Table of Contents

Взаимодействие вулканических извержений и глобального климата

На протяжении всей истории Земли, продолжающейся 4,5 миллиарда лет, извержения вулканов были одними из самых драматических и последовательных природных событий, формирующих климатическую систему планеты. Эти огненные явления не только меняют ландшафты и угрожают близлежащим сообществам; они вводят огромное количество газов и частиц в атмосферу, изменяя энергетический баланс Земли и приводя к изменениям температуры, осадков и моделей циркуляции, которые могут сохраняться годами или даже десятилетиями. Понимание этих отношений - это не просто академическое упражнение - оно дает решающее понимание того, как системы нашей планеты реагируют на внезапное воздействие, помогает улучшить климатические модели и готовит нас к будущим событиям, которые могут представлять угрозу для глобальной продовольственной безопасности, общественного здравоохранения и экономической стабильности. Изучая как фундаментальную науку, так и яркие исторические записи, мы получаем более глубокое понимание мощных сил, которые продолжают влиять на наш климат сегодня.

Наука о вулканическом климате, вынуждающая

Вулканические аэрозоли и соединение диоксида серы

Когда вулкан извергается взрывчато, он продвигает сложную смесь материалов в стратосферу: частицы пепла, водяного пара, двуокиси углерода и критически, двуокиси серы (SO2). В то время как более тяжелый пепел выпадает из атмосферы в течение нескольких дней или недель, SO2 подвергается химическому преобразованию, реагируя с водяным паром и гидроксильными радикалами, чтобы сформировать сульфатные аэрозоли - крошечные жидкие капли серной кислоты. Эти аэрозоли исключительно эффективны при рассеянии поступающего солнечного излучения обратно в космос, эффективно создавая отражающий зонт, который уменьшает количество солнечного света, достигающего поверхности Земли. Это явление обычно называют «вулканической зимой» или, более технически, отрицательным радиационным воздействием. Эффект охлаждения может быть глобальным, хотя он часто более выражен в тропиках и средних широтах, и может длиться от одного до трех лет в зависимости от размера извержения и высоты, достигнутой аэрозольным шлейфом.

Стратосферное время проживания и глобальный разброс

Что делает крупные извержения вулканов настолько климатически значимыми, так это их способность впрыскивать материал в стратосферу, стабильный слой атмосферы выше 10-15 км. В отличие от тропосферы, где погодные системы быстро выводят загрязняющие вещества, стратосфера имеет медленное горизонтальное смешивание и очень мало вертикального смешивания. Как только сульфатные аэрозоли образуются на этих высотах, они распространяются по всему земному шару через атмосферную циркуляцию - обычно кружа тропики в течение нескольких недель и покрывая всю планету в течение нескольких месяцев. Время пребывания этих аэрозолей может составлять от одного до трех лет, что означает, что одно большое извержение может влиять на климатические модели для нескольких вегетационных периодов. Спутники и наземные инструменты отслеживали рассеивание аэрозолей от событий, таких как извержение вулкана Пинатубо 1991 года, обеспечивая четкое подтверждение этого глобального охвата.

Истощение озона и вторичные эффекты

Помимо прямого охлаждающего эффекта, вулканические аэрозоли могут также способствовать истощению стратосферного озона. Частицы сульфата обеспечивают поверхности для гетерогенных химических реакций, которые активируют соединения хлора и брома, которые затем каталитически разрушают озон. Хотя эффект обычно не такой сильный, как у хлорфторуглеродов, созданных человеком, он может производить временные дыры в озоновом слое, особенно в средних широтах. Это, в свою очередь, увеличивает ультрафиолетовое (УФ) излучение на поверхности, с потенциальным воздействием на здоровье человека, рост растений и морские экосистемы. Взаимодействие между вулканическими аэрозолями, химией озона и климатом представляет собой сложную петлю обратной связи, которую ученые продолжают изучать.

Пороги размера и классификация

Не все извержения вулканов влияют на климат. Меньшие события, которые только выбрасывают материал в тропосферу, оказывают незначительное глобальное воздействие, потому что аэрозоли быстро выпадают. Чтобы вызвать измеримые климатические эффекты, извержение обычно должно иметь индекс вулканической взрывоопасности (VEI) 4 или выше и впрыскивать по крайней мере 1-5 мегатонн диоксида серы в стратосферу. Самые мощные исторические извержения, такие как Тамбора (1815, VEI 7) и Пинатубо (1991, VEI 6), легко превышают этот порог. Частота таких событий составляет примерно один раз в десятилетие для извержений VEI 5 + и несколько в столетие для событий VEI 6 + и VEI 7, что делает их повторяющимся естественным климатическим драйвером на человеческих временных масштабах.

