Vulkanen. Welke soorten vulkanen zijn er, welke stoffen komen er vrij bij een uitbarsting en hoe vinden we die stoffen aan het aardoppervlak terug?

Transcriptie

1 De Bewegende Aarde Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen Keuzehoofdstuk 4. De hoofdvraag in dit hoofdstuk is: Vulkanen Welke soorten vulkanen zijn er, welke stoffen komen er vrij bij een uitbarsting en hoe vinden we die stoffen aan het aardoppervlak terug? Deze hoofdvraag wordt in dit hoofdstuk behandeld aan de hand van de volgende paragraafvragen: Doel: Welke soorten vulkanen zijn er en waar vind je die op Aarde? (4.1) Hoe ontstaan de verschillende soorten stollingsgesteente? (4.2) De vorming van magma (4.3) Welke invloed hebben vulkanen in IJsland? (4.4) Hoeveel gas kwam er vrij bij de Laki uitbarsting van 1783? (4.5) Hoe leidde de Laki-uitbarsting tot een toename van verzurende stoffen in de atmosfeer? (4.6) Wat zijn de gevolgen van zure regen? (4.7) Het doel van hoofdstuk 4 is het beschrijven van de processen die bij vulkanen plaatsvinden. Dit doen we aan de hand van de theoretische kennis die je hebt opgedaan tijdens de lessen scheikunde. H4-1

2 Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen De Bewegende Aarde 4.1 Soorten vulkanen en waar ze voorkomen. Opdracht 4-1*: Vulkanen en plaattektoniek Indonesische vulkaan Karangetang uitgebarsten, 29 oktober 2007 De vulkaan Karangetang op het Indonesische eiland Siau is vanochtend uitgebarsten. Honderden dorpsbewoners waren uren eerder al van de hellingen van de meter hoge vulkaan geëvacueerd. Dorpen, boerderijen en bomen zijn na de uitbarsting onder een dikke laag as bedekt, maar meldingen van schade of slachtoffers zijn tot dusver uitgebleven. De Karangetang is één van de actiefste vulkanen in Indonesië. (naar bericht van a. Geef op het blanco wereldkaartje aan waar de vulkaan, zoals hierboven genoemd wordt, voorkomt. b. Geef op dit kaartje ook aan waar recente vulkaanuitbarstingen hebben plaatsgevonden. Je kan hierbij gebruik maken van c. Bekijk nu eens GB 192B (GB 174B). Wat valt je (weer) op als je de locaties van vulkanen vergelijkt met de plaatgrenzen zoals ze in deze kaart vermeld staan? Zijn er ook uitzonderingen? Zo ja, zou je deze kunnen verklaren? Niet alleen de epicentra van aardbevingen zijn geconcentreerd rond de plaatgrenzen, ook de meeste vulkanen bevinden zich vaak in een dergelijke zone (zie figuur 4-1 en GB 192 B en D (174 B en D). In dit hoofdstuk gaan we de relatie tussen vulkanisme en plaattektoniek bestuderen. Daarbij gaan we eerst kijken welke soorten vulkanen er worden onderscheiden en waar ze voorkomen. A, I Figuur 4-1: Actieve vulkanen in de wereld: Smithsonian's Global Volcanism Program. Bron: Soorten vulkanen Er zijn veel vulkaanvormen maar in grote lijnen worden er twee soorten vulkanen onderscheiden: schildvulkanen en stratovulkanen. Ze verschillen door hun vorm. Een schildvulkaan is plat en breed; de vorm lijkt op een neergelegd schild. Dit in tegenstelling tot de tweede soort, de stratovulkaan, die meer kegelvormig is. De samenstelling van het uitstromende materiaal bepaalt of er een schild- dan wel een stratovulkaan ontstaat. H4-2

3 De Bewegende Aarde Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen Figuur 4-2: Een schildvulkaan. Bron: Grotzinger et al, Understanding Earth (2005) Schildvulkanen (figuur 4-2): schildvulkanen ontstaan door vulkaanuitbarstingen waarbij vooral lava s naar buiten komen waarvan de samenstelling basaltisch is. Eigenschappen van basaltisch magma zijn: een hoge stollingstemperatuur, bevat naast silicium veel ijzer en magnesium en weinig natrium en kalium, heeft een hoge dichtheid, bevat weinig gassen, en is niet erg visceus (tamelijk vloeibaar). Vooral deze laatste eigenschap is bepalend voor de vorm van de vulkaan. Dat basaltisch magma weinig visceus is wil zeggen dat het makkelijk stroomt. Daardoor kan het zich gemakkelijk verplaatsen en zich ver verspreiden. Het uitstromen van veel basaltische lava s resulteert zo in de platte brede vorm van de schildvulkaan. Je zult schildvulkanen dus vooral vinden op plaatsen waar basaltisch magma aan de oppervlakte komt. Zulk magma ontstaat door een gedeeltelijk opsmelten van het bovenste gedeelte van de mantel, zoals bijvoorbeeld gebeurt bij divergente plaatgrenzen, en hotspots (over hotspots meer in de sectie hieronder). Voorbeelden van basaltisch vulkanisme met schildvulkanen vind je op IJsland (op een divergente plaatgrens met ook nog een hotspot) en op Hawaii (hotspot). Stratovulkanen (figuur 4-3): Stratovulkanen ontstaan waar de samenstelling van het magma gemiddeld genomen meer andesitisch is. Andesitisch magma bevat meer silicium, natrium en kalium en minder ijzer en magnesium, het is visceuzer en heeft een geringere dichtheid dan een basaltisch magma. Een stratovulkaan heeft niet alleen veel steilere hellingen, een ander verschil met een schildvulkaan is dat hij is opgebouwd uit afwisselende lagen van assen en lava s van de verschillende uitbarstingen. Daarnaast is de viscositeit ook weer een belangrijke factor voor het bepalen van de vorm: omdat andesitisch magma nogal taai (visceus) is en dus langzaam stroomt, zullen lava s niet zulke grote afstanden afleggen en dus dichter bij hun eruptiepunten blijven. Figuur 4-3: Een stratovulkaan. Bron: Grotzinger et al, Understanding Earth (2005) Stratovulkanen staan bekend om de heftigheid waarmee ze kunnen uitbarsten. Deze explosiviteit komt door verschillende factoren. Door de hoge viscositeit stroomt het magma soms moeilijk naar buiten en kan de vulkaan een tijd lang verstopt raken. De spanning bouwt zich dan op totdat de eruptie uiteindelijk plaatsvindt. Bovendien bevat het magma vrij veel gas wat door de hoge viscositeit niet makkelijk kan ontsnappen. Wanneer het magma zelf ook niet makkelijk naar buiten kan bouwt zich tijdens zo n verstopping een extra grote gasdruk op. De uitbarsting zal dan explosief verlopen wanneer de weg eenmaal vrij is. Soms worden stratovulkanen gekarakteriseerd door een caldera; de uitbarsting is dan zo heftig en volumineus geweest dat het dak van de magmakamer is ingestort. Stratovulkanen vind je vooral voor bij een subductiezone (waar een oceanische plaat onder een continentale of een andere oceanische plaat duikt), bijvoorbeeld rond de Pacifische Oceaan. Ook hier ontstaat het magma in de bovenmantel. Het is eerst basaltisch van samenstelling maar verandert onderweg naar boven in magma met, gemiddeld genomen, een andesitische samenstelling. Magmadifferentiatie is een belangrijk proces dat daarvoor verantwoordelijk is. Verderop wordt dit uitgelegd. Op de verschillen in de samenstellingen van het magma (basaltisch en andesitisch) komen we in paragraaf 4.2 uitgebreid terug. H4-3

