Química de los gases volcánicos y sus efectos

J. M. G. V. »

En las erupciones volcánicas se emiten gases de distinta naturaleza en enormes cantidades. Sin embargo, estos gases no constituyen normalmente el principal peligro de un volcán excepto si la erupción es muy duradera y los gases no se disipan. Uno de sus efectos puede ser la precipitación de lluvia ácida incluso a cientos de kilómetros de la fuente emisora. Excesivas emisiones de SO₂ pueden disminuir la temperatura, mientras que el CO₂ tiende a aumentarla, pero estas consecuencias solo son apreciables en erupciones colosales. Algunos gases volcánicos son claramente tóxicos; otros no, pero estos pueden resultar nocivos indirectamente, especialmente si desplazan al oxígeno.

La peligrosidad depende no solo de la naturaleza del gas, sino de cómo se disperse. Así, el volcán Etna tiende a emitir gases que se elevan a grandes alturas, por lo que su impacto directo sobre la población no es muy grande. Pero el Masaya (Nicaragua) o el Kilauea (Hawái) emiten habitualmente columnas de gases de baja altura. Hay volcanes cuyas erupciones son relativamente cortas y sus consecuencias son a corto plazo (como el Pinatubo, en Filipinas), pero otros son persistentemente activos y se desgasifican continuamente, pudiendo presentar un peligro a largo plazo (por ejemplo, el Ambrym, en Vanuatu). En algunos casos, incluso los volcanes inactivos pueden amenazar la salud humana y el medio ambiente por emisión de gases (como el Long Valley, en Estados Unidos).

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Composición de los gases

La composición de los gases volcánicos depende del tipo de volcán y su estado eruptivo. No obstante, en términos generales los gases que se emiten y sus abundancias son las siguientes:

• Agua (H₂O), 30 a 90 mol %
• Dióxido de carbono (CO₂, 5 a 40 mol %)
• Dióxido de azufre (SO₂, 5 a 50 mol %)
• Hidrógeno (H₂, < 2 mol %)
• Sulfuro de hidrógeno (H₂S, < 2% en moles)
• Monóxido de carbono (CO, < 0,5% en moles).

Los volcanes también expelen cloruro de hidrógeno (HCl), fluoruro de hidrógeno (HF) y trióxido de azufre (SO₃), gases que en presencia de agua forman aerosoles de ácido clorhídrico (HCl), ácido fluorhídrico (HF) y ácido sulfúrico (H₂SO₄), respectivamente.

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Algunos graves accidentes históricos producidos por gases volcánicos

Aunque, como se ha dicho más arriba, en general los gases no constituyen la principal amenaza de un volcán, ha habido ocasiones en que, por reunirse una serie de circunstancias, han resultado letales. En este sentido, los gases y aerosoles volcánicos más peligrosos han sido históricamente el CO₂, el SO₂, el radón, el H₂S, el HCl, el HF y el H₂SO₄.

CO₂

Puede resultar sorprendente, pero quizá el CO₂ ha sido el gas producido en fenómenos relacionados con el vulcanismo que ha resultado históricamente más mortal para personas y animales. Se trata de un gas incoloro e inodoro que no es tóxico en sí, pero que, al ser más denso que el aire, tras fluir ladera debajo de un volcán se puede acumular en la depresiones del terreno, desplazando al oxígeno y provocando la asfixia. Se conocen pocos casos, pero estos han sido muy graves.

Uno de ellos sucedió en la meseta Dieng (indonesia), donde existe un complejo volcánico que forma una gran depresión de aproximadamente 14 km de largo y 6 km de ancho. El 20 de febrero de 1979, muchos habitantes de la aldea de Koputjukan, huyendo de varias erupciones muy intensas que se estaban produciendo, murieron por una corriente de gravedad de gases emitidos por múltiples pequeños respiraderos y fisuras próximas a los cráteres. Algunas personas que se refugiaron en una escuela también murieron. Se supone que el gas era principalmente CO₂ con alguna proporción de H₂S. En total, el gas mató al menos a 149 personas y afectó a la salud de más de 1000.

Ciertos lagos volcánicos pueden representar riesgos significativos porque acumulan CO₂ y CH₄ (metano) en aguas térmicamente estratificadas que, cuando son perturbadas, pueden provocar las llamadas erupciones límnicas, consistentes en emanaciones bruscas de CO₂ que procede de actividad volcánica y que a veces se acumula en el fondo de algunos lagos de cráteres, especialmente si las aguas son frías, ya que los gases se disuelven mejor a baja temperatura. A su alta concentración en el fondo del lago contribuye el hecho de que en esa zona la presión favorece también la disolución. Cualquier desencadenante que altere el estado natural del lago puede provocar el ascenso de parte de las aguas saturadas de gas hacia la superficie del lago, donde la presión es menor y la temperatura es más alta, lo que provoca la desgasificación de forma parecida a como ocurre cuando se agita una botella de una bebida gaseosa.

