Atmos. Chem. Phys., 17, 10709-10732, 2017

---

Atmos. Chem. Phys., 17, 10709–10732, 2017

https://doi.org/10.5194/acp-17-10709-2017

© Author(s) 2017. This work is distributed under

the Creative Commons Attribution 3.0 License.

Atmospheric processes affecting the separation of volcanic ash and

SO

2

in volcanic eruptions: inferences from the May 2011

Grímsvötn eruption

Fred Prata

1

, Mark Woodhouse

2

, Herbert E. Huppert

3

, Andrew Prata

4

, Thor Thordarson

5

, and Simon Carn

6

1

Visiting scientist, Department of Atmospheric, Oceanic and Planetary Physics, Clarendon Laboratory,

University of Oxford, Oxford, UK

2

School of Mathematics, University of Bristol, Clifton, Bristol, UK

3

Institute of Theoretical Geophysics, Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, University of Cambridge,

Cambridge, UK

4

Department of Meteorology, University of Reading, Earley Gate, Reading, UK

5

Faculty of Earth Sciences, University of Iceland, Reykjavik, Iceland

6

Department of Geological and Mining Engineering and Sciences, Michigan Technological University, Houghton, MI, USA

Correspondence to:

Fred Prata ([e-mail])

Received: 1 February 2017 – Discussion started: 6 February 2017

Revised: 5 July 2017 – Accepted: 10 July 2017 – Published: 12 September 2017

Abstract. The separation of volcanic ash and sulfur dioxide

(SO

2

) gas is sometimes observed during volcanic eruptions.

The exact conditions under which separation occurs are not

fully understood but the phenomenon is of importance be-

cause of the effects volcanic emissions have on aviation, on

the environment, and on the earth’s radiation balance. The

eruption of Grímsvötn, a subglacial volcano under the Vat-

najökull glacier in Iceland during 21–28 May 2011 produced

one of the most spectacular examples of ash and SO

2

sep-

aration, which led to errors in the forecasting of ash in the

atmosphere over northern Europe. Satellite data from several

sources coupled with meteorological wind data and photo-

graphic evidence suggest that the eruption column was un-

able to sustain itself, resulting in a large deposition of ash,

which left a low-level ash-rich atmospheric plume moving

southwards and then eastwards towards the southern Scandi-

navian coast and a high-level predominantly SO

2

plume trav-

elling northwards and then spreading eastwards and west-

wards. Here we provide observational and modelling per-

spectives on the separation of ash and SO

2

and present quan-

titative estimates of the masses of ash and SO

2

that erupted,

the directions of transport, and the likely impacts. We hy-

pothesise that a partial column collapse or “sloughing” fed

with ash from pyroclastic density currents (PDCs) occurred

during the early stage of the eruption, leading to an ash-laden

gravity intrusion that was swept southwards, separated from

the main column. Our model suggests that water-mediated

aggregation caused enhanced ash removal because of the

plentiful supply of source water from melted glacial ice and

from entrained atmospheric water. The analysis also sug-

gests that ash and SO

2

should be treated with separate source

terms, leading to improvements in forecasting the movement

of both types of emissions.

1

Introduction

Vigorous volcanic eruptions emit copious amounts of gases

and particles into the atmosphere, where they are transported

by the winds, potentially in all directions. They can be trans-

ported rapidly zonally as in the case of the eruption of

Puyehue-Córdon Caulle, southern Chile, during June 2011,

when ash and SO

2

travelled together, circling the Southern

Hemisphere at latitudes south of 30

◦

S. They can be trans-

ported vertically by air circulations as in the case of Nabro,

Eritrea, also in June 2011, when the monsoon circulation

Published by Copernicus Publications on behalf of the European Geosciences Union.

---

10710

F. Prata et al.: Separation of ash and SO

2

may have played a part in lifting SO

2

gas into the strato-

sphere (Bourassa et al., 2012), although Fromm et al. (2014)

provides a convincing case for direct gas injection. Prevail-

ing atmospheric winds can play a pivotal role in the transport

of ash and SO

2

as in the case of the April and May 2010

eruptions of Eyjafjallajökull, Iceland, during which large

amounts of ash were transported zonally and meridionally

over continental Europe, leading to major disruptions of

air traffic. The direction of transport is determined by the

strength and direction of the zonal and meridional wind fields

and these vary with height. Vertical wind shear varies with

location and time and is commonplace.

