Studying Aftermath of the Strong 2019 Raikoke Volcano Eruption in Central Kuril Islands Using Satellite Data

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Spatiotemporal distribution of sulfur dioxide content during the strong 2019 Raikoke stratovolcano eruption was studied using satellite data. The total mass of SO2 emitted at an altitude of 15 km was determined. The influence of stratospheric aerosols on the Earth’s ozone layer was assessed, and changes in ozone content in the atmospheric column were detected based on the analysis of multiannual time series of aerosol optical depth change. The values of aerosol optical depth increased (up to 2.3), which was related to the active transformation of sulfur dioxide into the sulfuric acid and the generation of sulfate aerosols. A sharp decrease in ozone content (by 73 DU) was detected after the end of volcanic activity, which was followed by a significant decrease in temperatures in the stratosphere (by 8–17°C). It was found that increased values of the extracted mass of SO2 persisted for several days after the eruption and then decreased exponentially with time. Changes in the total ozone content in the atmospheric column were consistent with variations in temperatures in the stratosphere.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. G. Bondur

AEROCOSMOS Research Institute for Aerospace Monitoring

Author for correspondence.
Email: office@aerocosmos.info
Russian Federation, Moscow

O. S. Voronova

AEROCOSMOS Research Institute for Aerospace Monitoring

Email: office@aerocosmos.info
Russian Federation, Moscow

References

  1. Bourassa A.E., Zawada D.J., Rieger L.A., Warnock T.W., Toohey M., Degenstein D.A. Tomographicretrievals of Hunga Tonga-Hunga Ha’apaivolcanic aerosol // Geophysical ResearchLetters, 2023. 50, e2022GL101978. https://doi.org/10.1029/2022GL101978
  2. Cai Z., Griessbach S., Hoffmann L. Improved estimation of volcanic SO2 injections from satellite retrievals and Lagrangian transport simulations: the 2019 Raikoke eruption // Atmos. Chem. Phys., 2022. 22, 6787–6809, https://doi.org/10.5194/acp-22-6787-2022
  3. Chouza F., Leblanc T., Barnes J., Brewer M., Wang P., Koon D. Long-term (1999–2019) variability of stratospheric aerosol over Mauna Loa, Hawaii, as seen by two co-located lidars and satellite measurements, // Atmos. Chem. Phys., 2020. 20, 6821–6839, https://doi.org/10.5194/acp-20-6821-2020
  4. Clarisse L., Coheur P.-F., Theys N., Hurtmans D., Clerbaux C. The 2011 Nabro eruption, a SO2 plume height analysis using IASI measurements // Atmos. Chem. Phys., 2014. 14, 3095–3111, https://doi.org/10.5194/acp-14-3095-2014.
  5. de Leeuw J., Schmidt A., Witham C. S., Theys N., Taylor I. A., Grainger R. G., Pope R.J., Haywood J., Osborne M., Kristiansen N.I. The 2019 Raikoke volcanic eruption – Part 1: Dispersion model simulations and satellite retrievals of volcanic sulfur dioxide // Atmos. Chem. Phys., 2021. 21, 10851–10879, https://doi.org/10.5194/acp-21-10851-2021,
  6. Divinskii L. I., Ivlev L.S. O vode i aerozolyah vulkanicheskogo proishojdeniya v visokih sloyah atmosferi // Prirodnaya Sreda. 2012. №4 (25), pp. 254–261 (in Russian)
  7. Fedotov S.A. Magmaticheskiye pitayushchiye sistemy i mekhanizm izverzheniy vulkanov (Magmatic feeding systems and the mechanism of volcanic eruptions.). Moscow: Nauka, 2006. 455 p.
  8. Fedotov S.A. Vulkanizm i seysmichnost, nauka, obshchestvo, sobytiya i zhizn (statyi, besedy i vystupleniya 1952–2002 gg. (Volcanism and seismicity, science, society, events and life (Articles, talks and speeches (1952 – 2002)). Petropavlovsk-Kamchatsky: Novaya Kniga Holding Publ., 2003. 184 p., illustrated ISBN5-87750-101-1
