Atmos. Chem. Phys., 17, 10709-10732, 2017

10730

F. Prata et al.: Separation of ash and SO

2

canic eruption columns, J. Geophys. Res., 101, 1529–1540,

https://doi.org/10.1029/95JD03071, 1996.

Gudmundsson, M., Höskuldsson, Á., Larsen, G., Thordarson, T.,

Oladottir, B., Oddsson, B., Gudnason, J., Högnadottir, T., Steven-

son, J., Houghton, B., and McGarvie, D.: The May 2011 erup-

tion of Grímsvötn, Geophys. Res. Abstr., vol. 14, p. 12119, EGU

General Assembly 2012, Vienna, Austria, 2012a.

Gudmundsson, M. T., Thordarson, T., Höskuldsson, Á., Larsen, G.,

Björnsson, H., Prata, F. J., Oddsson, B., Magnússon, E., Hög-

nadóttir, T., Petersen, G. N., and Hayward, C. L.: Ash generation

and distribution from the April-May 2010 eruption of Eyjafjalla-

jökull, Iceland, Scientific reports, 2, 2012b.

Guo, S., Bluth, G. J., Rose, W. I., Watson, I. M., and Prata, A.: Re-

evaluation of SO

2

release of the 15 June 1991 Pinatubo eruption

using ultraviolet and infrared satellite sensors, Geochem. Geo-

phy. Geosys., 5, 572, https://doi.org/10.1038/srep00572, 2004.

Hoffmann, L., Grießbach, S., and Meyer, C. I.: Volcanic emis-

sions from AIRS observations: detection methods, case study,

and statistical analysis, in: Proceedings of the SPIE, p. 924214,

Forschungszentrum Jülich GmbH (Germany), 2014.

Holasek, R. E., Woods, A. W., and Self, S.: Experiments on gas-ash

separation processes in volcanic umbrella plumes, J. Volcanol.

Geoth. Res., 70, 169–181, 1996.

Hunt, W. H., Winker, D. M., Vaughan, M. A., Powell, K. A., Lucker,

P. L., and Weimer, C.: CALIPSO Lidar Description and Per-

formance Assessment, J. Atmos. Ocean. Tech., 26, 1214–1228,

2009.

James,

M.,

Gilbert,

J.,

and

Lane,

S.:

Experimental

in-

vestigation of volcanic particle aggregation in the ab-

sence

of

liquid

phase,

J.

Geophys.

Res.,

107,

2191,

https://doi.org/10.1029/2001JB000950, 2002.

James, M., Lane, S., and Gilbert, J.: Density, construction, and drag

coefficient of electrostatic volcanic ash aggregates, J. Geophys.

Res., 108, 2435, https://doi.org/10.1029/2002JB002011, 2003.

Johnson, C., Hogg, A., Huppert, H., Sparks, R., Phillips, J., Slim,

A., and Woodhouse, M.: Modelling Intrusions through qui-

escent and moving ambients, J. Fluid Mech., 771, 370–406,

https://doi.org/10.1017/jfm.2015.180, 2015.

Jones, A., Thomson, D., Hort, M., and Devenish, B.: The UK

Met Office’s next-generation atmospheric dispersion model,

NAME III, in: Air Pollution Modeling and its Application XVII,

Springer, 580–589, 2007.

Jude-Eton, T., Thordarson, T., Gudmundsson, M., and Oddsson, B.:

Dynamics, stratigraphy and proximal dispersal of supraglacial

tephra during the ice-confined 2004 eruption at Grímsvötn Vol-

cano, Iceland, B. Volcanol., 74, 1057–1082, 2012.

Kristiansen, N., Stohl, A., Prata, A., Richter, A., Eckhardt, S., Seib-

ert, P., Hoffmann, A., Ritter, C., Bitar, L., Duck, T., Bitar, L.,

Duck, T. J., and Stebel, K.: Remote sensing and inverse transport

modeling of the Kasatochi eruption sulfur dioxide cloud, J. Geo-

phys. Res.-Atmos., 115, https://doi.org/10.1029/2009JD013286,

2010.

