Ett team av vulkanologer som observerade det kolossala utbrottet av Kilauea 2018, Hawaii, har spårat hur potentiellt giftiga metaller som transporterades i dess gasplymer transporterades bort från vulkanen för att avsättas i landskapet.

Forskningen, publicerad i två följetidningar i Kommunikation Jord och miljö , är den mest omfattande undersökningen av metallutsläpp från någon vulkan hittills – vilket hjälper forskare att förstå spridningen av metallrika vulkaniska ångor och exponeringen av samhällen för vulkanisk luftförorening runt Hawaii.

Kīlaueas utbrott 2018 var det största på århundraden, översvämmar den östra kanten av ön med ungefär en kubikkilometer lava. Över tusen människor förlorade sina hem och många fler led av skadliga vulkaniska gaser.

Att förstå hur vulkaniska metaller släpps ut i miljön är avgörande ur ett folkhälsoperspektiv, "Vi vet inte mycket om dessa metallutsläpp alls, så detta arbete är ett nyckelsteg för att förstå det viktiga, ändå underskattad, kemiska risker med vulkaner, sa Emily Mason, Ph.D. student vid Cambridge Earth Sciences och huvudförfattare till en av tidningarna.

När vulkaner får utbrott andas de ut en cocktail av gaser - mestadels ånga, koldioxid och svaveldioxid – spetsad med förångade tungmetaller, inklusive bly och arsenik. Till de samhällen som lever vid sidan av vulkaner, dessa gaser är ofta en betydande källa till luftföroreningar och de flyktiga metallerna de bär på kan ha långvariga effekter på både hälsa och miljö.

Vulkanologer har mätt utsläpp av flyktiga metaller från vulkaner i decennier, men hur dessa element sprids i atmosfären efter ett utbrott, att senare regna ner över landskapet och tas upp i miljön genom jordar och vattendrag, har förblivit dåligt förstådd.

Laget, inklusive forskare från University of Cambridge, rapportera högre koncentrationer av luftburna tungmetaller inom en radie på 40 km från Kilauea, vilket innebär att samhällen som bor närmare vulkanen var oproportionerligt utsatta för metallföroreningar under 2018 års utbrott.

De tror att de starka passadvindarna vid tidpunkten för utbrottet, i kombination med lokalområdets topografi, orsakade högre nederbörd och, därför metallavsättning, närmare ventilen. Detta kan innebära att ett utbrott på vintern, när vindmönster vänds, kan resultera i en annan fördelning av metallavsättning.

Deras resultat kan hjälpa till att avgränsa miljöövervakningsstrategier under och efter utbrott – inklusive målinriktade tester av vattenförsörjning i samhället i riskområden – samt hjälpa planerare att bestämma var de ska bygga säkert runt vulkaner.

Emily Mason var en av ett helt kvinnligt team av forskare från universiteten i Cambridge och Leeds som begav sig ut för att göra gasmätningar när Kilauea bröt ut. Murare, tillsammans med dåvarande förstaårs Ph.D. eleverna Penny Wieser och Rachel Whitty, och tidiga forskare Evgenia Ilyinskaya och Emma Liu, anlände när utbrottet var i full flöde och en del av deras studieområde redan var avskuret av lava, "Vi var tvungna att flyga in till en plats via helikopter. Jag minns att jag gick ner genom ett tätt dis av vulkanisk gas... den sura luften sved faktiskt i vår hud." sa Mason.

"Vi tenderar att tänka på de mer omedelbara vulkaniska riskerna som askfall, pyroklastiska flöden, lava, " sade Dr. Evgenia Ilyinskaya, från University of Leeds, som ledde forskningen om metallspridning i medvind, "Men metallutsläpp, precis som luftföroreningar, är en smygande och ofta underskattad vulkanisk fara – som potentiellt påverkar hälsan under långa perioder."

Under de första veckorna av utbrottet, det största problemet med luftkvaliteten var vulkansk smog, eller 'vog, " som mest innehåller svaveldioxid med spår av tungmetaller och vulkanisk aska. Men när smält lava nådde havet och reagerade med havsvatten utlöste det nya hälsovarningar, som böljande vita moln av lavahaze eller "lata" släpptes; transporterar saltsyra och giftiga metaller.

Arbeta med medarbetare från USGS, teamet gjorde mätningar av gaser inuti lata och torra vog-plymer från både marken och luften, med hjälp av specialanpassade drönare. De utvecklade till och med en bakram för sina luftfilter, så att de snabbt kunde flytta utrustning genom områden där luften var tjock av svaveldioxid.

Mason och medförfattare upptäckte att de två typerna av gasplym hade en mycket olika kemi, "Vad som verkligen förvånade oss var de stora mängderna koppar i den lata plymen... inverkan av interaktioner mellan lava och havsvatten på biosfären kan vara avsevärt underskattad. Det är intressant att notera att denna typ av plym förmodligen var ett vanligt inslag i de massiva utgjutningarna av lava genom geologisk historia - av vilka några har kopplats till massutrotningar."

Deras långsiktiga mål är att ta fram kartor över föroreningsrisker för vulkaner, visar riskområden för metallföroreningar, en metod som redan används för att kommunicera områden som kan vara i riskzonen för andra vulkaniska faror, som lavaströmmar, "Vår forskning är bara en del av pusslet - tanken skulle vara att förstå alla dessa faror samtidigt."

De strävar efter att tillämpa denna metod över hela världen, men Mason varnar för att lokala atmosfäriska förhållanden avsevärt påverkar metallspridning och avsättning. Nu vill de veta hur transporten av vulkaniska metaller kan skilja sig åt i kylare, torrare miljöer som Antarktis – eller till och med i olika områden på Hawaii där nederbörden är lägre.