4 Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen De Bewegende Aarde Opdracht 4-2**: Beschrijving uitbarsting van de Pinatubo Pinatubo barst uit (bron A 15 juni De uitbarsting van de op de Filipijnen gelegen vulkaan Pinatubo werd één van de meest hevige vulkaanuitbarstingen van de 20e eeuw. Op 15 maart begonnen de eerste schokken van de vulkaan. Seismologen plaatsten apparatuur in de omgeving van de vulkaan en konden daardoor tijdig de bevolking waarschuwen. De eerste grote uitbarsting vond plaats op 3 juni. Gebieden tot ongeveer 40 kilometer rond de vulkaan werden ontruimd. Op 7 juni kwam het eerste magma vrij. Enkele dagen later volgde er weer een uitbarsting, waarbij as tot een hoogte reikte van 24 kilometer. De uitbarstingen bleven elkaar opvolgen tot in juni de grootste uitbarsting plaatsvond die 3 uur duurde. De as bedekte een groot deel van de Filipijnen en het eiland Centraal- Luzon raakte compleet verduisterd. Zelfs in Vietnam en Cambodja kwam as terecht. Uiteindelijk kwamen er 300 mensen om het leven. De top van de berg was 260 meter lager dan voor de uitbarsting. Door de as in de stratosfeer nam de wereldwijde gemiddelde temperatuur af met maar liefst 0,4 graden a. Is de Pinatubo een schild- of een stratovulkaan? b. Is er sprake van explosief vulkanisme? Motiveer je antwoord met gegevens uit de bron. c. Waarom was de druk in de magmahaard bij de Pinatubo zo groot? d. Zijn in de toekomst nog nieuwe uitbarstingen van de Pinatubo te verwachten? Motiveer je antwoord. Hotspots: In opdracht 4-1 heb je gezien dat er ook een aantal vulkanen zijn die niet gerelateerd zijn aan plaatgrenzen. Dit zijn de zogenoemde hotspots. Deze hotspots zijn gebonden aan geïsoleerd voorkomend, langzaam stijgend materiaal afkomstig van diep uit de mantel, de zogenaamde 'mantelpluimen.' Als deze mantelpluimen het oppervlak bereiken vormen ze de hotspots, waar enorme hoeveelheden basalt naar buiten kunnen komen. Als in de oceaan dezelfde mantelpluim lange tijd op dezelfde plek actief is, kan daarboven een vulkanisch eiland ontstaan. Aangezien voornamelijk basaltische lava uitstroomt, vormen zich vaak schildvulkanen. Doordat de plaat beweegt, en de pluim op dezelfde plaats blijft liggen, kan een rij vulkanische eilanden ontstaan. Een goed voorbeeld hiervan is de keten waar Hawaii deel van uitmaakt. Op het continent kan een mantelpluim een heel gebied doen opwelven. Uiteindelijk kan het continent gaan breken. Langs breuken zal er basaltische lava naar buiten stromen dat afkomstig is uit de mantel, maar er kan ook silicarijker magma meekomen bijvoorbeeld wanneer diepe delen van de continentale korst ook smelten. Voorbeelden van continentale hotspots zijn Yellowstone in de V.S. en Mount Cameroon in Kameroen (Afrika). Opdracht 4-3**: Vulkanen en reconstructie plaatbewegingen Zoek in de atlas op waar de Midway eilanden liggen (in Google Earth of Google maps moet je zoeken naar Sand Island, onderdeel van de Midway Islands) en het eiland Hawaii. a. Wat voor soort vulkanen zijn er op deze eilanden aanwezig, en hoe zijn ze gevormd? De Midwayeilanden zijn 27,2 miljoen jaar geleden gevormd, Hawaï 0 tot 0,4 miljoen jaar geleden. b. Bereken met behulp van deze gegevens en de atlas de gemiddelde jaarlijkse snelheid in hele centimeters en de bewegingsrichting van de Pacifische plaat over de afgelopen 27,2 miljoen jaar bij de Hawaï eilanden. Geef ook de berekening. Omdat de beweging maar over een relatief klein stuk van het aardoppervlak gaat mag je bij deze opgave uitgaan van de Aarde als plat vlak. 4.2 Hoe verschillende soorten stollingsgesteente ontstaan In de vorige paragraaf hebben we gezien dat een schildvulkaan voornamelijk bestaat uit basalt en een stratovulkaan voornamelijk uit andesiet. In werkelijkheid zijn er veel meer soorten stollingsgesteenten (dit zagen we ook al in hoofdstuk 1). In deze paragraaf gaan we in meer detail kijken naar de samenstelling van magma. Deze samenstelling geeft namelijk informatie over de relatie tussen vulkanisme en plaattektoniek. A, G H4-4

5 De Bewegende Aarde Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen Figuur 4-4: Verschillende soorten stollingsgesteente. Bron: Grotzinger et al, Understanding Earth (2005) Een stollingsgesteente heeft zijn vaste vorm gekregen door stolling van vloeibaar magma (zie ook H1). Stollingsgesteente wordt vaak ingedeeld naar verschillen in textuur. Zo heeft basalt veel kleine en soms wat grotere kristallen en graniet alleen maar grote kristallen. Soms zijn er helemaal geen kristallen en hebben we te maken met vulkanisch glas. Deze textuur geeft informatie over de afkoelingssnelheid van het magma. Uit laboratoriumonderzoek blijkt namelijk dat een vloeistof tijd nodig heeft om kristallen te vormen. Bij afkoeling beginnen zich eerst kleine kristallen te vormen die geleidelijk groeien doordat moleculen of ionen zich aan de kristallen hechten. Er is dus tijd nodig om grote kristallen te vormen. Als magma zeer snel afkoelt krijg je helemaal geen kristallen (vulkanisch glas) of kleine kristallen (zoals bij basalt). Snelle afkoeling vindt plaats wanneer magma het aardoppervlak bereikt; het resultaat is dan een uitvloeiingsgesteente (bijvoorbeeld basalt). Bij langzame afkoeling krijg je grotere kristallen. Deze grotere kristallen krijgen de tijd zich te vormen wanneer het magma diep in de aardkorst bevindt waar het veel langer warm blijft. We spreken dan van een dieptegesteente (bijvoorbeeld graniet). Nog meer informatie krijg je door te kijken naar de chemische samenstelling en mineraalinhoud van een gesteente. Stollingsgesteenten kunnen worden onderverdeeld naar hun chemische samenstelling en de hoeveelheid en het soort silicaat-mineralen die ze bevatten. Silicaat-mineralen zijn bijvoorbeeld kwarts, veldspaat, muscoviet, biotiet, amfibool, pyroxeen en olivijn. Op grond van hun mineraalinhoud worden er twee soorten stollingsgesteenten onderscheiden: mafisch gesteente en felsisch gesteente (zie figuur 4-4). Het basaltisch magma uit 4.1 geeft een mafisch stollingsgesteente zoals basalt (uitvloeiingsgesteente) of gabbro (dieptegesteente). Felsische stollingsgesteenten zijn bijvoorbeeld rhyoliet (uitvloeiingsgesteente) en graniet (dieptegesteente). Figuur 4-4 Verschillende soorten stollingsgesteente. Bron: Grotzinger et al, Understanding Earth (2005) Mafische gesteenten (ma = magnesium, f = ijzer) zijn betrekkelijk arm aan silicium maar bevatten vrij veel magnesium en ijzer. Dit zijn belangrijke bestandddelen van pyroxenen en olivijnen. Deze mineralen zijn donker van kleur, waardoor ze mafische gesteenten een donker uiterlijk geven. Basalt komt het meeste voor; het ligt onder de hele oceaanbodem. Maar ook op sommige continenten komen dikke lagen basalt voor; voorbeelden vind je in India (de Deccan traps) en in Siberië. Felsische gesteenten (fel = veldspaat, si = silicium) zijn rijker aan silicium en arm aan ijzer en magnesium. Felsische gesteenten zijn vaak licht van kleur omdat ze veel lichtgekleurde mineralen bevatten als veldspaat of kwarts. Graniet is een felsisch gesteente; het is één van de meest voorkomende stollingsgesteenten. H4-5

