Khí núi lửa | Khái niệm hoá học

1. Thành phần khí núi lửa

Khí núi lửa là khí phát ra bởi hoạt động của núi lửa. Chúng bao gồm các khí bị mắc kẹt trong các hốc (túi) trong đá núi lửa, khí hòa tan hoặc phân ly trong mắc ma và dung nham, hoặc khí phát ra trực tiếp từ dung nham hoặc gián tiếp qua nước ngầm được đốt nóng bởi tác động của núi lửa.

Thành phần chính của khí núi lửa là hơi nước (H₂O), carbon điôxít (CO₂), lưu huỳnh dưới dạng sulfua điôxít (SO₂) (khí núi lửa nhiệt độ cao) hoặc hiđrô sulfua (H₂S) (nhiệt độ thấp khí núi lửa), nitơ, argon, heli, neon, metan, carbon monoxit và hiđrô. Các hợp chất khác được phát hiện trong khí núi lửa là oxy (thiên thạch), hiđrô clorua, hiđrô florua, hiđrô bromua, nitơ oxit (NO_x), lưu huỳnh hexafluorua, carbonyl sulfide và các hợp chất hữu cơ. Các hợp chất vi lượng lạ bao gồm thủy ngân, halocarbons (bao gồm cả CFC) và các gốc oxit halogen.

Sự phong phú của các loại khí thay đổi đáng kể từ núi lửa sang núi lửa khác, với hoạt động của núi lửa và với thiết lập kiến tạo. Hơi nước luôn là khí núi lửa dồi dào nhất, thường chiếm hơn 60% tổng lượng khí thải. Carbon điôxít thường chiếm 10 đến 40% lượng khí thải.

Các núi lửa nằm ở ranh giới mảng hội tụ phát ra nhiều hơi nước và clo hơn so với núi lửa tại các điểm nóng hoặc ranh giới mảng phân kỳ. Điều này được gây ra bởi việc bổ sung nước biển vào mắc ma hình thành tại các khu vực hút chìm. Các núi lửa ranh giới mảng hội tụ cũng có tỷ lệ H₂O/H₂, H₂O/CO₂, CO₂/He và N₂/He cao hơn so với các núi lửa nằm ở điểm nóng hoặc ranh giới phân kỳ.

Vụ phun trào núi St. Helens

2. Khí núi lửa gây hại cho sức khỏe, thảm thực vật và cơ sở hạ tầng

a. Carbon dioxide (CO₂ ) bị mắc kẹt ở những vùng trũng thấp có thể gây chết người và động vật

Carbon dioxide chiếm khoảng 0,04% không khí trong bầu khí quyển của Trái đất. Trong một năm trung bình, núi lửa thải ra khoảng 180 đến 440 triệu tấn carbon dioxide. Khi khí không màu, không mùi này được thải ra từ núi lửa, nó thường trở nên loãng đến nồng độ thấp rất nhanh và không đe dọa đến tính mạng. Tuy nhiên, vì khí carbon dioxide lạnh nặng hơn không khí nên nó có thể chảy vào những vùng trũng thấp, nơi nó có thể đạt nồng độ cao hơn nhiều trong những điều kiện khí quyển nhất định, rất ổn định. Điều này có thể gây ra rủi ro nghiêm trọng cho người và động vật. Hít thở không khí có hơn 3% CO₂  có thể nhanh chóng dẫn đến đau đầu, chóng mặt, tăng nhịp tim và khó thở. Ở tỷ lệ pha trộn vượt quá khoảng 15%, carbon dioxide nhanh chóng gây bất tỉnh và tử vong.

Khí carbon dioxide có thể tích tụ ở các khu vực núi lửa thấp, gây nguy cơ chết người cho con người và động vật. Một ngọn đuốc đang cháy được hạ vào  túi CO2 (trên) làm cho ngọn lửa phụt ra (dưới).

Khí carbon dioxide có thể tích tụ ở các khu vực núi lửa thấp, gây nguy cơ chết người cho con người và động vật. Một ngọn đuốc đang cháy được hạ vào  túi CO₂ (trên) làm cho ngọn lửa phụt ra (dưới).