  9. Fisher B.L., Krotkov N.A., Bhartia P.K., Li C., Carn S.A., Hughes E., Leonard P.J.T. A new discrete wavelength backscattered ultraviolet algorithm for consistent volcanic SO2 retrievals from multiple satellite missions // Atmos. Meas. Tech., 2019. 12, 5137–5153, https://doi.org/10.5194/amt-12-5137-2019
  10. Forster P., Ramaswamy V., Artaxo P., Berntsen T., Betts R., Fahey D., Haywood J., Lean J., Low D., Myhre G., Nganga J., Prinn R., Raga G., Schulz M., Dorland R.V. Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing, in: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, edited by: Solomon, S., Qin, D., Manning, M., Chen, Z., Marquis, M., Averyt, K., Tignor, M., and Miller, H., 129–234, Cambridge University Press, United Kingdom and New York, NY, USA, 2008.
  11. Girina O.A., Gordeev E.I. KVERT project: reduction of volcanic hazards for aviation from explosive eruptions of Kamchatka and Northern Kuriles volcanoes // Institute of Volcanology and Seismology FED RAS, 2007. № 2 (132). С. 100–109 (in Russian)
  12. Girina O.A., Manevich A.G., Melnikov D.V., Nujdaev A.A., Lupyan E.A. Aktivnost vulkanov Kamchatki i Kurilskih ostrovov v 2019 g. i ih opasnost dlya aviacii // Vulkanizm i svyazannie s nim processi. Materiali XXIII ejegodnoi nauchnoi konferencii_ posvyaschennoi Dnyu vulkanologa_ 2020 g. – Petropavlovsk_Kamchatskii_ IViS DVO RAN_ 2020. P. 11_14.
  13. Girina O.A. On precursor of Kamchatkan volcanoes eruptions based on data from satellite monitoring // J. Volcanolog. Seismol. 6, 142–149. 2012. https://doi.org/10.1134/S0742046312030049
  14. Gordeev E.I., Girina O.A. Volcanoes and the threat they pose for aircraft // Vestnik Rossiiskoi Akademii Nauk, 2014, vol. 84, no. 2, pp. 134–142. https://doi.org/10.7868/S0869587314020121
  15. Gorkavyi N., Krotkov N., Li C., Lait L., Colarco P., Carn S., DeLand M., Newman P., Schoeberl M., Taha G., Torres O., Vasilkov A., Joiner J. Tracking aerosols and SO2 clouds from the Raikoke eruption: 3D view from satellite observations // Atmos. Meas. Tech., 2021. 14, 7545–7563, https://doi.org/10.5194/amt-14-7545-2021,
  16. Guffanti M., Casadevall T.J., Budding K. Encounters of aircraft with volcanic ash clouds: a compilation of known incidents, 1953–2009 // U.S. Geological Survey Data Series 545, 2010. ver. 1.0, 12 p., plus 4 appendixes including the compilation database.
  17. Haywood J. M., et al., Observations of the eruption of the Sarychev volcano and simulations using the HadGEM2 climate model // J. Geophys. Res., 2010. 115, D21212, https://doi.org/10.1029/2010JD014447
  18. Ivlev L.S., Kolosov A.S., Terokhin S.N. Eruptivnyye vulkanicheskiye protsessy: mekhanizmy i kharakteristiki (Eruptive volcanic processes: Mechanisms and characteristics) //Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta, 2008. Vol. 4, No 2. pp.35–48. (In Russian).
  19. Jethva H., Torres, O. Satellite-based evidence of wavelength-dependent aerosol absorption in biomass burning smoke inferred from Ozone Monitoring Instrument // Atmos. Chem. Phys., 2011. 11, 10541–10551, https://doi.org/10.5194/acp-11-10541-2011
  20. Khaykin S. et al. Global perturbation of stratospheric water and aerosol burden by Hunga eruption // Commun. Earth Environ. 2022a. 3, 316. https://doi.org/10.1038/s43247- 022-00652-x
  21. Khaykin S.M., de Laat A.T.J., Godin-Beekmann S. et al. Unexpected self-lofting and dynamical confinement of volcanic plumes: the Raikoke 2019 case // Sci Rep. 2022b. 12, 22409 https://doi.org/10.1038/s41598-022-27021-0