Esto ha sucedido en proporciones trágicas en los lagos cameruneses Monoun y Nyos, que son grandes depósitos naturales de agua acumulada en sendos cráteres volcánicos. En el lago Monoun, el 15 de agosto de 1984, tras varios terremotos y una gran explosión, se liberaron grandes cantidades de CO₂. El gas fluyó hacia el valle y se asentó a lo largo de la depresión del río Panke. En los alrededores de los puentes que cruzan este río murieron unas 40 personas (el número varía ligeramente según las fuentes) que se dirigían al mercado de un pueblo vecino. Algunos investigadores de la tragedia no tenían claro inicialmente que la causa de las muertes fuese el CO₂, ya que los cuerpos de las víctimas humanas y animales tenían quemaduras y de sus narices y bocas había salido sangre. Se llegó a pensar en alguna acción terrorista u suceso similar. Por otro lado, la vegetación circundante estaba marchita. Finalmente se concluyó que el causante fue el CO₂, sobre todo porque 2 años más tarde se produjo un accidente similar también en Camerún y en ese caso la explicación no admitió dudas.

Efectivamente, el 21 de agosto de 1986, tras registrase varias explosiones, surgió una inmensa nube de CO₂ de las profundidades del lago del cráter Nyos. El gas se extendió a los valles próximos en un área de aproximadamente 20 km de largo y 15 km de ancho. Se desconoce el número exacto de víctimas, pero se estima que murieron al menos 1700 personas. También se produjo una gran mortandad de animales domésticos y salvajes en el área afectada.

Otro tipo de peligro relacionado con el CO₂ es el que, por ejemplo, se presenta habitualmente en el Mammoth Mountain, de California, que es un gran volcán dacítico (es decir, rico en la roca ígnea dacita) en el que desde 1990 se miden niveles extremadamente altos de desgasificación de CO₂ del suelo, circunstancia que está destruyendo un área de 500.000 m² de arbolado porque el gas inhibe funciones de las raíces y priva al vegetal de oxígeno. El CO₂ procede de la desgasificación de magma intrusivo y de la descomposición por calor de los carbonatos de rocas metasedimentarias:

CaCO₃ ⟶ CaO + CO₂

El flujo de CO₂ de Mammoth Mountain se estimó en 1200 toneladas métricas por día en 1995, aunque en 2010 era muchísimo menor. Esta desgasificación difusa también puede estar produciendo una gran acidificación del suelo y la movilización de metales tóxicos hacia los ecosistemas acuáticos. Además, aunque el CO₂ generalmente se disipa cuando se libera del suelo, por su densidad relativamente alta parte de él se acumula en agujeros, pozos y otros lugares confinados, donde crea un grave peligro de asfixia.

SO₂

En la atmósfera, el dióxido de azufre puede resultar oxidado con el radical OH para formar trióxido de azufre (SO₃), especie que luego reacciona con la humedad ambiente para producir partículas de ácido sulfúrico en aerosol. El mecanismo puede expresarse simplificadamente así:

SO₂ + OH ⟶ HSO₃
HSO₃ + O₂ ⟶ SO₃ + HO₂
SO₃ + H₂O ⟶ H₂SO₄

H₂SO₄ + nH₂O ⟶ ácido sulfúrico en aerosol El volcán nicaragüense Masaya desprende SO₂ de forma bastante continua (hasta 2500 toneladas por día). La vegetación a sotavento está muy afectada porque las altas concentraciones del gas perturban la respiración estomática y causar necrosis en las plantas. Además, el volcán libera considerables cantidades de HCl y HF. La corrosión es evidente en cables telefónicos y otros elementos metálicos próximos. En 1998 la lluvia del huracán Mitch, al mezclarse con el SO₃, provocó precipitaciones muy ácidas que afectaron a campos de soja y a palmeras jóvenes. Estos gases también dañan significativamente los cafetales de la zona.

Los efectos negativos de una lluvia ácida de pH muy bajo se vieron también de modo muy patente cuando ocurrió la erupción del volcán dacítico Novarupta, en la península de Alaska, en 1912. Este volcán emitió 13 km³ de magma y la lluvia ácida que generó afectó a los elementos metálicos de edificios situados a 400 km al noreste. Incluso se dice que se empañaron objetos de latón a 1100 km de distancia y que en Vancouver, Canadá, 2400 km al sur, la ropa que se dejaba secar al aire se convertía en jjirones al plancharla.