Kylling, A., Kahnert, M., Lindqvist, H., and Nousiainen, T.: Vol-

canic ash infrared signature: porous non-spherical ash particle

shapes compared to homogeneous spherical ash particles, At-

mos. Meas. Tech., 7, 919–929, https://doi.org/10.5194/amt-7-

919-2014, 2014.

Mastin, L.: A user-friendly one-dimensional model for wet

volcanic plumes, Geochem. Geophy. Geosys., 8, Q03014,

https://doi.org/10.1029/2006GC001455, 2007.

Mastin, L., Guffanti, M., Servranckx, R., Webley, P., Barsotti, S.,

Dean, K., Durant, A., Ewert, J., Neri, A., Rose, W., and Schnei-

der, D.: A multidisciplinary effort to assign realistic source pa-

rameters to models of volcanic ash-cloud transport and disper-

sion during eruptions, J. Volcanol. Geoth. Res., 186, 10–21,

2009.

Morton, B., Taylor, G., and Turner, J.: Turbulent Grav-

itational

Convection

from

Maintained

and

Instanta-

neous Sources, Philos. T. R. Soc. Lond. A, 234, 1–23,

https://doi.org/10.1098/rspa.1956.0011, 1956.

Moxnes, E. D., Kristiansen, N. I., Stohl, A., Clarisse, L., Durant, A.,

Weber, K., and Vogel, A.: Separation of ash and sulfur dioxide

during the 2011 Grímsvötn eruption, J. Geophys. Res.-Atmos.,

119, 7477–7501, 2014.

Papanicolaou, P. and List, E.: Investigations of round verti-

cal turbulent buoyant jets, J. Fluid Mech., 195, 341–391,

https://doi.org/10.1017/S0022112088002447, 1988.

Petersen, G. N., Bjornsson, H., Arason, P., and von Löwis, S.: Two

weather radar time series of the altitude of the volcanic plume

during the May 2011 eruption of Grímsvötn, Iceland, Earth Syst.

Sci. Data, 4, 121–127, https://doi.org/10.5194/essd-4-121-2012,

2012.

Prata, A.: Satellite detection of hazardous volcanic clouds and the

risk to global air traffic, Nat. Hazards, 51, 303–324, 2009.

Prata, A. and Bernardo, C.: Retrieval of volcanic SO

2

column abun-

dance from Atmospheric Infrared Sounder data, J. Geophys.

Res.-Atmos., 112, https://doi.org/10.1029/2006JD007955, 2007.

Prata, A. and Grant, I.: Retrieval of microphysical and morphologi-

cal properties of volcanic ash plumes from satellite data: Appli-

cation to Mt Ruapehu, New Zealand, Q. J. Roy. Meteorl Soc.,

127, 2153–2179, 2001.

Prata, A. and Prata, A.: Eyjafjallajökull volcanic ash concen-

trations determined using Spin Enhanced Visible and In-

frared Imager measurements, J. Geophys. Res.-Atmos., 117,

https://doi.org/10.1029/2011JD016800, 2012.

Prata, A. and Rose, W.: Volcanic ash hazards to aviation, in: Ency-

clopedia of Volcanoes, chap. 52, 2015.

Prata,

A.

J.,

Gangale,

G.,

Clarisse,

L.,

and

Karagulian,

F.: Ash and sulfur dioxide in the 2008 eruptions of

Okmok and Kasatochi: Insights from high spectral resolu-

tion satellite measurements, J. Geophys. Res.-Atmos., 115, D2,

https://doi.org/10.1029/2009JD013556, 2010.

Prata, A. T., Siems, S. T., and Manton, M. J.: Quantification of vol-

canic cloud top heights and thicknesses using A-train observa-

tions for the 2008 Chaitén eruption, J. Geophys. Res.-Atmos.,

120, 2928–2950, 2015.