SO

2

gas and ash particles represent two major components

of vigorous volcanic activity and these may be emitted to-

gether or individually and this mix can and does vary with

time, due largely to the character of the volcanic activity and

the geological setting of the volcano. Since there is no guar-

antee that ash and SO

2

will be erupted at the same time, nor

that they will remain collocated in space and time, there is a

good reason to investigate the conditions under which these

emissions remain together and conditions under which they

separate. Magma composition is also a factor because lower

viscosity magmas fragment into coarser particles that sep-

arate more easily from gas. Separation has been observed

during the eruptions of Okmok and Kasatochi (Prata et al.,

2010), this Grímsvötn eruption (Sigmarsson et al., 2013;

Moxnes et al., 2014), and during the Eyjafjallajökull erup-

tion (Thomas and Prata, 2011), although collocated transport

is also often observed. Holasek et al. (1996) investigated ash

and gas separation through analogue laboratory experiments.

They found that gas and ash separation occurred through

buoyancy effects, with particle sedimentation leaving higher

gas concentrations above. Separation can also occur when

ash and SO

2

are emitted in separate explosive pulses when

either the energy of the eruption has changed, emplacing the

materials at different heights, or the atmospheric conditions

have changed in the intervening period. These processes are

complex and difficult to predict for individual events.

Here we study the remarkable separation of SO

2

and ash

during the 21–28 May 2011 eruption of Grímsvötn, using

mostly satellite data but also ground-based remote sensing

measurements and model simulations. The separation was

the greatest possible. SO

2

reached high altitudes (> 10 km),

travelled northwards, and then spread eastwards and west-

wards, while the ash remained at low altitudes (< 4 km) and

travelled southwards before spreading eastwards, eventually

reaching the western coast of Norway. The separation led to

a poor forecast of the ash hazard to aviation and we suggest

how such errors can be avoided in the future.

The injection of SO

2

into the stratosphere and its subse-

quent conversion to sulfate aerosol are important for under-

standing the radiative impact of volcanic eruptions (Robock,

2000). If the SO

2

emission remains largely in the troposphere

and is of short duration (less than a few days), its potential

impact on radiative forcing is less because the residence time

of the resulting sulfate aerosol is shorter. Stratospheric sul-

fate aerosols, however, can potentially alter the radiative bal-

ance. It is shown here that the Grímsvötn SO

2

did indeed

penetrate into the stratosphere. The satellite data are used

to estimate the total SO

2

injected into the stratosphere and

the total mass of very fine ash injected into the lower tropo-

sphere. Here the term very fine is used to describe ash with an

effective radius < 16 µm, which represents the largest grain

size that infrared sensors and retrieval algorithms can quan-

tify with any certainty.

Our paper stresses the importance of a multidisciplinary

approach to the study of volcanic eruptions in the atmo-

sphere: volcanological insights, space-based observations,

dispersion modelling, and fluid dynamics are all required to

develop understanding of the dominant processes involved.

The paper is organized as follows. The chronology of the

eruption and important events are described, followed by a

short section on the transport and the tools used to determine

it. Next the satellite data are introduced and estimates of the

ash mass loading, the SO

2

amount, and cloud-top tempera-

ture and height are provided. The phenomenon of particle–

gas separation is discussed and observational evidence is

presented for the Grímsvötn eruption. An uncoupled plume

model, in which plume dynamics and plume microphysics

are examined separately, is used to provide insights into the

most significant processes relevant to particle–gas separa-

tion. Most of the satellite observations and some modelling

results are included in the Supplement. The main inferences

from the study are presented in a concluding discussion sec-

tion, and an Appendix provides a mathematical description

of the plume model employed.

2

Chronology of the Grímsvötn eruption

Grímsvötn is a subglacial volcano situated under the Vatna-

jökull glacier in southeastern Iceland. Like many Icelandic

volcanoes it has a long record of eruptive activity (Thordar-

son and Larsen, 2007), with the last notable event prior to

the May 2011 activity occurring between 1 and 6 Novem-

ber 2004.

On the afternoon of 21 May 2011 at around 17:30 UTC,

seismicity

and

thermal

anomaly

measurements

at

Grímsvötn indicated that an eruption was likely, and at

19:00 UTC the eruption penetrated the Grímsvötn subglacial

caldera. The first signs from satellite observations of a plume

entering the atmosphere were recoded by the Spin-Enhanced

Visible and Infra-Red Instrument (SEVIRI) on-board the

geostationary Meteosat Second Generation (MSG)-2 satel-

lite at 19:15 UTC on 21 May. The weather conditions at

the start of the eruption were good and photographs of the

plume (see Fig. 1 and the Supplement) as it emerged out

of the glacier at ∼ 19:10 UTC clearly showed a steam-rich

plume that later developed into an ash-laden plume reaching

several kilometres into the atmosphere. As evening fell,

Atmos. Chem. Phys., 17, 10709–10732, 2017

www.atmos-chem-phys.net/17/10709/2017/

---