6 Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen De Bewegende Aarde Volgens de textuur, chemie en mineraalinhoud kan je de volgende ruwe indeling maken (vergelijk figuur 4-4): Mafisch Felsisch Fijnkorrelig, uitvloeiinggesteente Basalt Rhyoliet Grofkorrelig, dieptegesteente Gabbro Graniet Andesiet, het uitvloeiingsgesteente bij veel stratovulkanen, ligt qua samenstelling tussen basalt en rhyoliet in. Er zijn ook nog ultramafisch gesteenten. Deze bevatten erg weinig silicium en heel veel magnesium en ijzer. Het belangrijkste ultramafische gesteente is peridotiet. Dit grofkorrelige donkergroene gesteente, dat vooral uit olivijn en pyroxeen bestaat, is het dominante gesteente in de mantel en vormt het bronmateriaal voor basaltisch magma (zie hoofdstuk 6) Waarom maken we onderscheid tussen felsische en mafisch stollingsgesteenten? Er is een verband tussen de samenstelling van een gesteente en zijn smelttemperatuur; mafische gesteenten smelten bij hogere temperaturen; felsische gesteenten bij lagere temperaturen. Ook geldt dat een mafisch magma heter is en bij hogere temperaturen begint te kristalliseren dan een felsisch magma. Met toenemend siliciumgehalte of afnemende temperatuur neemt de viscositeit van een magma toe. Viscositeit is een maat voor de weerstand tegen het vloeien van een vloeistof. Deze weerstand neemt dus toe naarmate een magma meer silicium bevat of naarmate een magma afkoelt. Een heet, silicium arm, mafisch magma heeft een hele lage viscositeit en kan dus makkelijk vloeien. Een minder heet felsisch magma met veel silicium heeft een hoge viscositeit; het vloeien van het magma gaat slecht, zeker wanneer er ook nog veel kristallen zijn ontstaan. 4.3 De vorming van magma Over de manier waarop magma gevormd wordt is veel, maar zeker nog niet alles bekend. De processen spelen zo diep in de Aarde dat directe waarnemingen onmogelijk zijn. Wel komen we belangrijke dingen te weten door laboratoriumproeven. Zo blijkt dat het smeltpunt van een gesteente niet alleen afhangt van de samenstelling, maar ook van de druk. Doordat een smeltend gesteente uit verschillende mineralen bestaat (elk met hun eigen samenstelling) en een gesteente doorgaans niet volledig maar gedeeltelijk smelt, zal de samenstelling van een magma anders zijn dan het gesteente waaruit het ontstaat. Zo kan het dat in de mantel basaltisch magma (mafisch) uit peridotiet (ultramafisch) onstaat. Afhankelijk van de hoeveelheid smelt die zich vormt zullen magmas dus verschillende samenstellingen kunnen hebben, ook al zouden ze uit dezelfde bron komen. Natuurlijk is de samenstelling ook afhankelijk van de aard van het brongesteente (bijvoorbeeld wanneer niet de mantel maar diepere delen van de korst gaan smelten). In theorie zijn er drie verschillende manieren waardoor een warm gesteente in de diepte kan smelten: 1. verder verhogen van de temperatuur; dit is verrassend genoeg geen belangrijke oorzaak van magmavorming en vulkanische activiteit. 2. verlagen van de druk; dit verklaart het ontstaan van vulkanisme bij mid-oceanische ruggen en hotspots; in beide gevallen komt heet mantelgesteente heel langzaam omhoog, bij midoceanische ruggen door de opwaartse beweging van mantelconvectie (zie hoofdstuk 6.), bij hotspots door een stijgende mantelpluim. Het gesteente blijft warm (want warmtegeleiding in gesteenten is slecht), terwijl de druk afneemt waardoor het gaat smelten. 3. verlagen van de smelttemperatuur; dit gedrag volgt de regel dat het smeltpunt van een gesteente verlaagd wordt, als je er water aan toevoegt (net zoals je met zout het smeltpunt van ijs verlaagt bij het strooien van de wegen). Zoals verderop wordt uitgelegd, is dit het geval bij het ontstaan van vulkanisme bij subductiezones. H4-6

7 De Bewegende Aarde Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen Relatie tussen de samenstelling van het eerstgevormde magma en het uiteindelijke stollingsgesteente Afhankelijk van brongesteente en ontstaansomstandigheden vormen zich dus magma s met verschillende samenstellingen. Levert nu eenzelfde samenstelling van zo n nieuw-gevormd magma telkens hetzelfde stollingsgesteente op? Nee! Uit laboratoriumonderzoek is gebleken dat uit eenzelfde type magma uiteindelijk verschillende soorten stollingsgesteente kunnen ontstaan. Hierbij spelen de volgende factoren een rol: - Ten eerste hangt dit af van de kristallisatiegeschiedenis (stollingstraject). Opstijgend magma kan zich verzamelen in een magmakamer, bijvoorbeeld ergens in de korst. Omdat de omgeving daar minder warm is, zal het magma afkoelen en gaan kristalliseren. Uiteindelijk zou het daar volledig kunnen stollen en zo een grofkorrelig dieptegesteente vormen (bijvoorbeeld een graniet of een gabbro). Het kan ook zijn dat (een deel van) het magma tijdens de beginnende kristallisatie een weg verder naar boven vindt, het aardoppervlak bereikt en daar snel afkoelt. Dan zal het via een vulkanische uitbarsting een fijnkorrelig of glasachtig uitvloeiingsgesteente vormen (dus bijvoorbeeld een basalt of rhyoliet). - Ten tweede kan een magma onderweg van de bron naar het aardoppervlak chemisch van samenstelling veranderen. Dit noemen we magmadifferentiatie. Tijdens het verblijf in de magmakamer kunnen verschillende mineralen bij dalende temperaturen kristalliseren. Wanneer deze kristallen naar beneden zinken, zal het overblijvende magma een andere samenstelling hebben dan oorspronkelijk. Het is dus veranderd van samenstelling ( gedifferentieerd ) doordat gekristalliseerde mineralen eruit verdwenen zijn. Als zo n magma uitvloeit heeft het dus een andere samenstelling dan toen het zich vormde tijdens het smelten van het gesteente in de bron beneden de magmakamer. Als een basaltisch magma af gaat koelen zal olivijn als eerste kristalliseren. Daarna volgen pyroxenen en andere mineralen. De samenstelling van overblijvend magma verandert al naar gelang het soort kristalliserende mineralen (mits die inderdaad naar beneden zinken, wat onder meer afhangt van de viscositeit van het magma). Als vuistregel voor de volgorde van kristalliseren geldt de reeks van Bowen (zie figuur 4-5). De praktijk blijkt zich niet altijd strak hieraan te houden omdat verschillende factoren (o.a. de diepte waar kristallisatie plaatsvindt) de volgorde kan beïnvloeden. H4-7

