Sinergia entre medidas superficiales y en columna en la estación de Vigilancia Atmosférica Global de Izaña: aplicación a la erupción volcánica de La Palma

 1O.E. García, 1E. Cuevas, 1P.P. Rivas, 1C. Torres, 2S.F. León-Luis, y 3Noemie Taquet

1Centro de Investigación Atmosférica de Izaña (CIAI), Agencia Estatal de Meteorología (AEMET), España 2TRAGSATEC, España 3Instituto de Productos Naturales y Agrobiología (IPNA), Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), España. Contacto: ogarciar@aemet.es

Después de una semana de intensa actividad tanto sísmica como de deformación del terreno, el día 19 septiembre de 2021 se inicia una erupción volcánica en Cumbre Vieja, en la zona de Cabeza de Vaca, en el municipio de El Paso en la isla de La Palma (Islas Canarias, España)

Esta erupción volcánica, que finalizó el 15 de diciembre de 2021, se ha caracterizado por combinar fases explosivas, durante las cuales se emitieron fundamentalmente cenizas y piroclastos, con fases efusivas, cuando se expulsaron grandes volúmenes de gases que fueron inyectados directamente en capas medias de la troposfera.

Figure 1. Imágenes captadas por el sensor MODIS a bordo del satélite Terra de la NASA, donde se observa el desplazamiento de la pluma sobre el archipiélago canario (el punto rojo indica la posición 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 las concentraciones gaseosas asociadas fueron detectadas en el Observatorio de Izaña. En la imagen inferior, correspondiente al 9 de octubre, se observa como la pluma no afecta a Tenerife, pero pudo ser monitorizada con instrumentos de teledetección remota basados en espectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR), los cuales solo requieren que la pluma se sitúe en la trayectoria directa entre el Sol y el instrumento. Para ambos días, se muestra el perfil vertical de los aerosoles presentes desde nivel del mar en Tenerife (estación Lidar), apreciándose como la pluma volcánica es detectada a la misma altura que el Observatorio de Izaña. CMM significa capa de mezcla marítima y TL, troposfera libre.

La circulación atmosférica en las capas bajas y medias provocó que las nubes de cenizas y gases volcánicos se dispersaran sobre el archipiélago canario y el Océano Atlántico, como muestra el esquema de la Figura 1. Esto ha permitido que la estación de Vigilancia Atmosférica Global (VAG) 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, registre impactos directos de la nube de dispersión volcánica causando que las concentraciones de gases medidos superasen, en varios órdenes de magnitud, los valores de dichos gases en condiciones de fondo habituales de este observatorio [2].

Figura 2. Series temporales de las concentraciones superficiales de SO2, CO2 y CO registradas en el Observatorio de Izaña entre el 19 septiembre y el 19 de diciembre de 2021 en el marco del programa de VAG de la Organización Meteorológica Mundial (OMM). Las concentraciones medidas se muestran en escala logarítmica para una mejor visualización. Se indican con asterisco (*) los eventos seleccionados para estudiar la relación entre las concentraciones registradas (ver explicación en el texto).

Durante estos eventos las concentraciones superficiales de dióxido de azufre (SO2), uno de los principales trazadores de las emisiones volcánicas [3], superaron frecuentemente las 1000 ppb (Figura 2), siendo sus concentraciones en condiciones de fondo inferiores a 1 ppb. Simultáneamente, estos episodios vinieron acompañados de incrementos significativos en otros gases secundarios emitidos, como el dióxido de carbono (CO2) y el monóxido de carbono (CO). El evento más intenso se registró el 12 de octubre con una duración de 8 horas, durante el cual se superó incluso el rango de detección del analizador de SO2, fijado en 3000 ppb. En este mismo episodio, el CO2 alcanzó una concentración de 490 ppm (i.e., un incremento de 80 ppm respecto al valor estacional) y el CO aumentó hasta los 1600 ppb (i.e., un incremento de 1500 ppb respecto al valor estacional). En general, los eventos registrados duraron varias horas y se produjeron principalmente por la noche, debido a que durante esta parte del día se favorece la circulación de subsidencia desde niveles medios y altos de la atmósfera, típica de las zonas subtropicales, la cual arrastra la nube de dispersión volcánica hacia el observatorio (Figura 1). Finalizados 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 podría permitir caracterizar el proceso eruptivo en sí y evaluar las diferentes fases que experimenta. Así, la Figura 3 representa la evolución temporal de las variaciones relativas de los incrementos de CO2 y SO2, así como también CO y SO2, para los episodios identificados en la Figura 2. Se observa una disminución paulatina de la proporción de SO2, sugiriendo un cambio de tendencia o fase del proceso eruptivo a principios de noviembre. Este resultado es consistente con las observaciones realizadas por diversos satélites de NASA, los cuales muestran una reducción de las emisiones de SO2 a partir de noviembre (https://so2.gsfc.nasa.gov/), coincidente con una disminución de la altura de la inversión de temperatura asociada al régimen de Alisios (registrada por los radiosondeos), que confina el penacho en los niveles bajos alterando su mezcla y difusión en la atmósfera (resultados no mostrados aquí). Aunque, se trate de un resultado preliminar, todo parecer indicar que ha sido posible monitorizar, de manera puntual, la disminución de la actividad volcánica en La Palma desde el Observatorio de Izaña, situado  a 140 km de la erupción volcánica.