Prata, A. T., Young, S. A., Siems, S. T., and Manton, M. J.: Lidar

ratios of stratospheric volcanic ash and sulfate aerosols retrieved

from CALIOP measurements, Atmos. Chem. Phys., 17, 8599–

8618, https://doi.org/10.5194/acp-17-8599-2017, 2017.

Rienecker, M. M., Suarez, M. J., Todling, R., Bacmeister, J., Takacs,

L., Liu, H. C., Gu, W., Sienkiewicz, M., Koster, R. D., Gelaro,

R., Stajner, I., and Nielsen, J. E.: The GEOS-5 Data Assimila-

tion System–Documentation of Versions 5.0.1, 5.1.0, and 5.2.0,

Technical Report Series on Global Modeling and Data Assimila-

tion, 27, NASA/TM-2008-104606, 1–118, 2008.

Atmos. Chem. Phys., 17, 10709–10732, 2017

www.atmos-chem-phys.net/17/10709/2017/

---

F. Prata et al.: Separation of ash and SO

2

10731

Robock, A.: Volcanic eruptions and climate, Rev. Geophys., 38,

191–219, 2000.

Self, S. and Rampino, M. R.: The 1883 eruption of Krakatau, Na-

ture, 294, 699–704, 1981.

Sigmarsson, O., Haddadi, B., Carn, S., Moune, S., Gudnason,

J., Yang, K., and Clarisse, L.: The sulfur budget of the 2011

Grímsvötn eruption, Iceland, Geophys. Res. Lett., 40, 6095–

6100, 2013.

Sparks,

R.:

The

dimensions

and

dynamics

of

vol-

canic

eruption

columns,

Bull.

Volcanol.,

48,

3–15,

https://doi.org/10.1007/BF01073509, 1986.

Sparks, R., Bursik, M., Carey, S., Gilbert, J., Glaze, L., Sigurds-

son, H., and Woods, A.: Volcanic Plumes, John Wileys & Sons,

1997a.

Sparks, R. S. J., Bursik, M., Carey, S., Gilbert, J., Glaze, L., Sig-

urdsson, H., and Woods, A.: Volcanic plumes, Wiley, 1997b.

Stevenson, J. A., Loughlin, S., Rae, C., Thordarson, T., Milodowski,

A. E., Gilbert, J. S., Harangi, S., Lukács, R., Höjgaard, B., Árt-

ing, U., Pyne-O’Donnell, S., MacLeod, A., Whitney, B., and

Cassidy, M.: Distal deposition of tephra from the Eyjafjalla-

jökull 2010 summit eruption, J. Geophys. Res.-Sol. Ea., 117, B9,

https://doi.org/10.1029/2011JB008904, 2012.

Stevenson, J. A., Loughlin, S. C., Font, A., Fuller, G. W., MacLeod,

A., Oliver, I. W., Jackson, B., Horwell, C. J., Thordarson, T., and

Dawson, I.: UK monitoring and deposition of tephra from the

May 2011 eruption of Grímsvötn, Iceland, J. Appl. Volcanol., 2,

3, https://doi.org/10.1186/2191-5040-2-3, 2013.

Stevenson, J. A., Millington, S. C., Beckett, F. M., Swindles, G.

T., and Thordarson, T.: Big grains go far: understanding the dis-

crepancy between tephrochronology and satellite infrared mea-

surements of volcanic ash, Atmos. Meas. Tech., 8, 2069–2091,

https://doi.org/10.5194/amt-8-2069-2015, 2015.

Stohl, A., Prata, A. J., Eckhardt, S., Clarisse, L., Durant, A.,

Henne, S., Kristiansen, N. I., Minikin, A., Schumann, U., Seib-

ert, P., Stebel, K., Thomas, H. E., Thorsteinsson, T., Tørseth, K.,

and Weinzierl, B.: Determination of time- and height-resolved

volcanic ash emissions and their use for quantitative ash dis-

persion modeling: the 2010 Eyjafjallajökull eruption, Atmos.

