονται σε φιάλες και αναλύονται σε γεωχημικά εργαστήρια. Μολονότι αυτή η μέθοδος παρέχει χρήσιμα δεδομένα, είναι αρκετά επικίνδυνη για τους επιστήμονες, καθώς επίσης τα συλλεγόμενα δείγματα αερίων μολύνονται από τον ατμοσφαιρικό αέρα.

Συλλογή των αερίων σε φιάλες (Αγία Ελένη, ΗΠΑ, 1981). Photo: Casadevall T.

Ανάλυση των αερίων στο εργαστήριο. Photo: USGS.

Σταθμός συνεχούς μέτρησης του διοξειδίου του άνθρακα. (Νέα Καμένη, Σαντορίνη, 2005) . Photo: Σολδάτος Τ.

Φασματογραφικές μετρήσεις (COSPEC)

Η μέθοδος αυτή συνίσταται στην εξ αποστάσεως μέτρηση κάποιων αερίων με έναν φασματογράφο συσχέτισης (correlation spectrometer, COSPEC). Αυτό το όργανο κατασκευάστηκε στη δεκαετία του 1970 για την παρακολούθηση των αναθυμιάσεων του SO₂ από τις καμινάδες των εργοστασίων. Στην περίπτωση των ηφαιστείων η παρακολούθηση γίνεται είτε από το έδαφος, είτε από αυτοκίνητο, είτε από ελικόπτερο. Οι πιο σύγχρονοι φασματογράφοι είναι φασματογράφοι υπερύθρου (infrared spectrometers) που μετρούν το ποσοστό της υπέρυθρης ακτινοβολίας που απορροφάται από το CO₂ και άλλα αέρια.

Παρακολούθηση των αερίων εξ αποστάσεως με φασματόμετρο (Αγία Ελένη, ΗΠΑ). Photo: USGS.

Μετρήσεις όζοντος (TOMS)

Η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται για μετρήσεις ευρείας κλίμακας και καταγράφει την κατανομή και την ποσότητα του SO₂ που απελευθερώνεται στη στρατόσφαιρα από τις ηφαιστειακές εκρήξεις. Η καταγραφή γίνεται μετρώντας το όζον με φασματογραφική χαρτογράφηση του ολικού όζοντος (total ozone mapping spectrometer, TOMS). Το όργανο αυτό αρχικά χρησιμοποιήθηκε στους δορυφόρους Nimbus-7 και Meteor-3. Από το 1997 και μετά βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τη Γη πιο σύγχρονα όργανα που δίνουν λεπτομερέστερες πληροφορίες.

Ο χάρτης δείχνει την κατανομή του διοξειδίου του θείου στο ηφαιστειακό νεφος της έκρηξης του ηφαιστείου Spurr (Αλάσκα) 15 ώρες μετά την έκρηξη. Photo: USGS.

Κάνοντας κλικ στο εικονίδιο θα δείτε ένα video με αναπαράσταση ενός δορυφόρου TOMS. Photo: NASA.

Κάνοντας κλικ στο εικονίδιο θα δείτε ένα video με αναπαράσταση της διασποράς του ηφαιστειακού νέφους της έκρηξης του Pinatubo (Φιλιππίνες, 1991). Το ηφαιστειακό νέφος διατηρήθηκε στη στρατόσφαιρα για αρκετά χρόνια. Τα κόκκινο χρώμα δείχνει μεγαλύτερο υψόμετρο και το μπλε μικρότερο. Photo: NASA.

Οι καταστροφικές συνέπειες της ηφαιστειακής δράσης συνήθως αποδίδεται στις τεράστιες ροές λάβας ή στις φονικές πυροκλαστικές εκρήξεις. Εντούτοις, τα ηφαιστειακά αέρια είναι εξ ίσου επικίνδυνα, διότι είναι θερμά και τοξικά, και η εκπομπή τους σε μεγάλες ποσότητες μπορεί να προκαλέσει τον αιφνίδιο θάνατο ανθρώπων ή ζώων. Για παράδειγμα, το εσωτερικό των στοών λάβας μπορεί να είναι επικίνδυνο, καθώς εκεί μπορούν να εγκλωβιστούν δηλητηριώδη αέρια. Σπανιότερα, όπως συνέβη στο ηφαίστειο Nyos (Καμερούν), χιλιάδες άνθρωποι πέθαναν από την αποβολή αερίων. Παρακάτω περιγράφονται δύο παραδείγματα τρέχοντος κινδύνου από ηφαιστειακά αέρια.

Ηφαίστειο Μαμούθ (Καλιφόρνια)

Το όρος Μαμούθ (Καλιφόρνια, ΗΠΑ) είναι ένα από τα μεγαλύτερα χειμερινά θέρετρα. Γεωλογικά, αποτελεί μεγάλο ηφαιστειακό σύμπλεγμα στο δυτικό άκρο της καλδέρας Long Valley, η οποία το τελευταίο εκατομμύριο χρόνια έδωσε μία από τις μεγαλύτερες ηφαιστειακές εκρήξεις στη βόρεια Αμερική. Στα μέσα της δεκαετίας του 1980 η ηφαιστειακή δράση αναζωπυρώθηκε με τη μορφή σεισμών μικρού βάθους που υποδεικνύoυν άνοδο μάγματος σε βάθος 3-4 km.