Исторические исследования: Извержения, которые изменили мир

1815 год — Извержение горы Тамбора и год без лета

Извержение горы Тамбора на индонезийском острове Сумбава в апреле 1815 года является крупнейшим вулканическим событием в истории, с выбросом VEI 7 и примерно 50 кубических километров магмы. Взрыв был слышен на расстоянии более 2600 километров, и пепел упал через Индийский океан. С точки зрения воздействия на климат Тамбора выпустила примерно 60-120 мегатонн диоксида серы в стратосферу. Получившаяся в результате сульфатная завеса распространилась по Северному полушарию, в результате чего средние глобальные температуры упали на 0,5-1,0 °C в 1816 году.

Следующий год, 1816, стал печально известным как «Год без лета» в Европе и Северной Америке. Неурожаи были широко распространены: снег выпал в Новой Англии в июне, мороз уничтожил урожай в июле, а реки затопили на Британских островах. Нехватка продовольствия привела к беспорядкам, всплескам цен на зерно и всплеску эмиграции из Европы в Соединенные Штаты. Извержение также косвенно способствовало распространению тифа и холеры, поскольку недоедающие популяции стали более уязвимыми к болезням. Тамбора иллюстрирует, как одно природное событие может вызвать каскадные социально-экономические потрясения, которые повторяются годами.

Климатическая аномалия 536 года нашей эры: Вулканическая тайна

Исторические хроники шестого века описывают катастрофическое климатическое событие: солнце показалось тусклым и голубоватым, температура упала, посевы неоднократно терпели неудачу, и голод прокатился по Евразии. Исследования дендрохронологии (деревянного кольца) подтверждают, что 536 и последующие годы были одними из самых холодных за последние 2000 лет. Причина была прослежена до массивного извержения вулкана, вероятно, в Исландии или Северной Америке, которое вводило пепел и сера в стратосферу. Несколько извержений в 536, 540 и 547 годах, возможно, усугубили эффект, продлевая похолодание более десяти лет. Эта «пыльная завеса» теперь связана с наступлением позднего античного малого ледникового периода, который длился в начале седьмого века. Социальные последствия были глубокими: неурожаи способствовали упадку Восточной Римской империи, миграционные модели сместились, и некоторые историки утверждают, что экологический стресс помог создать условия для распространения разрушительной чумы Юстиниана. Событие 536 подчеркивает, как вулканическое воздействие может

Лакиские извержения 1783-1784 гг.: климатическая катастрофа и катастрофа здравоохранения

В то время как Тамбора славится взрывным насилием, извержения Лаки в Исландии (также известный как Skaftáreldar) демонстрируют, что даже эффузивные извержения в стиле трещины могут иметь огромные климатические и человеческие воздействия. С июня 1783 года по февраль 1784 года система трещин Лаки извергалась, выпуская примерно 120 мегатонн диоксида серы, сравнимого с Тамборой, но в основном в более низкую атмосферу (тропосферу). Полученные аэрозоли сульфата вызвали сильный «сухой туман», описанный по всей Европе как синяя дымка, которая блокировала солнечный свет. Летние температуры в Северном полушарии упали на 1-2 ° C, что привело к неурожаям по всей Европе. Сама Исландия была опустошена: эпизоотия скота убила более 50% лошадей, крупного рогатого скота и овец страны, вызвав голод, который убил около 20% населения в Исландии.

Помимо охлаждения, высокие уровни SO2 и других вулканических газов вызвали кислотные дожди, флюороз у сельскохозяйственных животных (что ослабило кости) и проблемы с дыханием у людей.Смертность резко возросла в Англии и Франции зимой 1783-1784 годов, частично связанная с вулканической дымкой. Извержение Лаки является суровым напоминанием о том, что даже невзрывная вулканическая активность может быть мощной угрозой для климата и здоровья, особенно когда газы выбрасываются на малой высоте и вблизи населенных районов.

Извержение горы Пинатубо 1991 года: современный пример

Извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в июне 1991 года было вторым по величине вулканическим событием 20-го века (после Новарупты в 1912 году) и самым тщательно контролируемым извержением с точки зрения климатических эффектов. Пинатубо выпустил около 20 мегатонн диоксида серы в стратосферу, образовав глобальный слой аэрозоля, который уменьшил солнечное излучение, достигающее поверхности Земли примерно на 10% и вызвал падение глобальной средней температуры на 0,5 ° C в 1992-1993 годах. Ученые из НАСА и других агентств отслеживали аэрозольное облако в течение многих лет с помощью спутниковых инструментов, обеспечивая подробную картину его формирования, дисперсии и распада. Извержение подтвердило многие прогнозы климатической модели и стало ключевой точкой данных для понимания чувствительности климата Земли к радиационному воздействию. Восстановление глобальных температур после извержения также продемонстрировало, как быстро климатическая система может отскочить после возмущения - хотя с затяжным воздействием на региональные погодные условия, такие как измененная зимняя циркуляция в Северном полушарии.