Figure 3. Evolución temporal de la relación entre las variaciones de concentraciones de CO2 y CO con respecto a la de SO2.

Además de pertenecer al programa VAG-OMM desde 1984, la estación IZO, gestionada por el Centro de Investigación Atmosférico de Izaña (CIAI, Agencia Estatal de Meteorología, AEMET), dispone de un complejo y completo programa de observación para la monitorización e investigación de la composición gaseosa atmosférica [2]. Entre estas contribuciones, destaca el programa de medidas basado en la espectrometría de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR), el cual se desarrolla en el marco de las redes internacionales NDACC (Network for the Detection 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 del SO2, CO2 y CO entre el 24 de septiembre y el 6 de octubre de 2021, obtenidos a partir 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 en su concentración propias a su ciclo diario. Sin embargo, el 24 y 28 de septiembre y el 3 de octubre se identifica claramente como su evolución se ve alterada, estando los incrementos observados asociados a la nube de dispersión volcánica. Destaca especialmente el aumento de las concentraciones de SO2 pasando de valores casi nulos hasta más de 100 ppb en la columna total atmosférica. Nótese que los espectrómetros FTIR miden espectros de absorción solar, registrando así la huella de la absorción de los gases presentes en toda la columna atmosférica a diferencia de los analizadores in-situ operados en el programa VAG-OMM, que registran las concentraciones a nivel de superficie. Ambas técnicas de medida, muy útiles para caracterizar la composición gaseosa de la pluma volcánica, solo darán valores simultáneamente en una estación si se está produciendo un impacto directo del penacho sobre la misma. Cuando no tiene lugar esta situación, únicamente la técnica FTIR puede monitorizar la concentración de gases del penacho volcánico, que se podría llegar a encontrar incluso a decenas de kilómetros de la vertical del Observatorio, registrándose en el Observatorio condiciones de fondo para el SO2 in-situ y concentraciones de CO2 y el CO in-situ propias de su tendencia estacional (Figura 1). 

Paralelamente al programa de medidas de IZO, el 20 de septiembre de 2021 el CIAI-AEMET coordinó el despliegue de instrumentación científica en La Palma con el objetivo de monitorizar en detalle el proceso eruptivo. Junto a la instrumentación dedicada a la medida de la altura de la nube de dispersión volcánica y caracterización de los aerosoles emitidos desplegada en el contexto de la infraestructura europea ACTRIS (Aerosol, Clouds and Trace Gases Research Infraestructure) [5], se instaló en el sur de la isla, en el término municipal de Fuencaliente, otro espectrómetro FTIR COCCON EM27/SUN que permitió realizar un mejor seguimiento de las emisiones del volcán en función de su trayectoria. Como puede observarse en la Figura 4, en el caso de La Palma, los impactos de las emisiones volcánicas se registran claramente el 2 y 3 de octubre, cuando el penacho volcánico se dirigió al sur de la isla. En estos días, los valores en la columna total atmosférica se incrementan en 2 ppm para el CO2 y en 25 ppb para el CO con respecto a sus respectivas oscilaciones diarias. 

Figure 4. Concentraciones de SO2, CO2 y CO medidas por el espectrómetro FTIR IFS120/5HR y los espectrómetros EM27/SUN, pertenecientes a la red NDACC y COCCON respectivamente, instalados en IZO y en el sur de la isla de La Palma (Fuencaliente) en el periodo del 24 de septiembre al 6 octubre de 2021.

El gran potencial de las medidas en columna para la vigilancia y monitorización de la composición atmosférica, y en particular de procesos eruptivos, ha sido demostrado con éxito en el volcán de La Palma y en otros casos recientes como el Etna (Italia) o el Popocatépetl (México) [6,7], demostrando sus importantes sinergias y complementariedad con las medidas superficiales realizadas en el contexto del programa VAG-OMM y de infraestructuras europeas de referencia como ICOS (Integrated Carbon Observation System). La incorporación de España a ICOS en 2021, con la estación atmosférica IZO y la estación oceánica CanOA-VOS ambas en fase de certificación actualmente, supone una mejora notable en el sistema de observación de la composición atmosférica a nivel nacional y europeo. En 2022, con el objetivo de aumentar esta red de observación, se ha iniciado el proceso de incorporación a ICOS de la estación atmosférica El Arenosillo, en Huelva, del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA).

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., and Sosa, E.: Izaña Atmospheric Research Center Activity Report 2017-2018. (Eds. Cuevas, E., Milford, C. and Tarasova, O.), State Meteorological Agency (AEMET), Madrid, Spain and World Meteorological Organization, Geneva, Switzerland, WMO/GAW Report No. 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, and D. Davis: Atmospheric chemistry of an Antartic volcanic plume, 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., and López, C.: Twenty years of ground-based NDACC FTIR spectrometry at Izaña Observatory – overview and long-term comparison to other techniques, Atmos. Chem. 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.: Continuous measurements of SiF4 and SO2 by thermal emission spectroscopy: Insight from a 6-month survey at the Popocatépetl volcano, J. Volcan. Geother. Res.,  341,  pp.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., and Tu, Q.: Remote sensing of volcanic CO2, HF, HCl, SO2, and BrO in the downwind plume of Mt. Etna, Atmos. Meas. Tech., 10, 1–14, https://doi.org/10.5194/amt-10-1-2017, 2017.

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