Ở các khu vực núi lửa hoặc các khu vực khác có phát thải CO₂ , điều quan trọng là tránh các vùng trũng nhỏ và các khu vực thấp có thể là  bẫy CO₂ . Ranh giới giữa không khí lành mạnh và khí chết người có thể cực kỳ sắc nét; dù chỉ một bước thăng bằng cũng có thể đủ để thoát chết. Năm 2006,  ba thành viên đội tuần tra trượt tuyết đã thiệt mạng tại khu nghỉ mát trượt tuyết Mammoth Mountain  sau khi rơi xuống vùng trũng tuyết bao quanh một núi lửa  fumarole  và chứa đầy khí CO₂ mát lạnh. Nồng độ cao của khí CO₂  trong đất cũng có thể làm hỏng hoặc phá hủy thảm thực vật, như có thể thấy ở một số khu vực trên  núi Mammoth .

Ngoài nguy cơ trực tiếp,  lượng khí thải CO₂ của núi lửa  còn có khả năng ảnh hưởng đến khí hậu toàn cầu , nhưng các nghiên cứu khoa học chỉ ra rằng sản lượng trung bình của núi lửa toàn cầu là không đáng kể khi so sánh với lượng khí thải từ hoạt động của con người.

b. Sulfur dioxide (SO₂ ) gây khó chịu cho mắt, da và hệ hô hấp

Sulfur dioxide là một chất khí không màu, có mùi hăng, gây kích ứng da và các mô và màng nhầy của mắt, mũi và họng.  Khí thải SO₂ có thể gây ra mưa axit và ô nhiễm không khí theo luồng gió của núi lửa — tại núi lửa Kīlauea ở Hawaii, nồng độ cao của lưu huỳnh điôxít tạo ra sương khói núi lửa (VOG) gây ra các vấn đề sức khỏe dai dẳng cho người dân vùng xuôi. Trong các vụ phun trào rất lớn, SO₂ có thể được bơm tới độ cao hơn 10km vào tầng bình lưu. Ở đây, SO₂ được chuyển đổi thành các sol khí sunfat phản xạ ánh sáng mặt trời và do đó có tác dụng làm mát khí hậu Trái đất. Chúng cũng có vai trò trong việc làm suy giảm tầng ozone, vì nhiều phản ứng phá hủy ôzôn xảy ra trên bề mặt của các sol khí như vậy.

Khói núi lửa (vog) được tạo ra từ  khí SO₂ và là một mối nguy hiểm ở Hawaii. Các nhà khoa học theo dõi tốc độ phát thải SO₂  tại núi lửa Kīlauea.

c. Hydro sunfua (H₂S) rất độc ở nồng độ cao

Hydro sunfua là một chất khí không màu, dễ cháy, có mùi khó chịu. Nó đôi khi được gọi là khí thoát nước. Điều thú vị là mũi người nhạy cảm với H₂S hơn bất kỳ thiết bị giám sát khí nào mà chúng ta có ngày nay: các hỗn hợp không khí có ít nhất 0,000001% H₂S có liên quan đến mùi trứng thối. Tuy nhiên, thật không may, khứu giác của chúng ta không phải là một báo động đáng tin cậy - ở tỷ lệ pha trộn trên 0,01%, H₂S trở nên không mùi và rất độc, gây kích ứng đường hô hấp trên và khi tiếp xúc lâu có thể gây phù phổi. Tiếp xúc với 500 ppm có thể khiến một người bất tỉnh trong 5 phút và chết trong một giờ hoặc ít hơn.

Gas Plume trong vụ phun trào năm 1984 ở Mauna Loa, Hawaii đã ngăn chặn mặt trời.

d. Hydro halogenua (HF, HCl, HBr) là axit mạnh, độc

Khi mắc-ma lên gần bề mặt, núi lửa có thể phát ra halogenua flo, clo và brom dưới dạng hiđro halogenua (HF, HCl và HBr). Các loài này đều là axit mạnh và có độ hòa tan cao; do đó chúng hòa tan nhanh chóng trong các giọt nước bên trong khí quyển núi lửa hoặc khí quyển nơi chúng có khả năng gây ra mưa axit. Trong một  tro -producing phun trào, các hạt tro cũng thường bọc bằng hydro halogenua. Sau khi lắng đọng, các hạt tro phủ này có thể gây nhiễm độc nguồn cung cấp nước uống, cây nông nghiệp và đất chăn thả.