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

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

2

10713

as H

4

, in which H is the column height; thus, the MER is

reduced by a factor of ∼ 100 if the column height is reduced

from 19 to 6 km.

Stevenson et al. (2013) studied Grímsvötn ash deposits

in Scotland and northern England using pollen traps, tape-

on-paper measurements, rainwater samples, and air quality

measurements. The majority of ash deposition was found in

Scotland in agreement with the observations presented here.

However, they find larger median grain sizes of 19–23 µm

and maxima of 80 µm significantly higher than the effec-

tive radii found in the atmosphere from the satellite mea-

surements. Since Stevenson et al. (2013) sample ash on the

ground and have a bias that precludes making measurements

of grain sizes < 10 µm and the infrared retrievals are less

sensitive to particles with effective radii > 10 µm, the two

measurement strategies are largely incompatible. Very fine

ash was also detected by the infrared sensors over Green-

land during the early phase of the eruption on 22 May (Prata

and Rose, 2015, see Fig. 52.11). This ash signal quickly dis-

sipates and the ash was high in the atmosphere (above the

tropopause) and collocated with the SO

2

. There is no evi-

dence from the satellite measurements that any of this ash

reached the United Kingdom or Europe. Any ash arriving in

Europe from this part of the plume would have had to de-

scend from the stable stratosphere and, having travelled for

4–5 days, would be of low concentration and have a very

small effective radius.

3.1

Separation of the dispersing volcanic cloud

The observational evidence for significant separation of ash

and SO

2

is unequivocal, but was this entirely due to wind

shear? Certainly at some stages during the eruption the col-

umn reached at least 16 km and wind data show that wind

shear was present, which suggests the emissions would dis-

perse in different directions. During the period between the

early morning of 22 May and late afternoon of 23 May, satel-

lite, radar, and photographic evidence shows that the column

changed height and at times extended to less than 10 km.

Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) near-real-time bright-

ness temperatures can be used to retrieve upper level SO

2

in the atmosphere. A series of six images of this product

are shown in Fig. S2. These products are based on bright-

ness temperatures at specific wave numbers that correspond

to SO

2

absorption locations, and a radiative transfer model is

used to fit the spectral features to the SO

2

column amount

(Prata and Bernardo, 2007). A more simplified product is

also used, indicating SO

2

as negative temperature differ-

ences, in which

T < −

6 K. Positive differences found in

these images are due to other causes and strongly positive

values are generally unusual. The causes of positive differ-

ences are mostly associated with water vapour and thermal

contrast effects. There is no other literature discussing posi-

tive differences in this product that we are aware of. Figure 3

AIRS temperature difference 

22  May 2011 03:35 UT 

23 May201104:17UT 

-

Figure 3. AIRS brightness temperature difference images for over-

passes on 22 and 23 May 2011. Panel (a) shows 03:35 UTC,

22 May. Panel (b) shows 13:17 UTC, 22 May. Panel (c) shows

04:17 UTC, 23 May. Negative values suggest absorption by SO

2

gas. The red-coloured spot (positive temperature differences) seen

in panels (a) and (b) situated near the Grímsvötn vent may be due

to the ash-rich column.

shows three of these brightness temperature difference prod-

ucts.

The SO

2

feature is clearly evident in these images, but

there is also a positive difference coincident with the lo-

cation of the Grímsvötn vent. We speculate that the posi-

tive temperature differences correspond to the location of

the ash-rich eruption column, slightly displaced from the

upper-level dispersing SO

2

. Interestingly, by 04:17 UTC on

23 May 2011, this positive anomaly has disappeared. The

brightness temperature difference is determined from two

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

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

---

10714

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

2

channels at 1361.44 and 1433.06 cm

−

1

situated inside and

outside of the strong ν

3

SO

2

absorption band (Prata and

Bernardo, 2007). The reason for the positive difference over

the column is unclear, but we suggest that because these

two channels sound the atmosphere with peak contributions

at different heights, a positive difference will be observed

when the top of the column is below the upper-level sounding

channel (1433.06 cm

−

1

) peak and above or near the weight-

ing function peak of the lower-level channel (1361.44 cm

−

1

).

This interesting observation suggests that it may be possible

to utilize the AIRS spectral information to determine ash col-

umn heights for opaque columns. The changes in height of

the ash column and vertical emplacement of ash is a signifi-

cant process that affects the subsequent direction of transport

of volcanic ash.