  22. Kloss C., Berthet G., Sellitto P., Ploeger F., Taha G., Tidiga M., Eremenko M., Bossolasco A., Jégou, F., Renard J.-B., Legras B. Stratospheric aerosol layer perturbation caused by the 2019 Raikoke and Ulawun eruptions and their radiative forcing // Atmos. Chem. Phys., 2021. 21, 535–560, https://doi.org/10.5194/acp-21-535-2021
  23. Kondratyev K.Ya. Kompleksnyy monitoring posledstviy izverzheniya vulkana Pinatubo (Comprehensive monitoring of the consequences of the eruption of Mount Pinatubo) // Issledovaniya Zemli iz kosmosa. 1993. No. 1., pp. 111–122 (In Russian).
  24. Kondratyev K.Ya., Ivlev L.S., Krapivin V.F. Svoystva, protsessy obrazovaniya i posledstviya vozdeystviy atmosfernogo aerozolya: ot nano – do global’nykh masshtabov (Properties, formation processes and consequences of atmospheric aerosol impacts: from nano to global scales). Saint Petersburg: 2007. VVM Publ., 858 p. (In Russian).
  25. Krotkov N. A., et al. Validation of SO2 retrievals from the Ozone Monitoring Instrument over NE China // J. Geophys. Res., 2008. 113, D16S40, https://doi.org/10.1029/2007JD008818
  26. Laverov N.P., Dobretsov N.L., Bogatikov O.A., Bondur V.G. et. al. Modern and Holocene volcanism in Russia / Ed. by N.P.Laverov. Moscow: Nauka, 2005. 604 p. (In Russian).
  27. Lu J., Lou S., Huang X., Xue L., Ding K., Liu T., et al. Stratosphericaerosol and ozone responses to theHunga Tonga-Hunga Ha’apai volcaniceruption // Geophysical Research. 2023. Letters,50, e2022GL102315. https://doi.org/10.1029/2022GL102315
  28. Manevich A.G., Girina O.A., Melnikov D.V., Bril A.A., Romanova I.M., Sorokin A.A., Kramareva L.S., Korolev S.P. Klyuchevskoy volcano eruptions in 2023–2024 based on remote sensing data in the VolSatView information system // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa 2024. Т. 21. № 3. С. 94–103. (in Russian)
  29. Marshall L.R., Maters E.C., Schmidt A. et al. Volcanic effects on climate: recent advances and future avenues // Bull Volcanol. 2022. 84, 54. https://doi.org/10.1007/s00445-022-01559-3
  30. Melnikov D.V., Ushakov S.V. Monitoring atmosfernogo soderzhaniya SO2 pri krupnykh izverzheniyakh vulkanov Kamchatki za 2007 g. posredstvom sputnikovykh metodov issledovaniy (Monitoring of atmospheric SO2 content during large volcanic eruptions in Kamchatka in 2007 using satellite research methods) // Proceedings of Conference “Geofizicheskiy monitoring i problemy seysmicheskoy bezopasnosti Dal’nego Vostoka Rossii”. Petropavlovsk-Kamchatsky: Russian Academy of Sciences, Kamchatca Branch Publ., 2008. Vol. 1, pp. 101–104. (In Russian).http://www.emsd.ru/konf071112/pdf/t1/str101.pdf
  31. Muser L.O. et al. Particle aging and aerosol–radiation interaction affect volcanic plume dispersion: Evidence from the Raikoke 2019 eruption // Atmos. Chem. Phys. 20, 2020. 15015–15036. https://doi.org/10.5194/acp-20-15015-2020
  32. Ozerov A.Y., Girina O.A., Zharinov N.A. et al. Eruptions in the Northern Group of Volcanoes, in Kamchatka, during the Early 21st Century. // J. Volcanolog. Seismol. 14, 1–17. 2020. https://doi.org/10.1134/S0742046320010054
  33. Pardini F., Burton M., Arzilli F., La Spina G., Polacci M. SO2 emissions, plume heights and magmatic processes inferred from satellite data: The 2015 Calbuco eruptions // Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2018. 361, 12–24. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2018.08.001
  34. Platt U., Stutz J. Differential optical absorption spectroscopy – Springer–Verlag, New–York, Berlin, Heidelberg, 2008. – 593 p