Другие известные извержения: Кракатау, Эль Чишон и Хуайнапутина

Извержение Кракатау в Индонезии в 1883 году произвело впечатляющие закаты в течение многих лет и вызвало падение глобальных температур на 0,5 ° C, хотя его воздействие на климат было более коротким, чем у Тамборы. Извержение Эль Чишона в Мексике в 1982 году ввело 7 мегатонн SO2 в стратосферу и способствовало глобальному похолоданию, хотя оно было омрачено гораздо большим событием Пинатубо. Извержение 1600 Хуайнапутина в Перу (VEI 6) связано с холодным периодом в Северном полушарии, что способствовало российскому голоду 1601-1603 гг. Эти примеры в совокупности показывают, что извержения тропических или высокоширотных вулканов могут возмущать климат, но величина и продолжительность эффекта зависят от стиля извержения, высоты инъекции, широты и фонового состояния климата.

Долгосрочные климатические эффекты: от десятилетий до геологического времени

Многолетнее охлаждение и аномальные погодные условия

В то время как наиболее известным эффектом извержений вулканов является временное глобальное похолодание, которое длится от одного до трех лет, недавние исследования показали, что более крупные события могут вызвать долгосрочные атмосферные и океанические реакции. Например, похолодание от Тамборы сохранялось в некоторых регионах в течение пяти лет, отчасти потому, что измененный температурный градиент между сушей и океаном изменил атмосферные циркуляции, такие как Североатлантическое колебание (НАО) и азиатский муссон. В течение года без лета струйный поток переместился на юг, принося более холодные и влажные условия в Европу и Северную Америку, парадоксальным образом вызывая засухи в некоторых частях Азии. Современные климатические модели предполагают, что сильный вулканизм также может ослабить африканские и индийские муссоны, уменьшая осадки в регионах, которые зависят от сезонных дождей для сельского хозяйства. Эти сдвиги могут иметь каскадные последствия для экосистем, наличия воды и производства продуктов питания долго после того, как основная часть аэрозолей осела.

Извержения вулканов и прошлые ледниковые периоды

В геологических временных масштабах крупные магматические провинции (Липы) — массовые, продолжительные извержения базальтов, покрывающие миллионы квадратных километров, — неоднократно меняли климат Земли на протяжении миллионов лет. Сибирские ловушки (около 252 миллионов лет назад) и Деканские ловушки (около 66 миллионов лет назад) являются классическими примерами. Сибирские ловушки извергались примерно 1 миллион лет и высвобождали огромные объемы диоксида серы, углекислого газа и галогенатов. Они сильно замешаны в качестве основной причины пермско-триасового вымирания, самого серьезного массового вымирания в истории Земли. За первоначальным охлаждением от SO2 последовало долгосрочное потепление от CO2, подкисление океана и истощение озона — комбинация, которая привела к коллапсу экосистем. Понимание этих древних событий помогает ученым ставить современную вулканическую активность в перспективе: в то время как одно извержение в масштабе Тамборы является всплеском в геологическом времени, устойчивый вулканизм может изменить весь планетарный климат.

Атлантическая меридиональная циркуляция (AMOC) и вулканические холодные заклинания

Недавние исследования показали, что кластер из нескольких крупных извержений в течение короткого периода (например, 536, 540 и 547 н.э.) может потенциально протолкнуть климатическую систему через переломный момент. Например, устойчивый импульс вулканического воздействия может ослабить Атлантическую меридиональную циркуляцию (AMOC) , систему океанического течения, которая транспортирует теплую воду на север. Более слабый AMOC усилит охлаждение в Североатлантическом регионе, что потенциально приведет к изменению штормовых путей, расширению морского льда и длительным холодным периодам в Европе. В то время как такой эффект требует нескольких крупных извержений в быстрой последовательности, кластер 536-540, возможно, был достаточно сильным, чтобы инициировать такой ответ, способствуя многодекадному охлаждению позднего античного малого ледникового периода.

