Klimaændringer gør nogle vulkanske faner mindre effektive til at reducere de globale temperaturer

Ny analyse af askeskyer skabt fra store vulkanudbrud viser, at de midlertidige køleeffekter ændres, efterhånden som miljøet bliver varmere.

Den 15. juni 1991 brød vulkanen Mount Pinatubo i Filippinerne ud med en katastrofal eksplosion så voldsom, at vulkanen kollapsede i sig selv. Dens gas- og askesky nåede omkring 40 km op i luften, og i ugerne efter kom skyen ind i stratosfæren og spredte sig rundt om kloden. I løbet af det næste år faldt den gennemsnitlige globale temperatur med omkring 0,5 grader Celsius.

En vulkan er en åbning i jordskorpen, der tillader varm, smeltet sten at undslippe til overfladen. Det tillader også gas og aske at undslippe fra jordens indre med høj temperatur.

Vulkanudbrud spiller en vigtig rolle i afkøling af planeten. Svovlgasserne fra de vulkanske faner kombineres med andre gasser i atmosfæren, og disse aerosoler spreder solstråling og reflekterer den ud i rummet. Men forskere er bekymrede for, at klimaændringer kan gøre udbrud mindre effektive til at reducere de globale temperaturer. Denne feedback-loop, hvor klimaændringer kan hindre eller forstærke vulkanudbruds evne til at bekæmpe stigende temperaturer, er i øjeblikket ikke inkluderet i fremtidige klimascenarier.

VOLCPRO-projektet havde til formål at undersøge to forskellige typer udbrud for at se, om global opvarmning ville kompromittere deres køleeffekt.

Thomas Aubry, en forsker ved University of Cambridge i Det Forenede Kongerige og Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) stipendiat på VOLCPRO, spekulerede på, om et udbrud som Mount Pinatubo ville have haft den samme afkølende effekt, hvis det skulle ske hundrede år senere i en verden, hvor den globale temperaturstigning - gennem virkningerne af klimaændringer - fortsætter ukontrolleret.

Højintensitetsudbrud

Den første type udbrud, der ligner Pinatubo-bjerget, er kendt som et højintensitetsudbrud. Denne type udsender faner af aske og partikler, der når 25 km eller højere op i atmosfæren, og indeholder milliarder af tons svovlgasser. Relativt sjældent opstår et udbrud af denne kraftfulde type med få årtier – Pinatubo-bjerget var et af de største udbrud, verden havde set i et århundrede.

Den anden type er mindre, men hyppigere. "Vi spekulerede på, hvordan klimaændringer vil påvirke disse to forskellige typer udbrud, de små versus de store," sagde Aubry.

VOLCPRO-holdet modellerede historiske udbrud, der viste deres indflydelse på klimaet, og simulerede derefter, hvad der ville ske, hvis de samme udbrud fandt sted i fremtiden, når klimaet har ændret sig, og de globale temperaturer er varmere.

Deres simuleringer var afhængige af U.K. Met Offices avancerede klimamodel. "Inde i den (U.K. Met Office) model tilføjede vi en anden model, der kan simulere stigningen af ​​en vulkansk fane, og hvor højt denne vulkanske søjle kan stige afhængigt af for eksempel vindtilstanden under udbrudsdagen eller temperaturen i atmosfæren på dagen og så videre," sagde Aubry.

For de store udbrud fandt de ud af, at afkølingen ville blive forstærket af global opvarmning, "hvilket er en slags gode nyheder," sagde Aubry. "Mere global opvarmning, mere vulkansk afkøling."

I en varmere atmosfære vil fjerene af højintensitetsudbrud stige endnu højere, hvilket tillader de små vulkanpartikler at rejse længere. Denne dis af aerosoler vil dække et bredere område, reflektere mere solstråling og forstærke disse vulkaners midlertidige køleeffekt.

Det modsatte var tilfældet med de mindre, hyppigere vulkanudbrud. I disse tilfælde modvirkede de varmere temperaturer de kølende effekter fra udbruddene.

Men før de presser på for at få deres resultater inkluderet i forskernes globale klimaforandringer, ønsker Aubry at undersøge andre vulkaner og andre modeller for at styrke deres resultater.

VOLCPRO fokuserede på tropiske vulkaner, da udbrud omkring ækvator har tendens til at påvirke klimaet globalt, fordi de vulkanske partikler let spredes til begge halvkugler. Ved at inkludere vulkaner tættere på polerne vil forskerne kunne fastslå, hvordan andre udbrud reagerer på højere temperaturer. De ønsker også at inkludere flere klimamodeller, ikke kun U.K.'s, for at sikre, at deres resultater er robuste.