En Hawái llaman vog (acrónimo de smoke + flog, es decir, niebla volcánica) a un esmog ácido debido a aerosoles formados a partir de SO₂ (oxidado a SO₃) y H₂O y que a menudo se asienta en las islas. Este vog ácido tiende a neutralizarse con pequeñas cantidades de amoníaco (NH₃) existente en la atmósfera debido a la típica descomposición biológica que se produce en suelos tropicales húmedos. La correspondiente reacción ácido-base se puede representar así:

H₂SO₄ + 2 NH₃ ⟶ (NH₄)₂SO₄ + H₂O

El sulfato amónico que se genera forma diminutas partículas blancas que forman una neblina capaz de filtrar los rayos ultravioleta del Sol y eso puede producir cierto enfriamiento de las capas bajas de la atmósfera (es un efecto que igualmente se ha observado en el Pinatubo, Filipinas). La neblina volcánica o vog también puede actuar como núcleos de condensación de nubes y quizás incluso pueda contribuir catalíticamente a la destrucción de ozono. En Hawái aplican una técnica para reducir la concentración de sulfato de amonio en las casas aprovechando la alta solubilidad en agua de esta sal. Se adosa una toalla húmeda a un ventilador para que, cuando este succione aire de la habitación a través de la toalla, quede retenida en ella (disuelta) la sal amónica.

H₂S

El sulfuro de hidrógeno es un gas extremadamente tóxico que ha sido responsable de al menos 46 muertes (desde principios del siglo XX) en Rotorua (Nueva Zelanda) y en los alrededores de varios volcanes en Japón, donde se cree que es la causa más común de accidentes producidos por gases en erupciones volcánicas. Uno de esos incidentes ocurrió en 1971 en los flancos del volcán Kusatsu-Shirana cuando seis esquiadores murieron casi instantáneamente después de pasar por una depresión llena de H₂S (este gas es más denso que el aire). Otro accidente ocurrió en el volcán Adatara, que forma parte del frente volcánico del noreste de Japón. El 15 de septiembre de 1997, cuatro excursionistas de un grupo de 14 murieron después de inhalar gases volcánicos en el cráter del Numanotaira. El grupo se había desorientado debido a la niebla y abandonó el sendero, que tenía señales de advertencia de peligros de gas volcánico en la zona. Tres de los excursionistas cayeron al cráter, donde sucumbieron a los gases nocivos que se habían acumulado en el suelo debido a la ausencia de viento. El cuarto excursionista murió tratando de rescatar a sus compañeros. Los científicos del Observatorio del Volcán Kusatsu-Shirane informaron de que el gas fumarólico del borde suroeste del cráter estaba compuesto por 0,5% de SO₂, 33 – 37% de CO₂ y 60 – 65% de H₂S.

El H₂S y el SO₂ que surgen de un volcán proceden de azufre elemental del manto terrestre. Pero una vez que estos gases afloran se pueden combinar entre sí produciendo de nuevo azufre elemental o “nativo”:

SO₂ + 2 H₂S ⟶ 3 S + 2 H₂O

Esta reacción es la causa de que en los alrededores de los cráteres volcánicos se puedan encontrar los característicos depósitos de azufre de llamativo color amarillo. Quizá el volcán en el que se produce más azufre nativo en todo el mundo sea el Kawah Ijen, al este de la isla de Java (Indonesia). Muchas personas acuden al cráter arriesgando su vida para recoger azufre, que luego consiguen vender a tratantes a precio abusivamente bajo. Es un tristísimo ejemplo de explotación humana.

Este volcán, por cierto, también es famoso por sus espectaculares llamas de color azul eléctrico debidas a la combustión del azufre, que sucede espontáneamente a partir de cierta temperatura cuando entra en contacto con el O₂ del aire:

S + O₂ ⟶ SO₂

Si la cantidad de oxígeno es suficiente también se puede obtener trióxido de azufre:

2 S + 3 O₂ ⟶ 2 SO₃

El color azul de estas llamas domina en el espectro de emisión correspondiente a las especies implicadas en el proceso de combustión del azufre. De hecho, este característico color azul es la característica que sirve para detectar la presencia de azufre en una muestra mediante el correspondiente ensayo a la llama.