Chem. Phys., 11, 4333–4351, https://doi.org/10.5194/acp-11-

4333-2011, 2011.

Telling, J. and Dufek, J.: An experimental evaluation of ash aggre-

gation in explosive volcanic eruptions, J. Volcanol. Geoth. Res.h,

209–210, 1–8, https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2011.09.008,

2012.

Telling, J., Dufek, J., and Shaikh, A.: Ash aggregation in explo-

sive volcanic eruptions, Geophys. Res. Lett., 40, 2355–2360,

https://doi.org/10.1002/grl.50376, 2013a.

Telling, J., Dufek, J., and Shaikh, A.: Ash aggregation in explosive

volcanic eruptions, Geophys. Res. Lett., 40, 2355–2360, 2013b.

Tesche, M., Glantz, P., Johansson, C., Norman, M., Hieb-

sch, A., Ansmann, A., Althausen, D., Engelmann, R., and

Seifert, P.: Volcanic ash over Scandinavia originating from the

Grímsvötn eruptions in May 2011, J. Geophys. Res.-Atmos.,

117, https://doi.org/10.1029/2011JD017090, 2012.

Textor, C., Graf, H.-F., Herzog, M., Oberhuber, J. M., Rose, W. I.,

and Ernst, G. G.: Volcanic particle aggregation in explosive erup-

tion columns. Part I: Parameterization of the microphysics of

hydrometeors and ash, J. Volcanol. Geoth. Res., 150, 359–377,

2006.

Thomas, H. E. and Prata, A. J.: Sulphur dioxide as a volcanic

ash proxy during the April–May 2010 eruption of Eyjafjalla-

jökull Volcano, Iceland, Atmos. Chem. Phys., 11, 6871–6880,

https://doi.org/10.5194/acp-11-6871-2011, 2011.

Thordarson, T. and Larsen, G.: Volcanism in Iceland in historical

time: Volcano types, eruption styles and eruptive history, J. Geo-

dyn., 43, 118–152, 2007.

Thordarson,

T.

and

Self,

S.:

Atmospheric

and

environ-

mental effects of the 1783–1784 Laki eruption: a re-

view

and

reassessment,

J.

Geophys.

Res.,

108,

4011,

https://doi.org/10.1029/2001JD002042, 2003.

Tupper, A., Textor, C., Herzog, M., Graf, H.-F., and Richards,

M. S.: Tall clouds from small eruptions: the sensitivity of erup-

tion height and fine ash content to tropospheric instability,

Nat.Hazards, 51, 375–401, https://doi.org/10.1007/s11069-009-

9433-9, 2009.

Van Eaton, A., Muirhead, J., Wilson, C., and Cimarelli, C.: Growth

of volcanic ash aggregates in the presence of liquid water and

ice: an experimental approach, Bull. Volcanol., 74, 1963–1984,

https://doi.org/10.1007/s00445-012-0634-9, 2012.

Van Eaton, A., Mastin, L., Herzog, M., Schwaiger, H., Schneider,

D., Wallace, K., and Clarke, A.: Hail formation triggers rapid

ash aggregation in volcanic plumes, Nature Communications, 6,

1–7, https://doi.org/10.1038/ncomms8860, 2015.

Vaughan, M. A., Powell, K. A., Kuehn, R. E., Young, S. A., Winker,

D. M., Hostetler, C. A., Hunt, W. H., Liu, Z., McGill, M. J.,

and Getzewich, B. J.: Fully Automated Detection of Cloud and

Aerosol Layers in the CALIPSO Lidar Measurements, J. Atmos.

Ocean. Tech., 26, 2034–2050, 2009.

Veitch, G. and Woods, A.: Particle aggregation in volcanic erup-

tion columns, J. Geophys. Rese.-Sol. Ea., 106, 26425–26441,

https://doi.org/10.1029/2000JB900343, 2001.

