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

10720

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

2

be misleading because uncertainties in assumed parameters

may cause errors to cancel and lead to better results than oth-

erwise expected. Nevertheless, with the limited independent

observations available, accuracies in mass loadings appear to

be in the range of 20–50 %. Clarisse and Prata (2016) discuss

errors (precision and accuracy) in ash retrievals and suggest

areas where more research is needed. In this study, we focus

only on the accuracy in the retrievals for the Grímsvötn erup-

tion. Uncertainties that are identified due to cloudiness, lack

of thermal contrast (either ash that is either optically too thick

or optically too thin), radiometric errors, and estimates of

cloud-top and surface temperature are included in the error

budget. In the case of the ash retrievals for Grímsvötn, the

error estimates are within the expected range, giving an er-

ror of ±0.1 Tg or roughly 20–50 % of the estimated mass

of very fine ash. It is emphasized that this is not the total

mass emitted by the volcano, which is typically a few per-

cent of the total mass. It is however, the mass fraction that is

dispersed by the winds and the very fine ash that can cause

damage to aircraft jet engines. Individual mass loading er-

rors can be lower than 20 % and also much higher, depend-

ing mostly on contamination of the pixel by meteorological

cloud, but generally these are not validated because there

are no independent measurements of mass loading. IASI re-

trievals have a precision also in the range of 20–50 % but

their accuracy is unknown as no independent validation has

been done. IASI retrievals were biased high compared to the

SEVIRI and MODIS retrievals in this case and the cause is

not yet understood.

Retrieval methods are being continually improved and

there is an international effort (http://cimss.ssec.wisc.edu/

meetings/vol_ash15/) to intercompare retrieval schemes and

help reduce uncertainty. At the current time no firm con-

clusions have been made about retrieval accuracy as no ro-

bust validation has been made. Uncertainties can only be as-

sessed against independent observations and so far indepen-

dent measurements of mass loading as well as independent

measurements of atmospheric ash particle size distributions,

shapes, and composition are extremely sparse.

Tesche et al. (2012) and Ansmann et al. (2012) re-

port lidar measurements of ash mass concentrations in the

range of 100–340 µg m

−

3

. Moxnes et al. (2014) report val-

ues < 100 µg m

−

3

based on aircraft data and modelling.

These data, our data, and previous measurements from Ey-

jafjalljökull (lidar, and airborne and ground-based air qual-

ity) all provide adequate support for the assumptions used in

satellite-based infrared retrievals. The error estimates for the

Grímsvötn eruption used here are robust but should not be

extended to all ash retrievals or for any other eruption.

We estimate that the amount of ash transported towards

Europe between 22 and 25 May 2011 was 0.2–0.4 ± 0.1 Tg

(very fine ash). By comparison, Stohl et al. (2011) esti-

mated 8.3 ± 4.2 Tg of very fine ash to be emitted during

the Eyjafjallajökull eruption in April–May 2010, which is

an order of magnitude greater from an eruption that was

a factor of ∼ 2 smaller in total erupted mass than the

Grímsvötn eruption. Moxnes et al. (2014) estimate that a

total of 0.49 ± 0.1 Tg of very fine ash was emitted from

Grímsvötn, based on modelling results that utilized IASI re-

trievals not used in our study.

5

Possible column collapse and PDCs

The lower-level ash plume was beginning to form from 19:15

to 19:20 UTC and was fully developed by 20:00 UTC on

21 May. Ground-based observations (see Supplement pho-

tographs) show that the vent from Grímsvötn to Blágil in

the Laki area is about 60 km and the lower-level ash plume

reached there in about 1 h. The MODIS satellite data show

that the low-level ash layer (< 6 km high) was present off the

south coast of Iceland on the morning of 22 May and was also

clearly observed 24 h later (see Fig. 9). This layer appears to

be detached from the main eruption column. Photographic

evidence (see Fig. 1, panel b) shows a shallow ash cloud or

plume

4

at low level surrounding the main column (a “skirt”),

and another plume-like ash-rich layer higher up and at about

half the height of the column. These observations suggest the

possibility that the column may have undergone partial col-

lapse sometime during the evening of 21 May, causing an

outflow of ash, not dissimilar to the outflow often observed

from a collapsing thunderstorm. As large ash aggregates fall

through the column, enhanced by the presence of copious

amounts of water, for example see Telling et al. (2013b) for

a discussion of this process, ice would have formed on the

ash, increasing the size and fall speed and effectively remov-

ing particles from the column. These ice-coated ash aggre-

gates, sometimes termed volcanic hail would have fallen out

of the cloud very rapidly. The process of ash falling through

the column would have caused compression of the lower part

of the column and a mechanism for driving a gravity cur-

rent of ash outwards from the column. Such PDCs may have

supported plumes with ash rising from the regions immedi-

ately outside the vent area. The light southwest winds in the

lower troposphere favour propagation of the outflow towards

the west, as observed, but it is likely that the ash formed a

skirt surrounding the collapsing column. Column collapses

can also cause pyroclastic density currents, so that the two

mechanisms may not be seen as separate. A schematic of the

proposed processes is shown in Fig. 10.

The speculation that a partial collapse and/or generation of

an ash skirt (PDC without collapse) moving outwards from

the plume is supported by the photographs shown in Fig. 1

and the MODIS satellite image shown in Fig. 5. Jude-Eton

et al. (2012) showed that PDCs occurred during the 2004

Grímsvötn eruption (see the photographs in their Fig. 2a and

b). In these instances a column collapse is not required; PDC

4

We define an ash cloud as an identifiable structure wholly dis-

connected from the vent, whereas an ash plume has an identifiable

connection to the source vent.

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

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

---