Современные последствия: вулканы и изменение климата

Вулканический вклад в текущую изменчивость климата

В условиях продолжающегося антропогенного глобального потепления извержения вулканов могут обеспечить временную передышку от повышения температуры. Извержение Пинатубо в 1991 году вызвало измеримое падение тенденции глобального потепления примерно на два года. Некоторые исследователи предположили, что будущее крупное извержение может замаскировать некоторые из антропогенного потепления на короткий период, но этот эффект мимолетен и не решает основную проблему накопления парниковых газов. Более того, по мере потепления климата фоновое состояние атмосферы и океана может изменить то, как климат реагирует на вулканическое воздействие. Например, более теплая стратосфера может повлиять на химию и срок службы сульфатных аэрозолей, потенциально снижая их эффективность охлаждения. Это остается активной областью исследований.

Вулканические выбросы против человеческих выбросов

Важно отметить, что вулканы не являются значительными чистыми вкладчиками в текущее увеличение атмосферного CO2. Деятельность человека выделяет примерно 35 миллиардов тонн CO2 каждый год, в то время как глобальные вулканические выбросы CO2 оцениваются примерно в 0,2-0,5 миллиарда тонн в год - менее 1,5% антропогенных выбросов. Даже крупное извержение, такое как Пинатубо, добавило только около 0,05 гигатонн CO2, незначительно по сравнению с годовым объемом производства человека. Основным климатическим воздействием вулканов на короткие сроки является их охлаждающий эффект через SO2, а не потепление через CO2. Это различие часто неправильно понимается в общественных дискуссиях и заслуживает внимания.

Геоинженерия и вулканическая астрология

Способ, которым извержения вулканов охлаждают планету, впрыскивая аэрозоли в стратосферу, вдохновил предложения по впрыску стратосферного аэрозоля (SAI) в качестве формы солнечной геоинженерии для противодействия глобальному потеплению. Сторонники утверждают, что имитация эффекта извержения в масштабе Пинатубо может выиграть время, в то время как общества сокращают выбросы. Однако вулканические события также раскрывают риски: неравномерное охлаждение, разрушение муссона, истощение озона и неопределенные региональные воздействия. Извержение 1783 Лаки часто цитируется в качестве предостерегающего примера, показывающего, что даже естественные инъекции аэрозоля могут иметь серьезные непреднамеренные последствия. Хотя аналогия несовершенна, она подчеркивает важность понимания естественного вулканического климата, прежде чем пытаться преднамеренно вмешаться.

Мониторинг и готовность

Учитывая потенциал будущих крупных извержений, способных нарушить климат и общество, необходим активный мониторинг. Такие организации, как Глобальная программа вулканизма Смитсоновского института и Программы США по изучению опасности вулканов отслеживают вулканическую активность во всем мире, а спутниковые миссии, такие как NASA Ozone Monitoring Instrument (OMI) и спутник Copernicus Sentinel-5P , измеряют выбросы SO2 в режиме реального времени. Эти усилия по мониторингу помогают ученым прогнозировать извержения, моделировать рассеивание аэрозолей и предупреждать правительства о потенциальных последствиях для климата и здоровья. Улучшенное понимание прошлых извержений также способствует планам снижения риска бедствий для сельского хозяйства, водных ресурсов и общественного здравоохранения. Например, извержение в Тамборе сегодня, вероятно, вызовет широкомасштабные неурожаи, нарушит инфраструктуру и проверит устойчивость глобальных цепочек поставок. Меры по обеспечению готовности

Заключение

Вулканические извержения были и будут оставаться мощными формирователями климатической системы Земли. Начиная с Года без лета в 1816 году и заканчивая таинственным климатическим спадом 536 года нашей эры, от смертельного тумана Лаки до современной калибровки, обеспечиваемой Пинатубо. Наука ясна: впрыск диоксида серы в стратосферу приводит к глобальному охлаждению, изменению структуры циркуляции и потенциальному истощению озона. Эти эффекты могут длиться несколько лет и в редких кластерах вызывать долгосрочные климатические аномалии. Поскольку антропогенное изменение климата ускоряется, понимание роли естественных сил, таких как вулканизм, более важно, чем когда-либо. Это помогает совершенствовать климатические модели, информирует о решениях о потенциальной геоинженерии и подчеркивает необходимость надежных систем мониторинга. Следующее крупное извержение не вопрос, если, но когда — и быть готовым к его климатическим последствиям требует знаний, полученных нами от изучения вулканического прошлого.

Внешние ресурсы: Для дополнительного чтения см. USGS Volcano Hazards Program: How Volcanoes Influence Climate, NASA Earth Observatory: Volcanoes and Climate, Smithsonian Institution Global Volcanism Program, NOAA Paleoclimatology: Volcanic Impacts.