Aerial strategies advance volcanic gas measurements at inaccessible, strongly degassing volcanoes

Abstract

Volcanic emissions are a critical pathway in Earth’s carbon cycle. Here, we show that aerial measurements of volcanic gases using unoccupied aerial systems (UAS) transform our ability to measure and monitor plumes remotely and to constrain global volatile fluxes from volcanoes. Combining multi-scale measurements from ground-based remote sensing, long-range aerial sampling, and satellites, we present comprehensive gas fluxes—3760 ± [600, 310] tons day−1 CO2 and 5150 ± [730, 340] tons day−1 SO2—for a strong yet previously uncharac terized volcanic emitter: Manam, Papua New Guinea. The CO2/ST ratio of 1.07 ± 0.06 suggests a modest slab sediment contribution to the sub-arc mantle. We find that aerial strategies reduce uncertainties associated with ground-based remote sensing of SO2 flux and enable near–real-time measurements of plume chemistry and carbon isotope composition. Our data emphasize the need to account for time averaging of temporal variability in volcanic gas emissions in global flux estimatesLas emisiones volcánicas constituyen una vía fundamental en el ciclo del carbono de la Tierra. En este trabajo, demostramos que las mediciones aéreas de gases volcánicos realizadas mediante sistemas aéreos no tripulados (UAS) transforman nuestra capacidad para medir y monitorizar las columnas de humo de forma remota, así como para cuantificar los flujos globales de compuestos volátiles procedentes de los volcanes. Combinando mediciones a múltiples escalas procedentes de teledetección terrestre, muestreo aéreo de largo alcance y satélites, presentamos flujos de gases exhaustivos —3760 ± [600, 310] toneladas día−1 de CO₂ y 5150 ± [730, 340] toneladas día−1 de SO₂— para un emisor volcánico potente pero hasta ahora no caracterizado: Manam, en Papúa Nueva Guinea. La relación CO2/ST de 1,07 ± 0,06 sugiere una contribución modesta de los sedimentos de la placa al manto subarc. Observamos que las estrategias aéreas reducen las incertidumbres asociadas a la teledetección terrestre del flujo de SO2 y permiten realizar mediciones casi en tiempo real de la química de la pluma y la composición isotópica del carbono. Nuestros datos ponen de relieve la necesidad de tener en cuenta el promedio temporal de la variabilidad temporal en las emisiones de gases volcánicos en las estimaciones de flujos globales.