8 Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen De Bewegende Aarde Figuur 4-5: Fractionele kristallisatie verklaart de variabele samenstelling van stollingsgesteentes. Bron: Grotzinger et al, Understanding Earth (2005) Basalt en graniet zijn de twee meest voorkomende stollingsgesteenten. Is er een verband in de ontstaansgeschiedenis van beide gesteenten? We hebben al gezien dat de samenstelling sterk verschilt; basalt is mafisch; graniet is felsisch. Vroeger werd gedacht dat alle graniet gevormd wordt uit een basaltisch magma door differentiatie. Immers, wanneer je de olivijnen en pyroxenen (donkere, magnesium- en ijzerrijke mineralen) die in een basaltisch magma uitkristalliseren daaruit haalt, houd je een silicium-rijker en magnesium- en ijzer-armer magma over dat dan een lichtgekleurd stollingsgesteente (graniet of rhyoliet) oplevert. Probleem is echter dat er niet genoeg basaltisch magma is waaruit alle granitische gesteenten gevormd zouden kunnen worden. Nader onderzoek heeft aangetoond dat ook het smelten van verschillende soorten brongesteenten het verschil tussen basalt en graniet kan verklaren: Wanneer gesteente in het bovenste deel van de mantel partiëel (gedeeltelijk) opsmelt zal dat een basaltische magma geven. Wanneer gesteente in het bovenste deel van de mantel partieel (gedeeltelijk) opsmelt zal dat een basaltische magma geven. Behalve door differentiatie van basaltisch magma kan granitisch magma ook rechtstreeks ontstaan wanneer onderste delen van de continentale korst smelten (die kunnen onder meer bestaan uit allerlei sedimentaire, stollings- en metamorfe gesteenten) De vorming van magma en plaattektoniek Hoe kunnen we deze feiten en theorieën over stollingsgesteente plaatsen in het raamwerk van de plaattektoniek? In paragraaf 4.1 zagen we al dat magma wordt gevormd op twee soorten plaatgrenzen: - bij de MOR (Mid Oceanische Rug): uitgangsmateriaal is het gesteente bovenin de mantel (peridotiet). Doordat bij een spreidingsrug de mantelgesteente heel langzaam omhoog komt zal de druk afnemen, waardoor dit partieel gaat smelten. Door verschil in dichtheid met het omringende gesteente zal de gevormde basaltische smelt gaan stijgen. Deze basaltische smelt zal samenkomen in een magmakamer in de korst. Deels zal het daarin langzaam stollen als gabbro en deels zal het uitvloeien op de zeebodem als kussenlava. Deze gabbro s en kussenlava s komen wereldwijd in alle oceanen voor. Deze basaltische magma s zijn zeer vloeibaar en geven, als ze boven het zeeniveau uitkomen, de typische, weinig explosieve schildvulkanen. - bij de subductiezones: oceanische (basaltische) korst met de daarop liggende sedimenten (kalk, klei, erosiemateriaal van de continenten) met zeewater in de poriën wordt onder een continentale H4-8

9 De Bewegende Aarde Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen of andere oceanische korst geduwd. De subducerende plaat komt op een diepte waarop in de bovenliggende plaat de asthenosfeer begint. Door de toename van temperatuur en druk worden vloeistoffen (met name water) uit de subducerende plaat in de bovenliggende asthenosfeer gedreven. Door de influx van deze vloeistoffen in de mantel wordt het smeltpunt van het mantelgesteente verlaagd waardoor dit kan smelten, op gemiddeld rond de km diepte. Dit magma uit de mantel verzamelt zich vaak hogerop in een magmakamer. In het begin is het magma nog basaltisch, maar gedurende het verbijf in de korst verandert de samenstelling door differentiatie zoals hierboven beschreven. Hierdoor neemt de hoeveelheid silicium toe en krijg je een andesitisch of zelfs felsisch magma. Dit kan nog worden versterkt wanneer omhullend gesteente van de continentale korst door de warmte zelf ook smelt en wordt opgenomen in het magma. Als zulk felsisch magma op diepte stolt krijg je graniet. De relatief toegenomen hoeveelheid silicium maakt het magma visceus (stroperiger). Wanneer daardoor ook het vrijkomende gas niet makkelijk uit de magmakamer kan ontsnappen, kan zich een enorme druk opbouwen, waardoor je zeer explosieve uitbarstingen krijgt. In Figuur 4-6 zie je in schema de relatie tussen de verschillende soorten vulkanisme en plaattektoniek Figuur 4-6: Relatie verschillende soorten plaattektoniek en vulkanisme. Bron: Grotzinger, et al, Understanding Earth, Opdracht 4-4**: Stollingsgesteente a. Als je een boring zet in de korst op de plek van een MOR, wat kom je dan van boven naar beneden tegen: i Welk uitvloeiings- of diepte gesteente kom je tegen op de zeebodem? ii Welk uitvloeiings- of diepte gesteente kom je tegen onderin de korst? iii Welk gesteente kom je tegen bovenin de mantel? Een groot deel van de korst, en bijna de volledige mantel bestaat uit basaltisch of ultramafisch gesteente. b. Hoe komt het dan toch dat wij zoveel felsisch gesteente, zoals graniet, op Aarde vinden? c. Waar worden de bouwstenen waaruit dit felsisch gesteente is opgebouwd gevormd? Water is veel aanwezig in sedimentair gesteente en in de oceanische korst bij subductiezones. d. Leg uit hoe dit water het smelt proces in deze subductiezones beinvloedt. H4-9

10 Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen De Bewegende Aarde 4.4 Vulkanen op IJsland. We gaan inzoomen op IJsland. Dit is een van de weinige vulkanische gebieden bovenop een MOR die boven water uitkomt. De IJslandse situatie is interessant omdat we te maken hebben met een divergente plaatgrens en er tegelijkertijd een hotspot aanwezig is. Daarnaast hebben uitbarstingen van een grote vulkaan op IJsland in 1783 gevolgen gehad die in ons land merkbaar zijn geweest. Figuur 4-7: Geologie van IJsland, bron Landmaelingar Islands. Het eiland is voor geologische begrippen heel jong. De oudste gesteenten zijn "slechts" zo'n 60 miljoen jaar oud en worden gevonden in het uiterste westen en uiterste oosten van het eiland (zie figuur 4-7). Op IJsland komen verschillende soorten vulkanen voor waaronder ook schildvulkanen en stratovulkanen. De schildvulkanen hebben hele flauwe hellingen. De grootste schildvulkanen zijn de Skjaldbreidur en de Ok, die beide in het westen van het land te vinden zijn. Een stratovulkaan, met de karakteristieke steile hellingen, is bijvoorbeeld de Hvannadalshnúkur (zie bijschrift figuur 4-7). Daarnaast zijn er ook veel spleetvulkanen, waar lava uit soms kilometers lange scheuren in de aardkorst stroomt. Vaak zijn het zelfs niet eens bergen of heuvels in het landschap. Een goed voorbeeld is de Laki vulkaan waarover we het verderop uitgebreid zullen gaan hebben. De zwarte lijnen in figuur 4-8 geven plaats en richting van een aantal van die spleten aan. Opdracht 4-5*: Vulkanen op IJsland a. Leg uit waarom de oudste gesteenten in het uiterste zuidoosten en noordwesten van het eiland voorkomen. b. Geef een verklaring voor de aanwezigheid van spleetvulkanen en voor de richting die de spleten hebben waarlangs lava naar buiten komt. H4-10

