Implementation of electrochemical, optical and denuder-based sensors and sampling techniques on UAV for volcanic gas measurements: examples from Masaya, Turrialba and Stromboli volcanoes

Abstract

Volcanoes are a natural source of several reactive gases (e.g., sulfur and halogen containing species) and nonreactive gases (e.g., carbon dioxide) to the atmosphere. The relative abundance of carbon and sulfur in volcanic gas as well as the total sulfur dioxide emission rate from a volcanic vent are established parameters in current volcano-monitoring strategies, and they oftentimes allow insights into subsurface processes. However, chemical reactions involving halogens are thought to have local to regional impact on the atmospheric chemistry around passively degassing volcanoes. In this study we demonstrate the successful deployment of a multirotor UAV (quadcopter) system with custom-made lightweight payloads for the compositional analysis and gas flux estimation of volcanic plumes. The various applications and their potential are presented and discussed in example studies at three volcanoes encompassing flight heights of 450 to 3300 m and various states of volcanic activity. Field applications were performed at Stromboli volcano (Italy), Turrialba volcano (Costa Rica) and Masaya volcano (Nicaragua). Two in situ gas-measuring systems adapted for autonomous airborne measurements, based on electrochemical and optical detection principles, as well as an airborne sampling unit, are introduced. We show volcanic gas composition results including abundances of CO2, SO2 and halogen species. The new instrumental setups were compared with established instruments during ground-based measurements at Masaya volcano, which resulted in CO2 ∕ SO2 ratios of 3.6 ± 0.4. For total SO2 flux estimations a small differential optical absorption spectroscopy (DOAS) system measured SO2 column amounts on transversal flights below the plume at Turrialba volcano, giving 1776 ± 1108 T d−1 and 1616 ± 1007 T d−1 of SO2 during two traverses. At Stromboli volcano, elevated CO2 ∕ SO2 ratios were observed at spatial and temporal proximity to explosions by airborne in situ measurements. Reactive bromine to sulfur ratios of 0.19 × 10−4 to 9.8 × 10−4 were measured in situ in the plume of Stromboli volcano, downwind of the vent.Los volcanes son una fuente natural de varios gases reactivos (p. ej., especies que contienen azufre y halógeno) y gases no reactivos (p. ej., dióxido de carbono) a la atmósfera. La abundancia relativa de carbono y azufre en el gas volcánico, así como la tasa total de emisión de dióxido de azufre de un respiradero volcánico, son parámetros establecidos en las estrategias actuales de monitoreo de volcanes y, a menudo, permiten conocer los procesos del subsuelo. Sin embargo, se cree que las reacciones químicas que involucran halógenos tienen un impacto local o regional en la química atmosférica alrededor de los volcanes que desgasifican pasivamente. En este estudio, demostramos el despliegue exitoso de un sistema UAV multirotor (cuadricóptero) con cargas útiles livianas hechas a medida para el análisis de composición y la estimación del flujo de gas de las columnas volcánicas. Las diversas aplicaciones y su potencial se presentan y analizan en estudios de ejemplo en tres volcanes que abarcan alturas de vuelo de 450 a 3300 m y varios estados de actividad volcánica. Se realizaron aplicaciones de campo en el volcán Stromboli (Italia), volcán Turrialba (Costa Rica) y volcán Masaya (Nicaragua). Se presentan dos sistemas de medición de gas in situ adaptados para mediciones autónomas en el aire, basados en principios de detección electroquímicos y ópticos, así como una unidad de muestreo en el aire. Mostramos los resultados de la composición del gas volcánico, incluidas las abundancias de CO2, SO2 y especies de halógenos. Las nuevas configuraciones instrumentales se compararon con los instrumentos establecidos durante las mediciones terrestres en el volcán Masaya, lo que resultó en una relación de CO2 ∕ SO2 de 3.6 ± 0.4. Para las estimaciones del flujo total de SO2, un pequeño sistema de espectroscopía de absorción óptica diferencial (DOAS) midió las cantidades de columna de SO2 en vuelos transversales debajo de la pluma en el volcán Turrialba, dando 1776 ± 1108 T d−1 y 1616 ± 1007 T d−1 de SO2 durante dos travesías . En el volcán Stromboli, se observaron proporciones elevadas de CO2 ∕ SO2 en la proximidad espacial y temporal de las explosiones mediante mediciones in situ en el aire. Las proporciones de bromo reactivo a azufre de 0,19 × 10−4 a 9,8 × 10−4 se midieron in situ en la columna del volcán Stromboli, a favor del viento del respiradero.