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

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

2

10717

Figure 5. MODIS true-colour 250 m resolution image of the

Grímsvötn eruption column, showing the shadow cast on the ground

and cloud below (to the N of the column). Note also the ash layer off

the south coast that appears detached from the main column, sug-

gesting that it is no longer being fed by ash from the vent. Image:

MODIS/Aqua, 22 May 2011, 13:15 UTC.

by Yang et al. (2007a) for the Ozone Monitoring Instrument

(OMI), and Clarisse et al. (2008) for IASI. AIRS data provide

an excellent view of the SO

2

dispersion; see the Supplement

Fig. S2. SO

2

was first detected in AIRS data at 03:35 UTC

on 22 May, which was the first overpass of the Aqua satellite

platform over Iceland following the initial Grímsvötn erup-

tion. A large cloud of SO

2

gas was detected over the Vatna-

jökull glacier, slightly displaced to the north of Grímsvötn.

In subsequent AIRS overpasses the SO

2

cloud grew larger

and spread predominantly northwards, reaching the Green-

land coast by 04:17 UTC on 23 May, ∼ 12 h later. The SO

2

cloud then spread westwards and eastwards while still propa-

gating northwards into a long filament. The SO

2

layer height

cannot be inferred directly from the AIRS retrievals, but the

direction of travel and transport modelling suggests a height

of ∼ 8–10 km, which implies the SO

2

was stratospheric.

The mass of upper troposphere–lower stratosphere (UTLS)

SO

2

calculated from the AIRS data is shown in Fig. 7. The

maximum SO

2

mass was found to be ∼ 0.24 ± 0.05 Tg at

14:00 UTC on 23 May 2011. Although the AIRS retrievals

are only strictly valid for the UTLS, in this case it is most

likely that the majority (> 90 %) of the SO

2

was located in

the UTLS. Identification of a volcanic layer in CALIOP li-

dar data was difficult initially, suggesting that conversion to

SO

2−

4

aerosol was not yet sufficient to provide a good signal

and that few ash particles were collocated with the SO

2

.

3

3

The CALIOP lidar is insensitive to SO

2

gas, but backscatter

depolarization and colour ratio values from both SO

2−

4

and ash par-

ticles can often be identified for strong layers.

Table 2. SO

2

total mass estimates from four different satellite in-

struments (two infrared and two ultraviolet) from 22 to 26 May

2011.

Instrument

Date in May 2011

22

23

24

25

26

Total mass (Tg)

AIRS

0.10

0.24

0.18

0.12

0.11

IASI

1

0.23

0.32

OMI

0.15

0.28

0.29

0.25

0.20

GOME-2

2

0.03

0.11

0.13

0.18

0.23

1

L. Clarisse (personal communication, 2015).

2

A. Richter,

http://www.iup.uni-bremen.de/scia-arc/.

At least three other satellite sensors detected the high-level

SO

2

cloud: OMI on the Aura platform, GOME-2 on Metop-

A, and IASI also on Metop-A. Table 2 shows estimates of

the daily SO

2

mass from each of the sensors. OMI observa-

tions are shown in the Supplement Fig. S3. Sigmarsson et al.

(2013) estimated the sulfur budget for the Grímsvötn erup-

tion and made use of satellite SO

2

measurements.

Although there is some disparity between the esti-

mates from the different sensors, when the effects of dif-

ferences in height sensitivity, timing, field-of-view sizes,

and swath overlap are taken into account, the values fall

within the expected error bounds. The means and stan-

dard deviations for 22, 23, 24, 25, and 26 May are

0.128 ± 0.08, 0.238 ± 0.09, 0.200 ± 0.08, 0.183 ± 0.07, and

0.180 ± 0.06 Tg, respectively. We therefore conclude that

between 0.13 and 0.24 ± 0.1 Tg SO

2

was released into the

UTLS by Grímsvötn during the period 22–26 May 2011,

about half the total estimated amount released to the atmo-

sphere. Carn et al. (2016) estimated a maximum SO

2

load-

ing of ∼ 0.38 Tg and Sigmarsson et al. (2013) estimated

∼

0.2 Tg(S) or ∼ 0.4 Tg(SO

2

).

4.4

Ash

Volcanic ash retrievals were performed using the methods

outlined by Wen and Rose (1994) and Prata and Prata (2012).

Data from MODIS, AIRS, and IASI, all on polar-orbiting

platforms, were used to determine brightness temperatures

and, ultimately, fine (effective radii < 16 µm) ash mass load-

ings and particle sizes. Geostationary data from SEVIRI pro-

vided measurements every 15 min from which brightness

temperatures in five infrared channels could be used to detect

and quantify the very fine ash component. Figure S4 (Supple-

ment) shows ash mass and effective particle size retrievals

from SEVIRI at 6-hourly intervals on 23 May 2011.

The mass of very fine ash was estimated using SEVIRI

images by averaging in hourly intervals (four estimates per

hour) and adjusting the estimates for changes in viewing an-

gle, which can cause an error in the cloud-top temperature es-

timation. Mass is estimated by identifying only ash-affected

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

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

---