11 De Bewegende Aarde Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen Figuur 4-8: IJsland met een aantal belangrijke vulkanen. De Skjaldbreidur en de Ok liggen ten noordwesten van de Geysir, en de Hvannadalshnúkur ligt grotendeels onder het ijs ten oosten van de Laki (of Lakagigar) vulkaan (zie Öræfajökull in figuur 4-7). IJsland ligt op een MOR, namelijk de Mid Atlantische Rug. Deze rug loopt van noord naar zuid in het midden op de bodem van de Atlantische Oceaan. Hier bewegen de Euraziatische en de Amerikaanse plaat steeds verder uit elkaar en wordt nieuwe oceanische korst gevormd uit stollende basaltisch magma dat bij de Mid Atlantische Rug uit de mantel omhoog komt. IJsland, feitelijk niet meer dan een stuk van de rug dat boven water ligt, groeit dus vanuit het midden in oostelijke en westelijke richting aan. Waarom ligt IJsland boven water? Blijkbaar is er meer vulkanische activiteit dan op andere plaatsen op de Mid Atlantische Rug. De reden dat de magmaproductie onder IJsland zo groot is, is de aanwezigheid van een hotspot onder IJsland. Vaak is het zo dat als een oceanische plaat die boven een mantelpluim ligt verschuift, er steeds weer nieuwe vulkanische eilanden ontstaan (zoals bij Hawaï, zie opdracht 3). Bij IJsland is dat niet het geval, omdat het eiland recht boven de Mid Atlantische Rug ligt, en zowel oost- als westwaarts groeit. De hotspot ligt stabiel onder de Mid Atlantische Rug en draagt bij aan de voeding van de magmakamers van de verschillende vulkanische systemen op IJsland. Opdracht 4-6*: Eilanden op een MOR IJsland is niet het enige eiland op een MOR dat boven zeeniveau ligt. a. Zoek in de atlas nog vijf andere eilanden op die bovenop een MOR liggen. b. Wat is het verschil tussen deze eilanden en IJsland, en hoe kun je dit verschil verklaren? A, I Nu we iets meer weten over het vulkanisme op IJsland richten we ons op de enorme effecten van een uitbarsting van één van IJsland s vulkanen: In 1783 en 1784 vond een uitbarsting van de Laki vulkaan (zie figuur 4-8) plaats die acht maanden duurde. Deze vulkaan produceerde één van de grootste lavastromen in de menselijke geschiedenis. Niet minder dan 15 km 3 magma kwam uit een lange scheur in de aardkorst. Toen er een opening in de aardkorst kwam en het magma kon gaan stijgen, ontsnapten er gassen die aanvankelijk in de smelt (= de gesmolten massa) opgelost waren. Omdat de oplosbaarheid van gassen in de smelt afneemt bij afnemende druk konden bij de stijging van het magma steeds meer gassen ontsnappen. Het vrijkomen van deze gassen had vreselijke gevolgen voor omliggende gebieden: H4-11

12 Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen De Bewegende Aarde gezondheidsklachten bij de bevolking, bomen en planten gingen dood (sommige soorten verdwenen voorgoed) en meer dan 60% van het vee stierf. Uiteindelijk leidde dit tot een hongerperiode van vele jaren op IJsland, waarin ongeveer 20% van de bevolking het niet overleefde. De gevolgen van de uitbarsting waren niet alleen op IJsland merkbaar, maar over de hele wereld. In het westen en noorden van Europa hing maandenlang een droge mist. De zomer van 1783 bracht extreem en ongewoon warm weer naar Europa. De daaropvolgende winter was in Europa en Noord-Amerika extreem koud, en deze koude winters bleven nog enkele jaren terugkomen. Mislukte oogsten, honger en hoge sterftecijfers waren het gevolg. Bij de uitbarsting kwamen ook enorme hoeveelheden vluchtige stoffen (v.s., bijvoorbeeld SO 2 en HCl) vrij. Deze stoffen hebben op grote schaal gezorgd voor zure regen in onder andere Nederland. Dit proces gaan we in de volgende paragrafen verder bekijken. In het eerste deel ( 4.5) benaderen we de uitbarsting volgens een vereenvoudigd model en schatten we de totale hoeveelheden SO 2 en HCl die bij de uitbarsting uitgestoten werden. In 4.6kijken we naar hoe en waarom vulkanische zure regen gevormd wordt en maken we een schatting van de ph van regenwater dat na de uitbarsting in Nederland viel. In 4.7 behandelen we de gevolgen van zure regen. 4.5 De hoeveelheid gas die vrijkwam bij de Laki uitbarsting. Om de toenmalige effecten van de Laki uitbarsting te kunnen kwantificeren, zullen we eerst berekenen hoeveel vluchtige stoffen vrijkwamen. Daarbij richten we ons met name op zwavel en chloor, als voorbeelden van vluchtige stoffen. Omdat we geen directe gegevens hebben over de concentraties aan uitgestoten gassen die toen in de lucht zaten, gaan we op zoek naar een andere manier om de concentraties van zwavel- en chloorhoudende gassen na de explosie te reconstrueren. Hierbij maken we gebruik van een vereenvoudigd model (zie figuur 4-9). In de tekening zie je een magmakamer met een bepaald volume. Het magma bevatte van elke vluchtige stof een zekere concentratie (v i ). Eerst was de stof opgelost in het vloeibare magma. Toen dat aan het aardoppervlak kwam koelde het af en stolde het in twee verschillende vormen: een deel als een berg tefra (as en blokken steen) en een ander deel als een lavastroom. Een deel van de vluchtige stoffen bleef opgesloten in deze gestolde producten achter, de rest ging de lucht in. Daarvan bleef weer een deel in de buurt als plaatselijke nevel en ging het overige deel hoog de atmosfeer in. Deze laatste hoeveelheid is vooral van belang, omdat dit deel van de vluchtige stoffen ver weg getransporteerd kon worden en daardoor op grote afstand schade kon aanrichten. We nemen dus aan dat het magma bij de uitbarsting zijn vluchtige stoffen stapsgewijs kwijtraakte volgens het volgende scenario: 1. Magma komt met al zijn opgeloste vluchtige stoffen omhoog uit de magmakamer. 2. Het begin van de uitbarsting is vrij explosief. Hierbij vormt zich eerst een berg tefra, terwijl in de eruptiepluim daarboven een grote hoeveelheid vluchtige stoffen vrijkomt. In het deel van het magma dat nog ondergronds achterblijft, neemt de concentratie vluchtige stoffen dus af. 3. Vervolgens komt ook dit gedeeltelijk ontgaste magma omhoog en gaat uitstromen in de vorm van een lava. De uitbarsting verloopt dan rustiger. 4. Tijdens het stromen raakt de lava de overgebleven vluchtige stoffen nog verder kwijt. 5. Zowel in de vastgeworden tefra als in de vastgeworden lava blijven nog rest-concentraties van vluchtige stoffen over, maar het merendeel is de lucht ingegaan. H4-12