  35. Rasch P.J., Tilmes S., Turco R.P., Robock A., Oman L., Chen C.-C., Stenchikov G.L., Garcia R.R. An overview of geoengineering of climate using stratospheric sulphate aerosols, Philos. T. Roy. Soc. A, 2008. 366, 4007–4037. https://doi.org/10.1098/rsta.2008.0131
  36. Rashidov V.A., Girina O.A., Ozerov A.Yu., Pavlov N.N. The June 2019 Eruption of Raikoke Volcano (The Kurile Islands) // Bulletin of Kamchatka Regional Association “Educational-Scientific Center”. Earth sciences. Issue 42. No. 2. 2019, pp. 5–8. https://doi.org/10.31431/1816-5524-2019-2-42-5-8
  37. Reed B.E., Peters D.M., McPheat R., Grainger R.G. The Complex Refractive Index of Volcanic Ash Aerosol Retrieved аrom Spectral Mass Extinction // J. Geophys. Res. Atmos. 2018, 123, pp. 1339–1350, https://doi.org/10.1002/2017JD027362
  38. Robock A. Volcanic eruptions and climate // Rev. Geophys., 2000. 38, 191–219, https://doi.org/10.1029/1998RG000054
  39. Romero J.E., Morgavi D., Arzilli F., Daga R., Caselli A., Reckziegel F., Perugini D. Eruption dynamics of the 22–23 April 2015 Calbuco Volcano (Southern Chile): Analyses of tephra fall deposits // Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2016. 317, 15–29. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2016.02.027
  40. Rybin A., Chibisova M., Webley P., Steensen T., Izbekov P., Neal C., Realmuto V.Satellite and ground observations of the June 2009 eruption of Sarychev Peak volcano, Matua Island, Central Kuriles // Bull. Volcanol., 2011. 73(9), 1377–1392, https://doi.org/10.1007/s00445-011-0481-0
  41. Sato M., Hansen J.E., McCormick M.P., Pollack J.B. Stratospheric aerosol optical depths, 1850–1990 // J. Geophys. Res. 1993. 98, 22987. https://doi.org/10.1029/93JD02553
  42. Sawamura P., et al. Stratospheric AOD after the 2011 eruption of Nabro volcano measured by lidars over the Northern Hemisphere, Environ. Res. Lett., 2012. 7(3), 034,013, https://doi.org/10.1088/1748-9326/7/3/034013
  43. Semenov S.M., Izrael Yu.A., Gruza G.V., Rankova E.Ya. Izmeneniya globalnoi temperaturi i regionalnie riski pri nekotorih stabilizacionnih scenariyah antropogennoi emissii dioksida ugleroda i metana. V kn. Izmenenie okrujayuschei sredi i klimata prirodnie i svyazannie s nimi tehnogennie katastrofi. T. 6: izmeneniya klimata vliyanie zemnih i vnezemnih faktorov / Otv. red. G.S. Golitsyn. M.: IFA RAN, IFZ RAN, 2008. 24–36. (In Russian).
  44. Stenchikov G., Delworth T.L., Ramaswamy V., Stouffer R.J., Wittenberg A., Zeng F. Volcanic signals in oceans // J. Geophys. Res., 2009. 114, D16104, https://doi.org/10.1029/2008JD011673
  45. Stenchikov G., Ukhov A., Osipov S., Ahmadov R., Grell G., Cady-Pereira K., Mlawer E., Iacono M. How Does a Pinatubo-Size Volcanic Cloud Reach the Middle Stratosphere? // J. Geophys. Res.–Atmos., 2021. 126, e2020JD033829, https://doi.org/10.1029/2020JD033829
  46. Theys N., De Smedt I., Yu H., Danckaert T., van Gent J., Hörmann C., Wagner T., Hedelt, P., Bauer H., Romahn F., Pedergnana M., Loyola D., Van Roozendael M. Sulfur dioxide retrievals from TROPOMI onboard Sentinel-5 Precursor: algorithm theoretical basis // Atmos. Meas. Tech., 2017. 10, 119–153, https://doi.org/10.5194/amt-10-119-2017
  47. Thompson D.W., Solomon S. Understanding recent stratospheric climate change, J. Climate, 2009. 22, 1934–1943, https://doi.org/10.1175/2008JCLI2482.1
  48. Thordarson Th., Self S., Atmospheric and environmental effects of the 1783 – 1784 Laki eruption: A review andreassessment // J. Geophys. Res., 2003. 108(D1), 4011, https://doi.org/10.1029/2001JD002042