Vulkanaske

I mellemtiden arbejder Elena Maters, en tidligere MSCA-stipendiat nu baseret på University of Cambridge i Storbritannien, på at finde ud af, hvad der sker med vulkansk aske i atmosfæren, og hvordan det påvirker skydannelsen og i sidste ende klimaet.

Vulkanaske fremmer isdannelse i atmosfæren, som i sidste ende erstatter vand i skyer. Skyer er et af de største spørgsmålstegn i klimaforskningen, og jo mere vi forstår, hvordan de dannes og opfører sig, jo mere præcise er vores modeller.

"Den almindelige antagelse er, at flydende vand vil blive til is under nul (grader)," forklarede Maters. Det er ikke altid tilfældet, og små dråber kan forblive flydende ned til omkring minus 35 grader celsius. Men partikler i atmosfæren skaber "katalytiske overflader, der gør det lettere for vandmolekyler at danne en iskrystal."

Mineralstøv fra sand, der stammer fra ørkenområder rundt om i verden, såsom Sahara- og Gobi-ørkenerne, er den dominerende kilde til faste partikler i atmosfæren. Der er dog mange andre kilder, herunder vulkansk aske.

INOVA-projektet søgte at fastslå, i hvilket omfang vulkansk aske hjælper med isdannelse.

"I et årligt gennemsnit er der omkring 10 gange mindre vulkansk aske (end mineralstøv) i atmosfæren," sagde Maters. "Men du kan have store udbrud, der hurtigt, i løbet af få timer til dage, kan frigive enorme mængder af partikler, og det er blevet forsømt i en masse klimamodelleringer og endda i tilfælde, der ser på vulkanernes påvirkning."

Isdannelse

Som en del af INoVA undersøgte Maters og kolleger effekten af ​​vulkansk aske til at fremme isdannelse. De sammenlignede dette med det allestedsnærværende mineralstøv og testede for at se, hvilke typer der var de mest succesrige.

Vulkanaske er for det meste glas, med et drys af mineraler som feldspat og jernoxider. Askens sammensætning afhænger blandt andet af sammensætningen af ​​magmaen, der ruller nedenunder, og den hastighed, hvormed den eksplosivt udslynges fra vulkanen.

Tidligere undersøgelser sammenlignede kun en håndfuld asketyper, sagde Maters, hvis forskning fokuserer på vulkansk askes reaktivitet og kemi. "Man kan ikke måle to eller tre prøver og derefter lave en konklusion for al vulkansk aske og vulkanudbrud på verdensplan. De varierer meget i glassammensætningen, andelen af ​​glas til mineraler, typerne af mineraler og så de eksperimenter, jeg lavede. forsøgte at komme til bunds i omfanget af effektiviteten af ​​vulkansk aske fra forskellige typer udbrud," sagde hun.

Maters tog ni askeprøver med en række sammensætninger og brugte dem til at skabe ni syntetiske prøver gennem smeltning og hurtig afkøling. Hun sammenlignede disse 18 prøver for at identificere, hvilke egenskaber der gør vulkansk aske mere aktiv i at skabe is. I en anden undersøgelse med en gruppe ved Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland analyserede Maters og kolleger yderligere 15 vulkanske prøver for at identificere deres isfremstillingsegenskaber.

Hun foreslog, at den mest isaktive komponent i vulkansk aske er alkali feldspat, et mineral sammensat af aluminium, silicium og oxygen, der almindeligvis findes i jordskorpen. "Nu, med denne forståelse af, hvilke mineraler i aske der er gode til at nukleere (danne) is," sagde Maters, "kan du måske forudsige, hvornår en vulkan går i udbrud, om den vulkan, baseret på dens magmasammensætning, kunne producere isaktivt aske."

Mens hendes arbejde tidligere var meget laboratoriebaseret, har COVID-pandemien tvunget hende til at modellere, jokede hun. Hun undersøger nu Eyjafjallajökull-vulkanudbruddene i Island i 2010 for at se, hvordan det introducerede isdannende partikler i atmosfæren, og hvordan disse partikler sammenlignes med mængden af ​​mineralstøv.

Undersøgelsen vil undersøge, hvordan vulkansk aske spiller en rolle i isdannelsen, når vi rent faktisk lukker den ind i atmosfæren. Det vil sammenligne det med andre typer partikler, såsom mineralstøv og stiller spørgsmålet:"Betyder det noget?"

Efterhånden som bedre klimamodeller udvikles, "det er et proof of concept at demonstrere, at eksplosive udbrud kan være vigtige at inkludere," sagde Maters. + Udforsk yderligere

Klimaændringer vil transformere køleeffekterne af vulkanudbrud, tyder undersøgelse på