13 De Bewegende Aarde Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen m v = m tot(r) (v i - v t) Eruptiekolom verre nevel en v t Lokale nevel m l+m c = m tot(l) (v t v c) lava korst m r = m tot(r) v i magmakamer v i Figuur 4-9: Schematische weergave van de uitstoot van een vluchtige stof bij de uitbarsting van de Laki-vulkaan. Naar Thordarson et al. (1996). Concentraties van een vluchtige stof (in ppm): v i = in smelt-insluitsels (in de magmakamer) v t = in tefra v l = in lava tijdens verplaatsing v c = in gestolde lava (na verplaatsing) v s = totaal in vaste eruptieproducten Massa van een vluchtige stof (v.s.) en van magma, lava en tefra: m r = massa v.s. in magmakamer m v =massa v.s. ontsnapt bij vulkaankrater m l = massa v.s. in atmosfeer tijdens lava verplaatsing m c = massa v.s. in atmosfeer na verplaatsing lava m s = massa v.s. in vaste eruptieproducten m tot(r) = totale massa magma ontgast bij vulkaankrater m tot(l) = totale massa lava m tot(t) = totale massa tefra Omdat de vulkaan lang geleden is uitgebarsten, is het moeilijk om te onderzoeken hoeveel gas er precies is vrijgekomen. Bewijsmateriaal dat we nu nog kunnen vinden halen we uit de vaste eruptieproducten: de gestolde tefra en lava. De rest-concentraties van vluchtige stoffen in deze vaste eruptieproducten kunnen worden bepaald wanneer we monsters nemen in het veld en die analyseren in het laboratorium. Wanneer we de oorspronkelijke concentraties van vluchtige stoffen in de magmakamer zouden kennen, dan kunnen we berekenen hoeveel er in totaal ontsnapt is. Als benadering hiervoor gebruiken geologen 'smelt-insluitsels'. Zo n insluitsel is een hoeveelheid van het oorspronkelijke magma dat in de vorm van een minuscuul druppeltje opgesloten zit in een kristal. Deze druppeltjes worden ingesloten tijdens de groei van kristallen in de magmakamer waarna ze door het omhullende kristal van de omgeving worden afgesloten en dus hun oorspronkelijke samenstelling, inclusief de vluchtige stoffen, behouden. De kristallen worden met het magma meegenomen naar boven en zitten nu in de vaste eruptieproducten. Smelt-insluitsels zijn dus hele kleine overblijfselen van het magma van het stadium voor de uitbarsting. Ondanks hun geringe omvang (soms maar H4-13

14 Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen De Bewegende Aarde enkele micrometers in doorsnede) kunnen de concentraties van vluchtige stoffen met geavanceerde technieken bepaald worden. Opdracht 4-7*: Smeltinsluitsels Een basaltische magma is een vloeibaar mengsel dat bestaat uit vele chemische bestanddelen. Wanneer een magma afkoelt zullen hierin vaste stoffen (mineralen) kristalliseren (zoals je al zag in paragraaf 4.2). Wanneer een magma van bijvoorbeeld 1300 C afkoelt dan stollen de verschillende mineralen (bij verschillende temperaturen). Een voorbeeld hiervan is olivijn (Mg, Fe) 2 SiO 4 dat doorgaans als eerste zal kristalliseren. In kristallen van als eerste uitgekristalliseerde mineralen kunnen smeltinsluitsels voorkomen van het oorspronkelijk magma. Leg uit waarom dit niet het geval zal zijn bij mineralen die bij een lagere temperatuur uitkristalliseren (bijvoorbeeld kwarts). Meer informatie over smelt-insluitsels kan je vinden in 0. Het verschil tussen de concentraties in de magmakamer, in de vaste eruptieproducten, en de totale hoeveelheid magma dat naar buiten is gekomen, levert ons de hoeveelheid vluchtige stoffen die in de atmosfeer zijn terechtgekomen tijdens de uitbarsting. Omdat het erg bewerkelijk is om deze berekening uit te voeren voor alle vluchtige stoffen richten we ons in de komende opdrachten op zwavel (S) en chloor (Cl). Deze twee bestanddelen van vulkanisch gas hebben ook de grootste schadelijke effecten in de atmosfeer. Opdracht 4-8**: Hoe groot is de massa van de vluchtige stoffen dat ontsnapt is bij de eruptie? Stel een vergelijking op voor m b = totale massa van een vluchtige stof dat ontsnapt bij de eruptie. Hint: hoeveelheid vóór (in magmakamer) hoeveelheid ná eruptie (in eruptieproducten) = hoeveelheid ontsnapt tijdens eruptie. Gebruik in de vergelijking alleen termen met grootheden die we nu, zoveel jaar na de uitbarsting, nog te weten kunnen komen. Maak gebruik van figuur 4-9 Opdracht 4-9***: Hoeveel vluchtige stoffen zijn er ontsnapt? We hebben hierboven beschreven dat het proces voor ontgassing stapsgewijs ging. In deze opgaven gaan we bepalen hoeveel van elke vluchtige stof er is ontsnapt tijdens de verschillende fasen. Maak hierbij gebruik van de afname van de concentraties zwavel en chloor, zoals die vermeld staan in tabel 4-1. Vul de afname van de concentraties in tabel 4-2 in. S Cl Smelt-insluitsels, vi Tefra, vt Lava tijdens transport, vl Gestolde lava na transport, vc Alle vaste eruptieproducten (lava+tefra; gewogen gemiddelde), vs Tabel 4-1: Gemiddelde concentraties (in massa-ppm = mg/kg) van zwavel en chloor in de eruptieproducten en smelt-insluitsels. S Cl Afname door totale hoeveelheid ontgassing (vi-vs) Afname door ontgassing bij vulkaankrater (vi-vt) Afname in de lava tijdens transport (vt-vl) Afname in de lava na transport (vl-vc) Tabel 4-2: Afname van de concentraties zwavel en chloor (in massa-ppm) tijdens de opeenvolgende stadia van de eruptie H4-14

15 De Bewegende Aarde Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen Opdracht 4-10***: Hoeveel SO 2 en HCl zijn er uitgestoten? In de Tabellen 1 en 2 staan de concentraties van zwavel (S) en chloor (Cl) in de vorm van de pure elementen. Dit is wat in vaste vulkanische producten gemeten wordt met behulp van geavanceerde analysetechnieken. Deze elementen komen echter in gasvorm uit het magma als S- en Cl-verbindingen, voornamelijk SO 2 en HCl. In deze opgave gaan we berekenen hoe groot de hoeveelheden SO 2 en HCl zijn die in de verschillende stadia van de uitbarsting als gas uitgestoten werden. Gebruik de uitkomsten, de gegevens in tabel 4-1, figuur 4-9 en het voorbeeld hieronder om de gevraagde grootheden in tabel 4-3 te berekenen (voer deze berekeningen uit in Excel). De massa van een vluchtige stof die alleen ontsnapt is bij de vulkaankrater kan je als volgt uitrekenen: m m ( v v ) = V ( v v )r = ρ v tot ( r ) i t r x, i x, t waar V r = totale volume van het magma dat bij de eruptie naar buiten kwam = 15.1 km 3 ρ = dichtheid magma = 2750 kg/m 3 v x,i = massafractie van element x in smeltinsluitsel (dus in het oorspronkelijke magma) v x,t = massafractie van element x in de tefra r = constante om het pure element om te rekenen naar zijn equivalent in de gasvorm =massa molecuul/massa element De moleculaire massa s van de verschillende elementen kan je in BINAS vinden. SO 2 HCl Oorspronkelijke massa v.s in magmakamer Totale massa v.s ontsnapt door eruptie Overgebleven massa v.s in vaste eruptieproducten (lava+tefra) Massa v.s ontsnapt bij vulkaankrater Tabel 4-3: Massa SO 2 en HCl (in kg), v.s. is vluchtige stof. Opdracht 4-11**: Verschil in percentages ontsnapt S en Cl Wat is het verschil tussen de ontgassingpercentages van S en Cl? Gebruik de gegevens uit de vorige opdracht. Speculeer over de mogelijke oorzaken van dit verschil. H4-15

