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Optical remote sensing measurements of bromine and sulphur emissions: Investigating their potential as tracers of volcanic activity

Lübcke, Peter

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Abstract

The optical remote sensing of volcanic gas emissions has become an established field in recent decades. The total amount of gas emissions (quantified by measuring the SO2 emission rate) as well as the composition of gases, can help researchers to understand volcanic systems. This knowledge is needed to improve forecasts of volcanic eruptions. For this thesis, volcanic gas emissions were investigated with two different techniques on different time scales. First, high time-resolution (order of 1 s) 2D-SO2 column density images measured by an SO2 camera were used to quantify SO2 emission rates at Popocatépetl, Mexico, and Stromboli, Italy. The frequency of the flux was investigated with a wavelet analysis. It was verified that calibrating the SO2 camera with help of a DOAS system leads to more robust results than using calibration cells, especially for a volcanic plume containing ash or aerosols. Second, spectra from the scanning DOAS network NOVAC (with a time resolution of ≈ 5 – 15 minutes) were evaluated for BrO/SO2 ratios. It was shown that data from NOVAC actually has sufficient quality to evaluate spectra for BrO. An automatic evaluation algorithm was developed and used to create a four-year time series (2009 – 2013) of BrO/SO2 ratios at Nevado del Ruiz, Colombia. The BrO/SO2 ratio showed variations that are closely correlated to the level of volcanic activity indicating its usefulness as an additional volcanological parameter. Several possibilities for further improving data quality were investigated. This included temperature effects on the DOAS retrieval, the influence of radiative transfer and problems arising from reference spectra contaminated with SO2.

Translation of abstract (German)

Die optische Fernerkundung von Vulkangasen hat sich in den letzten Jahrzehnten etabliert. Damit wird die emittierte Gasmenge (zumeist von SO2) sowie die chemische Zusammensetzung der Gase bestimmt. Dieses Wissen hilft, Vulkane besser zu verstehen und wird benötigt, um Vulkanausbrüche besser vorherzusagen. In dieser Arbeit wurden Vulkanemissionen mit zwei Methoden auf unterschiedlichen Zeitskalen untersucht. Mit einer SO2 Kamera wurden, zeitlich hochaufgelöst (≈ 1 s), die Emissionsraten von SO2 am Popocatépetl, Mexiko, und am Stromboli, Italien bestimmt. Aus diesen Messungen wurde der Frequenzgehalt durch eine Wavelet-Analyse ermittelt. Es wurde gezeigt, dass die Kalibration mit Hilfe eines Spektrographens zu robusteren Ergebnissen führt als Kalibration mit Küvetten, besonders in Fällen, in denen die Vulkanfahne Aerosole oder Asche enthält. Desweiteren wurden aus Spektren des NOVAC Netzwerks (mit einer Zeitauflösung von 5 – 15 Minuten) die Säulendichten von BrO und SO2 bestimmt. Insbesondere wurde gezeigt, dass die Qualität der Daten überhaupt für die BrO Auswertung ausreicht. Darauf aufbauend wurde ein Algorithmus für die automatische Auswertung der Spektren entwickelt und auf den vier Jahre (2009 – 2013) umfassendenden Datensatz vom Nevado del Ruiz, Kolumbien angewendet. Die Zeitreihe des BrO/SO2 Verhältnisses korreliert mit der vulkanischen Aktivität, was für dessen Nutzen als vulkanologischer Parameter spricht. Zusätzlich wurden verschiedene Möglichkeiten, die Qualität der Daten weiter zu verbessern untersucht, wie z.B. Einflüsse der Temperatur auf die DOAS Auswertung, Einflüsse des Strahlungstransports sowie Probleme aufgrund von mit SO2 kontaminierten Referenzspektren.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Platt, Prof. Dr. Ulrich
Date of thesis defense: 7 May 2014
Date Deposited: 14 May 2014 08:13
Date: 2014
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
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