Relacionada con esta prueba está la de la quimioluminiscencia del azufre, en la que se basa la detección analítica de compuestos azufrados. Para ello, se quema la muestra que contiene azufre con ozono. El mecanismo propuesto es (simplificadamente):

Compuesto de S + O ⟶  SO + Otros productos
SO + O₃ ⟶  SO₂ + O₂

La segunda reacción es quimioluminiscente, produciéndose una intensa luz de entre 300 y 400 nm. La luz se filtra mediante un monocromador y se detecta su intensidad mediante un tupo fotomultiplicador. La intensidad es proporcional a la cantidad de azufre en la muestra.

A veces el azufre derretido fluye por la cara del volcán mientras lleva consigo las llamas, que pueden alcanzar varios metros de altura, haciendo que parezca un río de lava azul. Este espectáculo de la impropiamente llamada “lava azul” se disfruta en su máximo esplendor de noche. Curiosamente, también se observan a veces llamas azules en los incendios forestales del Parque Nacional de Yellowstone porque se quema el azufre allí existente.

HCl

Aunque hay pocos casos en los que el ácido clorhídrico haya sido el único y directo responsable de muertes relacionadas con volcanes, es un gas que tiene potenciales efectos perjudiciales sobre el medio ambiente. Es muy soluble en agua, por lo que una columna volcánica rica en HCl puede provocar lluvias ácidas. Esto se ha observado en erupciones del Kilauea y el Masaya, y es posible que se inyectaran cantidades muy significativas de HCl en la estratosfera durante la erupción cataclísmica de El Chichón (México) en 1982. Por otra parte, se forma HCl al entrar en contacto la lava caliente con el agua marina en los volcanes próximos al mar, como suele suceder en los canarios y los hawaianos.

HF

El fluoruro de hidrógeno es altamente soluble en agua y una ingesta excesiva puede conducir a la degradación dental y esquelética. La fisura de Laki (Islandia), que es una alienación de conos y cráteres de 27 km de longitud, fue el origen de la erupción de la caldera de Grímsvötn, que duró del 8 de junio de 1783 al 26 de mayo de 1785, siendo la segunda erupción de fisura basáltica más grande de la historia. Salieron al menos 19 km³ de magma basáltico que cubriendo 565 km². Se cree que las fuentes de lava se elevaron hasta 1400 m. Se estima que se produjeron enormes cantidades de SO₂ (unas 220 megatonaledas), HCl (unas 7 Mt) y hasta 15 Mt de HF durante 8 meses. Una neblina de gas a baja altitud provocó que los pastos contaminados por flúor se atrofiaran, lo que provocó la pérdida de más del 50% del ganado de pastoreo de Islandia. Esto, combinado con varias enfermedades y dos inviernos severos, causó la muerte de unas 10.000 personas, el 22% de la población de ese país en aquel momento. La inyección de cenizas, gases y aerosoles en la estratosfera inferior también afectó a partes de Europa Occidental, África del Norte y Asia Occidental y supuso un enfriamiento del Hemisferio Norte entre 1 y 2 ^oC.

Otro volcán que produce habitualmente grandes cantidades de HF es el Ambrym, en Vanuatu. La desgasificación persistente está teniendo un impacto significativo en la salud de casi 10000 habitantes. Dado que la mayoría de los residentes utiliza el agua de lluvia para cocinar y beber, la contaminación por flúor es importante porque las concentraciones en los tanques de agua de lluvia alcanzan las 9,5 ppm (la concentración de flúor recomendada por la OMS en el agua potable es de 1 ppm). Esto ha provocado que el 96% de la población sufra de fluorosis dental de moderada a extrema, con riesgo, también, de fluorosis esquelética.

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Bibliografía

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• Frequently Asked Questions About Volcanic Smog (vog) (usgs.gov) 
• Why Does This Indonesian Volcano Burn Bright Blue? | Science | Smithsonian Magazine
• Gas and water chemistry directly relates to the amount and location of magma inside a volcano (usgs.gov)
• Volcano Watch — Many forms of sulfur are found on Kīlauea Volcano (usgs.gov)
• Detector de Quimioluminiscencia de Azufre (SCD) (ingenieria-analitica.com)
• Mineralogical Society of America – Azufre en Magmas y Fundidos: Su Importancia para los Procesos Naturales y Técnicos (minsocam.org)
• Demostraciones – Combustión en Oxígeno Puro – Quema de Azufre (angelo.edu)
• The Chemistry of Enamel Caries (sagepub.com)

Imagen de cabecera: Lava cayendo al mar en la erupción del volcán de La Palma de 2021 (Foto: Instituto Español de Oceanografía).