16 Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen De Bewegende Aarde SO2 HCl 100 Megaton (= 10 9 kg) Door de Laki activiteit (8 jun feb 1784) Door alle vulkanen per jaar Door de mens wereldwijd per jaar Figuur 4-10: Gasuitstoot naar de atmosfeer: De activiteit van de Laki in vergelijking met de jaarlijkse uitstoot door alle vulkanen en die door de mens veroorzaakt (in ca. 2000). Opdracht 4-12**: Hoe verhoudt de uitstoot door Laki zich tot die van alle vulkanen of menselijke activiteiten? In figuur 4-10 wordt de uitstoot van SO 2 en HCl naar de atmosfeer door de Laki uitbarsting vergeleken met de hoeveelheid die alle vulkanen in de wereld in een heel jaar de lucht in blazen, en ook met de jaarlijkse wereldwijde stroom die door de mens wordt veroorzaakt. Volgens schattingen produceren vulkanen ongeveer 18 x 10 9 kg SO 2 en 6 x 10 9 kg HCl. De mens produceert duidelijk meer: ongeveer 68 x 10 9 kg SO 2 en 13 x 10 9 kg HCl. Voor SO 2 zijn het verbranden van steenkool, olie en andere industriële activiteiten de belangrijkste bronnen, voor HCl het verbranden van biomassa en de gezamenlijke fossiele brandstoffen. a. Neem nu de uitkomsten voor de totale massa v.s ontsnapt door eruptie in opdracht 4-10 en bereken hoeveel keer groter of kleiner de uitstoot van SO 2 en HCl door de Laki is dan de totale massa die alle vulkanen wereldwijd in een jaar produceren. b. Doe hetzelfde als bij a maar bereken nu hoeveel keer groter of kleiner de uitstoot van SO 2 en HCl door de Laki is dan de totale massa die alle mensen wereldwijd in een jaar produceren. 4.6 Zure regen in Nederland door de Laki uitbarsting. De eruptiepluim van de Laki uitbarsting bereikte een hoogte van 9-13 km. Het SO 2 - en HCl-gas dat ontsnapte bij de krater, bereikte zo de grens tussen de troposfeer en de stratosfeer (zie 0). Hier waait een permanente harde luchtstroom, de polar jet stream. Deze jet stream nam een groot deel van de gasmoleculen mee, waardoor ze naar het oosten werden getransporteerd. Op onderstaande weerkaart (figuur 4-11 en figuur 4-12), dan zie je hoe de deeltjes vanuit IJsland in de richting van Nederland getransporteerd konden worden. Tijdens de reis reageerden SO 2 en HCl met watermoleculen in de atmosfeer. De beide soorten gasmoleculen gedragen zich doorgaans echter nogal verschillend. HCl reageert snel met water en regent dus snel uit. SO 2 zet veel langzamer om (in H 2 SO 4 ) en wordt dus over een veel grotere afstand getransporteerd. Zo lang dat het Nederland kon bereiken. Vanaf dit punt zullen we ons dan ook alleen op SO 2 concentreren. H4-16

17 De Bewegende Aarde Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen Figuur 4-11: Weerkaart van 23 juni 1783, met de heersende drukcondities in dunne lijnen en de jet-stream richtingen in dikke lijnen. Bron: Thordarson & Self, 2003 Figuur 4-12: Dwarsdoorsnede van punt A naar punt B aangegeven in figuur Deze figuur laat de eruptiekolom van de Laki zien, en het resulterende transport van de kolom naar het vaste land van Europa. Bron: Thordarson & Self, 2003 Binnen 50 uur had de jet stream de SO 2 -moleculen al naar Nederland vervoerd. Het duurde echter 1-3 weken voordat de gevolgen van dit transport zichtbaar waren: een dikke, droge mist en een bloedrode zon. Deze vertraging kwam door de langzame reactie van SO 2 met water naar H 2 SO 4. De gevormde druppeltjes hiervan zijn aerosolen (zie 0). Maar hoe ontstaan die nu precies? Om dit proces te begrijpen, concentreren we ons op de chemie van zure regen. Regen maakt deel uit van de watercyclus; zonlicht verwarmt de oceanen en verdampt water dat vervolgens door de atmosfeer wordt getransporteerd en elders weer neervalt als regen of sneeuw. In een schone atmosfeer levert dit proces zoet water voor meren, rivieren en ecosystemen. Als je kijkt naar dit gewone regenwater, dan zou je verwachten dat dit neutraal is; een ph van 7. Maar omdat in de atmosfeer ook CO 2 moleculen aanwezig zijn (naast onder meer O 2 en N 2 ), en water daarmee reageert, is de ph lager dan 7. H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 (pk CO2 (25 C) = 1.47) H 2 CO 3 + H 2 O H 3 O + + HCO 3 - (aq) (pk z1 (25 C) = 6.35) Alhoewel H 2 CO 3 een zwak zuur is, ontstaat er toch genoeg H 3 O + om de ph naar 5,66 te laten zakken. Opdracht 4-13***: Een ph van 5,66 De concentratie CO 2 in de atmosfeer, weergegeven met de partiële druk P CO2, is gelijk aan atm. Bereken met behulp van bovenstaande gegevens hoe de ph naar 5,66 zakt. a. Stel hiervoor de evenwichtsreacties van de eerder gegeven reactievergelijkingen op en gebruik P CO2 = [H 2 O][CO 2 ]. b. Substitueer vervolgens en los op. Gebruik ook de regel ph = -log[h 3 O + ] Sinds het begin van de Industriële Revolutie (ongeveer 1850) is de mens verantwoordelijk voor de uitstoot van extra regen verzuurders, zoals SO x en NO x. De concentratie van deze stoffen zorgt dat de ph van regen soms nog sterker is verlaagd, en je van zure regen kunt spreken. Voor de Industriële Revolutie was er ook al een natuurlijke bron van verzuring: vulkanen. Ook toen kon er door uitgestoten vulkanische SO 2 zure regen ontstaan. Hoe beïnvloedt SO 2 de ph van regen? H4-17

18 Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen De Bewegende Aarde We hebben al gezien dat SO 2 in gasvorm uit het magma komt. Zwaveldioxide reageert vervolgens met verschillende oxidanten (bijvoorbeeld met ozon, O 3 ) tot SO 3. Dat lost vervolgens in water op, en het reageert daarmee tot H 2 SO 4 (zwavelzuur): SO 2 (g) + O 3 (g) O 2 (g) + SO 3 (g) SO 3 (g) + H 2 O(l) SO 3 (aq) SO 3 (aq) + H 2 O H 2 SO 4 Zwavelzuur kan vervolgens met water reageren en H 3 O + produceren: H 2 SO 4 + H 2 O H 3 O + + HSO 4 - HSO H 2 O H 3 O + + SO 4 2- SO 2 kan ook meteen met waterdruppeltjes in contact komen en direct reageren met water, waarbij zwavelig zuur wordt gevormd: SO 2 (g) + H 2 O(l) SO 2 (aq) SO 2 (aq) + H 2 O H 2 SO 3 Opdracht 4-14*: Reactievergelijking H 2 SO 3 Ook H 2 SO 3 zal in water uiteenvallen. Schrijf de reactievergelijkingen op die de dissociatie van H 2 SO 3 beschrijven. Hint: bij elke reactie verliest het molecuul een proton oftewel een H +. H 2 SO 3 + H 2 O Vanaf nu concentreren we ons op H 2 SO 4 ; dit is een sterker zuur en heeft de meeste invloed op de ph. Stel nu dat de Laki-vulkaan 122 megaton SO 2 heeft uitgestoten. Neem aan dat maar 5,0 % van deze hoeveelheid door de luchtstromen Nederland bereikte. Neem ook aan dat deze uiteindelijke hoeveelheid in 32.6 x kg lucht zat. Opdracht 4-15**: Wat was concentratie SO 2 in de lucht? Wat was volgens bovenstaande gegevens de concentratie SO 2 in deze lucht? Druk je antwoord uit in massa-ppm. Gebruik weer massa-ppm = mg/kg. Opdracht 4-16**: Is er een maximum voor oplosbaarheid SO 2 in regenwater? De SO 2 lost dus op in water. De oplosbaarheid van SO 2 in water is aan een maximum gebonden, dat bepaald wordt door de temperatuur. Zal de ph die in de regendruppels bereikt wordt van deze maximum oplosbaarheid afhankelijk zijn? Gebruik figuur 4-13 om deze vraag te beantwoorden. Oplosbaarheid SO2 25 oplosbaarheid[g/100ml] Figuur 4-13: Grafiek van de oplosbaarheid van SO2 in water bij verschillende temperaturen T[graden C] H4-18