  49. Toohey M., Krüger K., Schmidt H., Timmreck C., Sigl M., Stoffel M., Wilson R. Disproportionately strong climate forcing from extratropical explosive volcanic eruptions // Nat. Geosci., 2019. 12, 100–107, https://doi.org/10.1038/s41561-018-0286-2
  50. Veefkind P., Sneep M. OMDOA03 README FILE: http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/Aura/data-holdings/OMI/ documents/v003/OMDOAO3 README V003.shtml (last access: 14 January 2012), 2009.
  51. Vermote E.F., Roger J.C., Ray J.P. MODIS Surface Reflectance User’s Guide Collection 6. [Accessed 23 June 2016]; 2015 May; http://modis-sr.ltdri.org/guide/MOD09_UserGuide_v1.4.pdf
  52. von Savigny C., Timmreck C., Buehler S.A., Burrows J.P., Giorgetta M., Hegerl G., Horvath A., Hoshyaripour G. A., Hoose C., Quaas J., Malinina E., Rozanov A., Schmidt H., Thomason L., Toohey M., Vogel B.: The Research Unit VolImpact: Revisiting the volcanic impact on atmosphere and climate – preparations for the next big volcanic eruption // Meteorol. Z., 2020. 29, 3–18, https://doi.org/10.1127/metz/2019/0999
  53. Watson E.J., Swindles G.T., Stevenson J.A., Savov I., Lawson I.T. The transport of Icelandic volcanic ash: Insights from northern European cryptotephra records // Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2016. 121, 7177–7192. https://doi.org/10.1002/2016JB013350
  54. Wells A.F., Jones A., Osborne M., Damany-Pearce L., Partridge D.G., Haywood J.M.: Including ash in UKESM1 model simulations of the Raikoke volcanic eruption reveals improved agreement with observations // Atmos. Chem. Phys., 2023, 3985–4007, https://doi.org/10.5194/acp-23-3985-2023
  55. Yang K., Liu X., Bhartia P.K., Krotkov N.A., Carn S.A., Hughes E.J., Krueger A.J., Spurr R.J.D., Trahan S.G. Direct retrieval of sulfur dioxide amount and altitude from spaceborne hyperspectral UV measurements: Theory and application // J. Geophys. Res., 2010. 115, D00L09, https://doi.org/10.1029/2010JD013982
  56. Zuev V.V. Zueva N.E. Volcanogenic disturbances of the stratosphere as the principle regulator of the long-term behavior of the ozonosphere from 1979 to 2008 // Opt. Atmos. Okeana 24 (1), 30–34. 2011. (In Russian).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Eruption of the Raikoke volcano on 06/22/2019: a – image of the ash plume from the volcano, obtained from the Terra satellite (MODIS equipment); b – density of a vertical column of sulfur dioxide (SO2) at an altitude of 15 km, obtained from the Sentinel-5P satellite (TROPOMI equipment) using the DOAS method.

Download (296KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Vertical density of a column of sulfur dioxide (SO2) at an altitude of 15 km, data obtained using TROPOMI equipment (Sentinel-5P satellite) using the DOAS method. Movement of the SO2 volcanic cloud: a – on June 23, 27 and 30, 2019; b – from July 1 to July 3, 2019; c – from July 4 to July 22, 2019.

Download (1MB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Total mass of sulfur dioxide (SO2) emissions from the Raikoke volcano, kt (kilotons).

Download (230KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Changes in atmospheric parameters during the period of strong volcanic activity in 2019: aerosol optical thickness and ozone content in the atmospheric column according to the Aura satellite (OMI instrument), as well as temperatures in the upper, middle, and lower parts of the stratosphere according to the Aqua satellite (AIRS instrument).

Download (767KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».