Σε διάφορες περιοχές γύρω από το ηφαίστειο έχουν καταστραφεί δέντρα από CO₂, το οποίο φαίνεται ότι εκπέμπεται δια μέσου των πετρωμάτων που περιβάλλουν το όρος Μαμούθ. Το CO₂ συσσωρεύεται στο έδαφος και καταστρέφει το ριζικό σύστημα των δέντρων. Όμως, επειδή το αέριο αυτό είναι βαρύτερο από τον αέρα, μπορεί να συγκεντρωθεί σε μικρά βυθίσματα ή σε χαμηλές κοιλάδες με άμεσο κίνδυνο να προκαλέσει ασφυξία σε ανθρώπους, οι οποίοι κατασκηνώνουν εκεί. Η τρέχουσα ποσότητα του CO₂ που απελευθερώνεται σήμερα είναι 300 τόνοι την ημέρα.

Το ηφαίστειο Μαμούθ. Διακρίνονται στη βάση του περιοχές με αποξηραμένα δέντρα λόγω της εκπομπής διοξειδίου του άνθρακα. Photo: Rogie JD.

Αποξηραμένα δέντρα λόγω της εκπομπής διοξειδίου του άνθρακα. Photo: USGS.

Σχηματισμός διοξειδίου του άνθρακα. Photo: USGS.

Ηφαίστειο Kilauea (Χαβάη)

Πριν την έκρηξη του ηφαιστείου Kilauea (Χαβάη) το 1983 οι φασματογραφικές μετρήσεις έδειξαν ότι το ηφαίστειο απελευθέρωνε 150 τόνους SO₂ την ημέρα. Όμως κατά τη διάρκεια των μεγάλων εκρήξεων η ποσότητα του SO₂ αυξήθηκε στους 30.000 τόνους την ημέρα. Αυτά τα επεισόδια συνεχίστηκαν κάθε 3-4 εβδομάδες από το 1983-1986 και διαρκούσαν 24 ώρες. Η τρέχουσα ποσότητα του SO₂ που απελευθερώνεται σήμερα είναι 1800 τόνοι την ημέρα.

Χημικές αντιδράσεις παράγουν δύο ειδών τοξικά νέφη, τα οποία είναι μεγάλο πρόβλημα για τους κατοίκους και τουρίστες στο νησί της Χαβάης. Τα τοξικά νέφη είναι ένα είδος ηφαιστειακής ομίχλης και λέγονται vog και laze αντίστοιχα.

• Vog: To SO₂ που απελευθερώνεται από το ηφαίστειο, αντιδρά χημικά με το οξυγόνο, τα σωματίδια σκόνης, το ηλιακό φως και την υγρασία της ατμόσφαιρας και σχηματίζει ένα μίγμα από αερολύματα (aerosols) πλούσια σε θειικά άλατα, θειικό οξύ και άλλες οξειδωτικές θειικές ενώσεις. Αυτό το είδος ηφαιστειακής ομίχλης είναι γνωστό με το όνομα "vog", σύντμηση των λέξεων volcanic smog. Το τοξικό και επικίνδυνο νέφος μεταφέρεται και εξαπλώνεται με τη βοήθεια των ανέμων στο νησί και συχνά μετατρέπεται σε όξινη βροχή. Ως αέριο νέφος δημιουργεί αναπνευστικά προβλήματα, ενώ η όξινη βροχή καταστρέφει καλλιέργειες και είναι καυστική για ανθρώπους, ρουχισμό και άλλα αντικείμενα.

Το διοξείδιο του θείου προκαλεί μόλυνση του αέρα στη Χαβάη. Photo: Griggs JD.

Ηφαιστειακό νέφος αερίων (vog) από έκρηξη του ηφαιστείου Kilauea. Photo: Decker RW.

Ηφαιστειακό νέφος αερίων (vog) πάνω από τις Φιλιππίνες από την έκρηξη του ηφαιστείου Anatahan (νησιά Μαριάνα). Photo: NASA.

• Laze: Όταν η λάβα χύνεται στη θάλασσα, συμβαίνει μία άλλη χημική αντίδραση μεταξύ της λάβας και του θαλάσσιου νερού. Λευκά σύννεφα δημιουργούνται εξ αιτίας της μεγάλης θερμότητας και των βίαιων χημικών αντιδράσεων. Αυτά τα ομιχλώδη νέφη ονομάζονται "laze", σύντμηση των λέξεων lava haze. Αποτελούνται από ένα μίγμα υδροχλωρικού οξέος και υδρατμών. Καθώς η λάβα προκαλεί το βρασμό και την εξάτμιση του θαλάσσιου νερού, τα διαλελυμένα χλωρίδια (NaCl, MgCl₂, CaCl₂) αντιδρούν με το υδρογόνο του νερού και σχηματίζουν υδροχλωρικό οξύ. Και αυτό το φαινόμενο έχει επικίνδυνες συνέπειες, οι οποίες όμως περιορίζονται κοντά στην ακτή.