Den kemiska sammansättningen av gaser som släpps ut från vulkaner - som används för att övervaka förändringar i vulkanisk aktivitet - kan förändras beroende på storleken på gasbubblor som stiger upp till ytan, och relaterar till hur de bryter ut. Resultaten, publicerad i tidningen Naturgeovetenskap , kan användas för att förbättra prognosen för hot från vissa vulkaner.

Ett team av forskare, inklusive en vulkanolog och matematiker från University of Cambridge, upptäckte fenomenet genom detaljerade observationer av gasutsläpp från vulkanen K? lauea på Hawaii.

På många vulkaner runt om i världen, gasutsläpp övervakas rutinmässigt för att hjälpa till med att förutsäga utbrott. Förändringar i produktionen eller andelarna av olika gaser - såsom koldioxid och svaveldioxid - kan innebära förändringar i en vulkan aktivitet. Vulkanologer har ansett att dessa kemiska förändringar återspeglar magmas uppgång och fall i jordskorpan men den nya forskningen avslöjar att sammansättningen av vulkaniska gaser också beror på storleken på gasbubblorna som stiger upp till ytan.

Tills det senaste spektakulära utbrottet öppnade sprickor på vulkanens flank, K? Lauea innehöll en vidsträckt lavasjö i dess toppkrater. Beteendet hos denna lavasjön växlade mellan faser av brinnande "sprutande" som drivs av stora gasbubblor som sprack genom magma, och mer skonsam gasutsläpp, åtföljs av långsam och stadig rörelse av lavan.

Förr, vulkaniska gaser har tagits ur direkt från ångande ventiler och öppningar som kallas fumaroler. Men detta är inte möjligt för utsläppen från en lavasjö, 200 meter över, och längst ner i en brant sidokrater. Istället, laget använde en infraröd spektrometer, som används för rutinmässig vulkanövervakning av medförfattare till studien, Jeff Sutton och Tamar Elias från Hawaiian Volcano Observatory (US Geological Survey).

Enheten var belägen på kanten av kratern, pekade på lavasjön, och spelade in gaskompositioner i atmosfären varannan sekund. Utsläppen av kol- och svavelhaltiga gaser mättes under både de kraftiga och milda faserna av aktiviteten.

Varje individuell mätning användes för att beräkna temperaturen på den vulkaniska gasen. Det som omedelbart slog forskarna var att gastemperaturerna varierade från 1150 grader Celsius - lavans temperatur - ner till cirka 900 grader Celsius. "Vid denna temperatur, lavan skulle frysa, "sade huvudförfattaren Dr Clive Oppenheimer, från Cambridge Department of Geography. "I början, vi kunde inte förstå hur gaserna kunde komma fram mycket kallare än den smälta lavan som slog ner i sjön. "

Ledtråden till detta pussel kom från variationen i beräknade gastemperaturer - de var höga när lavasjön var lugn, och låg när det bubblade rasande. "Vi insåg att det kan bero på storleken på gasbubblorna, "sa medförfattaren professor Andy Woods, Direktör för Cambridge BP Institute. "Större bubblor stiger snabbare genom magma och expanderar snabbt när trycket minskar, precis som bubblor som stiger i ett glas kolsyrad dryck; gasen svalnar på grund av expansionen. "Större bubblor bildas när mindre bubblor stöter på varandra och smälter samman.

Woods och Oppenheimer utvecklade en matematisk modell för att redogöra för processen, vilket visade en mycket bra passform med observationerna.

Men det fanns ännu en överraskande upptäckt från gasobservationerna från Hawaii. Förutom att vara svalare, utsläppen från de stora gasbubblorna oxiderades mer än väntat - de hade högre andel koldioxid till kolmonoxid.

Den kemiska balansen för vulkaniska gaser som koldioxid och kolmonoxid (eller svaveldioxid och svavelväte) anses generellt styras av kemin i den omgivande flytande magmen men vad de nya fynden visade är att när bubblor blir tillräckligt stora, det mesta av gasen inuti följer sin egen kemiska väg när gasen svalnar.

Förhållandet mellan koldioxid och kolmonoxid när lavasjön var i sitt mest energiska tillstånd var sex gånger högre än under den mest stabila fasen. Forskarna föreslår att denna effekt bör beaktas när gasmätningar används för att förutsäga stora förändringar i vulkanisk aktivitet.

"Gasmätningar är avgörande för vår övervakning och riskbedömning; förfina vår förståelse för hur magma beter sig under vulkanen gör att vi kan tolka våra observationer bättre, "sa medförfattaren Tamar Elias från Hawaiian Volcano Observatory.

Och det finns en annan implikation av denna upptäckt - inte för utbrott i dag utan för utvecklingen av jordens atmosfär för miljarder år sedan. "Vulkanutsläpp i jordens djupa förflutna kan ha gjort atmosfären mer oxiderande än vi trodde, "sa medförfattaren Bruno Scaillet." En mer syrerik atmosfär skulle ha underlättat uppkomsten och livskraften för liv på land, genom att generera ett ozonskikt, som skyddar mot skadliga ultravioletta strålar från solen. "