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

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

2

10715

Table 1. Satellite instruments used in this study to identify volcanic emissions. The instruments are AVHRR: advanced very high resolution

radiometer, MODIS: Moderate Resolution Infrared Spectroradiometer, AIRS: Atmospheric Infrared Sounder, IASI: infrared atmospheric

spectroradiometer interferometer, SEVIRI: Spin-stabilised Enhanced Visible and Infra-Red Instrument, OMI: Ozone Monitoring Instrument,

and CALIOP: Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization.

Instrument/platform

Spatial

Temporal

Parameter

(A)ctive or (P)assive

resolution

resolution

(km

2

)

(hours)

AVHRR/Metop-A, B

∼

1.1 × 1.1

∼

3

Ash

P

MODIS/Terra/Aqua

0.25 × 0.25–1 × 1

∼

6

Ash/SO

2

P

AIRS/Aqua

∼

13 × 13

∼

12

SO

2

/Ash

P

IASI/Metop-A

∼

10 × 10

∼

12

SO

2

/Ash

P

SEVIRI/MSG-2

∼

3 × 3–10 × 10

0.25

Ash

P

OMI/Aura

∼

13 × 24

24

SO

2

/AAI

P

CALIOP/CALIPSO

∼

0.1 × 0.3

16 days

Aerosols

A

collapse. Whatever the exact mechanism involved, this low-

level tephra plume is effectively independent of the tephra

fed into the upper column at source and could therefore be

treated as a separate source for the purpose of forecasting its

movement. The layer is evident on later MODIS images (see

later Fig. 9) and it is this low-level tephra layer that eventu-

ally travels eastwards towards Scotland and on to southwest-

ern Scandinavia.

4.2

Space-borne lidar measurements

The CALIOP instrument on-board the polar-orbiting

CALIPSO platform is a polarization-sensitive, elastic

backscatter

lidar

capable

of

providing

high-vertical-

resolution (∼ 60 m) attenuated backscatter profiles of clouds

and aerosols as well as cloud-top heights. The instrument

transmits linearly polarized light and measures the return

signal at 532 and 1064 nm. The components perpendicular

and parallel to laser polarization are measured separately at

532 nm. Details of the instrument, the science applications,

and an example of its use in a volcanic study may be found

in Hunt et al. (2009), Vaughan et al. (2009), and Winker

et al. (2012). The lidar is near-nadir pointing, has a ground

footprint diameter of 70 m, and a repeat time of 16 days,

which limits the number of times the lidar beam coincides

with a target of interest. Between 21 and 23 May 2011, 10

CALIOP coincidences were identified for the Grímsvötn ash

and SO

4

2−

clouds. Figure 6 shows an example of a CALIOP

pass on 23 May when the CALIPSO trace intersected an

ash cloud to the south of Iceland and a SO

4

2−

layer to the

north. Panel (a) shows indices based on coincident AIRS

brightness temperature difference measurements, using an

index to indicate ash (orange/red colours) or SO

2

(shades of

blue).

Details of the ash and SO

2

indices can be found in Prata

et al. (2015) and Hoffmann et al. (2014), respectively. Fig-

ure 6b shows a MODIS/Aqua true-colour image acquired

at the same time as the AIRS measurements. Panel (c)

shows the CALIOP attenuated backscatter signal measured

at 532 nm. The black horizontal line indicates the height of

the tropopause determined from GMAO (Global Modelling

and Assimilation Office) reanalysis data (Rienecker et al.,

2008). The strips at the base show collocated AIRS pix-

els along the CALIOP track where ash and SO

2

have been

identified. Between ∼ 59.9 and ∼ 62.7

◦

N (left-most white-

coloured ellipse), a tropospheric ash cloud is detected in the

AIRS data and the CALIOP backscatter signal suggests that

these cloud layers have heights of ∼ 1–6 km. Between ∼ 68.6

and ∼ 72.0

◦

N (right-most white-coloured ellipse), a strato-

spheric cloud layer of SO

2

is detected in the AIRS data. The

CALIOP instrument is insensitive to SO

2

but does scatter

light from ash and SO

2

4−

aerosols as well as meteorological

clouds of ice and water droplets. The height of this layer in

the CALIOP curtain is between 10 and 12 km and above the

tropopause. Panels (d) and (e) in Fig. 6 show vertical profiles

of the backscatter for these two layers, averaged over the two

latitude sections identified. These data suggest that the up-

per layer is most likely to be an SO

4

2−

layer coincident with

the SO

2

gas. Low volume / depolarization ratios (δ

v

∼

0.1–

0.2), indicative of spherical particles, within the stratospheric

layer are also consistent with an SO

4

2−

layer rather than ash

or ice clouds. For the eruption of Sarychev Peak, Prata et al.

(2017) found a mean δ

v

of 0.05 ± 0.04 and for Kasatochi

δ

v

was 0.08 ± 0.03. However, these were based on nighttime

measurements and daytime data are noisier in the backscatter

signal and can contribute to higher-than-expected δ

v

values.

For Puyehue-Córdon Caulle (dominated by ash particles), δ

v

was ∼ 0.28 ± 0.03. The threshold between sulfates and ash

used was δ

v

∼

0.2. This makes the Grímsvötn observation

somewhat ambiguous. There are three potential interpreta-

tions:

1. The layer was sulfate and the δ

v

∼

0.2 was due to day-

time noise in the backscatter signal.

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

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

---