Wen, S. and Rose, W. I.: Retrieval of sizes and total masses of parti-

cles in volcanic clouds using AVHRR bands 4 and 5, J. Geophys.

Res.-Atmos., 99, 5421–5431, 1994.

Wilson, L. and Huang, T.: The influence of shape on the at-

mospheric settling velocity of volcanic ash particles, Earth

Planet. Sc. Lett., 44, 311–324, https://doi.org/10.1016/0012-

821X(79)90179-1, 1979.

Wilson, L., Sparks, R., Huang, T., and Watkins, N.: The Control of

Volcanic Column Heights by Eruption Energetics and Dynamics,

J. Geophys. Res., 83, 1829–1836, 1978.

Winker, D. M., Liu, Z., Omar, A., Tackett, J., and Fairlie, D.:

CALIOP observations of the transport of ash from the Eyjafjal-

lajökull volcano in April 2010, J. Geophys. Res.-Atmos., 117,

D00U15, https://doi.org/10.1029/2011JD016499, 2012.

Woodhouse, M. and Behnke, S.: Charge structure in volcanic

plumes: a comparison of plume properties predicted by an in-

tegral plume model to observations of volcanic lightning during

the 2010 eruption of Eyjafjallajökull, Iceland, Bull. Volcanol.,

76, 828, https://doi.org/10.1007/s00445-014-0828-4, 2014.

Woodhouse, M., Hogg, A., Phillips, J., and Sparks, R.: Interac-

tion between volcanic plumes and wind during the 2010 Ey-

jafjallajökull eruption, Iceland, J. Geophys. Res., 118, 92–109,

https://doi.org/10.1029/2012JB009592., 2013.

Woods, A.: The fluid dynamics and thermodynamics of eruption

columns, Bull. Volcanol., 50, 169–193, 1988.

www.atmos-chem-phys.net/17/10709/2017/

Atmos. Chem. Phys., 17, 10709–10732, 2017

---

10732

F. Prata et al.: Separation of ash and SO

2

Woods, A.: Moist Convection and the Injection of Volcanic Ash

Into the Atmosphere, J. Geophys. Res., 98, 17627–17636,

https://doi.org/10.1029/93JB00718, 1993.

Woods, A. W., Holasek, R. E., and Self, S.: Wind-driven dispersal

of volcanic ash plumes and its control on the thermal structure of

the plume-top, Bull. Volcanol., 57, 283–292, 1995.

Yang, K., Krotkov, N. A., Krueger, A. J., Carn, S. A., Bhar-

tia, P. K., and Levelt, P. F.: Retrieval of large volcanic

SO

2

columns from the Aura Ozone Monitoring Instrument:

Comparison and limitations, J. Geophys. Res.-Atmos., 112,

https://doi.org/10.1029/2007JD008825. 2007a.

Yang, P., Feng, Q., Hong, G., Kattawar, G. W., Wiscombe, W. J.,

Mishchenko, M. I., Dubovik, O., Laszlo, I., and Sokolik, I. N.:

Modeling of the scattering and radiative properties of non-

spherical dust-like aerosols, J. Aerosol Sci., 38, 995–1014,

https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2007.07.001, 2007b.

Atmos. Chem. Phys., 17, 10709–10732, 2017

www.atmos-chem-phys.net/17/10709/2017/

---

Document Outline

• Abstract
• Introduction
• Chronology of the Grímsvötn eruption
• Transport
  • Separation of the dispersing volcanic cloud
• Satellite data analyses
  • Cloud-top height
  • Space-borne lidar measurements
  • SO2 gas
  • Ash
  • Error in ash retrievals
• Possible column collapse and PDCs
• Insights on the mechanisms and conditions for ash separation from a plume
• Conclusions
• Data availability
• Appendix A: Modelling volcanic plumes, aggregation, and particle support
  • Appendix A1: Model description
  • Appendix A2: Model results
• Competing interests
• Acknowledgements
• References