4

Satellite data analyses

Satellite instruments have been used extensively to mon-

itor volcanic emissions (Prata, 2009). Both ash and SO

2

gas can be quantified using measurements made in the in-

frared (e.g. Clarisse et al., 2010; Prata and Prata, 2012;

Carn et al., 2005) and in the ultraviolet (e.g. Carn et al.,

2016), while ultraviolet-visible reflected light can be used to

identify volcanic aerosols (aerosol optical depth), and pas-

sive microwave measurements can be used to detect large

(millimetre-sized) volcanic particles. These passive measure-

ments have been recently supplemented by an active space

borne lidar that can provide much-needed vertical informa-

tion. The Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization

(CALIOP) on board the CALIPSO polar-orbiting platform

provides vertical structure information from backscattered

light along the sub-satellite point but has a long repeat cycle,

which inevitably means limited coverage for rapidly evolv-

ing, spatially limited events such as low to medium size vol-

canic eruptions. Table 1 provides a list of the satellite instru-

ment data used in this study, including the salient character-

istics of these instruments.

4.1

Cloud-top height

An estimate of the column height of eruptive material is crit-

ical to understanding the movement of ash away from its

source. Initial estimates of the height of the ash column,

based on radar measurements by the IMO (Petersen et al.,

2012), suggested that it had reached ∼ 20 km. However, the

satellite data analysed here, together with radiosonde tem-

perature profiles made at Keflavík airport, indicate that the

column maximum height did not exceed ∼ 16 km and var-

ied between ∼ 8 and ∼ 16 km from onset at 19:00 UTC on

21 May 2011 until a lowering sometime after 05:15 UTC

on 22 May. The radar has a vertical resolution of between

2 and 5 km at a range of 75 km (Petersen et al., 2012, see

their Fig. 2); thus, a radar estimate of 15–25 km is broadly

consistent with the satellite estimate. The measurements re-

ported by Petersen et al. (2012) from radars situated at Ke-

flavík (∼ 257 km away) and on a mobile platform show an

oscillatory behaviour of the plume top on 21–22 May, with

a considerable drop in height to 10 km around 20:00 UTC

on 22 May, followed by a drop to 6 km (or lower) at

∼

11:00 UTC on 23 May and another drop to less than 3 km

at ∼ 16:00 UTC. The height does not exceed 8 km thereafter.

At the start of the Grímsvötn eruption a tall and opti-

cally thick column extended several kilometres into the at-

mosphere. During this phase, the large opacity of the cloud

makes ash retrieval using infrared and ultraviolet radiation

very difficult and it is likely that the cause of the opacity is

due to condensed water vapour and steam in the column. Par-

ticle sizes are large (millimetre to centimetre size) and hot

gases, principally water vapour, dominate the emissions. The

evolution of the column can be studied using single-channel

infrared measurements (Fig. 4) by making the assumption

that the cloud is behaving as a black body and the brightness

temperatures correspond to the cloud-top temperature.

The black body assumption is generally quite good, but

because the cloud may overshoot, undercooling may occur

(Woods et al., 1995), leading to cloud tops with infrared tem-

peratures many degrees Kelvin below the background atmo-

spheric temperature. Radiosonde data from Keflavík airport

(see map Fig. 2) were used to relate the infrared brightness

temperatures to cloud-top height. The radiosonde data show a

tropopause at ∼ 8.5 km and a dry layer between 3 and 4 km

2

.

The winds are towards the southwest and south-southwest

up to about 4 km, then westerlies up to the tropopause and

high-level winds from the south. A tall column of ash enter-

ing this highly sheared atmosphere will suffer transport in at

least three different directions. Plume evolution can also be

estimated from spatial changes in the brightness temperature

images and is a useful way to identify the onset of column

growth.

The shadow cast by the Grímsvötn eruption clouds seen

on some MODIS images can also be used to estimate cloud-

top height (Prata and Grant, 2001). A MODIS/Aqua 250 m

resolution image acquired at 13:15 UTC on 22 May shows

the Grímsvötn column with a strong shadow cast onto the

ground and cloud below (Fig. 5).

Utilizing the geometry of the satellite and sun-viewing di-

rections and the contrast difference between the dark shadow

and brighter cloud and/or ice below, the highest parts of the

ash column in this image are estimated to be 16 ± 1 km,

with other parts of the column having lower tops. It can also

be seen that there is a tephra layer to the south of the col-

umn that appears to be detached and dispersing southwards.

This layer may have arisen from a less vigorous phase of the

eruption (when the column top was lower) or was possibly

formed from ash rising off a PDC or from a partial column

2

These heights may be a little higher, ∼ 1–1.5 km over the high

terrain of the Vatnajökull glacier.

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

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

---