19 De Bewegende Aarde Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen Opdracht 4-17***: Bereken ph regenwater als gevolg van vulkaanuitbarsting Ga ervan uit dat alle SO 2 oplost in het water dat in de lucht aanwezig is (9 gram H 2 O per kg lucht). a. Wat is de concentratie van SO 2 in mol/l? Gebruik moleculaire massa= 64 mol/g en de concentratie van SO2 uit vraag 14. b. Wat is de concentratie van H 3 O + en daarmee de ph van het regenwater? Gebruik de molaire massa van SO 2 en de dichtheid van water (gebruik hiervoor BINAS). Hint: maak gebruik van de netto reactie van SO 2 (g) naar SO 4 2- (aq) en neem aan dat die reactie volledig verloopt. 4.7 De gevolgen van zure regen. Zure regen heeft veel negatieve gevolgen, o.a. 6. Lagere ph van oppervlaktewateren leidt tot schade aan de vispopulatie en andere waterdieren (bij een ph<5 zullen bijvoorbeeld viseitjes niet uitkomen en zullen vissen sterven) wat leidt tot een lagere biodiversiteit 7. Zure regen heeft een negatief effect op bomen: bomen verzwakken waardoor ze kwetsbaarder zijn voor andere dreigingen als ziektes en stormen. Hele bossen kunnen hierdoor afsterven 8. Zure regen put de bodem uit. H 3 O + ionen zorgen voor het oplossen van bodemmineralen en daarmee kunnen ionen (bijv. Ca 2+ ) en metaalionen (bijv. Al 3+ ) vrijkomen die oplossen in water en weglekken. Vegetatie sterft door dit proces, voornamelijk door het weglekken van belangrijke voedingsstoffen of door vergiftiging door te hoge doses metaalionen. 9. Zure regen kan gebouwen en monumenten beschadigen. Omdat het effect van dit laatste punt goed zichtbaar is gaan we hier verder op in. Kalksteen en marmer zijn eeuwenlang gebruikt voor de constructie van gebouwen en monumenten. Deze gesteenten bestaan beide uit calciumcarbonaat CaCO 3, en of magnesiumcarbonaat MgCO 3. In hoofdstuk 1. heb je de drie verschillende soorten gesteente leren kennen, sedimentair gesteente, stollingsgesteente en metamorf gesteente. Kalksteen is een sedimentair gesteente. Onder invloed van hoge druk en temperatuur veranderd het in metamorf gesteente: marmer. Kalksteen en marmer verschillen dus in hun kristallijne structuur. Kalksteen bestaat uit kleinere kristallen en is poreuzer dan marmer; het is daardoor lichter en makkelijker te bewerken, en wordt dan ook meer gebruikt in gebouwen. Marmer, met z n grotere kristallen en kleinere poriën, kan mooi gepolijst worden en krijgt vaak de voorkeur voor monumenten en standbeelden. Alhoewel kalksteen en marmer over het algemeen worden gezien als harde, sterke bouwmaterialen, worden gebouwen en monumenten op veel plaatsen steeds meer aangetast door zure regen. Hoe gebeurt dit? Opdracht 4-18*: Oplossen (Ca,Mg)CO 3 Kalksteen kan aangetast worden door zure regen. Dit kan beschouwd worden als een reactie tussen calciumcarbonaat en een zwavelzuur-oplossing of als een reactie tussen magnesiumcarbonaat en een zwavelzuuroplossing. Geef beide reacties die dit beschrijven. Opdracht 4-19*: Ander gevolg van zure regen Vulkanische zure regen draagt bij tot huidige klimaatsverandering. Wat vindt je van deze uitspraak? Motiveer je antwoord. H4-19

20 Keuzehoofdstuk 4. Vulkanen De Bewegende Aarde Figuur 4-14a: Op deze foto, gemaakt in 1910, zie je een standbeeld dat de Lincoln kathedraal in Engeland decoreert. Het beeldje is dan al 400 jaar oud, maar nog in goede staat. Bron: Humphreys, 2003 Figuur 4-14b: In 1984, slechts 74 jaar na foto a, heeft zure regen het figuurtje zo ver aangetast dat het nauwelijks herkenbaar is gebleven. Bron: Humphreys, 2003 De aantasting van gebouwen of monumenten vindt vooral plaats aan de buitenkant. Dit betekent dat zure regen makkelijk de details van reliëfwerk kan vernielen (bijv. beeldfiguren van steen, zie figuur 4-14a en b). Gelukkig blijft de stevigheid van gebouwen vaak wel intact. De omvang van de schade wordt niet alleen bepaald door de ph van zure regen, maar ook door de hoeveelheid water dat een bepaald oppervlak te verwerken krijgt. Oppervlakken die beschermd worden door afdakjes of andere facetten, worden veel minder snel aangetast. De beschermde delen kunnen echter op een andere manier worden aangetast. Als het water opdroogt, laat het de Figuur 4-17a: Zwarte aanslag aan de buitenkant van een kalksteen-gebouw in Chicago. Bron: USGS, 1997 Figuur 4-17b: Gipskorst op een marmeren balustrade in Washington DC. Bron: USGS, 1997 Figuur 4-17c: Foto gemaakt door een electronen-microscoop van gips-kristallen met zichtbare vuildeeltjes gevangen door de open structuur. Bron: USGS, 1997 opgeloste ionen achter. Wanneer een oplossing met calcium- en sulfaationen indampt, kristalliseren de ionen als gips CaSO 4 2H 2 O(s). Dit is een calciumsulfaat met twee watermoleculen per CaSO 4 als kristalwater. Gips is erg zacht (hardheid 2) en heeft vaak plaat- tot naaldvormige kristallen. Verder heeft het een open kristalstructuur en vormt daardoor poreuze lagen. Dit mineraal is oplosbaar in water, dus zal het weer wegspoelen van plekken die veel regen te verwerken krijgen. Maar op beschutte plekken die uit de grote waterstroom blijven, kan gips ophopen. Het trekt hier stof, koolstofdeeltjes, droge as en andere vervuilende stoffen aan (onder meer door de open kristalstructuur, zie figuur 4-17a t/m figuur 4-17b). De oppervlakken waarop gips zich verzameld worden dan zwart. H4-20